從基礎腦科學原理出發，探尋核心學習能力

/ 香港大學教育學院、教育神經科學實驗室教授

在當今科技飛速變革的時代，我們所處的社會形態，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--似乎是無限增長的校內外的課程和作業，以及孩子越來越少的自主時間。

適應這樣一個時代需要怎樣的教育變革？一個教育者應該思考的一個核心問題在于，對于早期兒童發展與教育來說，在與眾多的基于具體學習科目相關的能力中，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，就能夠對其他能力起到普遍的強化作用？如果把這種能力定位成一種核心學習能力，那么作為教育者應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，感知到大千世界呈現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律，能讓我們創造出文學、藝術，體會到人類作為萬物之靈的充盈情感，乃至執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基礎之上呢？

首要關注的，自然是大腦中的神經細胞。一個有意識的人，他的腦神經細胞一定是在不斷產生電脈沖，并通過化學物質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絡。由于大腦要不斷學習新的東西，這些細胞所組成的網絡就要根據學習的內容隨時調整連接形態。所有連接都由一種叫做突觸的結構組成，而突觸的可塑性，正是各類學習能力所共有的神經機制。那么，如何在大腦的早期發展階段為強化突觸的可塑性創造條件呢？

早期“變化”環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展神經科學實驗室里， 我們給剛剛出生的老鼠幼崽創造了兩種生活環境：一種環境是少變化的，另一種則有系統性的重復變化（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，所有的幼崽都經歷了同等時長的與媽媽的短暫分離，所有的幼崽都經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觀察，我們知道老鼠媽媽更多的關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境下養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，壓力和情緒調節相關功能的重要腦區。 我們的結果發現，盡管這些老鼠幼崽在嬰兒期（出生后的3個星期）之后的經歷完全相同，但嬰兒期的三周內不同環境所帶來的差別，在它們成年后依然存在──經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，變化環境的這種效應特別表現在右側海馬的可塑性上。這種在神經層面的左右不對稱性（asymmetry），在行為層面上也有表現。 在新穎環境下偏右轉的老鼠在空間學習和社會學習能力上要比偏左轉的老鼠更強。

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現，經歷過早期環境變化的老鼠，與對照組的老鼠相比較，不僅表現出了更高的與海馬相關的空間記憶能力（spatial memory）（見圖一，1、2；圖二，4），而且表現出了更高的對社交對象的記憶能力（social memory）（見圖二，5），更快速地適應新環境的能力（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，經歷過重復環境變化的老鼠，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，經歷過重復環境變化的老鼠，能夠更長久地記住相遇過的其它老鼠；在進入一個新的環境后，同樣能夠更快地戰勝對新環境的初始恐懼，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。

神經調節物質與學習

突觸的可塑性不是一成不變的， 而是受很多化學物質調節的。各種神經調節物質（neuromodulators）不僅要搭配得當，其自身還需要動態平衡。比如白天，大腦需要接收大量來自環境的信息，需要將這些信息如實地通過神經表征記錄下來。這種模式可以稱為 “learning 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容，并將新舊內容進行融合。這種模式可稱為“recall mode” （回憶模式）。

其實在白天，類似的動態調節也是常常需要的。 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；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。這些不同的學習狀態，和各種神經調節物質的影響分不開。一個學習能力強的大腦，應當是一個能夠對神經調節物質進行有效調節的大腦。

圖二

早期干預強化對壓力激素的調節能力

壓力激素, 學名皮質醇（cortisol），可以被看作神經調節物質的一種。 這是因為它不僅能夠調節神經細胞產生電脈沖的能力，而且能夠調節突觸的可塑性。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，哪里的神經元上有它的受體，哪里的神經元和突觸就會受到激素的調節。由于壓力激素受體在大腦中的廣泛分布，它能夠對大腦學習功能起到全局性的調控作用。

有效的壓力激素調節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環境變化的需要。研究發現，經歷了早期環境重復變化的老鼠， 不僅能夠把靜息狀態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”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，并能夠利用壓力激素提高學習時所需要的神經細胞電活動和突觸的可塑性。

培養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現，早期環境變化的重復體驗，不僅可以強化大腦中與學習能力密切相關的神經機制（突觸可塑性），還可以提升對壓力激素的自我調節能力。 更重要的是，這種干預不僅強化了學習的神經機制，而且強化了學習能力在行為層面多個不同領域里的表達，從非聯想性學習到空間學習、社會學習、操作學習等。

綜合這些實驗結果，我們不妨大膽推測以上兩類老鼠幼崽的心態：一類經歷過變化和相對新穎環境帶來的不確定感，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； 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果。

未來研究方向：從動物模型到人的轉換

那么，如何才能謹慎而有效地將以上發現運用到人類嬰幼兒的培養中去呢？什么才是對人類嬰幼兒有效的早期環境變化呢？如何對不同的孩子進行個體差異化的早期環境設計，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，從實驗室到現實環境下學習規律的跨越，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，一旦強化就能夠對其他能力起到普遍的強化作用？以上研究結果啟示我們，對“變化”的適應能力，是一種比具體科目的學習更基礎的能力，而這種能力可以通過早期環境的重復性變化來實現。換言之，一個能夠適應環境變化的個體，必然是一個成功的學習者。