1、轉(zhuǎn)載 腦科學(xué)與教育 轉(zhuǎn)小泉 英明原文地址：腦科學(xué)與教育(轉(zhuǎn)小泉英明)作者：宋運來腦科學(xué)與教育-尖端研究與未來展望小泉英明(日本日立公司基礎(chǔ)研究所)一、生命與進化在研究腦科學(xué)與教育時，首先要探討生命是什么?因為，生命是構(gòu)成地球生命圈的最基本要素。在物理學(xué)上，每個生命都被定義為一個熱開關(guān)。地球漂浮在宇宙中，接受來自太陽的光和熱。在黑暗的宇宙中，生命受到太陽的恩賜，驅(qū)動著生命的熱開關(guān)。由于地球存在著高溫和低溫，從而產(chǎn)生了溫差，生命便可以從中攝取能量，然后向宇宙排出廢熱。每一個生命都是作為一個熱開關(guān)的形式存在，卵細胞與精子結(jié)合，通過分裂，逐漸形成內(nèi)臟系統(tǒng)。無論是動物還是植物，其內(nèi)臟系統(tǒng)都是相似的，能夠

2、根據(jù)外界環(huán)境的變化與刺激?？梢圆扇∵m應(yīng)環(huán)境的行動的生命被叫做動物。每一個生命都能夠組成自己再生、免疫系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，這就是生命系統(tǒng)?？茖W(xué)家考證，距今38億年前地球上誕生了生命，神經(jīng)系統(tǒng)的誕生大約在2億年前，人類祖先的出現(xiàn)大約在150萬年200萬年前。也就是說，生命是根據(jù)外界環(huán)境的變化與刺激而進化的，并以DNA的形式組成遺傳密碼，通過一代又一代地反復(fù)繁殖，使之更加適應(yīng)環(huán)境。二、信息與學(xué)習(xí)自從神經(jīng)系統(tǒng)形成后，采取適應(yīng)性的行動在進一步的擴大，這是由于動物的信息處理的能力在急速增加?，F(xiàn)在，外界給予我們腦的中樞神經(jīng)系統(tǒng)的信息處理量，要遠比我們體內(nèi)所擁有的遺傳密碼的信息量大得多。通過腦的中樞神經(jīng)系統(tǒng)對信息處理

3、的能力的提高，逐漸形成我們?nèi)祟愃赜械男睦頎顟B(tài)，這便是人類通過適應(yīng)環(huán)境發(fā)生了巨大變化的結(jié)果，所以，學(xué)習(xí)的內(nèi)容就顯得非常重要了。人類的本質(zhì)雖然有遺傳決定的一面，但是，也具有后天不斷變化的特性。從生命的歷史長河的演變來看，宇宙、太陽系、生命的誕生分別為137億萬年前、45億年前、38億年前；2500萬年前，猿的誕生，到550萬年前，人類與猿的進化出現(xiàn)了分化。人與黑猩猩的DNA的排列差約為1%。更確切地說，由于人類腦的前葉前區(qū)比猿大2倍，從而誕生了人類，而學(xué)習(xí)是促進人類進化的重要因素之一(見下圖)。三、教育是人類最大的發(fā)明黑猩猩與人類遺傳基因只有約1%的差異，但是，黑猩猩不能進行教育，盡管研究者總希

4、望找到黑猩猩的教育痕跡，但結(jié)果卻令研究黑猩猩的學(xué)者十分遺憾。京都大學(xué)的松澤先生對黑猩猩進行長期的觀察，發(fā)現(xiàn)人類與黑猩猩在語言、動作、教育、情感四個方面存在著差異，得出的結(jié)論是，黑猩猩沒有積極的教育痕跡，只會單純的模仿。椐最早發(fā)現(xiàn)黑猩猩使用工具的學(xué)者研究，他至今沒有發(fā)現(xiàn)黑猩猩會通過教育而提高使用工具能力的證據(jù)。所以說，教育是人類最大的發(fā)明，而這又應(yīng)歸功于人的大腦。人的大腦結(jié)構(gòu)由三部分組成，即腦干、舊皮層和新皮層。腦干負責(zé)維持生命(控制呼吸、心率、血壓等)，舊皮層負責(zé)驅(qū)動生存力，新皮層負責(zé)為了更好地生存(見下圖)。哺乳類的情緒是受腦干及舊皮層的支配，能夠表現(xiàn)出愛與恨的情緒。人類的腦不僅如此，腦的新

5、皮層能夠支配人類進行理性的選擇與判斷，這是人類不同于其它哺乳類的根本性的區(qū)別。圖腦結(jié)構(gòu)的分工示意圖四、生物學(xué)中對學(xué)習(xí)與教育的理解1.臨界期與中樞神經(jīng)退化研究者曾做過實驗，發(fā)現(xiàn)剛剛出生的小鴨子在看見離自己最近的、動著的較大物體時，它會認為是自己的母親，會跟在后面不離開，這叫做大腦的印刻現(xiàn)象，這不是遺傳密碼的作用。研究者曾使用玩具替代動態(tài)物做了實驗，發(fā)現(xiàn)印刻現(xiàn)象只在小鴨子孵化后的21小時到24小時之內(nèi)存在，以后便不再出現(xiàn)印刻現(xiàn)象，所以，人們把這段時間叫做臨界期(見下圖)。研究者做過這樣一個實驗，將小貓飼養(yǎng)在只有直條紋環(huán)境中的籠子里數(shù)月后，把鉛筆豎著在小貓眼前晃動，小貓有反應(yīng)，而將鉛筆橫著晃動時，它

6、沒有任何反應(yīng)。通過研究發(fā)現(xiàn)，小貓已失去了對橫線的視覺反應(yīng)，而且，錯過了對橫線視覺的臨界期，之后無論怎樣努力扭轉(zhuǎn)這一局面，都無濟于事，這只小貓將終身看不見橫線(見下圖)。隨著對腦的測量技術(shù)的發(fā)展，研究者發(fā)現(xiàn)在小貓腦的方位中樞區(qū)里，有處理直條紋和橫條紋的中樞神經(jīng)。但是在小貓對豎線和橫線的視覺發(fā)育臨界期時期，由于沒有給它橫線視覺的刺激，導(dǎo)致方位中樞區(qū)內(nèi)處理橫條紋的中樞神經(jīng)退化掉了，因此，小貓看不見橫條紋。研究者發(fā)現(xiàn)，幼兒時期，特別是1歲到1歲半這一段時間，由于某種原因戴上眼罩，遮住一只眼睛，這只眼睛得不到外界刺激，就會導(dǎo)致這一只眼睛的弱視。道理與上述小貓的實驗一樣，這只眼睛的視覺中樞的神經(jīng)由于沒有外

7、部刺激，導(dǎo)致大腦視覺區(qū)對應(yīng)的眼球無法形成柱層，最后退化掉了(見下圖)。2.神經(jīng)連接部增減與髓鞘化規(guī)律神經(jīng)有接受輸入信號的很多樹狀突起和輸出信號的一根軸束。1個神經(jīng)細胞有一千到一萬個神經(jīng)連接點(突觸)。實際上1立方毫米中的一級視覺區(qū)的突觸以兆為單位，估計有10的12次方之多。突觸的數(shù)量從妊娠到出生逐漸增加，出生后更是急速增加，視覺區(qū)在8個月時達到頂峰，其后開始減少，這是遺傳的表現(xiàn)(見下圖)。圖神經(jīng)連接部(突觸)的增減與修剪但是，為了適應(yīng)環(huán)境，沒有受到刺激的部分逐漸退化，這種現(xiàn)象叫做修剪。如果我們在被修剪了的那部分上，想來創(chuàng)造出新的東西，就如同在沙地上蓋樓房。所以，我們要想解決出現(xiàn)在當(dāng)今社會上的諸

8、多教育問題時，應(yīng)該是在幼兒時期抓起，需要我們根據(jù)其發(fā)展規(guī)律，來逐漸完善教育論的原理。另外，一個重要的問題是貫穿我們一生的，就是應(yīng)該遵循腦神經(jīng)的髓鞘化規(guī)律。髓鞘化是指神經(jīng)纖維外面形成的絕緣體。由于絕緣體的作用，可以使信息傳輸速度提高100倍。神經(jīng)的髓鞘化是有順序的，這種順序的標(biāo)定在100年前就完成了(見下圖)。該圖是P.Flechsigs figure(1898)解剖了大量的尸體后繪制的。圖腦神經(jīng)髓鞘化的順序最早的(1)是出生時就已經(jīng)具有的部分，這部分在運動區(qū)，指揮運動，嬰兒在母親肚子里就可以踹腳等，其后是體表感覺。在順序號高的(36)到(40)的部位髓鞘化最晚，是前頭聯(lián)合區(qū)。與黑猩猩相比，人類

9、的前頭聯(lián)合區(qū)的DNA(遺傳密碼)的排列僅有約1%的差異，但是，體積卻大兩倍。這部分的髓鞘化一直要持續(xù)到20歲以后。這部分的主要功能是判斷和推理等。3.學(xué)習(xí)與教育的新生物學(xué)定義如上所述，在尚未髓鞘化的部位進行長時間的教育肯定效果不好。所以，我們應(yīng)該按照這方面的研究成果徹底修改現(xiàn)在的教學(xué)計劃(見下圖)。根據(jù)神經(jīng)連接部增減特征與腦神經(jīng)髓鞘化規(guī)律，我們應(yīng)該從新的角度對學(xué)習(xí)與教育進行定義。所謂學(xué)習(xí)是受來自環(huán)境(除自己以外所有一切)的外部刺激構(gòu)筑中樞神經(jīng)通道的過程。教育是控制、補充外部刺激的過程。在教育中，我們當(dāng)然應(yīng)該加入希望的刺激，但是，我們認為是好的東西，往往在事實上很難確定就是好的東西。還有來自外界

10、刺激的學(xué)習(xí)，與學(xué)校所實施的控制、補充外部刺激的教育是否相違背，其后果如何等問題，需要我們進一步研究。圖關(guān)于學(xué)習(xí)教育的新生物學(xué)定義上述講的學(xué)習(xí)與教育是包括從出生到死亡的一生的概念，從腦科學(xué)與教育研究的角度出發(fā)，這里所講的學(xué)習(xí)與教育是由過去狹義的學(xué)習(xí)概念擴展到一生的概念，那么，我們在現(xiàn)實中應(yīng)該怎么做?這是我們應(yīng)該思考的問題。我們通過實驗發(fā)現(xiàn)，人從一誕生到死亡，能夠從自然環(huán)境中學(xué)習(xí)，通過視覺認知空間，通過接觸感受愛和睡眠節(jié)奏，通過音樂熟悉音程和節(jié)奏，通過語言懂得音素和生成語法的規(guī)律等，這是腦的突觸結(jié)合所致。為此，我們利用語言、音樂、自然環(huán)境等對有障礙的人群進行了療育治療達到康復(fù)。此外，如果遵循修剪突

11、觸和髓鞘化的過程，那么，人們在經(jīng)歷著從小學(xué)到大學(xué)階段的學(xué)校系統(tǒng)教育中，應(yīng)該是先學(xué)習(xí)知識和理解知識，然后通過實地訓(xùn)練獲取學(xué)習(xí)經(jīng)驗后，擁有判斷力和創(chuàng)造力，最后達到擁有管理和統(tǒng)轄的綜合能力(見下圖)。圖腦功能發(fā)育與綜合課程4.與教育關(guān)聯(lián)的社會問題與教育關(guān)聯(lián)的社會問題方面的研究剛剛開始，但是，我們應(yīng)該充分考慮從誕生到1歲，神經(jīng)的突觸經(jīng)過修剪(以自然死亡的形式，不必要的神經(jīng)細胞逐漸融化)現(xiàn)象，以及到10歲的髓鞘化問題。也要考慮學(xué)校教育以外的各種各樣地方，在自然環(huán)境中的學(xué)習(xí)，治療和康復(fù)，以及少年法和刑法等問題。例如現(xiàn)在已經(jīng)成為人們關(guān)注的教育環(huán)境問題，如育兒與保育、3歲兒神話、幼兒虐待、溫暖的心、媒體影響、

12、網(wǎng)絡(luò)游戲，特別是早期教育，這些行為到底意味著什么?需要我們進行認真的探討。其次是一般教育中對每一個人的充分教育的問題，17歲的問題，最適當(dāng)?shù)恼n程的問題，特別是信息化和媒體的發(fā)展出現(xiàn)的遠程教育，創(chuàng)造性教育的問題。在特殊教育的問題中，腦障礙兒童的問題，還有日本人下了很大力氣進行了英語教育，日本人卻不會說英語，語學(xué)教育在國際化社會中出現(xiàn)了問題。少子化和高齡社會中如何保持健康的精神狀態(tài)的康復(fù)訓(xùn)練問題，預(yù)防癡呆的問題。上述提出的是些概念性的內(nèi)容，在現(xiàn)實中如何進行具體的研究非常困難，不過，現(xiàn)在已經(jīng)有了測定大腦的無損傷測定方法，這方面的研究可以證明我們現(xiàn)在的教育方法是正確的還是錯誤的。其中，我們必須要重視單

13、純的早期教育與意思完全不同的心理活動的理論的研究，以揭示我們今后的教育課題是什么。5.對心理活動理論的期待所謂心理活動的理論，在行為學(xué)和心理學(xué)中的解釋稍微有所不同，從整體平均數(shù)的角度上看，心理活動的理論是對應(yīng)著物質(zhì)理論。物質(zhì)理論是根據(jù)物理定律的運動規(guī)律，做出反應(yīng)，一般與各種運動和體育等有密切關(guān)聯(lián)。如在玩耍中，突然從遠處飛過來了一個球，人們會不由自主地用伸出手去擋住或者是接住球。球的運動規(guī)律是遵循牛頓力學(xué)方程式，在什么瞬間?什么方位伸手?是由我們過去的經(jīng)驗決定的，是神經(jīng)系統(tǒng)經(jīng)過學(xué)習(xí)獲得的。如果兒童時期玩兒得多，誰都可以做到。再如棒球比賽中的球員看到了球，還要綜合考慮風(fēng)向和風(fēng)力，才能夠接住球。這是

14、物質(zhì)理論與我們腦神經(jīng)系統(tǒng)構(gòu)建的一種反射行為。心理活動理論是根據(jù)人的心理活動的精神表現(xiàn)，做出的反應(yīng)。如我們與某人談話時，對方的臉色逐漸在變化，我們在感到哎，奇怪的時候，會不由自主地用手摸自己的臉或者及時調(diào)整自己表述的方式。這是無論多么懂牛頓力學(xué)的人都無法預(yù)測的事情。在我們已有的經(jīng)驗中從自己的感覺上進行判斷，來看透對方的心，這種為了看透心的原理叫做心理活動理論。所以，如果自己不能構(gòu)建好這種心理活動理論，就不明白對方的事情，不知道對方的立場，也感覺不到對方的痛苦(見下圖)。我們有必要對心理理論進行科學(xué)研究，從而達到解決當(dāng)前社會出現(xiàn)的種種社會問題的沖突。如何才能在兒童時期就培養(yǎng)他們懂得心理活動理論，期

15、待我們腦科學(xué)來解決這一問題。圖心理活動理論(Theory of mind)的發(fā)展腦科學(xué)研究，是將心與體1對1的對應(yīng)起來。心是指精神，也稱為形而上學(xué)，它的形成過程：感覺、認知、思維，實現(xiàn)這三個過程的核心是記憶；在記憶的基礎(chǔ)上，形成了意志，通過自我意識或語言來表現(xiàn)出來，最后做出決定、計劃、行動，實現(xiàn)這三個過程的核心是情動，這一過程通過心理裝置進行觀察是可能的。體是指物質(zhì)，也稱為行而下學(xué)，它的形成過程：通過感覺器官將外界的刺激，通過脊髓和腦干傳送到丘腦，在感覺聯(lián)合區(qū)和一級感覺區(qū)(大腦邊緣系統(tǒng))進行高級聯(lián)合，這一階段是與心的感覺、認知、思維相對應(yīng)的。下一階段是高級聯(lián)合，進入腦干(運動聯(lián)合區(qū))和脊髓(一

16、級運動區(qū)，即大腦邊緣系統(tǒng)小腦)后，反應(yīng)到肌肉，這是個過程是可以通過儀器測量效果，這一階段是與心的決定、計劃、行動相對應(yīng)的。這里需要說明的是，精神與物質(zhì)之間的聯(lián)合過程語言發(fā)揮了極其重要作用(見下圖)。圖心與體的1對1的對應(yīng)五、腦科學(xué)的研究成果1.大腦無損傷測定方法目前對人的活體大腦進行無損傷測定方法有三種：一是根據(jù)從腦泄露到神經(jīng)的磁場檢測的MEG(腦磁圖)；二是EEG(腦電圖)；三是FMRI核磁共振法。最近，又有使用近紅外線的光導(dǎo)測定儀。這種儀器可以測定神經(jīng)活動過程中的血液量的變化。使用光導(dǎo)測定儀可以對自然狀態(tài)下的腦，特別是對大腦皮層的活動進行測定。如果使用大型裝置，可以清楚地看到腦的中心部的活

17、動情況。我們已經(jīng)做過健康兒童和嬰兒在自然狀態(tài)下的測定。在頭發(fā)與頭發(fā)之間的頭皮處接上光導(dǎo)裝置，將弱的紅外線近紅外線照射到腦里，另一個光導(dǎo)接受返回的光線，就可以測定神經(jīng)活動過程中的血液量的變化情況。無論是動著還是躺著，以及在學(xué)習(xí)中，都可以進行測定(見下圖)。2.新生兒聽覺測定結(jié)果我們成功地使用光導(dǎo)測定儀，對出生后5天內(nèi)的新生兒進行過測定。測定的是意大利新生兒，當(dāng)然是生活在意大利語環(huán)境中，給剛剛出生5天的新生兒聽母語磁帶，腦內(nèi)的反應(yīng)很明顯，左半球反應(yīng)稍大于右半球。但是，將母語會話的錄音帶放完，在倒磁帶時，由于該聲音已經(jīng)不是語言，所以新生兒的腦內(nèi)反應(yīng)變小，等到無聲時，新生兒的腦內(nèi)沒有反應(yīng)。也就是說新生

18、兒對母語的反應(yīng)最明顯。為此，我們可以建立兩個假說：懷胎30周的腦聽覺區(qū)的基本部分已經(jīng)完成，在逐漸髓鞘化。胎兒通過羊水管學(xué)習(xí)母親的語言，到出生時已經(jīng)在肚子里聽母親的語言聽了10個星期。當(dāng)然，因為是在羊水里，只能聽到語言的高低音和節(jié)奏。那么，第一個假說是出生后5天的新生兒已經(jīng)可以識辨母語。第二個假說是新生兒出生前就對母語有反應(yīng)。到底哪個假說正確，我們還在做進一步的研究(見下圖)。3.高齡者的腦機能的恢復(fù)在高齡者方面的研究，一位68歲的老年患者因腦溢血左腦損傷很嚴重，完全喪失了語言能力，半年后語言能力逐漸得到了恢復(fù)。這時我們使用光導(dǎo)測定儀對他的腦進行了測定，按照常理說，他的語言中樞應(yīng)該在左半球，右半球沒有語言中樞。但是，研究發(fā)現(xiàn)，患腦溢血半年后，他的語言中樞完全轉(zhuǎn)移到右半球了。一年后我們再次測定，發(fā)現(xiàn)左半球被破壞了語言中樞周圍又有了語言中樞。這說明老年人的腦也是可以恢復(fù)的(見下圖)。4.年輕性癡呆的改善現(xiàn)在，年輕性癡呆、年輕性記憶障礙已經(jīng)成為社會問題。例如，讓被試驗者進行簡單的心算，用100減7，逐漸往下減，同時用光導(dǎo)測定儀進行觀察發(fā)現(xiàn)腦的活動，發(fā)現(xiàn)工作記憶區(qū)的活動高。但是，使用計數(shù)器算時工作記憶區(qū)幾乎不活動。我們現(xiàn)在生活在非常方便的生活中，會出現(xiàn)腦的運動不足和腦的肥滿問題。因此，不僅是身體，腦也需要不斷地受刺激