從基礎(chǔ)腦科學原理出發(fā)，探尋核心學習能力

/ 香港大學教育學院、教育神經(jīng)科學實驗室教授

在當今科技飛速變革的時代，我們所處的社會形態(tài)，我們的生活方式，我們每天所接觸到的人和事，都在告訴我們，我們的時代是一個巨變的信息爆炸的時代。家長和孩子面臨著前所未有的挑戰(zhàn)--似乎是無限增長的校內(nèi)外的課程和作業(yè)，以及孩子越來越少的自主時間。

適應(yīng)這樣一個時代需要怎樣的教育變革？一個教育者應(yīng)該思考的一個核心問題在于，對于早期兒童發(fā)展與教育來說，在與眾多的基于具體學習科目相關(guān)的能力中，什么是他們從小最需要獲取的基本能力呢？是否有這樣一種能力，強化了它，就能夠?qū)ζ渌芰ζ鸬狡毡榈膹娀饔茫咳绻堰@種能力定位成一種核心學習能力，那么作為教育者應(yīng)該如何引導孩子去探索并獲得呢？

這就離不開對腦科學知識的普及運用了。作為一個腦科學研究工作者，我問自己，盡管大腦有那么多的功能，能讓人類通過視覺，聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等系統(tǒng)，感知到大千世界呈現(xiàn)給我們的無窮無盡的信息，能讓我們摸索出自然界的各種科學規(guī)律，能讓我們創(chuàng)造出文學、藝術(shù)，體會到人類作為萬物之靈的充盈情感，乃至執(zhí)著地追尋個人的精神信念，所有這些是建立在什么共有的物質(zhì)基礎(chǔ)之上呢？

首要關(guān)注的，自然是大腦中的神經(jīng)細胞。一個有意識的人，他的腦神經(jīng)細胞一定是在不斷產(chǎn)生電脈沖，并通過化學物質(zhì)把脈沖信號迅速地傳輸給其它細胞的。成千上萬的腦細胞通過此方式連接成網(wǎng)絡(luò)。由于大腦要不斷學習新的東西，這些細胞所組成的網(wǎng)絡(luò)就要根據(jù)學習的內(nèi)容隨時調(diào)整連接形態(tài)。所有連接都由一種叫做突觸的結(jié)構(gòu)組成，而突觸的可塑性，正是各類學習能力所共有的神經(jīng)機制。那么，如何在大腦的早期發(fā)展階段為強化突觸的可塑性創(chuàng)造條件呢？

早期“變化”環(huán)境提升突觸的可塑性

在美國新墨西哥州大學心理學系的一個發(fā)展神經(jīng)科學實驗室里， 我們給剛剛出生的老鼠幼崽創(chuàng)造了兩種生活環(huán)境：一種環(huán)境是少變化的，另一種則有系統(tǒng)性的重復變化（見圖一，1、2）。 我們讓每窩老鼠幼崽中的一半，在嬰兒期就每天都離開它們所熟悉的家（籠子），去另外一個相對來說新穎的（或者說“不熟悉”的）籠子里呆短短的三分鐘。 這個不熟悉的地方并沒有大家所期待的更“豐富”的環(huán)境， 比如原先籠子里所沒有的玩具等。

圖一

這個實驗的目的之一，是探討能否通過很小但是重復的環(huán)境變化，來強化大腦學習機制的可塑性。作為對照組，另一半同胎生的老鼠幼崽，在其它任何方面都得到同樣的待遇，比如說通過對實驗條件的精心控制，所有的幼崽都經(jīng)歷了同等時長的與媽媽的短暫分離，所有的幼崽都經(jīng)歷了等量且同時的與實驗人員的接觸。通過在對母嬰重逢后的行為進行系統(tǒng)觀察，我們知道老鼠媽媽更多的關(guān)注了待在家里的幼崽（見圖一，2）。

在這些老鼠成年后，我們對這兩種早期環(huán)境下養(yǎng)育出的個體的海馬體（hippocampus）進行了突觸可塑性研究（見圖二，3）。海馬體是一個有著多種與學習，記憶，壓力和情緒調(diào)節(jié)相關(guān)功能的重要腦區(qū)。 我們的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，盡管這些老鼠幼崽在嬰兒期（出生后的3個星期）之后的經(jīng)歷完全相同，但嬰兒期的三周內(nèi)不同環(huán)境所帶來的差別，在它們成年后依然存在──經(jīng)歷過以上變化的老鼠， 它的突觸就比對照組的老鼠具有更高的可塑性。

作為可塑性的一個最常用指標，海馬突觸的長時增強作用（long-term potentiation），從對照組的大約35%提升到了變化組的大約60%。有趣的是，變化環(huán)境的這種效應(yīng)特別表現(xiàn)在右側(cè)海馬的可塑性上。這種在神經(jīng)層面的左右不對稱性（asymmetry），在行為層面上也有表現(xiàn)。 在新穎環(huán)境下偏右轉(zhuǎn)的老鼠在空間學習和社會學習能力上要比偏左轉(zhuǎn)的老鼠更強。

早期干預強化多種學習能力

那么，這種看似簡單的早期環(huán)境改變，是否真對多種行為層面的能力有影響呢？通過行為研究我們發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷過早期環(huán)境變化的老鼠，與對照組的老鼠相比較，不僅表現(xiàn)出了更高的與海馬相關(guān)的空間記憶能力（spatial memory）（見圖一，1、2；圖二，4），而且表現(xiàn)出了更高的對社交對象的記憶能力（social memory）（見圖二，5），更快速地適應(yīng)新環(huán)境的能力（habituation）（見圖一，1；圖二，6），以及更有效地鞏固操作學習結(jié)果的能力 （operant conditioning）（見圖一，1）。

具體來講，在一項被稱之為“水迷宮”的實驗項目中，經(jīng)歷過重復環(huán)境變化的老鼠，能夠更快地學會如何用空間參照物找到逃脫辦法。 在與其他老鼠的社交活動中，經(jīng)歷過重復環(huán)境變化的老鼠，能夠更長久地記住相遇過的其它老鼠；在進入一個新的環(huán)境后，同樣能夠更快地戰(zhàn)勝對新環(huán)境的初始恐懼，提高再進入時的行為活動水平； 最后，在學習“選擇哪一個氣味能得到獎勵”的試驗中，它們也能更好地鞏固已學會的知識，而對照組老鼠則更容易遺忘。

神經(jīng)調(diào)節(jié)物質(zhì)與學習

突觸的可塑性不是一成不變的， 而是受很多化學物質(zhì)調(diào)節(jié)的。各種神經(jīng)調(diào)節(jié)物質(zhì)（neuromodulators）不僅要搭配得當，其自身還需要動態(tài)平衡。比如白天，大腦需要接收大量來自環(huán)境的信息，需要將這些信息如實地通過神經(jīng)表征記錄下來。這種模式可以稱為 “l(fā)earning mode”（學習模式）。而在夜間睡眠中，大腦會對白天得到的信息再加工，進一步鞏固近期學到的內(nèi)容，并將新舊內(nèi)容進行融合。這種模式可稱為“recall mode” （回憶模式）。

其實在白天，類似的動態(tài)調(diào)節(jié)也是常常需要的。 比如大腦在遇到新穎的，或者不熟悉不常見的事物時，就會進入更接近學習模式的狀態(tài)；而在遇到熟悉的事物時，則會進入一個更接近“回憶模式“的狀態(tài)。這些不同的學習狀態(tài)，和各種神經(jīng)調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響分不開。一個學習能力強的大腦，應(yīng)當是一個能夠?qū)ι窠?jīng)調(diào)節(jié)物質(zhì)進行有效調(diào)節(jié)的大腦。

圖二

早期干預強化對壓力激素的調(diào)節(jié)能力

壓力激素, 學名皮質(zhì)醇（cortisol），可以被看作神經(jīng)調(diào)節(jié)物質(zhì)的一種。 這是因為它不僅能夠調(diào)節(jié)神經(jīng)細胞產(chǎn)生電脈沖的能力，而且能夠調(diào)節(jié)突觸的可塑性。腎上腺（adrenal gland）制造的壓力激素通過血液傳送到大腦的各個角落，哪里的神經(jīng)元上有它的受體，哪里的神經(jīng)元和突觸就會受到激素的調(diào)節(jié)。由于壓力激素受體在大腦中的廣泛分布，它能夠?qū)Υ竽X學習功能起到全局性的調(diào)控作用。

有效的壓力激素調(diào)節(jié)至少要包括以下兩個方面：一是在沒有需要的時候，盡量維持一個較低但非零的水平。二是在需要的時候，能迅速地提高激素水平以適應(yīng)環(huán)境變化的需要。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷了早期環(huán)境重復變化的老鼠， 不僅能夠把靜息狀態(tài)下的壓力激素維持在較低水平（見圖二，5）；而且能夠在需要時（比如說“一分鐘游泳挑戰(zhàn)”實驗），將激素水平快速提升到較高水平（見圖二，7）。有以上特征的老鼠，就能夠避免不必要的壓力激素生成以及它所帶來的長期負性效應(yīng)，并能夠利用壓力激素提高學習時所需要的神經(jīng)細胞電活動和突觸的可塑性。

培養(yǎng)個體對變化的免疫力

從以上對老鼠幼崽的長期跟蹤對照實驗中我們發(fā)現(xiàn)，早期環(huán)境變化的重復體驗，不僅可以強化大腦中與學習能力密切相關(guān)的神經(jīng)機制（突觸可塑性），還可以提升對壓力激素的自我調(diào)節(jié)能力。 更重要的是，這種干預不僅強化了學習的神經(jīng)機制，而且強化了學習能力在行為層面多個不同領(lǐng)域里的表達，從非聯(lián)想性學習到空間學習、社會學習、操作學習等。

綜合這些實驗結(jié)果，我們不妨大膽推測以上兩類老鼠幼崽的心態(tài)：一類經(jīng)歷過變化和相對新穎環(huán)境帶來的不確定感，所以對變化的事物有了一定的“免疫力”，這種免疫力使得這類老鼠幼崽能夠在學習過程中，保持一種淡定和自信的探索心態(tài)； 另一類缺少對變化事物的重復體驗，稍有變化就會讓它們恐慌和焦慮，因而失去對學習的專注，失去對學習樂趣的體驗，從而失去更好的學習結(jié)果。

未來研究方向：從動物模型到人的轉(zhuǎn)換

那么，如何才能謹慎而有效地將以上發(fā)現(xiàn)運用到人類嬰幼兒的培養(yǎng)中去呢？什么才是對人類嬰幼兒有效的早期環(huán)境變化呢？如何對不同的孩子進行個體差異化的早期環(huán)境設(shè)計，這是一個在科學研究方法中稱為“普適性”的重要問題。從動物模型到人的跨越，從實驗室到現(xiàn)實環(huán)境下學習規(guī)律的跨越，從實驗學習范式下的學習到自然非范式學習的轉(zhuǎn)換，還有母親所起的作用（見圖二，8），都是需要用更多的篇幅，以及更多更新的科學實驗來深入探討的問題。

最后， 我要回到我最初的問題：什么是孩子最需要獲取的基本能力呢？是否有這樣一種能力，一旦強化就能夠?qū)ζ渌芰ζ鸬狡毡榈膹娀饔?？以上研究結(jié)果啟示我們，對“變化”的適應(yīng)能力，是一種比具體科目的學習更基礎(chǔ)的能力，而這種能力可以通過早期環(huán)境的重復性變化來實現(xiàn)。換言之，一個能夠適應(yīng)環(huán)境變化的個體，必然是一個成功的學習者。