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脑与教育学习札记(7)——突触保留得越多越好吗?


在有些电视台和报纸上,你经常可以看到这样的广告:你孩子的突触只用了10%,因而为了不输在起跑线上,你的孩子要……。这种广告宣传的内容大多是没有科学根据的。

 

脑发育的许多关键步骤是在出生以前完成的。在怀孕最初的几周里,神经管的发育就开始了。在怀孕7个月时,几乎所有构成成熟大脑所需的神经元都已生成。这个过程主要是由基因决定的。母亲的生理和心理状况会影响胎儿的生长,外部因素对胎儿的影响主要是因为影响了母亲的健康而导致的。

人从出生直到25岁左右,是脑的发育时期。人脑的发育期比一般的哺乳动物要长,这和人脑具有较大的皮层,特别是具有较大的前额皮层有关,这也说明人脑的复杂和学习经历的重要,说明人脑的功能受后天经历影响而变化的范围要较其它的哺乳动物大,因此科学家提出人脑具有可塑性(Plasticity)。什么是可塑性呢?目前通用的定义是,在外部环境刺激改变时,或是在脑内部本身产生某些缺失时,神经系统产生的某种调整。

人们对神经系统可塑性的研究产生兴趣,是因为环境对脑的发育会产生正面,也会产生负面的影响。人们希望知道,什么外界环境和经历,在什么时间段里对人脑的影响最大。人们可以利用可塑性研究的成果,对大脑有缺陷的人,特别是儿童进行治疗和恢复;可以在了解环境和早期教养对大脑影响的基础上,指导儿童的学习和成长。人对脑发育的研究在近年来取得了很大进展,这些研究为我们回答上述问题提供了许多有益的启示,但是这种探索还远远没有完成,对一些问题的看法也还有分歧。

 

新生儿平均脑的重量小于400,而一般成年人脑的重量是1400,绝大部分脑重量的增加发生在出生后的前5-6年,在六岁左右,脑重量已达到成人值的90%,最大值出现在20岁左右,这以后逐年有所减少。从出生到青春期,脑的体积增加了四倍,体积的增加也主要发生在最初的5-6年。平均来说,男性脑的体积要比女性的大10%

在人出生后,脑发育过程至少会发生以下四方面的变化:

1,        神经元(细胞)突触的大量产生、连接和剪除,伴随着这个突触变化的过程,同时会发生神经元轴突、树突以及树突棘的生长和改变。

2,        轴突髓鞘化的过程。为了使沿着轴突传输的神经电信号传输加快,以及加固神经元之间的连接,在脑发育过程中,在神经元轴突的外面会形成一层磷脂分子的包层,这个过程称之为髓鞘化的过程,它是神经元正常工作所必需的。髓鞘化以后的轴突呈白色,这就是我们通常脑解剖图中看到的,称为白质的部分。

3,        功能区的连接和重组。脑的不同区域起着不同的作用,儿童和成年人脑中各区域的分工是有不同的,在脑的发育过程中,脑的功能分区会逐渐明朗和变化。

4,        神经递质的发育。神经递质对脑功能的影响是很大的,对这方面我们目前还了解得比较少。

   所以,在脑的发育过程中不仅是发生突触变化和连接这样一个过程,而是至少要考虑上述几个过程。

   在婴儿出生前后,会很快的生成大量的突触,称为突触发生过程(synaptogenesis)。这大量生成的突触之间的连接是杂乱的,不稳固的,它们大多是不具备功能的,然后在基因和外界刺激的共同作用下,突触进行连接优化和连接稳固的过程。这个过程在不同的脑区是不一样的,在同一脑区中,不同时间里的变化也不一样,有时快,有时较平稳。这种变化过程受基因的控制和受外界教养环境的影响程度也不一样。出生后,脑的新陈代谢(葡萄糖消耗,突触产生功能的一个大致的标志)在幼年时要比成人高。大致在45岁时达到最高值,约为成人的150%。在大约10岁时大多数皮层的新陈代谢降到了成人的水平,新陈代谢量的下降伴随着突触总量的降低。因此,突触的生成、连接优化和剪除都是必要的,剪除也是突触优化的过程。

下面两张图摘自芝加哥神经生物学家Peter R. Huttenlicher 的专著(1)。第一张图说明视觉和听觉皮层突触到达最大值的时间,要比前额皮层要早。轴突、树突和突触生成对视觉和听觉皮层来说,412个月时突触密度就达到了峰值,约为成人时密度的150%,随后会剪除。24岁时在视觉皮层中突触密度逐渐降到了成人水平。前额皮层则较慢。峰值出现在一岁以后,1020岁之间才能降到成人的水平。这个过程的先后,反映了不同皮层区域功能发育的顺序。一般可以这样认为,在突触快速增加的时段表示该种功能出现,突触的峰值时段对应着该皮层区可塑性较好的时段,而当该区域突触剪除并降到成年人水平时,表示该种功能的可塑性降到成人的水平。因此,人脑较早发育的是初级感知皮层,如视觉、听觉皮层等发育成熟得要早些,然后是动作皮层、联合皮层和边缘皮层(包括被称为情绪发动机的杏仁体)。而负责脑高级功能的区域,如控制功能和逻辑推理功能的前额皮层要到20岁以后才能最后发育完成。

 

2显示的是和语言有关的几个区域:Heschl回是听觉皮层区;Wernick区是语言理解的区域;而Broca区是语言表达区。从突触发育的情况看,婴儿先有听觉,在能开口说话以前就能听懂一些语言,养育者应该在婴儿会说话以前,就和他讲话。

突触的大量生成是基因设置的过程,突触的连接需要外界的刺激,至少需要外部刺激的触发。一些基本的感知功能,如视觉、听觉、触觉等方面突触的连接受基因的影响较大,但也会受到经历的影响,存在对外界刺激敏感的关键期,而脑的一些高级功能,如认知、决策、逻辑推理等,受外界环境的影响就大一些,脑在这些功能上具有可塑性的时间就长,甚至是终生都可以具有。现在对脑发育功能研究得比较清楚的是视觉的发育过程和语言的习得过程,包括第二语言的习得过程,对于不同种类记忆的形成,情感的发展过程也有相当多的研究结果已经发表,关于这些,我们将逐步和大家讨论。

从目前神经科学进展的情况来看,我们对人脑可塑性的了解,还只是初步,因而一些有关的研究结果主要用于对残疾和有疾病儿童的治疗,以及避免对儿童正常成长不适当忽略和虐待行为,让儿童能有一个幸福的、正常的和有益的童年,重视他们身体健康和社会情绪的培育,为他们一生的发展打下基础。我们不主张让儿童参与一些强化训练,更不应该给儿童随便吃药,以求提高智力。对于一些开发儿童潜能的项目,可以要求他们介绍项目的科学依据,一般应该有若干篇发表在有信誉的科学杂志上署名的科学论文作为依据。

主要参考文献

Peter H HuttenlocherNeural PlasticityHarvard University Press2002ISBN 0-674-00743-3

发布于2005年10月28日 23:00 | 评论数(4) 阅读数(8390) 脑与教育

脑与教育学习札记(6)—还原论和二元论


在脑与教育学习札记(5)中,曾经提到学习在脑中分子层次发生的过程是神经元(细胞)突触处连接的变化。如果需要通过学习形成长期记忆的话,需要在突触处发生结构的变化,有时还会伴随着神经元中轴突和树突的生长


    是否从神经元突触的变化就可以确定宏观学习行为的成效呢?我们认为并不是这样。虽然,有的学者十分强调学习过程中突触变化的作用,例如日本的小泉英明博士就把学习直接定义为:在外界环境刺激下使神经元连接发生变化的过程(
The Process of making neuronal connection by external environment stimuli-Hideaki Koizumi),他是日本脑与教育项目的总协调人;又例如美国神经科学家莱顿克斯Ledoux,在他最近写的一本新书的开头就明确标出:你就是你的突触(You are your synapsises-Joseph LeDoux),他是研究恐惧情绪十分著名的脑科学家。但是,我们认为,从突触的变化到形成宏观的行为还有许多层次,突触的变化是分子层次的变化,形成一种人的行为要取决于神经元形成的网络和这些网络联结组成的系统,以及不同系统之间协调运作的情况。仅就由神经元构成的神经网络而言,对它的模拟目前科学上还无法做到。我们脑中神经网络的复杂性主要不是由于神经元数量之庞大,虽然在我们的脑中有数以千亿计的神经元,每个神经元又可以具有多至数千个突触,今天人类已经造出了超级计算机或是网格计算群,计算量大不是根本性的困难,神经网络复杂在于它是一个“活”的化学网络。

 
    神经元在突触处形成了一个间隙,在刺激下形成沿轴突传输的电讯号,它到达突触间隙时,激发突触前的细胞膜释放出化学分子,这些化学分子扩散到突触间隙后的细胞膜处,重新激发出沿下一树突传播的电讯号。已经发现数以百计的不同种类的这些化学分子,我们称它们为神经递质或神经调质。这个过程我们在《脑与教育学习札记(2)》中提到过,还给出了一张图。这种电-化学-电的突触传输特性使得神经网络“活
得,或者说复杂得使我们用今天的科学手段还无法模拟它。


     回想在八十年代时,我和我的学生研究过对人脑神经网络的模拟问题,那时我们就知道,从1个端口接到N个端口的发散网络,瞬间变成从N   个端口会聚到1个端口的会聚网络,对化学分子构成的网络来讲,可以说是不费吹灰之力,化学分子能在液体中扩散,而对用半导体做成的物理网络而言,几乎没有可能。我们曾想用LB膜(单分子膜)来做神经网络局部特性的模拟,后来也没有做下去。那时,我曾到日本去参观Aizawa教授的实验室,他用真的生物分子在模拟人的嗅觉神经系统,不知后来有否结果?他现在是日本东京工业大学校长。

 
    由于化学过程的参与,使得神经网络即使是结构没有变化,也会在瞬间,因神经递质的变化而导致等效的网络特性发生很大变化。举个常识的例子,我们很多人都有这样的经历,在考试时。看到一个不会做的题目,情急之下。脑子会“轰”的一下变得一片空白,镇静下来,又可以恢复常态,这时神经网络的结构不可能在短时间里变化,但是神经递质的分布状态变化了,我们的学习行为也就发生变化了。


    认为可以从分子层次逐渐了解精神领域的行为,如认知、情感、意识、决策等,这种观点在哲学上称为还原论的观点,像上面列举的一些脑科学家所持的就是此类观点。也有另一派的观点,认为对人精神领域的问题不能用物质领域的实体 — 脑来说明,精神和物质世界是分离的,这种观点的被称为二元论的观点,典型的就是西方哲学家笛卡儿的有关二元论的名句“我思故我在”。


    好在中国的哲学具有较丰富的辨证的底蕴,我们可以不取极端,对研究心智、脑和教育持积极的态度,让科学研究的进展说明问题。我们大概可以说“我在故我思”,这里的“我”是指“脑”。
我们的心智(Mind)与肉体(Body)不是分离的,而是和我们脑中神经元的组织结构、树突结构、突触的树突棘等形态有关,和神经递质有关。它们不仅取决于基因,也取决于经历,特别是学习的经历,并从良好的经历中受益。

如果大家基本接受这样的学术观点,我们就可以进一步讨论一些问题,如,从出生到青春期结束脑的发育过程,我们能了解多少有关人的认知和情感发展规律?人的记忆系统有几类?为什么我们认为孩子5岁以前背诵的诗句一般是记不住的?什么时间学习第二语言是合宜的?等等问题。(待续)

发布于2005年10月16日 20:56 | 评论数(21) 阅读数(7422) 脑与教育

与教育学习札记(5)——什么是学习?


学习不是人类特有的本领,但人类无疑是在我们目前所能知道的世界中,学习能力最强的生物。而且,学习对人类的生存和发展来说,又是最至关重要的社会行为。在记载孔子及其弟子言论的《论语》中,开卷的标题就是“学而第一”记载的孔子的第一句话就是“学而时习之。不亦说乎。”

什么是学习呢?不同领域的人们有不同的定义。但是大致上是两类:一类如教育界通常所使用的关于学习的定义,把学习定义为是后天获得知识的过程,强调的是知识的获取。而另一类是一些哲学家和科学家通常所使用的,把学习定义为学习是使主体产生行为或行为潜能的相对恒久变化的过程在同一领域里,也有同时使用上述两种定义的。我们认为,后一种定义不仅强调获取知识,而且强调人获取知识以后所引起的行为变化;同时,也没有把学习限定为后天获得的行为,也许比较合理。


    不管是那一种定义都涉及到几个需要进一步研究的问题:

1,        什么是知识?

2,        学习能力是人在后天习得的,还是先天具有的?或两者兼有?

3,        学习所包含过程的实质是什么?

4,        学习引起的行为变化主要包括那些方面?

5,        在人的一生中,学习的能力和特点有没有变化?如果有,它的规律是什么?

6,        怎样能有效地学习?

    在人类的整个文明史中,人类对这些问题的探索没有间断过,它们一直是许多领域,包括哲学界、教育界和不同自然科学领域里研究的核心问题。对它们的研究不仅目前仍是研究热点,今后还会继续是研究的热点,而对这些问题的观点直接影响了教育政策的制定和教育行为。显然,下面我们介绍的一些观点并不是,也不可能是,回答这些问题的最终答案,而是我们所能得知的,我们也比较认同的,目前科学研究中的一些近期结果。正如在我写的《脑与教育学习札记(1)》中所强调的,我写下来是为了和大家分享和讨论。


    什么是知识呢?有些人认为知识只限于书本知识;有些人认为知识只包括科学知识;有的人认为知识只限于可陈述的知识;现在对知识的理解要超出上述范围,认为凡是有用的信息都是知识,它涉及:

1,       有关我们周围世界的问题;

2,       有关我们自己和他人的心智问题;

3,       语言的问题。

我们对这些知识的获得来自三个方面:

1,  DNA编程的,经过长期进化而形成的,先天就具有的(innate knowledge);

2,  后天经过主动学习而获得的(powerful active learning ability);

3,  通过内隐学习.从成人教导中潜移默化而形成的,有的是来自成人无意识的教导 (Unconscious tuition from adults)。

这两段的观点主要摘自美国贝克莱大学心理系Gopnik博士等著的书《1》,此书有台湾翻译的中译本《2》。2002年我曾经去贝克莱大学拜访过她,参观过她的实验室。他们的书和观点近年来在国际学术界有较大的影响。他们认为,儿童生而具有学习能力,包括对科学的学习能力;同时认为,教育会在近期发生类似于一百多年前医学领域里发生过的根本性的革命,即把教育基于脑科学的研究成果之上。


    在公元前二世纪时,希腊医生Galen首先提出脑是心智坐落的器官,但是实际上到了十七世纪人们才接受这样的观点:是脑,而不是心,是精神生活产生之处。在近代科学的发展中,对学习过程,以及对在学习过程中起关键作用的记忆的研究,在两个相互有密切关系的科学研究领域里展开了,即神经生物学和心理学。

教育界对心理学领域里学习理论的发展是比较熟悉的。1879年德国心理学家Wundt在莱比锡建立了第一个实验心理学的实验室,在19世纪末到20世纪初Pavlov和Thomdike阐述了动作和经典的条件反射两种基本的生物的学习类型。Pavlov是俄国的生理和心理学家,我国学术界对他的经典的条件反射学说是熟悉的。在上一世纪的中叶,经典的条件反射理论进一步被行为主义的心理学派所发展,行为主义学派把学习的过程视为在刺激和反应之间建立联系的过程,把行为限于可观察的行为,把人的学习和对动物的训练等同看待,这种观点在上世纪中叶一度在心理学领域占统治地位,至今对某些学校的教育仍有较大的不良影响,例如在教学中把“强化”训练作为提高学习质量的手段。到了近二、三十年,发展心理学和认知心理学发展了,在心理学研究的主流方面渐渐取代了行为主义学派。认知心理学研究中,强调了学习过程的细节,但大体上仍把脑看成是一个黑箱,不涉及脑的结构和神经元的工作。我们在《脑与教育学习札记(1)》中作了一些简单介绍。有的理论如不同的建构主义、元认知等,被认为是这次我国教改的学习理论基础。有关这方面的情况在美国科学院组织编写的《人是如何学习的》一书中有较详细的阐述,华东师范大学已将它译成了中文,并出版了《3》。

在神经生物学领域里,1791年Galvanic用刺激青蛙腿神经和肌肉的方法,揭示了神经元激活的电学性质。1906年Cajal总结出有关神经系统的重要原则—神经系统是由不连续的神经元组成的。1949年Hebb提出了突触学习的模型,这个模型被称为“Hebb定律”。1973年Bliss和Lomo第一次阐述了在哺乳动物的脑中存在的长时程增强机制(LTP:Long-Term Potentiation)。这些发现十分重要,它们奠定了在神经生物学分子层次上研究学习的基础。在神经生物学中,学习定义为人或动物通过神经系统接受外界环境信息而影响自身行为的过程,学习在脑中分子层次发生的过程是神经元突触处连接的变化。我很有兴趣和大家就这方面的问题继续讨论下去,包括对两个目前在我国教育界流传很广的虚构的“科学”传言:1,你孩子的脑只开发了10 %,所以你要吃.,或接受.加强刺激;2,学音乐就能开发右脑,开发了右脑就有创造能力等等。前一条这两天正在中央电视台X频道广告上播放。

对脑科学,教育界的朋友们可能并不太熟悉,但是我认为我们必须补上这一课。我同意这样的观点,学习理论将会发生本质的变化,但不是因为建构主义理论的提出和运用。而是基于教育和脑科学研究的联系。Bransford等在2000年编写的《人是如何学习的》有一个扩展的版本,这本书附在封面上的标题还有一部分,它似应译成脑、心智、经验和教育(Brain,Mind, Experience and School),它已经强调了脑、心智和教育的关系。在这本书出版以后,美国科学院又组织了一系列的会议和委员会,并出版了许多书籍,大家可以从网站 http://www.nap.edu 下载这些书籍的原文。



   我们的师范教育和教师培训是否应关注这个发展方向,不要以为它又是一个“狼来了”的故事,我们这一代接受新知识已经困难了,但年轻的教育研究者应该研究,我们不是经常念叨“教育要面向现代化、面向世界、面向未来”吗!

 

(待续)

参考文献

1.  A.Gopnik, A.N. Meltzoff, P. K. Kuhl, The Scientist in the Crib, 1999, ISBN 0-688-17788-3 (pbk.)

2.  A.Gopnik 等著,黄馨慧 译, 摇篮里的科学家,心智、大脑与幼儿学习历程的新发现,2001, ISBN 957-642-653-7 (平装)

3.  J.D.Bransford 等编著,程可拉 等译, 人是如何学习的-大脑、心理、经验及学校,2002,ISBN7-5617-3089-6/G-1569

发布于2005年10月10日 16:43 | 评论数(20) 阅读数(23962) 脑与教育

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