腦的可塑性研究及其對教育的啟示
作者｜佚名 來源｜網絡
隨著腦科學的發展，人們對於腦結構與功能的瞭解也越來越深入，其中，腦可塑性是近年來廣受關注的話題。揭示腦可塑性內涵及其對教育實踐的啟示，可為教育工作者及家庭提供有益參考。
動物學習與腦可塑性的研究
人類關於學習與複雜環境經驗對腦結構與功能影響的研究有一段歷史了。20世紀60年代，美國加利福尼亞大學伯克利分校的科學家Diamond研究組發現，學習與豐富環境的經驗對大鼠腦的重量、皮層的厚度、乙酰膽鹼水平與樹突結構都有影響。70年代，美國伊利諾斯大學Greenough研究組則從多學科的角度研究豐富環境對大鼠腦的影響，發現樹突結構的變化與突觸數量增加之間的關係。這些研究工作和相關研究為我們瞭解學習與環境經驗對神經結構與功能的影響積累了大量科學事實。
學習或經驗改變腦皮層的厚度與樹突的結構
複雜環境誘發的經驗依賴性神經可塑性是探索學習與經驗對腦結構與功能影響的經典研究，這類實驗一般都是以老鼠為研究對象，設計三種類型的實驗環境：豐富環境組、單調環境組和對照組。豐富環境組籠子裡飼養多隻大鼠，籠子中有各種玩具，如訓練的輪子、轉檯和爬梯等，並定期更換。單調環境組籠子中僅養一隻大鼠，沒有玩具。對照組介於兩者之間。實驗表明：豐富環境中成長的大鼠比單調環境中成長的大鼠腦皮層要厚6%。小於28天的幼鼠在豐富環境中生活 8天，其皮層比其他組幼鼠增厚7%到11%；2周後，豐富環境組幼鼠的腦皮層整合感覺信息的區域增厚16%，是所有年齡段中增厚最多的腦區。實驗證明了學習與豐富環境的經驗可以增加腦皮層的厚度，而年齡是影響腦皮層可塑性的一個重要因素。腦皮層厚度的增加可能與神經細胞的胞核面積和胞體增大、樹突野擴大、突觸數量增多、突觸終端變大等有關。豐富環境的實驗研究表明，在大鼠的視覺皮層上，每個神經元的突觸比單調環境中的大鼠多20%-25%，其他腦區的突觸也有增長的現象。
學習與練習對腦的結構產生不同的影響
從神經科學的角度來說，學習是神經元之間形成新連接的過程，而練習是鞏固與強化已有連接的過程，因此，學習和練習是兩種不同的神經活動，對腦的結構會產生不同的影響。Black等人的實驗證明了這一點，他們研究小腦在運動學習中的作用，研究對象為38個10月齡的成年鼠，實驗分為特技組、強制練習組、自願練習組、不活動組。30天的實驗中，特技組大鼠逐步學會通過如鉛筆粗細的平衡木、鬆散的繩橋、鏈條、蹺蹺板等7個障礙物， 總共通過了0.9公里的路程；強制練習組以每分鐘10米的速度在踏車上奔跑，總共通過了10.8公里的路程；自願練習組自由地在籠中的轉輪上練習，練習簡單的平衡與協調能力，總共通過了19±4公里的路程；不活動組作為對照組被關在標準的籠中，學習或者練習的機會很少。研究表明，強制練習組與自願練習組的毛細血管密度比另兩個組顯著增加；練習組和不活動組在突觸密度上沒有顯著差異；而特技組大鼠每一個浦肯野細胞突觸數量比其他組大約增加25%，血管密度保持不變。這說明運動學習而不是重複訓練在小腦皮層產生了新的突觸。這一研究支持了過去迷宮學習與練習的一些研究結果，即學習可以改變突觸的密度， 而練習則不能。1997年，Kleim等人的研究從不同角度驗證了上述研究。他們同樣將大鼠分為特技組與練習組，但是研究的是不同訓練時間對於突觸的影響：連續訓練10天、連續訓練10天后28天不訓練、連續訓練38天。研究表明，三種不同訓練條件下，特技組每一個浦肯野細胞的突觸都顯著多於練習組；而同一組大鼠的突觸數量在三種不同時間的訓練條件下沒有產生差異。研究表明，運動技能的學習使突觸數量增多、保持時間更長，其原因可能是，運動技能的學習中，緩慢而漸進形成的技能引起了小腦神經迴路的細微變化以及突觸的數量增加，而新增突觸的保持時間可能取決於大鼠在停止訓練前所接受的訓練量。
學習與經驗改變人腦樹突的數量與樹突棘的形狀
由於倫理道德的原因，對人類腦結構可塑性的研究數據還非常匱乏，直接研究一般侷限於屍體解剖、腦疾病患者以及極少數自願者，目前更多的是間接研究。兒童青少年接受的正規教育活動也會對大腦的結構產生影響。Jacobs等的研究證明了這一點。他們研究了韋尼克區(Wernicke's area)錐體細胞樹突長度、樹突分枝等結構與教育因素之間的關係。研究對象是20名正常人，男女各10名。教育條件分為三類：低於中學層次、中學層次、大學層次。研究發現，隨著教育層次的提高，第三和第四層樹突分枝的總長度增加。受教育程度高、喜歡挑戰性思維活動的個體，腦中總的樹突分枝長度比中學層次以下的人要長。他們推測可能是研究對象的教育程度和經常性、挑戰性的學習經驗造成了腦的這種變化。該研究表明，教育對腦的結構具有顯著的一致性影響。
學習改變人腦的功能代表區
外語學習的研究。感覺、運動、語言等在大腦皮層都有各自的功能代表區。經驗或者學習可以重組或者改變皮層功能代表區的精細結構。因此，許多研究人員運用不同的技術與手段來研究技能的獲得與腦功能代表區結構之間的關係，以期查明特定技能的功能代表區和結構以及年齡、學習的掌握程度等因素對功能代表區的影響。例如，Kim等人的研究表明，第二語言學習在布羅卡(Broca)區和韋尼克區的表徵與第二語言學習的起始時間可能存在著密切的關係。研究發現第二語言習得晚的6個被試，母語和第二語言在布羅卡區的兩個激活部位中心分離，平均相距6.43(±1. 83)mm，而早學第二語言的6個被試兩種語言的激活部位中心幾乎重疊，平均相距1.53(±0.78)mm。該研究表明，第二語言習得的年齡可能是影響人腦語言區功能重組的一個重要因素，第二語言學習起始時間的早晚可能導致形成不同類型的語言加工系統。雖然這一結論還有待於進一步的研究證明，但是學習經驗對大腦功能區的影響已經得到眾多實驗的驗證。Mechelli等人的進一步研究不僅證實了年齡對腦功能代表區的影響，而且還闡明瞭雙語學習者的年齡、掌握程度與腦功能區之間的關係。研究表明，雙語學習者大腦左側下頂葉的灰質密度隨第二語言掌握水平的提高而增加，隨第二語言習得年齡的增長而降低，而且腦結構重組的程度與第二語言的掌握水平具有相關性。
樂器學習的研究。在技能學習中也觀察到學習改變腦功能代表區的現象。樂器演奏是一種複雜技能的學習，涉及到將音樂符號的視覺信號轉變為序列化的手指運動，同時還要監聽演奏的聲音等過程，這些都需要將多通道的感覺和運動信息與多通道的感覺反饋機制整合起來。因此，有研究者關注樂器演奏技能與腦結構的關係，Gaser研究了持續性學習與技能重複能否導致腦結構的改變或者增大。他們研究的對象是18～40歲的20名男性專業音樂家、20名業餘音樂愛好者與40名非音樂家。研究結果表明，三者之間在運動、聽覺和視覺區域的灰質分佈模式不同，中央前回、左側顳橫回、右上頂葉皮層灰質體積的增加與音樂專業化程度的提高有顯著正相關，表明專業技能與腦的結構之間具有密切的聯繫。這種技能學習與練習過程中所發生的腦區增大，灰質結構由於外界環境刺激的影響而產生適應性的變化現象，說明人腦在學習與練習的作用下可以產生可塑性變化。
學習與腦可塑性研究的教育意義
學習是極其複雜的社會文化與生物現象，不僅涉及到社會、文化、心理等方面，而且也與神經結構與功能之間存在著相互的作用與影響。學習與腦可塑性的研究對理解學習的本質與規律，揭示腦學習的奧秘具有重要的意義，並將影響到教育決策與課程教學設計。上述研究提示我們：
第一，學習與環境經驗對腦的結構與功能區會產生影響。環境中輸入的觸覺、味覺、聲音、視覺、感覺運動經驗以及語言、樂器演奏、運動等技能的習得都會在神經系統產生生物性變化。學習經驗不僅可以形成不同的突觸連接，增加樹突密度，增多樹突分枝層次，改變樹突棘的形狀，而且還可以增大腦的功能區。
第二，特定的學習與經驗影響大腦特定的區域。空間學習主要改變海馬區的結構，而運動技能的習得主要影響小腦的結構。第二語言學習增加了左側下頂葉的灰質密度，音樂演奏技能則導致中央前回、左側顳橫回、右上頂葉皮層灰質體積的增加。這些研究提示我們，設計有針對性的教與學活動可以對大腦特定的區域進行訓練，從而改善大腦特定區域的功能。這種針對性教學不僅有助於提高正常學習者的學習水平，而且對恢復學習障礙兒童的認知功能具有積極的作用。
第三，不同類型的學習與經驗以不同的方式改變大腦的結構。同樣是腦的活動，但是學習與練習可能對腦產生不同的影響，學習增加突觸的密度，而練習增加的是血管的密度，這表明突觸和血管由不同的生理機制和不同的行為事件所驅動。
第四，受教育的程度、挑戰性的學習經歷、學習技能的掌握水平以及學習的起始年齡等是影響腦結構重組的因素。
第五，突觸連接的細微結構與功能區的大小受到整個生命過程中的經驗包括教育的影響。
因此，腦的可塑性並不僅僅侷限於幼年、童年和青年期，而是持續終身的過程。這些研究對於理解終身學習的腦機制、確立終身學習體系具有重要的意義。
總之，學習與腦可塑性的研究表明，學習與大腦之間存在著密切的關係。大腦是學習的物質基礎，而學習為大腦形成適應性的行為創造了條件。
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