小泉英明谈脑科学与教育

小泉英明谈脑科学与教育◇贾志勇肖彤岭编译编译者按：小泉英明先生是日本物理学家和脑科学家，1971年毕业于东京大学，1976年发明了偏光原子吸收测定法，获理学博士学位。小泉英明先生还发明了现在医院及实验室使用的核磁共振仪，最近又发明了可以在教室里测试大脑活动的光导测试仪。小泉英明先生目前从事脑科学与教育的研究，现为日本“脑科学与教育”研究总课题组组长。2005年6月，小泉英明先生应我国中央教育科学研究所邀请，以“脑科学与教育———尖端研究与未来展望”为题，作了学术报告。经小泉英明先生同意，现将该报告整理发表，供同行参考。一、要素还原与要素融合我们在讨论脑科学与教育研究的时候，需要探讨以下几个问题。1.要素分解现代科学技术的迅猛发展，实现了人类现代化社会的夙愿。可是，人们又开始担心，现代化的发展，是否与人类的可持续发展相协调？现代的科学方法倡导的是要素分解。基本方法是将有关要素不断地进行分解，将原来不清楚的要素最终全部清晰化，从而找到事物的差异性。现在的科学领域都是按照上述的方法开拓的，从而迎来了20世纪科学技术的高速发展。但是，需要我们思考的是，如果无限度地使用要素分解的方法，是否会割断事物之间的相互联系。例如，医学界中的“脏器医学”，按照不同脏器分为诸多专门学科，结果，神经外科的大夫对于头以下的部位所知甚少，心脏外科大夫、神经外科大夫以及肝脏大夫，他们之间研究的内容与方向也各不相同。这向我们提出了一个十分重要的问题，难道病人身体中的“病”也是那样严格分科的吗？2.要素还原所有的科学技术领域都会出现上述医学界的问题，所以，将专业领域的方方面面统筹好，是一件非常困难的事情。但在21世纪，我们需要各个领域通过架桥达到相互融合的目的。也就是说，将不清楚的事物通过分解探寻根源之后，再次还原，以便我们更清楚地认识事物的本质，从而进行新的综合。实际上，这就是法国哲学家笛卡尔提出的“还原法”和“综合法”。笛卡尔在书中写到：“这种方法是有顺序的，最初是要素还原，当要素明确后，就要进入综合时代。”科学技术到底是为了什么？现在已经是思考这一问题的时代了。3.循环学未来的10年将是“循环学”（Trans-disciplinarity）的时代。现在越来越多的人开始意识到“循环学”的重要。许多人开始通过架桥和综合的方式，将诸多领域联结起来，从而开创新的领域。这里所说的架桥与综合，不仅指某几个领域，而是更为广泛。确切地说，一方面是指“自然科学”与“人文科学”和社会科学”的综合；另一方面是“理论领域”与“实践领域”的综合。这些领域的专家应该联合起来，组成研究组，促进他们相互之间的了解，共同总结经验，达成共识，这必然形成超过每位专家自身领域更好的“成果”。例如，疾病、环境等问题是人类必须要解决的课题，在这方面就需要引入脑科学的研究成果。同样教育领域也需要引入脑科学的研究成果。二、脑科学与教育关系问题的研究背景1.生命与进化在研究脑科学与教育的关系时，首先探讨的问题是：“生命”是什么样的？因为，“生命”是构成地球生命圈的最基本要素。在物理学上，每个“生命”都被定义为一个“热开关”。地球漂浮在宇宙中，从太阳表面接受光和热。在黑暗的宇宙中，生命受到太阳的恩赐，能够驱动起生命的“热开关”。由于地球存在着高温和低温，从而产生了温差，生命便可以从中摄取能量，然后向宇宙排出废热。每一个生命都是作为一个“热开关”的形式存在。卵细胞与精子结合，通过分裂，逐渐形成内脏系统。无论是动物还是植物，其内脏系统都是相似的。根据外界环境的变化与刺激，能够采取适应环境的行动的“生命”被叫做“动物”。每一个生命都能够组成“自己再生、免疫系统”的网络，这就是“生命系统”。科学家考证，距今38亿年前，地球上就诞生了“生命”，“神经系统”的诞生大约2亿年前，人类祖先的出现大约在150万年～200万年前。也就是说，生命是为了适应外界环境的变化与刺激而进化的，并以DNA的形式组成遗传密码，通过一代又一代地反复繁殖，使之更加适应环境。2.信息与学习自从神经系统形成后，尽管以DNA形式组成的遗传密码，没有那么快地一代又一代的反复繁殖，但对外界的“信息”存储并没有减少，而且采取适应性的“行动”进一步扩大。这是由于动物的信息处理能力在急速增强。现在，外界给予我们脑的中枢神经系统的信息处理量，要远比我们体内所拥有的遗传密码的信息量大得多。随着脑的中枢神经系统对信息处理的能力的提高，逐渐形成我们人类所特有的“心理”状态，这便是人类通过适应环境发生了巨大变化的结果，所以，“学习”的内容就显得非常重要了。人类的本质虽然有遗传决定的一面，但是，也具有后天不断变化的特性。从生命的历史长河的演变来看，宇宙、太阳系、生命的诞生分别在137亿万年前、45亿年前、38亿年前。2500万年前猿的诞生，到550万年前人类与猿开始产生分歧，人与黑猩猩的DNA排列差约1%。更确切地说，由于脑的前叶前区进化了2倍，从而诞生了人类，而“学习”是促进人类进化的重要因素之一。三、“教育”是人类最大的发明黑猩猩与人类遗传基因只有约1%的差异，是由于对黑猩猩不能进行“教育”，尽管研究者总希望找到黑猩猩受“教育”的痕迹，但结果却令研究黑猩猩的学者十分遗憾。京都大学的松泽先生对黑猩猩进行长期观察，发现人类与黑猩猩在语言、动作、教育、情感四个方面存在着差异（见表1），从而得出结论：黑猩猩没有积极的“教育”痕迹，只会单纯模仿。表1人类与黑猩猩的不同之处人类黑猩猩①具有语言逻辑表达能力②能够制作和使用复杂的工具③能够通过教育，提高积极性④具有爱与恨的情感①只限于词汇的堆积，而没有语言逻辑表达能力②会使用极其单纯的工具（如切割树木果实的石器等）③只会模仿，教育对它们不会产生积极能动性④只与新生儿的微笑等原始反射相同我曾与最早发现黑猩猩使用工具的学者进行过探讨，他至今没有发现黑猩猩通过教育而提高使用工具能力的证据。所以说，教育是人类最大的发明，而这又归功于人的大脑。人的大脑结构由三部分组成，即脑干、旧皮层和新皮层。脑干是维持生命的脑，旧皮层是驱动生存力的脑，新皮层是为了更好地生存的脑（见图1）。哺乳类的情绪受脑干及旧皮层的支配，能够表现出爱与恨的情绪。人类的脑不仅如此，脑中的新皮层能够支配人类进行理性的选择与判断，这是人类与其它哺乳类根本性的区别。图1脑结构的分工示意图四、生物学中对“学习”与“教育”的理解1.“临界期”与中枢神经退化研究者曾做过实验，发现刚刚出生的小鸭子在看见离自己最近的、活动着的较大物体时，会误认为是自己的母亲，会跟在后面不离开，这叫做大脑的“影子现象”，这不是遗传密码的作用。研究者曾使用玩具替代动态物做了实验，发现影子现象只在小鸭子孵化后的21小时到24小时之内存在，以后便不再出现影子现象，所以，人们把这段时间叫做“临界期”。研究者做过这样一个实验，将小猫饲养在只有直条纹环境的笼子里数月后，把铅笔竖着在小猫眼前晃动，小猫有反应；而将铅笔横着晃动时，小猫没有任何反应。研究发现，小猫已失去了对横线的视觉反应，而且，错过了对横线视觉的“临界期”，之后无论怎样努力扭转这一局面，都无济于事，这只小猫将终身看不见横线。随着对脑的测量技术的发展，研究者发现在小猫脑的方位中枢区里，有处理直条纹和横条纹的中枢神经。但是在小猫对竖线和横线的视觉发育“临界期”时期，由于没有给它横线视觉的刺激，导致方位中枢区内处理横条纹的中枢神经退化掉了，因此，小猫看不见横条纹。在人的幼儿时期，特别是1岁到1岁半这一段时间，由于某种原因戴上眼罩，遮住一只眼睛，这只眼睛得不到外界刺激，就会导致这一只眼睛的“弱视”。道理与上述小猫的实验一样，这只眼睛的视觉中枢的神经由于没有外部刺激，导致大脑视觉区对应的眼球无法形成柱层，最后退化掉了。2.神经连接部增减与“髓鞘化”规律神经有接受输入信号的很多“树状突起”和输出信号的一根“轴束”（见图2）。1个神经细胞有1000到10000个神经连接点（突触）。实际上1立方毫米中的一级视觉区的突触以兆为单位，估计有1012之多。突触的数量从妊娠到出生逐渐增加，出生后更是急速增加，视觉区在8个月时达到顶峰，其后开始减少，这是遗传的表现（见图2）。图2神经连接部（突触）的增减与修剪但是，为了适应环境，没有受到刺激的部分逐渐退化，这种现象叫做“修剪”。如果我们想在被修剪了的那部分上创造出新的东西，就如同在沙地上盖楼房，缺少必要的基础。所以，我们要想解决当今的诸多教育问题，应该从幼儿时期抓起，根据其发展规律来逐渐完善教育论的原理。另外一个重要的问题是贯穿我们一生的，就是应该遵循脑神经的“髓鞘化”规律。“髓鞘化”是指神经纤维外面形成的绝缘体。由于绝缘体的作用，信息传输速度可以提高100倍。神经的“髓鞘化”是有顺序的，这种顺序的标定在100年前就完成了（见图3）。图3脑神经髓鞘化的顺序最早的（1）是出生时就已经具有的部分，这部分在运动区，指挥“运动”，其后是体表“感觉”，所以，婴儿在母亲肚子里就可以踹脚等。在顺序号高的（39）和（40）的部位“髓鞘化”最晚，是前头联合区。人类的前头联合区的DNA（遗传密码）的排列与黑猩猩相比仅有约1%的差异，但是，体积却大两倍。这部分的髓鞘化一直要持续到20岁以后。3.“学习”与“教育”的新生物学定义如上所述，在尚未“髓鞘化”的部位进行长时间的教育，效果肯定不好。所以，我们应该按照这方面的研究成果彻底修改现在的教学计划（见图4）。图4关于学习·教育的新生物学定义根据神经连接部增减特征与脑神经“髓鞘化”规律，我们应该从新的角度对“学习”与“教育”进行定义。所谓学习是受来自环境（除自己以外所有一切）的外部刺激构筑中枢神经通道的过程。教育是控制、补充外部刺激的过程。在教育中，我们当然应该加入希望的刺激，但是，我们认为是好的东西，事实上往往很难确定就是好的东西。还有来自外界刺激的“学习”，与学校所实施的控制、补充外部刺激的“教育”是否相违背，其后果将是如何等问题，需要我们进一步研究。上述讲的“学习”与“教育”是包括从出生到死亡的一生的概念，从“脑科学与教育”研究的角度出发，这里所讲的“学习与教育”是由过去狭义的“学习”概念扩展到一生的概念，那么，我们在现实中应该怎么做？这是我们应该思考的问题。我们通过实验发现，人从诞生到死亡，能够从自然环境中学习，通过视觉认知空间，通过接触感受爱和睡眠节奏，通过音乐熟悉音程和节奏，通过语言懂得音素和生成语法的规律等，这是脑的突触结合所致。为此，我们利用语言、音乐、自然环境等对有障碍的人群进行了疗育/治疗，使其达到康复。此外，如果遵循“修剪突触”和“髓鞘化”的过程，那么，人们在经历着从小学到大学阶段的学校系统教育中，应该是先学习知识和理解知识，然后通过实地训练获取学习经验后，拥有判断力和创造力，最后达到拥有管理和统辖的综合能力（见图5）。图5脑功能发育与综合课程4.与教育关联的社会问题对与教育关联的社会问题的研究刚刚开始，但是，我们应该充分考虑从诞生到1岁，神经的突触经过“修剪”（以自然死亡的形式，不必要的神经细胞逐渐融化）的现象，以及到10岁的“髓鞘化”问题。也要考虑学校教育以外的各种地方，在自然环境中的学习，治疗和康复，以及少年法和刑法等问题。例如，现在已经成为人们关注的教育环境问题，如“育儿与保育”、“3岁儿神话”、“幼儿虐待”、“温暖的心”、“媒体影响”、“网络游戏”，特别是“早期教育”，这些行为到底意味着什么？需要我们进行认真的探讨。其次是“一般教育”中对每一个人的“充分教育”的问题，“17岁的问题”，“最适当的课程”的问题，特别是信息化和媒体的发展出现的“远程教育”，“创造性教育”等问题。在“特殊教育”的问题中的“脑障碍儿童”的问题，还有日本人下了很大力气进行了英语教育，日本人却不会说英语的“语学教育”在“国际化社会”中出现的问题。“少子化和高龄社会”中如何保持健康的精神状态的“康复训练”问题，预防痴呆的问题。上述提出的是些概念性的内容，在现实中进行具体的研究非常困难，不过，现在已经有了对大脑的“无损伤测定方法”，这方面的研究可以证明我们现在的教育方法是正确的还是错误的。其中，我