脑科学与教育蓝皮书：大脑系统的一般规律（上）
脑科学与教育蓝皮书：大脑系统的一般规律（上）
人类的大脑天生爱学习，不是因为学术追求，而是为了生存。大脑通过持续不断地学习新事物从而得以维持和调整，个体的健康依赖于日常学习所带来的奇妙转变。近年来，脑科学取得了很多成果，但是其在教育教学实践中还没有得到充分的认识与有效地应用。基于此，我们将从大脑发育、可塑性、镜像神经元、大脑分工、学习记忆和情绪动机这六个方面来揭示大脑学习的一般规律，希望为广大教育工作者提供些许指导。本篇我们首先介绍大脑发育、可塑性、镜像神经元这三方面。
认知发展与大脑发育的一致性
个体认知能力发展与其对应大脑结构的发育成熟存在先后顺序的一致性，人脑依次发展的区域是与基本功能相关的感知觉皮层、运动皮层，然后是与空间导向、语言发展和注意相关的颞顶叶联合皮层，最后才是与执行功能、注意以及协调动作相关的前额叶和外侧颞叶皮层（如图1）。
图1 灰质成熟图
A，中央前回和初级运动皮层；B，额上回，中央沟附近后端；C，额下回，后端；D，额下沟，在腹侧前额叶皮层的前端；E，额下沟，在背外侧前额叶皮层；F，额上沟前极限；G，额极；H，中央后回的初级感觉皮层；I，缘上回（第40区）；J，角回（第39区）；K枕极；L-N，STG的前中后部分；O-Q，前，中，后点沿着下颞上回。
比如，0-3岁婴幼儿阶段是早期语言爆发期，也是听觉感知能力发展的关键时机，那么提前识字、背外语单词等都没有遵循这一规律。学龄前阶段（3-6岁）是基本认知能力发展的重要时期，如果孩子还不能很好的与老师和其他儿童交流、不具备基本的数学、阅读技能或者还不能集中注意力，那么过早地将孩子送进幼儿园就是过快的推动了孩子的发展，家长帮助孩子作入学准备的最好方法是通过与他们互动——说话、提问、阅读和做游戏。小学阶段（6-12岁）也是基础认知能力发展的重要时期，但有些家长只想着如何超前或额外学习。
中学阶段（12-18岁）大脑的发育主要集中于额叶尤其是前额叶皮层的发育，前额叶是中枢神经系统的最高级部位，控制着认知、思维、意向、情绪等活动，影响着人的性格和行为。由于前额叶皮层发育还不完全，青少年常常出现注意力分散、无意义动作过多、有着更多的冲动性行为、容易受情绪的影响等。青少年阶段是情绪动机和决策能力发展的关键期，可这一点却没有得到充分科学地关注。
大脑具有可塑性
大脑可塑性(brain plasticity)是指大脑在外界环境和经验等因素的影响下会发生神经结构和功能的重塑，结构上表现为大脑皮层厚度、灰质体积、白质纤维连接的强度和方向等发生变化，功能上表现为脑区间发生的功能分离或者功能整合。有研究对5-7岁儿童进行了长达四年的追踪研究发现，接受音乐训练的儿童大脑感觉运动皮层和两侧枕叶皮层部分脑区的灰质体积显著大于没有接受音乐训练的控制组儿童。许多研究表明，大脑可塑性存在关键期，如果在关键期内大脑得不到足够的刺激，其功能就得不到充分的开发，甚至会造成一些难以估量的后果。
传统的观点一直过分强调学龄前儿童时期的脑发育机会，普遍认为成人大脑不能发生重大改变，但近几十年的认知神经科学研究表明，大脑具有终生的可塑性。对青少年女生进行3个月的视觉空间问题解决的计算机任务训练，MRI的扫描结果发现这些被试在BA6和BA22/38区皮层厚度显著增加。在不规则弦音刺激下，成人音乐家在外侧额叶下部和右侧颞上回前部的激活强于非音乐家（如图2）。另外，老年人的大脑也保持了一定的可塑性，有研究发现认知训练如记忆训练能改善海马结构，基于过程的执行功能训练能改善前额叶活动。
图2 成人音乐家和非音乐家脑区激活
大脑具有终身可塑性的现象强调了终身学习的重要性，学习涉及到的一个主要改变就是大脑回路中神经元之间突触强度的变化，我们学习时会加强那些对习得的行为很关键的联结，削弱那些没有用得上的联结。这说明，除了重视早期教育，也不能忽视其他阶段的教育；经验在大脑可塑性方面有着重要作用，一方面要提供丰富的有利于大脑潜能开发的适宜的环境，另一方面还要尽量避免诸如经验剥夺或者忽视等对个体发展不利的经验对大脑的消极影响。
镜像神经元促进社会认知
Rizzolatti 等人最初在猕猴大脑的F5区发现了镜像神经元（mirror neurons），即自己实施行为所激活的神经元在观察他人进行同样活动时也发生激活。利用脑成像技术，后来的研究发现人类大脑也存在能够匹配观察到的行为和自己执行行为的镜像神经系统。镜像神经系统的核心特征是通过相应脑区的激活建立内部的行为表征从而“亲身经历”其观察到的他人行为来实现理解他人行为、意图、情绪等功能，而且在模仿、语言理解、社会交往等方面起着重要作用。
模仿是发展基本的社会技能如心理理论等的关键，具有镜像活动性质的初级运动皮层在人通过模仿、观察进行动作学习中起重要作用，模仿的神经回路包括额下回（inferior frontal gyrus，IFG）、顶下小叶（IPL）等镜像神经系统区域。涉及Broca区域的镜像神经系统对语言理解至关重要，Tettamanti 等人将表述动作内容的句子播放给被试，观察脑功能区域的变化发现，与控制组句子相比，表述动作内容的句子显著激活了与模仿学习相关的额下回Broca 区域的额叶-顶叶-颞叶回路。对他人行为意图的理解是心理理论的重要方面，镜像神经系统的发现支持了模仿论（simulation theory），即我们对他人意图的理解不是通过概念的推理，而是通过镜像神经系统对观察到的事件直接模仿。Iacoboni 等人的研究表明，与仅仅观察动作或者场景相比，观察有动作的场景激活了腹侧运动前区皮层（ventral premotor cortex）及额叶下回（IFG）的后部——传统的镜像神经系统。共情也是社会认知功能中不可或缺的一部分，当观察他人的情绪表现时，镜像神经系统的参与也可以使得大脑激活被观察情绪的表征使得我们“感同身受”地获得对观察到的情绪的切身体验。Singer等人的研究发现观察亲人和亲自经历痛觉（电击）在双侧前部脑岛、前扣带回、小脑以及脑干这些部位的激活是相似的。社会交往也会涉及镜像神经系统的激活。Pfeifer等人的研究发现儿童在模仿他人表情时，额下回、左侧杏仁核及双侧脑岛的激活程度和儿童的人际关系能力显著相关。
综上所述，镜像神经元是社会关系的神经基础。镜像神经机制把他人的动作与自己的运动系统相匹配，以自身动作的神经环路对他人的动作做出回应，促进了人际理解和沟通，成为社会沟通的“神经桥梁”。
本篇我们从大脑发育、可塑性、镜像神经元这三个方面揭示了大脑学习的一般规律，下一篇我们将从大脑分工、学习记忆和情绪动机这三个方面来继续为大家揭示大脑学习的一般规律，敬请期待！