腦功能發(fā)育發(fā)展的動(dòng)力學(xué)機(jī)制及其重要意義

吳祖仁，吳江濱，張?jiān)龀＃瑮钫?/p>

(1.中國(guó)創(chuàng)造學(xué)會(huì)大腦開發(fā)研究會(huì)，河北 保定 071000；2.河北大學(xué) 科技園辦公室，河北 保定 071000；3.湖北文理學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053)

腦功能發(fā)育發(fā)展的動(dòng)力學(xué)機(jī)制及其重要意義

吳祖仁1，吳江濱2，張?jiān)龀?，楊正波3

(1.中國(guó)創(chuàng)造學(xué)會(huì)大腦開發(fā)研究會(huì)，河北 保定 071000；2.河北大學(xué) 科技園辦公室，河北 保定 071000；3.湖北文理學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053)

通過追溯神經(jīng)系統(tǒng)和腦的演化歷史及對(duì)一系列腦科學(xué)典型實(shí)驗(yàn)和相關(guān)實(shí)例的研究，發(fā)現(xiàn)腦內(nèi)存在特殊的代謝機(jī)制，在此基礎(chǔ)上提出腦功能發(fā)育發(fā)展和自主演化的動(dòng)力學(xué)機(jī)制假設(shè)，并引出更深層次的科學(xué)思考.

腦功能；發(fā)育；動(dòng)力學(xué)機(jī)制

揭示腦功能發(fā)育發(fā)展的動(dòng)力學(xué)機(jī)制是“認(rèn)識(shí)腦”領(lǐng)域的一個(gè)重要研究課題，更是“開發(fā)腦”教育研究的理論基礎(chǔ). 開發(fā)腦的研究對(duì)于建立基于腦科學(xué)的創(chuàng)新教育體系具有劃時(shí)代的戰(zhàn)略意義.

筆者從事教育改革研究三十多年，近十年，專致于”開發(fā)腦”教育研究與實(shí)踐，希望通過探索腦功能發(fā)育與發(fā)展的機(jī)制，深入研究學(xué)習(xí)和教育的規(guī)律. 物理專業(yè)的思維習(xí)慣驅(qū)使筆者從以下兩個(gè)方面去展開研究：第一，從億萬年的生命演化史中尋找神經(jīng)系統(tǒng)和腦的演化軌跡；第二，從近二十多年來一系列腦科學(xué)實(shí)驗(yàn)去探索其中奧秘. 慶幸的是，在這兩個(gè)方向上的努力，均獲得了很有價(jià)值的資料，從不同的角度啟示筆者得到相同的思想：腦是一個(gè)比普通生命組織更高級(jí)的物質(zhì)形態(tài)，它遵循著與一般生命組織絕然不同的規(guī)律，腦是一個(gè)以信息活動(dòng)為主導(dǎo)的，特殊的能量、物質(zhì)的代謝系統(tǒng). 為了方便，我們稱其為“信息、能量、物質(zhì)”三個(gè)維度的代謝系統(tǒng).

“眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處”. 記得四年前筆者提出上述理論假設(shè)的那一刻，也突然覺得，也許我們要尋求的腦功能發(fā)育發(fā)展和自主演化的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，就是“信息、能量、物質(zhì)”的特殊代謝活動(dòng). 幾年來，筆者在不斷論證這一想法合理性的同時(shí)，并將其應(yīng)用于開發(fā)腦教育課程研究與實(shí)踐，深感四處逢源、得心應(yīng)手，在基于腦科學(xué)的教育理論研究和課程創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)兩方面均收到豐碩的成果. 經(jīng)過四年的沉淀，我們決定提出來與學(xué)界討論，懇請(qǐng)大家指正.

1 追溯歷史，從神經(jīng)系統(tǒng)與腦的形成和演化歷史過程進(jìn)行探索

先讓我們來觀察一組五億年前神經(jīng)系統(tǒng)演化的圖片. 圖1中的ABC分別代表神經(jīng)系統(tǒng)演化發(fā)展的幾個(gè)典型階段，勾畫出了一條神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育、發(fā)展、演化的清晰軌跡.

A.水螅的網(wǎng)狀神經(jīng)系統(tǒng)； B.渦蟲的梯形神經(jīng)系統(tǒng)； C.蚯蚓的鏈狀神經(jīng)系統(tǒng)圖1 神經(jīng)系統(tǒng)的演化

自然界是最好的老師，生命演化史是充滿智慧的科學(xué)歷史博物館. 生命是大自然億萬年演化的創(chuàng)造，神經(jīng)系統(tǒng)和大腦演化發(fā)展是生命演化史中最精彩的一頁，在那里能發(fā)現(xiàn)生命系統(tǒng)自主演化發(fā)展的奧秘. 大約35億年前，地球上出現(xiàn)生命. 最早的動(dòng)物是沒有神經(jīng)系統(tǒng)的單細(xì)胞原生動(dòng)物. 大約5億多年前，出現(xiàn)多細(xì)胞動(dòng)物，在它們身上開始發(fā)展起來專門感知外部環(huán)境的組織，稱為神經(jīng)系統(tǒng)雛形. 到腔腸動(dòng)物，演化出原始的神經(jīng)系統(tǒng)——網(wǎng)狀神經(jīng)系統(tǒng)，如圖A所示；到扁形動(dòng)物，就演化出有方向分布的神經(jīng)系統(tǒng)——梯形神經(jīng)系統(tǒng)，且神經(jīng)細(xì)胞向前集中，出現(xiàn)神經(jīng)中樞，呈現(xiàn)“腦”的雛形，如圖B所示；到線蟲動(dòng)物，就出現(xiàn)了發(fā)達(dá)的神經(jīng)索，出現(xiàn)軸向分布特征；到環(huán)節(jié)動(dòng)物，出現(xiàn)明顯縱向分布的神經(jīng)系統(tǒng)——鏈狀神經(jīng)，環(huán)節(jié)動(dòng)物的“腦”和復(fù)神經(jīng)鏈能協(xié)同控制全身的感覺和運(yùn)動(dòng)，如圖C所示；到節(jié)肢動(dòng)物發(fā)展成了有腦的神經(jīng)系統(tǒng)，頭部的三對(duì)神經(jīng)就整合成腦，而且形成前腦、中腦和后腦的結(jié)構(gòu)；奧陶紀(jì)(5億1千萬年前到4億3千8百萬年前)出現(xiàn)原始的脊椎動(dòng)物. 脊椎動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)的演化集中地體現(xiàn)在腦的進(jìn)化之中. 圖2展示了脊椎動(dòng)物腦的演化.

圖2 各種脊椎動(dòng)物的腦

從圖2可以看出，脊椎動(dòng)物腦的演化集中地體現(xiàn)在大腦皮層的發(fā)展. 魚類、兩棲類和鳥類的大腦皮層很?。皇箢惖拇竽X皮層變大很多，但表面光滑；貓科開始的高等哺乳動(dòng)物的大腦皮層開始出現(xiàn)溝回，到黑猩猩的大腦皮層就幾乎把整個(gè)“原始腦”蓋住了. 上述演化經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)億年計(jì)的歷程，但是，從人類祖先到現(xiàn)在，才經(jīng)歷幾百萬年的時(shí)間，人類的大腦就發(fā)生了質(zhì)的飛躍.

分析漫長(zhǎng)的動(dòng)物演化史，我們可以發(fā)現(xiàn)：神經(jīng)系統(tǒng)的演化存在兩個(gè)截然不同的歷史階段. 第一階段是人類出現(xiàn)之前，在那個(gè)漫長(zhǎng)的階段，驅(qū)動(dòng)動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)演化的基本因素是自然環(huán)境變化信息，完全屬于被動(dòng)地變化，遵循達(dá)爾文的“適者生存”原則. 稱其為自然演化. 第二階段是人類祖先出現(xiàn)以后. 人類以自己的社會(huì)化勞動(dòng)和生活創(chuàng)造了遠(yuǎn)比自然信息對(duì)人類大腦作用更頻繁，作用強(qiáng)度更大的社會(huì)生活信息，于是人類的大腦進(jìn)入了一個(gè)由人類自己創(chuàng)造信息起主導(dǎo)作用的自主演化發(fā)展階段.

與歷史上靠自然變化的信息對(duì)腦的作用相比，在人類自主演化的時(shí)代，人類是社會(huì)性活動(dòng)，信息量大、內(nèi)容豐富、變化頻繁，且隨著腦的進(jìn)化呈現(xiàn)耦合式加速發(fā)展趨勢(shì). 隨著語言、文字的創(chuàng)造和發(fā)展，社會(huì)性教育的形成，人類文化既有歷史傳承，又有不同民族和國(guó)家的交流，就可以接受巨大的、系統(tǒng)的、連續(xù)的、變化的課程信息教育，就能對(duì)自己的大腦進(jìn)行系統(tǒng)的教育開發(fā). 所以在百萬年的時(shí)間里，人類的大腦容量擴(kuò)大了數(shù)倍，使大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，成為有高度智慧、復(fù)雜情感和意識(shí)的能主宰整個(gè)世界的生靈. 創(chuàng)造了長(zhǎng)期以來人們不解的“智慧之謎”. 表1顯示在百萬年計(jì)的時(shí)間里人類祖先大腦的迅速演化.

追溯漫長(zhǎng)的生命演化史，尤其是人類自身神經(jīng)系統(tǒng)和腦的演化史，審視這一幕幕演化過程，啟示筆者去思考，在大腦系統(tǒng)中存在著一種由信息支配下的能量、物質(zhì)的特殊代謝機(jī)制. 正是這種機(jī)制，億萬年來驅(qū)動(dòng)著神經(jīng)系統(tǒng)和腦的持續(xù)演化，最后造就了人類大腦.

表1 人腦的進(jìn)化

注：資料來源于P. V. Tobias《奧丁峽谷鮑氏南方古猿的顱骨》.

2 分析一系列腦科學(xué)實(shí)驗(yàn)，從中搜索隱藏的秘密

下面讓我們看看一系列腦科學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以實(shí)驗(yàn)事實(shí)為依據(jù)去探索腦內(nèi)的特殊代謝和發(fā)展機(jī)制.

2.1 第一類實(shí)驗(yàn)，顯示大腦內(nèi)部的特殊能耗性質(zhì)

實(shí)驗(yàn)表明，“成人腦重僅占身體總重量的2%，但其能量消耗卻占全身總能量消耗的20%，是其重量比例估算值的10倍. ”“在任務(wù)狀態(tài)中時(shí)，腦增加的能量消耗卻不到總能量消耗的1%[1]，也就是說，大腦靜態(tài)能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于任務(wù)引起的能耗增加. ”

上述實(shí)驗(yàn)事實(shí)啟示我們：腦是一個(gè)超高能耗器官，那么腦內(nèi)的大量能量消耗用于什么活動(dòng)？“任務(wù)狀態(tài)”，即有信息交流時(shí)，大腦才增加1%的能耗，那么“非任務(wù)狀態(tài)”為什么消耗20%的能量呢？其耗能機(jī)制是什么呢？

唐孝威先生在《心智的無意識(shí)活動(dòng)》中對(duì)心智的無意識(shí)活動(dòng)與能量消耗進(jìn)行了專題討論. 書中寫道：“我們強(qiáng)調(diào)，無意識(shí)活動(dòng)不但是腦的狀態(tài)，而且是腦內(nèi)的過程；無意識(shí)活動(dòng)不但有內(nèi)隱作用，而且消耗腦內(nèi)能量. ”又說，“腦內(nèi)無意識(shí)活動(dòng)是持續(xù)進(jìn)行著的. 腦內(nèi)同時(shí)加工的無意識(shí)活動(dòng)項(xiàng)目數(shù)遠(yuǎn)大于有意識(shí)活動(dòng)項(xiàng)目，因?yàn)樵谕粫r(shí)刻加工的有意識(shí)活動(dòng)的項(xiàng)目只有一項(xiàng). 可以設(shè)想，大量的無意識(shí)活動(dòng)引起的腦的總能量消耗，有可能比與任務(wù)相關(guān)的有意識(shí)活動(dòng)引起的腦能量消耗大. ”[2]

心理學(xué)中關(guān)于意識(shí)有一個(gè)“冰山理論”，它的意思是“如果把人的心理比作一座冰山的話，那么人的意識(shí)便是露出水面的冰山頂端，它只占人心理的很小一部分，大部分的心理活動(dòng)或過程是無意識(shí)的. ”[3]

根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合唐孝威先生的論述和心理學(xué)的“冰山理論”，我們可以形成這樣的認(rèn)識(shí)：心智活動(dòng)需要消耗能量，腦內(nèi)大量的能耗主要用于無意識(shí)的心智活動(dòng). 無意識(shí)心智活動(dòng)雖然是感覺不到的，但卻是大量的、持續(xù)地在腦內(nèi)進(jìn)行著的. 無意識(shí)活動(dòng)是有意識(shí)心智活動(dòng)的繼續(xù)，腦不僅要在有意識(shí)活動(dòng)后進(jìn)一步完成信息的編碼、存儲(chǔ)、記憶，還要不斷調(diào)整腦內(nèi)心理元素之間的關(guān)系，使心智的整體能態(tài)結(jié)構(gòu)分布盡可能處于最合理狀態(tài). 腦內(nèi)的這些頻繁的無意識(shí)心智活動(dòng)都需要不停地消耗大量的能量. 這樣就可以理解，為什么在靜息態(tài)大腦也要消耗全身耗能的20%.

2.2 第二類實(shí)驗(yàn)，表明腦的能量和物質(zhì)的代謝活動(dòng)與意識(shí)狀態(tài)存在緊密的關(guān)聯(lián)性

“在意識(shí)狀態(tài)發(fā)生改變的情況下，腦的能量消耗會(huì)發(fā)生改變. 如藥物引起的麻醉會(huì)使個(gè)體全腦葡萄糖代謝大幅下降. 病人麻醉時(shí)，由不同麻醉劑造成的腦的能量代謝下降從31%—68%不等[4]，植物人的腦能量代謝比控制組低30%—40%[5].

第二類實(shí)驗(yàn)表明，上述兩種情況腦內(nèi)的無意識(shí)心智活動(dòng)已經(jīng)嚴(yán)重下降，所以腦內(nèi)能量消耗大幅地下降.

綜合上述兩類實(shí)驗(yàn)，可以得出結(jié)論：心智活動(dòng)需要消耗能量，由于腦內(nèi)存在大量的、復(fù)雜的、持續(xù)不斷的無意識(shí)心智活動(dòng)，所以腦就是一個(gè)大量消耗能量的器官；信息活動(dòng)主導(dǎo)著腦內(nèi)能量的消耗，腦內(nèi)能量的消耗隨著心智活動(dòng)程度的變化而變化.

2.3 第三類實(shí)驗(yàn)，提出學(xué)習(xí)記憶模型

2000年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的其中之一授予美國(guó)科學(xué)家坎德拉，表彰他用動(dòng)物實(shí)驗(yàn)揭示了學(xué)習(xí)記憶模型. 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，記憶過程的必要條件是突觸形態(tài)的改變；“長(zhǎng)程記憶和短程記憶的根本區(qū)別在于，長(zhǎng)時(shí)程記憶需要有新的蛋白質(zhì)合成，而短時(shí)程記憶只需要已有的蛋白質(zhì)磷酸化.[6]坎德拉的發(fā)現(xiàn)告訴我們，腦內(nèi)的記憶是在一定能量的信息作用下，在相關(guān)腦區(qū)引起物質(zhì)變化的過程. 在這過程中，相關(guān)腦區(qū)有神經(jīng)遞質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和蛋白質(zhì)的生成. 這樣就從實(shí)驗(yàn)證明，學(xué)習(xí)和記憶過程是大腦中信息活動(dòng)主導(dǎo)下的能量和物質(zhì)的特殊代謝活動(dòng).

2.4 第四類實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)腦內(nèi)能量物質(zhì)代謝隨信息活動(dòng)變化而改變

用正電子發(fā)射斷層顯像PET實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)習(xí)活動(dòng)過程大腦功能進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像觀測(cè)，直接獲取腦內(nèi)的能量、物質(zhì)代謝隨信息活動(dòng)變化的重要信息. 如觀察到以下現(xiàn)象：“不同的腦功能定位于解剖學(xué)上專一性的腦區(qū). 例如，當(dāng)受試者被動(dòng)地看一個(gè)字，聽一個(gè)字或說一個(gè)字時(shí)，每種任務(wù)分別激活不同的一組腦區(qū)”[7]實(shí)驗(yàn)可顯示“更細(xì)致的功能分離現(xiàn)象，如PET實(shí)驗(yàn)表明，學(xué)習(xí)動(dòng)詞、名詞，以及不同類的名詞都分別定位于腦內(nèi)不同的部分”[8]“實(shí)驗(yàn)證明，反過來一個(gè)看起來簡(jiǎn)單的認(rèn)知任務(wù)，也并不是由單個(gè)腦區(qū)、而是由許多相關(guān)的腦區(qū)激活來完成的. 即由這些腦區(qū)組成網(wǎng)絡(luò)來執(zhí)行特定的認(rèn)知操作. ”[9]

這類實(shí)驗(yàn)的基本原理是人在學(xué)習(xí)活動(dòng)時(shí)，相關(guān)腦區(qū)的氧和葡萄糖的消耗量呈現(xiàn)增加. PET實(shí)驗(yàn)就是通過相關(guān)腦區(qū)的氧和葡萄糖代謝的變化的腦圖特征來顯示哪些腦區(qū)參與了學(xué)習(xí)和記憶活動(dòng). 應(yīng)用2000年諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)“學(xué)習(xí)記憶的模型”，長(zhǎng)時(shí)程記憶必然有新的蛋白質(zhì)生成機(jī)制，我們就可以理解為，上面PET實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，等于間接地看到在相關(guān)腦區(qū)出現(xiàn)了新的蛋白質(zhì)，相應(yīng)神經(jīng)元突觸出現(xiàn)了變形，出現(xiàn)“大腦重塑”. 綜合起來，我們可以理解為PET實(shí)驗(yàn)已經(jīng)動(dòng)態(tài)地觀察到腦內(nèi)“信息、物質(zhì)、能量”緊密結(jié)合的代謝活動(dòng).

綜合分析上述四類實(shí)驗(yàn)，筆者認(rèn)為可以對(duì)大腦內(nèi)部的代謝活動(dòng)做出如下理論假設(shè)：

1)腦是專司信息的器官，腦內(nèi)之所以大量地消耗能量，因?yàn)槟X內(nèi)存在不間斷的復(fù)雜的信息活動(dòng). 信息活動(dòng)伴隨能量和物質(zhì)的代謝. 不僅有意識(shí)心智活動(dòng)伴隨能量物質(zhì)代謝，心智的無意識(shí)活動(dòng)也存在能量的消耗，而且是能量消耗的主體.

2)腦內(nèi)的信息活動(dòng)主導(dǎo)著腦內(nèi)的能量和物質(zhì)的代謝.

3)腦具有如下特殊的生命特征：腦是一個(gè)需要不斷與外界保持“信息、能量、物質(zhì)”交流的開放系統(tǒng)，是一個(gè)以信息活動(dòng)為主導(dǎo)的“能量、物質(zhì)”的特殊代謝系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱為“信息、能量、物質(zhì)”三個(gè)維度的代謝系統(tǒng).

3 腦功能發(fā)育發(fā)展的動(dòng)力學(xué)機(jī)制

現(xiàn)在讓我們對(duì)上述兩方面的研究做一個(gè)綜合分析，提出腦功能發(fā)育發(fā)展的動(dòng)力學(xué)機(jī)制假設(shè).

腦是生命系統(tǒng)為適應(yīng)環(huán)境變化，在數(shù)以億年的歷史演化中形成的，隨著腦的演化，動(dòng)物也不斷地進(jìn)化. 高級(jí)動(dòng)物的腦逐漸演化成功能分工不同的兩大部分. 第一部分叫原始腦，主要負(fù)責(zé)調(diào)整控制整個(gè)生命體征，這一部分人和高等動(dòng)物的差不多，它功能是由遺傳直接形成的；第二部分是大腦皮層，也就是通常所說的大腦. 人和動(dòng)物腦的區(qū)別主要就在人有一個(gè)發(fā)達(dá)的大腦. 大腦與一切器官不同，存在兩種不同的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和發(fā)育過程. 高等動(dòng)物出生后它們的大腦也存在一個(gè)短暫的發(fā)育敏感期，而敏感期的長(zhǎng)短隨著腦的復(fù)雜程度不同而不同. 人腦發(fā)展的敏感期相當(dāng)長(zhǎng)，而且不同能力對(duì)應(yīng)的腦區(qū)有不同的敏感期時(shí)間. 嬰兒出生時(shí)大腦中幾百億個(gè)神經(jīng)元處于無序的、沒有功能的狀態(tài)，必須經(jīng)過長(zhǎng)期的學(xué)習(xí)和體念，才能逐漸形成具有功能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu). 所以，也稱其為“社會(huì)性腦”. 人類大腦的這種“雙重結(jié)構(gòu)特性”是人類祖先在特殊的生活方式下，在漫長(zhǎng)的歷史演化中形成，并且形成了大腦的兩個(gè)截然不同的發(fā)展階段. 第一階段是通過遺傳自然實(shí)現(xiàn)的，第二階段必須通過個(gè)體的長(zhǎng)期學(xué)習(xí)，才能實(shí)現(xiàn). 這就是說，每個(gè)人必須經(jīng)歷從“自然性腦”到“社會(huì)性腦”的結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)變，這個(gè)過程就是不斷學(xué)習(xí)的過程. 不經(jīng)歷社會(huì)性學(xué)習(xí)就不能成為一個(gè)正常的人. 狼孩就是最好的例證.

腦的兩種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變是人類祖先大腦漫長(zhǎng)演化的創(chuàng)造. 對(duì)當(dāng)代人來說，可以看做是自然界留給每個(gè)人的“一門必修課程”. 腦科學(xué)研究揭示，人出生時(shí)，除了“原始腦”中由于基因作用在胎里已經(jīng)形成的、控制人的生理活動(dòng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以外，大腦中的幾百億的神經(jīng)元細(xì)胞基本上都處于無序的，沒有功能的，等待聯(lián)接的狀態(tài). 從無序的沒有功能的生理結(jié)構(gòu)向有序的網(wǎng)絡(luò)功能結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變是一個(gè)根本性轉(zhuǎn)變. 那么，這個(gè)結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)變的過程是靠什么機(jī)制不斷進(jìn)行的呢？

從上面的分析我們可以得出，這個(gè)結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)變過程的必要條件是個(gè)體的學(xué)習(xí)和體念. 個(gè)體的學(xué)習(xí)和體念使大腦獲得有效的信息，有效的信息傳遞到大腦，使相關(guān)神經(jīng)元之間有相應(yīng)的蛋白質(zhì)形成，從而使神經(jīng)元之間形成功能關(guān)聯(lián)，形成神經(jīng)元通道，進(jìn)而逐漸形成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，正是這種網(wǎng)絡(luò)物質(zhì)的形成完成了學(xué)習(xí)和記憶. 這是諾貝爾獎(jiǎng)獲得者坎貝爾的“學(xué)習(xí)記憶模型“的基本意義. 可見，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建立，腦功能的發(fā)育發(fā)展的基本動(dòng)力是信息主導(dǎo)下的能量、物質(zhì)的代謝作用. 我們知道，按照普利高津的耗散結(jié)構(gòu)理論，一切生命現(xiàn)象都遵循能量、物質(zhì)的耗散結(jié)構(gòu)規(guī)律. 腦也不例外，但是，從一系列腦科學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，如果腦僅僅遵循普利高津耗散結(jié)構(gòu)過程，那么只是一個(gè)自然腦，腦還必須遵循一種特殊的耗散結(jié)構(gòu)規(guī)律，信息主導(dǎo)下的“信息、能量、物質(zhì)”耗散結(jié)構(gòu)規(guī)律. 即在腦內(nèi)耗散結(jié)構(gòu)中，信息與能量、物質(zhì)不僅屬于并列的一個(gè)維度，而且處于主導(dǎo)的地位. 所以.我們可以將腦內(nèi)的代謝活動(dòng)稱之為，“信息、能量、物質(zhì)”的三維耗散結(jié)構(gòu)活動(dòng).

我們認(rèn)為，正是腦內(nèi)的”信息、能量、物質(zhì)”的三維耗散結(jié)構(gòu)活動(dòng)使大腦從沒有信息功能的自然結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)育發(fā)展起來具有心智功能的社會(huì)結(jié)構(gòu)，并提出假設(shè)：“信息、能量、物質(zhì)”的三個(gè)維度的耗散結(jié)構(gòu)是腦功能發(fā)育發(fā)展的動(dòng)力學(xué)機(jī)制. 為方便，用信息(information)，能量(energy)，物質(zhì)(material)英文單詞的第一個(gè)字母組合表示，稱為IEM假設(shè).

4 本課題研究的意義

4.1 IEM假設(shè)為“開發(fā)腦”教育研究提供了基礎(chǔ)理論

“開發(fā)腦”就是要使人的潛在大腦功能及早地、全面地、最大限度地得到開發(fā). IEM假設(shè)假設(shè)可以詮釋：人的智能不是天生的，是通過學(xué)習(xí)形成的，必須進(jìn)行開發(fā). 信息的品質(zhì)、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等對(duì)應(yīng)教育課程和環(huán)境，決定腦內(nèi)的能量和物質(zhì)的耗散結(jié)構(gòu)活動(dòng)，所以IEM假設(shè)是“開發(fā)腦”教育研究的理論基礎(chǔ). 近十年來，筆者在承擔(dān)全國(guó)教育科學(xué)“十一五”“十二五”課題研究中，應(yīng)用IEM假設(shè)在教育理論研究和課程創(chuàng)新方面取得豐碩成果.

基于腦科學(xué)的學(xué)習(xí)論，提出了學(xué)習(xí)是腦的天然要求，學(xué)習(xí)是腦功能發(fā)育發(fā)展的基本途徑；學(xué)習(xí)是大腦的功能、創(chuàng)造也是大腦的特性，人人都可以有創(chuàng)造性，天才可以開發(fā)、培養(yǎng). 沒有不愛學(xué)習(xí)的學(xué)生，只有不適合學(xué)生的課程和教學(xué)等等[10]；研究教育必先研究學(xué)習(xí)等.

基于腦科學(xué)的教育論，提出了“教育的三個(gè)時(shí)代論”，強(qiáng)調(diào)“基礎(chǔ)教育應(yīng)該以開發(fā)大腦功能為基本目標(biāo)”[11]；教育的時(shí)間空間結(jié)構(gòu)理論[12]；基于腦科學(xué)的“以學(xué)生為本”理論等.

基于腦科學(xué)的課程論，提出了“國(guó)家課程、地方課程、校本課程、家庭課程和個(gè)人課程”五位一體的課程論；“國(guó)家課程腦科學(xué)校本化”和創(chuàng)建填補(bǔ)國(guó)家課程能力缺失的“超常課程”；基于腦功能四個(gè)系統(tǒng)和五種心理相互作用及統(tǒng)一性的課程設(shè)計(jì)理念；“以能力發(fā)展為主線(或主導(dǎo))結(jié)構(gòu)性課程”理念等

基于腦科學(xué)的評(píng)價(jià)理論，提出了“注重激勵(lì)性的評(píng)價(jià)原則“和“基于智能論的全面評(píng)價(jià)體系”；提出“行商概念”和“智商、情商、行商相結(jié)合的心理結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)體系”[13].

上述思想理論在多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中已經(jīng)取得豐碩的成果：邢臺(tái)市第四幼兒園承擔(dān)的《入園教育課程》研究，以教育統(tǒng)計(jì)測(cè)量呈現(xiàn)“顯著性差異”通過河北省教育科學(xué)課題鑒定；湖北文理學(xué)院(原襄樊學(xué)院)基于腦科學(xué)智能論提出的“以技術(shù)教育基地為平臺(tái)的大學(xué)物理課程綜合改革”獲得“2009年國(guó)家級(jí)人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)區(qū)”的稱號(hào)；基于“全國(guó)教育科學(xué)‘十二五’課題”(HBB110031)的“以能力發(fā)展為主線全腦開發(fā)小學(xué)結(jié)構(gòu)性課程”已經(jīng)形成顯著特色的體系，各科教學(xué)呈現(xiàn)新的面貌. 2015年8月河北省教育廳編制的《教育信息快報(bào)》做了明確介紹.

4.2 IEM假設(shè)可以為生命系統(tǒng)的自主演化提供詮釋

億萬年來，生命系統(tǒng)為什么會(huì)不斷地自主演化發(fā)展，為什么人類祖先出現(xiàn)以后會(huì)出現(xiàn)加速演化，使自己成為超越一切生靈，主宰整個(gè)地球的智慧物種？現(xiàn)在，我們可以用IEM假設(shè)來做一解釋.

腦功能發(fā)育發(fā)展的三維耗散結(jié)構(gòu)活動(dòng)機(jī)制，揭示了腦是在信息主導(dǎo)下的“信息、能量、物質(zhì)耗散結(jié)構(gòu)”活動(dòng)中實(shí)現(xiàn)功能建構(gòu)，對(duì)外部信息形成記憶，從而獲得適應(yīng)環(huán)境變化的生存能力，并在這種過程中實(shí)現(xiàn)了腦的演化發(fā)展. 由于環(huán)境變化的信息比較單調(diào)、緩慢，所以在人類祖先出現(xiàn)前的數(shù)億年歷史中，有腦動(dòng)物的演化仍然是相當(dāng)緩慢的.

人類祖先出現(xiàn)后，由于人類祖先學(xué)會(huì)勞動(dòng)和創(chuàng)造，形成用自己創(chuàng)造的信息對(duì)大腦進(jìn)行高強(qiáng)度頻繁作用的演化機(jī)制，使人類大腦內(nèi)的“信息、能量、物質(zhì)”耗散結(jié)構(gòu)活動(dòng)異常頻繁劇烈，所以在幾十萬年的時(shí)間內(nèi)，人類的大腦皮層便增大了幾倍，使大腦形成了具有空前強(qiáng)大的信息功能，形成具有高度的智慧，復(fù)雜的感情和堅(jiān)強(qiáng)意志力的智能系統(tǒng). 而歷史上與類人猿處于相當(dāng)水平的靈長(zhǎng)類動(dòng)物，至今卻仍然停留在幾百萬年前的智能水平.

4.3 IEM假設(shè)為哲學(xué)基本問題的研究提供了新思想

“存在與意識(shí)”的關(guān)系問題是哲學(xué)界長(zhǎng)期討論，但至今并沒有得到根本解決的基本問題. 究其原因，是一直沒有從根本上找到“存在與意識(shí)”雙方的本質(zhì)聯(lián)系. 因此，基本認(rèn)識(shí)一直停留在哲學(xué)界形成一種大家可以接受的說法. 如“存在決定意識(shí)”“物質(zhì)決定精神”云云. 筆者認(rèn)為，基于腦科學(xué)的IEM假設(shè)也許可望將“存在與意識(shí)”統(tǒng)一于一種更高的物質(zhì)形態(tài)——智慧物質(zhì)之中. 智慧物質(zhì)就是大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò). 我們可以從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的形成和基本特性去認(rèn)識(shí). 從IEM假設(shè)我們知道，作為智慧生命系統(tǒng)，是在信息的作用下通過“信息、能量、物質(zhì)”的耗散結(jié)構(gòu)過程逐漸形成的. 所以，意識(shí)與智慧物質(zhì)是統(tǒng)一體，更明確地說，意識(shí)是智慧物質(zhì)的特性，它們同時(shí)形成、同時(shí)發(fā)展、同時(shí)衰退、同時(shí)消亡. 一旦意識(shí)不存在了，智慧物質(zhì)也就死亡了，反之亦然. 醫(yī)學(xué)上的植物人就是例證. 植物人就是智慧生命物質(zhì)失去意識(shí)，智慧系統(tǒng)便降解為普通生命系統(tǒng)，只維持能量物質(zhì)的耗散結(jié)構(gòu)活動(dòng). 再來看嬰兒腦，一開始也還是個(gè)自然腦，沒有什么意識(shí)，是一步步學(xué)習(xí)，才逐漸形成意識(shí)的，逐漸由普通生命物質(zhì)變成智慧物質(zhì)的. 可見，通過應(yīng)用IEM假設(shè)，從意識(shí)的源頭始末分析，將智慧物質(zhì)的形成過程和意識(shí)的出現(xiàn)聯(lián)系起來，建立智慧物質(zhì)的特殊結(jié)構(gòu)概念，有望從根本上對(duì)“存在與意識(shí)”的爭(zhēng)論實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一.

哲學(xué)家應(yīng)該從腦科學(xué)的發(fā)展中得到啟示，不應(yīng)該停留在20世紀(jì)以前對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)水平上. 應(yīng)該從運(yùn)動(dòng)的、變化的哲學(xué)觀去看待對(duì)物質(zhì)世界，認(rèn)識(shí)到對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)也還存在重大的未知領(lǐng)域. 腦科學(xué)啟示人們，自然界還存在一種比普通生命物質(zhì)更高的形態(tài)——智慧生命物質(zhì)，腦. 腦科學(xué)的發(fā)展應(yīng)該促使哲學(xué)關(guān)于世界觀和方法論的研究有新的突破和發(fā)展.

[1] 唐孝威.物理·生理·心理病理[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2009：253.

[2] 唐孝威.心智的無意識(shí)活動(dòng)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2008：55.

[3] 彭聃齡.普通心理學(xué)[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2004：175.

[4] ALKIRE M T， HAIER R J， BARKER S J， et al. Cerebral metabolism during propofol anesthesia in humans studied with positron emission tomography[J].Anesthesiology，1995，82(2)：393.

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[8] PETERSON S E， FOX P T， SNYDER A Z， et al. Activation of extrastriate and frontal cortical areas by visual words and word-like stimulus[J]. Science，1990(249)：1041-1044.

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[10] 應(yīng)和平，張劍波，陳飛燕.走近唐孝威[M].杭州：浙江科學(xué)技術(shù)出版社，2014：97-102.

[11] 吳祖仁.未來教育展望：迎接教育的第三個(gè)時(shí)代[N].科學(xué)時(shí)報(bào)，2009-03-27.

[12] 吳祖仁.基于技術(shù)教育基地的大學(xué)物理課程改革的教育理論價(jià)值和實(shí)踐意義[J].物理通報(bào)，2010(5)：3-6.

[13] 吳祖仁.行商的科學(xué)背景及其意義[J].北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010(1)：103-107.

(責(zé)任編輯：徐 杰)

Dynamic Mechanism of Brain Function Development and Its Great Significance

WU Zuren1, WU Jiangbin2, ZHANG Zengchang3, YANG Zhengbo3

(1.Brain Development Institute, China Creative Studies Institute, Baoding 071000, China; 2.Office for Science Park, Hebei University, Baoding 071000, China; 3.School of Physics and Electronic Engineering, Hubei University of Arts and Science, Xiangyang 441053, China)

By tracing the evolution history of the nervous system and brains and studying a series of typical experiments about brain science and some related instances， it found that there is a special metabolic mechanism in a brain， based on this， it assumes a dynamic mechanism on the development and the evolution of brain function， and carrying on some deeper scientific thinking.

brain function； development； a dynamic mechanism

2017-04-05；

2017-08-02

吳祖仁(1940— )，男，浙江東陽人，河北大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授，湖北文理學(xué)院兼職教授，中國(guó)創(chuàng)造學(xué)會(huì)大腦開發(fā)研究會(huì)理事長(zhǎng).

N4

A

2095-4476(2017)08-0073-06