利用fNIRS脑成像技术揭示视觉艺术教育重塑大脑以提升创造力的研究
2026-06-05 来源:本站 点击次数:28
视觉艺术塑造创造力：来自 fNIRS 的脑科学实证
引言
创造力是产生新颖、有效且适应性解决方案的核心认知能力。视觉艺术教育，尤其是包含绘画、视觉想象与设计迭代的系统训练，被广泛认为能有效促进创造力发展。依据美学认知主义理论，艺术不仅具有审美价值，更能推动想象力、批判性思维与创造性问题解决等认知能力提升。现有研究表明，视觉艺术教育可同时增强领域特异性与领域一般性创造力，并能引发大脑神经可塑性变化。
但既往研究多局限于行为层面，缺乏对创造力背后神经机制的深入阐释；且创造力是想法生成、草图表达、修改完善的动态过程，不同阶段的脑网络活动差异尚未被系统揭示。为此，本研究借助fNIRS技术，探讨设计类视觉艺术教育影响创造力的动态神经机制。
论文概要
针对视觉艺术教育提升创造力的神经机制尚不明确这一问题，浙江师范大学、华东师范大学等团队在《npj Science of Learning》发表题为“Neural mechanisms underpinning the association between visual arts education and creativity”的研究。该研究以设计类视觉艺术教育为对象，采用准实验设计结合倾向得分匹配（PSM），对比设计专业与非设计专业学生在创造力任务中的行为表现与脑功能特征。被试完成产品设计、书籍封面设计、言语发散思维（AUT）及图形发散思维（TTCT figural）任务，同步采集功能性近红外光谱（fNIRS）数据，并从脑激活、功能连接与动态脑网络三方面进行分析。
研究方法
本研究采用准实验设计，以长期接受设计类视觉艺术训练的设计专业学生为实验组，未接受艺术训练的非设计专业学生为对照组。为控制年龄、性别、年级、智力（瑞文高级推理测验）及视觉工作记忆等混淆变量的干扰，提升组间可比性，研究者使用倾向得分匹配（PSM） 对被试进行匹配；匹配后采用加权独立样本t检验，比较两组在创造力行为表现与脑功能指标上的差异。
实验共包含四项创造力任务：
1. 产品设计任务：要求被试完成创新行李箱设计，历经问题痛点思考、方案构思、草图绘制与修订完善阶段，侧重功能创新、实用性、结构想象与外观创意；
2. 书籍封面设计任务：要求为武侠小说设计封面，历经概念构思、视觉策略思考、草图绘制与修订完善阶段，侧重视觉审美、内容契合度与图像构图表达；
3. 替代用途任务（AUT）：用于测量言语发散思维，要求被试尽可能多地列举常见物品的非常规用途，考察流畅性、原创性与综合创造力；
4. 图形托兰斯创造思维测验（TTCT figural）：用于测量视觉发散思维，要求被试基于几何图形建构新异图像，反映视觉想象与图形创造能力。
数据分析分为三个核心层面：
1. 脑激活分析：采用一般线性模型（GLM）估算各任务阶段较静息基线的beta增量，作为任务相关脑激活指标；
2. 功能连接分析：以皮尔逊相关计算通道间神经耦合（NC）强度，反映脑区间功能连接；
3. 动态脑网络分析：通过滑动窗口+K means聚类划分动态神经耦合状态，并结合图论指标（聚类系数、最短路径、全局/局部效率）评估不同状态的信息加工效率。
研究结果
行为表现：设计组创造力表现全面占优
设计专业学生在各项创造力任务中表现显著优于非设计组。产品设计与书籍封面设计任务中，设计组在新颖性、美学、完善度、想象力及总体评价等维度均更高，说明艺术训练可提升领域特异性创造力。在发散思维任务中，设计组AUT综合创造力得分更高，TTCT figural的流畅性、原创性与综合创造力均更优，表明视觉艺术教育对视觉形式创造力的促进作用尤为明显。
脑激活：两组采用不同神经加工策略
图4显示，两组在创作过程中表现出明显的脑激活差异。设计组在创意生成早期更强激活左侧背外侧前额叶，依赖高级认知控制与概念整合完成任务。非设计组则更多激活躯体感觉联合皮层、视觉皮层、额极与运动前区，在创作中更依赖感知表征、视觉加工与动作执行等基础通路，需要投入更多感觉运动资源。
图5的相关分析进一步显示，非设计组的躯体感觉联合皮层、次级视觉皮层激活水平与其创造力得分呈显著正相关，而设计组未出现这种显著相关，直观体现了两组在神经策略上的根本差异。
功能连接：设计组呈现更高效的神经模式
功能连接结果显示，设计组在任务相关脑网络中神经耦合强度更低，脑区活动更精简、更聚焦，符合神经效率假说。非设计组则表现出更强、更广泛的功能连接，反映出新手为完成创作需要大范围协调视觉、运动与认知系统，属于补偿性加工策略。
动态脑网络：设计组更高效且切换更灵活
动态网络分析在设计类任务中识别出三种状态，其中State 2为高效加工状态。设计组在产品设计中处于高效状态的时间更长，在封面设计中网络状态转换更灵活，能快速适配创作不同阶段的需求。在AUT和TTCT figural任务中两组无显著差异，说明神经优势主要体现在真实视觉艺术创作场景中。
结论与展望
本研究表明，设计相关视觉艺术教育与更优异的创造力表现密切相关。设计组不仅在产品设计、书籍封面设计等领域特异性视觉艺术任务中表现更佳，在言语与图形发散思维等领域一般性创造力任务中也呈现显著优势。神经机制上，设计专业学生在创作过程中更依赖左侧背外侧前额叶的高级认知控制与概念整合加工，而非设计组则更多依赖视觉、感觉与运动相关脑区的基础加工。功能连接与动态脑网络结果进一步显示，设计组大脑网络更为精简高效，且能在不同神经状态间灵活切换，说明视觉艺术教育并非使大脑活动强度提升，而是让创造性加工过程更加精准、经济与灵活。
不足与展望
研究不足
1.研究采用准实验设计，尽管通过倾向评分匹配控制了年龄、性别、年级、智力及视觉工作记忆等混淆因素，但仍无法排除两组在创造力基础、学习动机、视觉空间能力等方面的预先差异，因此仅能揭示关联而无法确立因果关系；
2.设计组包含产品设计、视觉传达、环境设计等多个亚专业，训练侧重不同，且样本以女性为主、来源单一，限制了结论的可推广性；
3.fNIRS 仅能检测皮层表面活动，难以探测基底节、海马等深部脑区，对全脑网络的解析存在局限。
未来展望
未来可开展纵向追踪与干预研究，以明确视觉艺术训练对创造力与脑功能的因果效应；结合 fMRI、EEG 等多模态成像技术，更全面揭示创造力神经环路；扩大样本多样性，提升结论普适性。
原文链接
Teng J, Qiao X, Lu K, et al. Neural mechanisms underpinning the association between visual arts education and creativity[J]. npj Science of Learning, 2025.
https://www.nature.com/articles/s41539-025-00388-1
研究团队介绍
该研究由 Jing Teng、Xinuo Qiao、Kelong Lu、Tuo Liu、Xinyue Wang、Zhenni Gao、Tingting Yu 和 Ning Hao 共同完成。作者单位包括：浙江师范大学心理学院儿童青少年心理健康与危机干预浙江省哲学社会科学实验室、华东师范大学心理与认知科学学院上海市心理健康与心理危机干预重点实验室、温州医科大学精神卫生学院、德国法兰克福歌德大学心理学研究所、南京师范大学心理学院、四川师范大学脑与心理科学研究院、合肥师范学院青少年心理健康与危机智能干预安徽省哲学社会科学重点实验室。
关于维拓启创
维拓启创（北京）信息技术有限公司成立于2006年，是一家专注于脑科学、康复工程、人因工程、心理学、体育科学等领域的科研解决方案供应商。公司与国内外多所大学、研究机构、企业长期保持合作关系，致力于将优质的产品、先进的技术和服务带给各个领域的科研工作者，为用户提供有竞争力的方案和服务，协助用户的科研工作，持续提升使用体验。
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引言
创造力是产生新颖、有效且适应性解决方案的核心认知能力。视觉艺术教育，尤其是包含绘画、视觉想象与设计迭代的系统训练，被广泛认为能有效促进创造力发展。依据美学认知主义理论，艺术不仅具有审美价值，更能推动想象力、批判性思维与创造性问题解决等认知能力提升。现有研究表明，视觉艺术教育可同时增强领域特异性与领域一般性创造力，并能引发大脑神经可塑性变化。
但既往研究多局限于行为层面，缺乏对创造力背后神经机制的深入阐释；且创造力是想法生成、草图表达、修改完善的动态过程，不同阶段的脑网络活动差异尚未被系统揭示。为此，本研究借助fNIRS技术，探讨设计类视觉艺术教育影响创造力的动态神经机制。
论文概要
针对视觉艺术教育提升创造力的神经机制尚不明确这一问题，浙江师范大学、华东师范大学等团队在《npj Science of Learning》发表题为“Neural mechanisms underpinning the association between visual arts education and creativity”的研究。该研究以设计类视觉艺术教育为对象，采用准实验设计结合倾向得分匹配（PSM），对比设计专业与非设计专业学生在创造力任务中的行为表现与脑功能特征。被试完成产品设计、书籍封面设计、言语发散思维（AUT）及图形发散思维（TTCT figural）任务，同步采集功能性近红外光谱（fNIRS）数据，并从脑激活、功能连接与动态脑网络三方面进行分析。
论文信息
研究方法
本研究采用准实验设计，以长期接受设计类视觉艺术训练的设计专业学生为实验组，未接受艺术训练的非设计专业学生为对照组。为控制年龄、性别、年级、智力（瑞文高级推理测验）及视觉工作记忆等混淆变量的干扰，提升组间可比性，研究者使用倾向得分匹配（PSM） 对被试进行匹配；匹配后采用加权独立样本t检验，比较两组在创造力行为表现与脑功能指标上的差异。
实验共包含四项创造力任务：
1. 产品设计任务：要求被试完成创新行李箱设计，历经问题痛点思考、方案构思、草图绘制与修订完善阶段，侧重功能创新、实用性、结构想象与外观创意；
2. 书籍封面设计任务：要求为武侠小说设计封面，历经概念构思、视觉策略思考、草图绘制与修订完善阶段，侧重视觉审美、内容契合度与图像构图表达；
3. 替代用途任务（AUT）：用于测量言语发散思维，要求被试尽可能多地列举常见物品的非常规用途，考察流畅性、原创性与综合创造力；
4. 图形托兰斯创造思维测验（TTCT figural）：用于测量视觉发散思维，要求被试基于几何图形建构新异图像，反映视觉想象与图形创造能力。
图1 研究实验流程图
a 整体实验流程，任务顺序随机排布b 产品设计任务流程c 书籍封面设计任务流程d 发散用途任务，即托兰斯创造性思维测验图形版分项流程
数据分析分为三个核心层面：
1. 脑激活分析：采用一般线性模型（GLM）估算各任务阶段较静息基线的beta增量，作为任务相关脑激活指标；
2. 功能连接分析：以皮尔逊相关计算通道间神经耦合（NC）强度，反映脑区间功能连接；
3. 动态脑网络分析：通过滑动窗口+K means聚类划分动态神经耦合状态，并结合图论指标（聚类系数、最短路径、全局/局部效率）评估不同状态的信息加工效率。
图2 实验设备、探头排布与近红外数据分析
a 实验场景布置b 光极探头阵列c 近红外数据分析流程
a 实验场景布置b 光极探头阵列c 近红外数据分析流程
研究结果
行为表现：设计组创造力表现全面占优
设计专业学生在各项创造力任务中表现显著优于非设计组。产品设计与书籍封面设计任务中，设计组在新颖性、美学、完善度、想象力及总体评价等维度均更高，说明艺术训练可提升领域特异性创造力。在发散思维任务中，设计组AUT综合创造力得分更高，TTCT figural的流畅性、原创性与综合创造力均更优，表明视觉艺术教育对视觉形式创造力的促进作用尤为明显。
图3 创造性表现的组间差异
a 产品设计得分b 书籍封面设计得分c 发散用途任务得分d 托兰斯创造性思维图形测验得分
a 产品设计得分b 书籍封面设计得分c 发散用途任务得分d 托兰斯创造性思维图形测验得分
脑激活：两组采用不同神经加工策略
图4显示，两组在创作过程中表现出明显的脑激活差异。设计组在创意生成早期更强激活左侧背外侧前额叶，依赖高级认知控制与概念整合完成任务。非设计组则更多激活躯体感觉联合皮层、视觉皮层、额极与运动前区，在创作中更依赖感知表征、视觉加工与动作执行等基础通路，需要投入更多感觉运动资源。
图4 大脑激活程度组间差异
a 产品构思第一阶段前半程b 产品构思第二阶段后半程c 产品绘制阶段后半程d 封面构思第二阶段后半程e 封面修改阶段前半程
a 产品构思第一阶段前半程b 产品构思第二阶段后半程c 产品绘制阶段后半程d 封面构思第二阶段后半程e 封面修改阶段前半程
图5的相关分析进一步显示，非设计组的躯体感觉联合皮层、次级视觉皮层激活水平与其创造力得分呈显著正相关，而设计组未出现这种显著相关，直观体现了两组在神经策略上的根本差异。
图5 大脑激活水平与创造性任务表现的相关性散点图
a 产品构思第二阶段左侧躯体感觉联合皮层 CH78 激活度与作品原创性得分b 产品绘制阶段 CH78 激活度与作品想象力得分c 产品绘制阶段 CH78 激活度与作品美感得分d 封面修改阶段右侧次级视觉皮层 CH30 激活度与封面实用性得分
功能连接：设计组呈现更高效的神经模式
功能连接结果显示，设计组在任务相关脑网络中神经耦合强度更低，脑区活动更精简、更聚焦，符合神经效率假说。非设计组则表现出更强、更广泛的功能连接，反映出新手为完成创作需要大范围协调视觉、运动与认知系统，属于补偿性加工策略。
图6 脑连接性组间差异
a 产品构思第二阶段前半程b 产品修改阶段前半c 产品修改阶段后半程d 封面构思第一阶段后半程e 封面构思第二阶段前半程
a 产品构思第二阶段前半程b 产品修改阶段前半c 产品修改阶段后半程d 封面构思第一阶段后半程e 封面构思第二阶段前半程
动态脑网络：设计组更高效且切换更灵活
动态网络分析在设计类任务中识别出三种状态，其中State 2为高效加工状态。设计组在产品设计中处于高效状态的时间更长，在封面设计中网络状态转换更灵活，能快速适配创作不同阶段的需求。在AUT和TTCT figural任务中两组无显著差异，说明神经优势主要体现在真实视觉艺术创作场景中。
图7 产品与封面设计任务下脑动态网络分析结果
结论与展望
本研究表明，设计相关视觉艺术教育与更优异的创造力表现密切相关。设计组不仅在产品设计、书籍封面设计等领域特异性视觉艺术任务中表现更佳，在言语与图形发散思维等领域一般性创造力任务中也呈现显著优势。神经机制上，设计专业学生在创作过程中更依赖左侧背外侧前额叶的高级认知控制与概念整合加工，而非设计组则更多依赖视觉、感觉与运动相关脑区的基础加工。功能连接与动态脑网络结果进一步显示，设计组大脑网络更为精简高效，且能在不同神经状态间灵活切换，说明视觉艺术教育并非使大脑活动强度提升，而是让创造性加工过程更加精准、经济与灵活。
不足与展望
研究不足
1.研究采用准实验设计，尽管通过倾向评分匹配控制了年龄、性别、年级、智力及视觉工作记忆等混淆因素，但仍无法排除两组在创造力基础、学习动机、视觉空间能力等方面的预先差异，因此仅能揭示关联而无法确立因果关系；
2.设计组包含产品设计、视觉传达、环境设计等多个亚专业，训练侧重不同，且样本以女性为主、来源单一，限制了结论的可推广性；
3.fNIRS 仅能检测皮层表面活动，难以探测基底节、海马等深部脑区，对全脑网络的解析存在局限。
未来展望
未来可开展纵向追踪与干预研究，以明确视觉艺术训练对创造力与脑功能的因果效应；结合 fMRI、EEG 等多模态成像技术，更全面揭示创造力神经环路；扩大样本多样性，提升结论普适性。
原文链接
Teng J, Qiao X, Lu K, et al. Neural mechanisms underpinning the association between visual arts education and creativity[J]. npj Science of Learning, 2025.
https://www.nature.com/articles/s41539-025-00388-1
研究团队介绍
该研究由 Jing Teng、Xinuo Qiao、Kelong Lu、Tuo Liu、Xinyue Wang、Zhenni Gao、Tingting Yu 和 Ning Hao 共同完成。作者单位包括：浙江师范大学心理学院儿童青少年心理健康与危机干预浙江省哲学社会科学实验室、华东师范大学心理与认知科学学院上海市心理健康与心理危机干预重点实验室、温州医科大学精神卫生学院、德国法兰克福歌德大学心理学研究所、南京师范大学心理学院、四川师范大学脑与心理科学研究院、合肥师范学院青少年心理健康与危机智能干预安徽省哲学社会科学重点实验室。
关于维拓启创
维拓启创（北京）信息技术有限公司成立于2006年，是一家专注于脑科学、康复工程、人因工程、心理学、体育科学等领域的科研解决方案供应商。公司与国内外多所大学、研究机构、企业长期保持合作关系，致力于将优质的产品、先进的技术和服务带给各个领域的科研工作者，为用户提供有竞争力的方案和服务，协助用户的科研工作，持续提升使用体验。
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