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一、思維活動的大腦兩半球分工說之始末

1861年Broca醫生在運動性失語癥病人尸檢中,發現腦左半球下額回受損,后來左半球這一區就稱為語言運動區。然而關于大腦兩半球功能一側化的理論問題,卻是100年后由美國的Sperry,Gazzaniga等學者所提出。1961年,年輕的腦外科醫生Gazzaniga在Sperry領導下,對Bogen醫生手術的裂腦病人進行神經心理檢查,病人對右側視野的刺激物能正確說出名稱,而對左側視野刺激物只能做出反應,卻說不出名稱。這使他們得到兩半球認知風格不同的觀點,并于1962年發表左右腦分工之說的論文。然而他們通過大量病例研究發現,腦兩半球認知分工現象因人而異。所以Gazzani-ga1995年回顧說:“70年代就發現右半球偏好圖形刺激的現象,只有當被試實際觸摸或擺弄圖形或搭積木時,其優勢效應才會表現出來;如果改成樣本匹配,則右半球優勢效應就消失了。試圖確定右腦半球在心理活動中可能具有一些獨特性是很困難的。裂腦人每一半球具有不同認知風格,這種觀點在腦科學界沒有流行很久,但卻長久地流傳在大眾之中。關于左右半球的看法不久就不再被普遍接受?！雹儆纱丝梢?左右腦分工之說是由Sperry和Gazzaniga等人提出的,也是Gazzaniga自己否定的。

從動物系統發生中考察腦的左右分化,發現昆蟲和大量軟體動物的頭節已經形成了左右對稱性結構。因為這可以有效地判定食物或危險出現的方位和距離,并有利于身體平衡的維持。所有脊椎動物的腦都有左右兩半球之分,但不是所有左右腦的動物,都能進行抽象思維和形象思維。由此可見,大腦兩半球之分化與形象思維和抽象思維沒有直接因果關系。人腦左右半球的生態意義仍然主要是維系感知覺與運動功能的精確性。由于人類語言功能十分復雜,包括感覺、知覺、運動、注意、記憶等多種成分,所以語言功能和利手現象一并出現了優勢半球的分化。一般而言,利右手者左半球優勢,利左手者右半球優勢。但這種優勢不是絕對一成不變的,非優勢半球也具有語言功能,正如利右手者左手并非廢物,仍有同右手相似的一切功能。如果右手受傷,其優勢可以轉移至左手(如寫字、用筷子等)。有人善用右手,有人善用左手,這種利手現象的個體差異是客觀存在的,應該聽其自然,使手腦得到較好的發展?？墒怯夷X增智或右腦開發的某些訓練,強行孩子用左手左腳,稱之謂開發右腦提高形象思維的基本訓練。這樣,打亂了正常發育的進程,可能會造成某些孩子的口吃,嚴重者會導致兒童性精神分裂癥。

據1997年文獻中的統計報導,精神分裂癥發病年齡與語言優勢半球形成的性別差異十分吻合。因此,語言優勢半球發育受阻可能是精神分裂癥的原因之一。1998年,美國密執安州立大學兩位心理學家撰寫了題為《人腦功能一側化的認知神經科學:裂腦研究的教訓》一文,開頭就說:35年之后Sperry的科學繼承人仍繼續研究著裂腦病人,以便解決認知神經科學面對的許多難題。隨后,該文例舉大量相互矛盾的科學事實?？茖W家們在過去30多年的研究中,嘗試過許多歸納途徑,如語言半球與非語言半球,抽象思維與形象思維,細節加工與全息加工,解釋器與寫真器等。然而,這些兩分法的研究結果都會在幾年以后出現反例的報告,甚至反例竟是同一位學者深入研究的結果。90年代以來,利用多種無創性腦成像技術,實驗性分離多重腦功能系統(模塊)已成為當代腦科學研究的熱門課題。這些研究表明,大量腦功能系統不是唯一按左右分工原則組裝,更多是皮層與皮層下,后頭部與前頭部,乃至背側與腹側系統等多種形式組裝模塊。所以Gazzaniga說:“對裂腦人研究35年了,每過十年都會有新的認識”②。但是,這并不意味著兩半球功能一側化理論是錯誤的或諾貝爾獎發錯了,正如不能因為有了量子力學,就說牛頓經典力學是錯誤的。諾貝爾獎既不是科學終極真理的標志,又不能因發展了新理論否定該獎的歷史意義。

二、腦認知功能模塊論

大腦兩半球功能一側化理論的創始人之一,Gazzaniga1976年第一個提出模塊(modulc)的新概念,試圖取代左右半球分工說。他寫到:“新的觀點認為腦是由在神經系統的各個水平上進行活動的子系統以模塊的形式組織在一起的?！雹?983年認知科學家Foder從理論計算機科學和人工智能研究中,也提出了智能的模塊性(modularity)。他認為確定功能模塊的三條標準是:認知的封裝性、域特異性和淺輸出性。認知的封裝性類似于商品的包裝,每個包裝就是最小的功能單元;域特異性是指每一包裝的單元具有非常專一的功能特性,發揮一種作用;淺輸出是指模塊信息加工的結果,可以在無意識中表現出來,無須深層意識活動的干預。這三條標準后來為許多認知心理學家引用。80年代關于記憶腦機制的認知神經科學研究發現,記憶有許多性質不同的功能系統或模塊所組成。怎樣判定功能模塊呢?雙分離原則(doubledissociation)是個重要標準。某病人甲腦結構受損,甲類記憶發生障礙,而乙類記憶完好無損。另一病人乙腦結構受損,乙類記憶發生障礙,而甲類記憶無損,這時稱甲、乙兩類記憶符合雙分離原則,是腦內兩個不同結構組成的兩個功能模塊。利用雙分離原則,得到的許多不同記憶系統又稱記憶的多功能系統理論。1995年,加拿大Toranto大學著名教授Tulvimg把這一理論進一步完善化,提出人腦內的五大記憶系統:程序記憶、知覺啟動效應、語義記憶、次級或工作記憶和情景性記憶。④

近幾年利用無創性腦功能成像技術對人類各種高級功能的研究,發現大量科學事實,證明了腦高級功能的模塊性。概括地說,腦功能模塊是一種動態變化的組裝。同一種高級功能如言語包括聽、說、寫、想等不同環節,完成每一句話又包括名詞、動詞、副詞等不同語法成分以及句子的流暢性、韻律、聲調等。因此關于言語的腦功能模塊由數以十計的腦結構按一定時序參與,除優勢半球外,還包含著大腦皮層與皮層下腦結構,以及多種感覺和運動成分的關系。現代模塊論發現,猴腦枕葉、顳葉、頂葉和額葉至少32個腦區參與視覺功能,這些腦區形成背、腹兩大功能系統,分別負責空間知覺和物體知覺。人類神經心理學研究發現對物體識別、面孔識別是顳下回的兩個臨近而彼此重疊的不同功能模塊,左、右腦的優勢性依認知任務而異。面孔熟悉性判斷中右顳葉優于左顳葉,名字識別中左顳葉優于右顳葉。已有的科學事實表明,五大記憶功能模塊非常復雜,某些腦結構可參與不同記憶模塊,同一記憶模塊又由許多腦結構組成?？傊?當代腦高級功能模塊理論已經極大地改變了簡單腦機能定位和兩半球分工的理論,正以大量新科學事實不斷豐富、完善著腦功能模塊組裝和動態變化規律。

三、心理素質的認知神經科學基礎

“心理素質”、“身體素質”、“政治素質”等名詞,并不是科學專用名詞,而是源于日常生活和大眾媒體,用以粗略地表達某一方面的基本品格。最初素質教育正是基于全面提高學生素質的目的而提出的一種教育口號。在心理學中,與“素質”一詞有關的一些專用科學名詞是素質、氣質、特質,至今這些名詞概念仍存在許多不同的定義。原蘇聯心理學將素質作為能力基礎的身體的生理和解剖特點,如反應快的長腿是短跑運動能力的素質。身體素質在醫學中常用以描述對某疾病的易感性,如身體瘦長是抑郁癥或結核病的易感素質。原蘇聯心理學把氣質作為智力基礎的腦進行高級神經活動的特點,西方心理學把氣質作為性格或人格的一種先天生理基礎,如古老的四種體液類型說。美國心理學家利用因素分析法在大量描述人格特征的因素中總結出某些相對穩定的行為傾向性,將之稱為人格特質,例如少言寡語屬于內向性人格特質等。在這三個名詞的各家定義與科學內涵中,以氣質的腦科學定義較為清楚,尤以俄國生理學家巴甫洛夫高級神經活動理論的解釋,在科學上較嚴格。巴甫洛夫在建立高級神經活動類型學說的過程中,十分注重可操作性的測定方法和判定標準。

他用興奮過程和抑制過程的強度、均衡性、靈活性測定動物的高級神經活動類型。例如,興奮過程強弱的判定以0.3克咖啡因耐受性為標準,服用后增強了興奮性的動物稱為強型,反之削弱了興奮過程者稱為弱型。對人類高級神經活動類型,除了與動物相似的標準外,還測定語言(第二信號系統)與非語言(第一信號系統)的相對強度作為分型的客觀標準。60年代英國心理學家艾森克發展了人格維度理論,認為大腦皮層興奮性水平是人格特質的重要腦科學基礎。他認為皮層興奮性水平高者為內向性人格特質,反之則為外向性人格特質。皮層興奮性水平可以利用腦電圖加以客觀測定。他還應用閃光融合頻率等實驗心理學方法作為皮層興奮性和人格特質的客觀測定方法。這說明心理品質與腦功能特點的關系早為生理學家和心理學家所關注,并取得了一定的研究成果。近些年腦科學已取得了長足的發展,認知神經科學的理論與方法學已臻成熟。這一領域極大地超出了巴甫洛夫高級神經活動的理論概念。

因此,氣質是高級神經活動類型與后天習得特性的合金這一定義已顯不足。另一方面,心理素質這一名詞已在我國社會生活和教育中應用多年。素質教育主張對全體學生進行全面發展的教育,以便有助于學生形成畢生主動發展的基本品格。吸收當代認知神經科學最新成果,將當代科學新概念與社會生活中最富生命力的名詞結合起來,賦予心理素質以認知神經科學新內涵,不僅對推動我國教育工作有益,也將促進認知神經科學的發展。認知心理學在過去30多年的發展中,基于人類認知活動的實驗研究,概括出許多基本心理過程的普遍特性,這些特性不僅可以通過認知實驗進行嚴格的科學描述,有些還可進行定量化比較。與此同時,神經科學發展的新理論和新技術,有助于揭露基本心理品質的腦科學基礎。這里將可作為心理素質的科學基礎的普遍心理特性及其腦功能參數概括如下。

(1)內隱心理過程與外顯心理過程的相互轉換特性及其腦細胞活動基礎。參觀、訪問或瀏覽的畫面、景觀、詩句等在隨后的各類創作活動中自發映射在主觀意識中,促進創作任務或作業的完成,是內隱心理過程轉換為外顯心理過程的例證;早年有意背誦的詩句在觸景生情中自動地有利于形成腦海中具有新義的詩句或文章構思的過程,則可作為外顯心理活動轉化為內隱心理活動的例子。從上面兩個例證中,可以看到內隱心理活動都是通過外顯心理活動的變化間接測量,目前尚未找到直接測量內隱心理活動的好方法。內隱記憶與外顯記憶相比,神經細胞活動水平有顯著差異,內隱記憶參與的細胞數少、耗能低,信息加工效率高。⑤

(2)自動加工與控制加工過程的轉換效率及其腦代謝基礎。可以用學騎自行車、學織毛衣的過程為例。開始總是要全身心地緊張投入一段時間,多次練習逐漸達到熟練的程度,可以漫不經心地騎車或邊聊天邊織毛衣。從全身心貫注地學習到自動化熟練技能的形成是心理加工過程轉化的特性。相反,巧妙應用熟練技能,有意識地達到最佳成績的過程可以作為自動加工過程轉化為控制加工過程的例證,如射擊運動員、跳高運動員比賽奪魁就是這類心理加工的轉換過程。兩類加工過程的特性在腦功能影像中有明顯可見的差異。例如學習計算機游戲程序之始,腦區域性葡萄糖代謝率普遍增高;三周后操作自如地玩同一游戲程序,則腦區域性代謝率與安靜休息時無明顯差異。⑥

(3)心理資源分配的速度與特點及其腦誘發電位特性。可以通俗地解釋為從一心一意做某件事到一心二用或多用時作業成績變化的特性。在認知心理學實驗研究中,常用增加刺激類型或刺激數目,乃至改變作業目標要求而進行精細地定量研究。神經沖動在腦內傳導的特性,可通過平均誘發電位不同成分的多種算法,精細分析某些認知作業中神經信息在腦內傳導方向與速度的特性,包括腦左右兩半球間、前后腦間、表層與深層結構間的傳導關系,均可作為心理素質的腦功能基礎的一種客觀參數。腦事件相關電位研究表明,心理資源分配和隨意注意轉移伴隨多種成分的改變。腦自發電活動研究也發現,0-14歲兒童自發腦電復雜性隨年齡增長,維度復雜性顯著增高。

(4)心理過程的時序性、復雜條件下的決策水平及其腦影像表現是較為復雜的心理特征。這種復雜心理素質可以簡單地通俗解釋為完成某項心理作業的速度和流暢程度,以及作業成績的完美性。認知心理學認為,任何一種心理作業或問題的解決,都由一系列順序進行信息加工的過程組成,稱之為時序性。完成同一心理作業,不同人的心理時序既有相似性又有個性差異,特別在復雜條件下,如情緒波動等,其個體差異是心理素質的一個重要側面。近年認知神經科學研究表明,高智商者完成同一認知任務速度快,腦能量消耗低,信息加工效率高。⑦用多種腦成像技術可以測出這些生理參數的個體差異。明確了心理素質的上述認知神經科學內涵,有助于我們建立心理素質的客觀測評體系和方法。

四、腦功能和智力潛能開發的科學內涵

既然思維功能的左右腦分工說是不確切的過時說法,就不能以右腦作為智力潛能開發的科學根據,那么怎樣理解全腦開發呢?由于近年無創性腦功能成像技術使科學家直接觀測人類思維過程中腦功能的動態變化,使腦高級功能研究發生了重大變革。與此同時,心理學家在過去15年的研究中也取得了突破性進展,采用精細的實驗設計研究了無意識的內隱心理過程。結果表明以往心理學的全部研究僅是意識過程的變化規律,只是人類心理活動的一小部分,有如海上漂浮的冰山,露在海平面以上的只是小小的山尖,更大的是水平面以下的無意識心理活動。1954年加拿大蒙特利爾大學教授潘菲爾德醫生出版了一本難得的科學專著,描述了切除癲癇病灶腦手術中發現的科學事實。

例如,一位年已60多歲的病人在切除位于顳葉的癲癇病灶之前,對附近的正常顳葉皮層用適當的微弱電流刺激,則病人立即童聲稚氣地唱起一首社會上早已失傳的童歌,或說出絕傳的童謠,并不時喊起爺爺、奶奶或小貓、小狗的名字。停止電刺激,病人就會立即從50多年前的生活情景中回到手術臺的現實中來。醫生請他重復方才唱的歌、說的童謠,他卻十分茫然,不明白醫生要他做什么。這一科學事實說明,人類無意識記憶的容量是無限的,它可以把你一生中所看、聽到的一切情景完好無損地存儲到頭腦中。我們之所以回憶不起來,既不是沒把事情放入腦海,也不是記憶痕跡在腦海中隨時間推移而消退,其真正原因是提取困難,很難投射到意識中來。然而,腦中大量無意識的內存總是找機會發揮作用。利用補筆測驗可以證明這一點。你可請一位朋友到你家作客,先跟他在客廳中聊天,客廳墻上掛許多字畫,但你們并不談及墻上的字畫。隨后請朋友到另一間屋子,拿給他一張寫滿許多偏旁、部首的半個漢字的紙,請他用筆把這些半個字補筆成完整的字。統計他的補筆結果就會發現,這些字中許多是客廳字畫上的字。然而你問他是否按客廳字畫上的字完成的作業,他會說:“客廳中有字畫?我怎么沒看見!”這說明無意中映入眼簾的字,竟在隨后的補筆任務中無意中冒了出來。可見無意識心理過程在一定條件下自動投射到意識中來,是心理活動的一個重要規律。智力潛能正蘊藏在這些無意識過程之中。

自發的創造活動即靈感油然而生、豁然開朗的境界正是源于大量無意識活動,源于頭腦中存儲的長期經驗和經歷。腦功能開發正是要創造條件充分利用無意識過程的寶藏使其在必要時投射到意識中來。從大量教育實踐總結出培養學生創造性的必由之路,在于使學生綜合運用形象思維與抽象思維能力。形象和抽象思維能力,都是意識活動的能力。意識活動調用無意識內存中的經驗和知識,使它們服務于現實的任務就是自覺創作活動的基本過程。反之,意識活動轉換到無意識活動的現象也隨處可見,如學自行車、織毛衣等,都是逐漸從控制加工過程到自動加工的過程。幾乎所有年過半百者都常體驗到記憶的干涉現象,他們竟然一下子叫不出熟人的名字或一時想不出不應忘記的事,事后,這些卻一下子又從頭腦中跳了出來。這些現象都說明內隱的無意識活動與外顯意識活動的相互轉化,在腦功能開發中是不可忽視的環節。人類的情感和情緒過程也由意識與無意識兩個側面組成。日常生活中,我們常常體驗到的持續性的無名煩惱和焦慮,就是一種無意識的情緒狀態。無意識心境是一種較為持久的情緒狀態,對人們的身心健康影響很大。許多生理因素和病理過程常是無意識心境形成的重要原因;生活環境和人們的意識修養以及社會價值觀對心境的形成也具有重要作用。情操和人格特質持久地終生影響人們的情感和認知活動。因此,腦智力潛能的開發常常是自覺地調節心境,乃至培養美好情操,激勵認知過程。

反之,正確的認知活動有利于調節情感活動。近年研究發現,作為知識積累基礎的長時記憶的分子生物學基礎相當復雜,不僅包括不同神經細胞間信息傳遞的神經遞質、受體、離子通道等的數以百計分子,還包括細胞質內的大量信號轉導通路中的許多分子轉換事件,更包括細胞核內的基因調節蛋白調節基因表達的過程。例如,其中一種簡寫為CREB的核內蛋白質就成為長時記憶形成中的一種關鍵分子。它的激活通常經過遞質-受體-胞內信使等數十種分子鏈的傳遞過程。然而發現有一種類似激素的小分子(38肽)卻可以迅速激活CREB,分子生物學還發現激素分子可以徑直穿過細胞膜乃至核膜,鉆入核內快速激活基因調解蛋白。這個發現有可能解釋快樂情緒背景下長時記憶不但容易形成而且維持長久。可能“一見鐘情、刻骨銘心的記憶”正是激素分子徑直鉆入細胞乃至細胞核內引起CREB激活的結果。當然這是一種推論,還需科學實驗加以證明。但我們可以肯定地說,快樂心境有助于學習、記憶的宏觀規律,一定有其分子神經生物學基礎。從上述科學事實中,我們不難理解:首先,人腦中的無意識活動的容量是無限的,而意識活動是容量有限的。因此,腦功能開發的科學內涵是開發無意識心理過程,多接觸新事物,瀏覽新知識,提高無意識過程的蘊藏量,再創造條件充分利用無意識過程的寶藏,使其在必要時迅速映射到意識中來。在生理水平上就是要不斷提高無意識功能模塊的神經效率,效率越高其蘊藏量就越大。

這里所說的神經效率就是完成某一事件的信息存儲需耗費多少能量,或消耗同一生物能量換取多少事件的信息存儲。這種神經效率完全可以用現代科學儀器客觀測定。其次,由于內隱心理活動可以促進意識活也可能妨礙意識活動,所以腦開發的含義也在于創造條件促進內隱與外顯心理活動的相互促進和相互轉化。那些能提高兩類心理活動間轉化效率的教育或訓練方法,就是最佳的教育手段,這種轉換效率可以通過認知神經科學實驗利用儀器進行客觀測定。再次,腦功能開發的含義在于創造身心健康發展的良好環境,形成美好情操,促進情感活動對認知過程的激勵作用以及認知過程對情感的調節作用,以便高效率地實現目的行為。在生理水平上可以通過各種喚醒水平的生理參數測定繪制喚醒水平與作業成績的變化曲線,尋求每個人的最佳變化范圍,進行客觀的認知神經科學研究。

五、科學監測腦發育關鍵期的可行途徑

60年代初動物視覺剝奪實驗發現,將剛出生的貓或猴的眼睛遮起來,長時間以后再打開眼罩,則其視知覺能力很難正常發展起來。狼孩語言能力的個案報導,自幼失去語言發展的環境,多年以后即使復得語言環境則其語言能力仍不能達到正常人水平。這些研究揭示了腦在個體發育中存在著不同功能的發育關鍵期,此期是該腦功能結構組建的重要階段,此時必須有相應的適宜環境條件,環境條件越優越,相應經驗越豐富,則功能結構就會組建得越好,相應功能則更強。錯過這一時期,即使復得良好條件,其功能結構也難以順利組建,相應功能很難發展到完美的程度。腦發育關鍵期研究已有30多年的歷史,但由于不可能在兒童發育期象對動物那樣剝奪感知覺條件,進行類似的實驗研究,因此兒童許多能力發展的關鍵期至今不十分明了。

大體上說0-2歲是兒童感覺—運動功能和簡單語言能力發展的關鍵期,3-4月齡至13月齡為簡單感覺運動發育關鍵期,知覺表征發育關鍵期為0-7歲,抽象概念表達和復雜精細語言表達能力直到青春期才能發育完全。不同腦功能結構形成的關鍵期起始、終止和持續時間不同,而且個體差異很大,大量實驗證據已不容懷疑其客觀存在,問題在于如何研究和觀察正常兒童腦發育關鍵期。為此,應首先回答關鍵期的實質。現代生態理論認為腦的進化發展總是受制約于生態環境,腦的胚胎發生和個體發育也毫不例外,總是在遺傳基因和環境相互作用中逐漸完成腦功能模塊的構建過程。雖然成年腦僅占全身重量的2%,耗能量卻達20%,腦基因組數占全身1/3。在腦個體發育過程中,遺傳基因決定所生成的腦細胞及其間聯系的突觸總數超過實際所需的量,依環境因素選擇最佳的細胞及其間聯系的突觸構建功能模塊后,再清除超量組織成分。胎兒腦在出生前6-9周,已形成的腦細胞數超過正常成人的一倍,這種超量為形成腦的諸多基本功能模塊提供了充分的選擇余地。通過神經內分泌系統和植物神經調節內臟活動的功能模塊,很快組建起來;但機體對外環境刺激的感覺—運動模塊,因母體內環境限制,則得不到充分發展,造成大量多余細胞的清除。

出生時腦細胞總數與成人相同,但細胞體積小,樹突分枝少,軸突裸露(成年人細胞軸突覆蓋脂蛋白的髓鞘,類似電線外包的絕緣層以保證傳導功能)。所以,出生后在豐富外界刺激作用下,第一個十年腦消耗全身總能量之半,主要用于神經細胞軸突髓鞘化,樹突分枝、胞體增大以及細胞間聯系的突觸大量形成,4-6歲兒童腦細胞間突觸總數達成人150%,為各種腦高級功能模塊構建提供了充分前提條件。隨著各種高級功能模塊一個個構建成功,多余的突觸逐漸被清除。16歲或至青春期,各種高級功能模塊均已構建完畢,腦突觸總數完全降至成年人水平。此后腦細胞總數逐日減少,一些細胞的凋亡伴隨存活細胞功能效率的提高。所以腦發育的關鍵期實際就是各種功能模塊的構建期,包括高效突觸與網絡的選擇和多余細胞與突觸的清除兩個過程,也是細胞功能效率提高的時期。參與功能的腦細胞數和消耗能量由多變少的過程,就是腦發育關鍵期的可觀測生理參數?，F代多種無創性腦成像技術可用來測定不同認知功能中腦激活區及其與能量代謝相關的生理參數,18F-脫氧葡萄糖分子正電子發射層描技術可以測定腦區域性葡萄糖代謝率,功能性磁共振成像(FMRI)可以測定認知活動中腦區域性氧代謝情況,14O-水與PET結合可測局部腦血流量,近紅外光學掃描(NIRs)可以測定腦局部氧合與脫氧血紅蛋白分布。在這些測定技術中,近紅外掃描是較為經濟、方便易得的技術手段,易于推廣應用,實現對兒童腦發育關鍵期的科學觀察與監測。

六、為腦可塑性良好發展創造兩類必要條件

60年代初,兩種不同生活條件下大鼠腦細胞的比較研究,開創了腦可塑性的研究領域。美國加州大學心理系教授將一組12只大鼠放在寬敞的籠中飼養,多種玩具不斷輪換地放入籠中。另一批大鼠分別孤獨地單一飼養在非常小的籠內,除食物和水外沒有任何玩具。半年后處死兩組動物,發現兩者腦發育明顯不同。這項研究報告以來的30年中,從整體、細胞和分子等不同層次上揭露了大量科學事實,證明腦結構與功能畢生都存在著可塑性,包括在病理條件下腦功能代償性變化,實驗動物中感覺器官狀態引起的腦功能區重組以及腦內突觸可塑性變化(如長時程增強或抑制效應LTP和LTD)以及細胞內外生化物質代謝的變化。所以,腦可塑性變化的科學事實已相當充分,問題在于它對教育發展的啟示是什么,如何將腦可塑性研究成果轉化為教育策略或教育措施。為了回答這個問題,必須對可塑性變化從現象入手得出實質性的認識。腦的可塑性是指其先天預成的結構或功能具有一定的可變性。

腦結構和功能是生物進化長期累積的結果,后天環境條件不同,引起腦結構與功能相應的變化,其實質是短期事件(從毫秒級的脈沖刺激到數日數年的病理狀態)引起的改變轉化為腦結構或功能模式的長時事件,包括突觸穩定的形成,腦功能的區重組等。從教育的角度關注這類研究的重要內容是可塑性變化的約束條件。大量實驗證明,引起腦可塑性變化的兩個必要條件是:環境中的適宜刺激和腦內必須的營養與能量。腦發育關鍵期中腦的可塑性最大,此時腦消耗的能量最多,也最需要良好的環境條件。動物實驗表明,為了促進腦細胞樹突分枝且在其上形成大量突觸,兩類必須的物質分別是神經營養因子和興奮性神經遞質。前者促進細胞得到充分必要的營養因子,后者在生態環境下是受到外界刺激后腦內形成的傳遞神經沖動的分子。下面我們分別介紹這兩個條件的含義。充分利用可塑性的適宜環境條件,因科學發展水平不同,可有不同的理解。50-60年代巴甫洛夫經典條件反射的觀點,認為適宜的條件是刺激與強化在時間上的接近。斯金納的操作條件反射理論則強調學習的內軀力和動機水平以及強化時間表的作用,有四種刺激與強化的時間關系,分別有利于不同行為模式的鞏固。然而,近幾年分子神經生物學研究發現長時記憶的形成不但靠神經信息在細胞之間傳遞信息的大量分子,還靠細胞內一些分子將信息傳向細胞核內,激活一種核內的基因調節蛋白(如CRCB)是長時記憶形成的必要條件。

這種核內基因調節蛋白激活所需要的細胞間和細胞內信息傳遞過程在果蠅中至少10-15分鐘。果蠅形成長時記憶的效果隨學習和復習之間的時間間隔在1-10分鐘之內隨時間延長而提高,15分鐘之后就不再變化。學習和復習的最佳間隔為10-15分鐘與腦內細胞核CREB蛋白激活時間吻合。這說明過于頻繁重復或重復默寫生字幾十遍的做法未必有利于學生長時記憶的形成。充分利用腦可塑性的腦營養條件更是值得深入研究的問題。吃什么食物對兒童腦高級功能十分重要。美國教育家發現:食物中的化學物質可以產生各種不同反應,吃東西本該是令人愉快的事,但食物不當可導致注意渙散、抑郁、驚恐,甚至困倦。營養的早餐應含有充足蛋白質,僅食水果汁、飲料和甜食,一小時后就會從體內耗盡,有些孩子就會變得煩躁甚至惡作劇。至少蛋白質缺乏可引起淡漠、反應低下或易激惹等,所以兒童許多行為問題與營養有關?？傊?為了充分發揮腦可塑性的作用,不但在教學方法上下功夫,還必須在兒童營養學上下功夫。

七、基于腦科學的教育發展策略

21世紀知識經濟發展使人才與教育成為人類與社會發展的關鍵問題,引起世界各國普遍重視。剛剛召開的全國教育工作會議吹響了全面推行素質教育的號角,那么當代腦科學向政府發展教育的策略提供哪些咨詢建議呢?

1.加速素質與教育質量測評體系的建設。第三次全國教育工作會議后,全國教育事業必將迅速發展,特別是各類民辦學校的發展將帶來教育質量評估的客觀需求,而教育改革和素質教育的方針又不能沿用過去多年教育測量和評估的辦法對待新問題。因此,心理素質評估成了最核心的問題。本文對于心理素質的見解尚須轉化為可行的科學方法。傳統心理測驗雖積累了許多心理測驗方法,但這些方法都是通過被試完成某些心理作業(語言和非語言兩類)的成績加以判定。而這些心理作業基本都是外顯的意識活動的結果。這就使這些測驗方法僅反映出智力或能力而不能涵蓋智力潛能。當代心理學研究表明,外顯意識活動僅是心理活動中的一部分,比例更大的內隱心理活動對基本心理品質的制約作用更大。所以必須將內隱心理的認知實驗方法作為心理素質測評的重要途徑之一;其次與巴甫洛夫—艾森克時代相比,腦科學手段取得了許多突破性進展,應用無創性腦功能成像的方法,進行心理素質測評是當代腦科學發展的重要方向之一。因此通過認知實驗、無創性腦功能檢測、心理測驗和教育者客觀評估四位一體的技術路線,完全可能建立一套心理素質測評體系,使因才施教的教育原則有的放矢,推進我國教育事業的發展。

2.開展素質教育的跨學科前沿研究,力爭走在世界前列。素質教育與傳統知識教育相比,是一場教育思想和教育制度的變革,蘊藏著許多重大理論與實踐問題。這些問題既存在于基礎教育、高等教育之中,也存在于學前教育之中,例如,心理素質和創造性的科學內涵及其培養途徑問題。這類全面實施素質教育的普遍性核心問題涉及許多學科的科學理論,即不是教育學、心理學所能單獨研究清楚的問題,也不是腦科學獨自能夠闡明的科學命題。擴大視野多學科多層次地吸收當代腦科學研究成果,才能有所創新和有所突破。例如前面所說的果蠅學習和復習的間隔期以及細胞核內的CREB基因調節蛋白,乃至激素可以直接鉆入細胞核等事實,足以說明,低等動物分子或細胞水平的研究成果也常是腦科學帶給教育啟示的重要途徑。事實上對教育產生過影響的腦科學知識都始于動物實驗研究,因此,形成一支跨學科的研究隊伍,進行跨學科交流,并設置重大研究課題,特殊支持,才能使素質教育理論有所突破。

3.跟蹤發達國家的研究進展。1997年美國總統及其夫人召開白宮會議專門研究了兒童早期智力發展的問題,同年MIT接受2700萬美元捐助建立兒童研究中心。在美國《時代周刊》和許多教育刊物上一大批文章討論腦發育與兒童心理發展中的關鍵期和可塑性問題。由此可見,美國教育發展的策略似乎從兒童早期的智力開發做起。美國對兒童早期智力開發的投資和研究力量是我國無法相比的。美國高等教育遠比中國普及,幾乎所有想讀大學的年輕人,都能根據自己的條件就讀于不同類型的大學。因此美國的基礎教育和高等教育都為下一代人成長,提供了多種發展方向和多條選擇的可能性。與此不同,美國學前教育卻除父母之外,較少受到社會的普遍關注。令人難以置信的是在美國這樣經濟發達的國家中,竟然存在數以千計的少年兒童處于貧困與饑餓之中。所以,美國政府把發展教育的注意力放在兒童早期智力開發問題上,不僅是因為早期經驗對人的畢生發展至關重要,還由美國社會現實所決定。我國社會中也存在兒童早期智力開發的問題,但由于中國社會扶老攜幼的道德傳統以及緊密的家庭宗族關系,學前兒童總能從父母以外的宗族長輩中得到顧照。所以,學前教育問題不如基礎教育問題那么迫切。盡管如此,一方面跟蹤美國研究進展,另一方面結合中國文化特點進行兒童早期教育的研究,對全面提高人口素質,仍是十分重要的課題。中國兒童早期智力開發中迫切需要的是充分利用宣傳媒體、普及幼教的科學知識,研究和制訂兒童營養和玩具的科學標準,加強幼兒心身保健工作。

4.普及腦科學知識,提高新教學法的理論水平。在教師中進行腦科學知識的普及教育,編寫腦發育、個體心理發展、生理心理學、醫學心理學等系列教材。鼓勵教師用腦科學理論總結新教學方法,逐漸形成素質教育的新方法學體系。