从基础脑科学原理出发，探寻核心学习能力

/ 香港大学教育学院、教育神经科学实验室教授

在当今科技飞速变革的时代，我们所处的社会形态，我们的生活方式，我们每天所接触到的人和事，都在告诉我们，我们的时代是一个巨变的信息爆炸的时代。家长和孩子面临着前所未有的挑战--似乎是无限增长的校内外的课程和作业，以及孩子越来越少的自主时间。

适应这样一个时代需要怎样的教育变革？一个教育者应该思考的一个核心问题在于，对于早期儿童发展与教育来说，在与众多的基于具体学习科目相关的能力中，什么是他们从小最需要获取的基本能力呢？是否有这样一种能力，强化了它，就能够对其他能力起到普遍的强化作用？如果把这种能力定位成一种核心学习能力，那么作为教育者应该如何引导孩子去探索并获得呢？

这就离不开对脑科学知识的普及运用了。作为一个脑科学研究工作者，我问自己，尽管大脑有那么多的功能，能让人类通过视觉，听觉、触觉、嗅觉、味觉等系统，感知到大千世界呈现给我们的无穷无尽的信息，能让我们摸索出自然界的各种科学规律，能让我们创造出文学、艺术，体会到人类作为万物之灵的充盈情感，乃至执着地追寻个人的精神信念，所有这些是建立在什么共有的物质基础之上呢？

首要关注的，自然是大脑中的神经细胞。一个有意识的人，他的脑神经细胞一定是在不断产生电脉冲，并通过化学物质把脉冲信号迅速地传输给其它细胞的。成千上万的脑细胞通过此方式连接成网络。由于大脑要不断学习新的东西，这些细胞所组成的网络就要根据学习的内容随时调整连接形态。所有连接都由一种叫做突触的结构组成，而突触的可塑性，正是各类学习能力所共有的神经机制。那么，如何在大脑的早期发展阶段为强化突触的可塑性创造条件呢？

早期“变化”环境提升突触的可塑性

在美国新墨西哥州大学心理学系的一个发展神经科学实验室里， 我们给刚刚出生的老鼠幼崽创造了两种生活环境：一种环境是少变化的，另一种则有系统性的重复变化（见图一，1、2）。 我们让每窝老鼠幼崽中的一半，在婴儿期就每天都离开它们所熟悉的家（笼子），去另外一个相对来说新颖的（或者说“不熟悉”的）笼子里呆短短的三分钟。 这个不熟悉的地方并没有大家所期待的更“丰富”的环境， 比如原先笼子里所没有的玩具等。

图一

这个实验的目的之一，是探讨能否通过很小但是重复的环境变化，来强化大脑学习机制的可塑性。作为对照组，另一半同胎生的老鼠幼崽，在其它任何方面都得到同样的待遇，比如说通过对实验条件的精心控制，所有的幼崽都经历了同等时长的与妈妈的短暂分离，所有的幼崽都经历了等量且同时的与实验人员的接触。通过在对母婴重逢后的行为进行系统观察，我们知道老鼠妈妈更多的关注了待在家里的幼崽（见图一，2）。

在这些老鼠成年后，我们对这两种早期环境下养育出的个体的海马体（hippocampus）进行了突触可塑性研究（见图二，3）。海马体是一个有着多种与学习，记忆，压力和情绪调节相关功能的重要脑区。 我们的结果发现，尽管这些老鼠幼崽在婴儿期（出生后的3个星期）之后的经历完全相同，但婴儿期的三周内不同环境所带来的差别，在它们成年后依然存在──经历过以上变化的老鼠， 它的突触就比对照组的老鼠具有更高的可塑性。

作为可塑性的一个最常用指标，海马突触的长时增强作用（long-term potentiation），从对照组的大约35%提升到了变化组的大约60%。有趣的是，变化环境的这种效应特别表现在右侧海马的可塑性上。这种在神经层面的左右不对称性（asymmetry），在行为层面上也有表现。 在新颖环境下偏右转的老鼠在空间学习和社会学习能力上要比偏左转的老鼠更强。

早期干预强化多种学习能力

那么，这种看似简单的早期环境改变，是否真对多种行为层面的能力有影响呢？通过行为研究我们发现，经历过早期环境变化的老鼠，与对照组的老鼠相比较，不仅表现出了更高的与海马相关的空间记忆能力（spatial memory）（见图一，1、2；图二，4），而且表现出了更高的对社交对象的记忆能力（social memory）（见图二，5），更快速地适应新环境的能力（habituation）（见图一，1；图二，6），以及更有效地巩固操作学习结果的能力 （operant conditioning）（见图一，1）。

具体来讲，在一项被称之为“水迷宫”的实验项目中，经历过重复环境变化的老鼠，能够更快地学会如何用空间参照物找到逃脱办法。 在与其他老鼠的社交活动中，经历过重复环境变化的老鼠，能够更长久地记住相遇过的其它老鼠；在进入一个新的环境后，同样能够更快地战胜对新环境的初始恐惧，提高再进入时的行为活动水平； 最后，在学习“选择哪一个气味能得到奖励”的试验中，它们也能更好地巩固已学会的知识，而对照组老鼠则更容易遗忘。

神经调节物质与学习

突触的可塑性不是一成不变的， 而是受很多化学物质调节的。各种神经调节物质（neuromodulators）不仅要搭配得当，其自身还需要动态平衡。比如白天，大脑需要接收大量来自环境的信息，需要将这些信息如实地通过神经表征记录下来。这种模式可以称为 “learning mode”（学习模式）。而在夜间睡眠中，大脑会对白天得到的信息再加工，进一步巩固近期学到的内容，并将新旧内容进行融合。这种模式可称为“recall mode” （回忆模式）。

其实在白天，类似的动态调节也是常常需要的。 比如大脑在遇到新颖的，或者不熟悉不常见的事物时，就会进入更接近学习模式的状态；而在遇到熟悉的事物时，则会进入一个更接近“回忆模式“的状态。这些不同的学习状态，和各种神经调节物质的影响分不开。一个学习能力强的大脑，应当是一个能够对神经调节物质进行有效调节的大脑。

图二

早期干预强化对压力激素的调节能力

压力激素, 学名皮质醇（cortisol），可以被看作神经调节物质的一种。 这是因为它不仅能够调节神经细胞产生电脉冲的能力，而且能够调节突触的可塑性。肾上腺（adrenal gland）制造的压力激素通过血液传送到大脑的各个角落，哪里的神经元上有它的受体，哪里的神经元和突触就会受到激素的调节。由于压力激素受体在大脑中的广泛分布，它能够对大脑学习功能起到全局性的调控作用。

有效的压力激素调节至少要包括以下两个方面：一是在没有需要的时候，尽量维持一个较低但非零的水平。二是在需要的时候，能迅速地提高激素水平以适应环境变化的需要。研究发现，经历了早期环境重复变化的老鼠， 不仅能够把静息状态下的压力激素维持在较低水平（见图二，5）；而且能够在需要时（比如说“一分钟游泳挑战”实验），将激素水平快速提升到较高水平（见图二，7）。有以上特征的老鼠，就能够避免不必要的压力激素生成以及它所带来的长期负性效应，并能够利用压力激素提高学习时所需要的神经细胞电活动和突触的可塑性。

培养个体对变化的免疫力

从以上对老鼠幼崽的长期跟踪对照实验中我们发现，早期环境变化的重复体验，不仅可以强化大脑中与学习能力密切相关的神经机制（突触可塑性），还可以提升对压力激素的自我调节能力。 更重要的是，这种干预不仅强化了学习的神经机制，而且强化了学习能力在行为层面多个不同领域里的表达，从非联想性学习到空间学习、社会学习、操作学习等。

综合这些实验结果，我们不妨大胆推测以上两类老鼠幼崽的心态：一类经历过变化和相对新颖环境带来的不确定感，所以对变化的事物有了一定的“免疫力”，这种免疫力使得这类老鼠幼崽能够在学习过程中，保持一种淡定和自信的探索心态； 另一类缺少对变化事物的重复体验，稍有变化就会让它们恐慌和焦虑，因而失去对学习的专注，失去对学习乐趣的体验，从而失去更好的学习结果。

未来研究方向：从动物模型到人的转换

那么，如何才能谨慎而有效地将以上发现运用到人类婴幼儿的培养中去呢？什么才是对人类婴幼儿有效的早期环境变化呢？如何对不同的孩子进行个体差异化的早期环境设计，这是一个在科学研究方法中称为“普适性”的重要问题。从动物模型到人的跨越，从实验室到现实环境下学习规律的跨越，从实验学习范式下的学习到自然非范式学习的转换，还有母亲所起的作用（见图二，8），都是需要用更多的篇幅，以及更多更新的科学实验来深入探讨的问题。

最后， 我要回到我最初的问题：什么是孩子最需要获取的基本能力呢？是否有这样一种能力，一旦强化就能够对其他能力起到普遍的强化作用？以上研究结果启示我们，对“变化”的适应能力，是一种比具体科目的学习更基础的能力，而这种能力可以通过早期环境的重复性变化来实现。换言之，一个能够适应环境变化的个体，必然是一个成功的学习者。