科學大家|活到老學到老！成人大腦還有多大可塑性？

　　2018年11月22日 09:39 科學大家

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　　出品 | 新浪科技《科學大家》

　　撰文 | 方方 北京大學心理與認知科學學院教授

　　我們都知道，後天環境中的學習和訓練可以深刻的改變我們的認知、情感和運動等方面的能力，因為我們的大腦有很強的可塑性。發育期的青少年和成年人，應該如何訓練自己的大腦以獲得更多技能，這樣的訓練又會有什麼樣的副作用？今天，我講一些科學發現，試圖去回答三個問題。但是對於科學的問題，特別是腦科學的問題，並不一定是非黑即白，也許我並不能給大家帶來確定性的答案，但是希望這些發現能給大家一些思索。

　　成人大腦還有多大可塑性？

　　

　　選擇性養育實驗

　　第一，成人的大腦和認知能力還有多大可塑性？這是教育里非常重要的一個問題，為了回答這個問題，我們毫不猶豫想到一個詞：「發育關鍵期」，用一個著名的實驗來說明什麼叫發育關鍵期，這個實驗叫選擇性養育實驗。1975年，英國科學家做了一個實驗，一隻貓從出生以後，它只在兩種環境下生長，一種是完全黑暗，另一種環境就是只有垂直線條的世界，在這個桶里，貓能看到的世界就是垂直線條。這隻貓的脖子上還套了鐵箍，頭不能隨便動。這隻貓會長成一隻什麼樣的貓？

　　

　　插播一下背景知識：這裡展示的視皮層雙光子成像，科學家用雙光子成像技術記錄個數千個神經元的活動反應。這張圖有很多黑點和白點，每個黑點和白點都是一個神經元。當這隻動物看到不同朝向的時候，不同的神經元被激活。紅色表示的是被水平朝向激活的神經元，淺藍色表示的是被豎直朝向激活的神經元。從圖中我們可以看到有很多神經元被激活，也就是說這些神經元會對不同的朝向進行加工。

　　回到這個實驗，如果這隻貓從出生的時候，所面對的環境只是垂直朝向，那它會長成什麼樣呢？研究發現，這隻貓的所有視覺神經元都只對垂直朝向及附近朝向進行反應，而對水平朝向沒有反應。反過來，如果把另外一隻貓放在一個完全水平朝向的環境中，長大后這隻貓又會怎麼樣呢？結果表明這隻貓長大后只對水平及其附近朝向有反應，對垂直朝向沒有反應。

　　有一些的教育學家說過，孩子在發育關鍵期，如果不教育他，認知能力便會喪失，這也就促成了早教類行業的興起。

　　但我們現在想知道，如果錯過了發育的關鍵期，認知能力還能否繼續提升。《最強大腦》有一期節目，主持人讓選手看一副電影，電影裡面的一個小片斷，裡面有一幀的圖像被來自另一個電影的圖像替代，這一幀的呈現時間只有40多毫秒，讓選手去回答這張飛閃而過張圖片是什麼？這個選手回答得非常好。這個不是超強腦力，通過十多天的訓練，普通人也可以達到。

　　

　　這麼說的依據源自哪裡呢？90年代，一位科學家發表了一篇文章。通過相關訓練，普通人也可以達到這樣的水平。如果一個人到實驗室每天訓練1小時，連續訓練10天，最終的結果是，你可以上《最強大腦》。

　　

　　這背後有什麼生理機制呢？從上圖我們可以發現，通過訓練，初級視皮層以及頂葉、杏仁核和後面的神經網路發生了主要改變。無論是初級神經元的反應敏感性和腦網路的連接，都出現了比較大的變化。這也就說明，在成人視覺感應方面，還可以有非常明顯的提高。

　　講完視覺的例子，下面我們聊聊觸覺的例子。還是從一個實驗說起，實驗是這麼進行的：把一個正常人，從他進入實驗室開始，眼睛便被蒙上，共5天。在這段時間裡，他看不見任何東西，無論吃飯、洗澡、上廁所都必須蒙著。他感知這個世界只能通過聽覺和觸覺。

　　

　　那麼5天之後，他的大腦發生了什麼呢？我們都知道，大腦後面的地方是加工視覺，耳朵上面的頂葉是加工觸覺信息。當我們閉上眼睛摸一個東西時，只能激活觸覺皮層，不能激活視覺皮層，但是如果經過5天全封閉的蒙上眼睛訓練時，從上圖可知，大腦產生了非常大的重組，換言之，也就是說觸覺功能短暫佔據了視皮層。

　　假如切除一部分腦組織會對大腦產生何種影響？近期一些科學家發表了一篇論文，一名6歲患者有嚴重癲癇疾病，無法用藥物控制，所以必須得切除腦組織。

　　

　　那麼他切了多少呢？從圖中我們可以得知，上面是手術前，下面是手術后，大腦的六分之一被切除了。被切除的部分是大腦右半部的顳葉。

　　

　　大腦組織被切除了這麼多，是否影響他的認知功能？從上圖我們可以發現，患者從8到9歲的時候做了多次掃描，10歲的時候測試了智力，結果顯示，智力和正常人沒有區別，甚至高於人的平均水平！雖然他的感知能力出現偏盲，但對客觀圖像加工沒有問題。

　　患者在做手術之前，醫生最擔心的是什麼？擔心被切掉的部分是負責物體識別的功能區。如果這部分有問題，那患者面臨的最大問題便是無法識別面孔。但幸運的是，手術后，患者大腦左半邊長出了很多區域，去承擔正常人大腦右半部所負責的事情。圖中綠色的部分便是患者新長出來的區域。

　　前面講觸覺、視覺、客體感知，是較為低級的認知功能。下面來講一下認知科學中比較核心的部分：工作記憶。

　　工作記憶的概念是指在數秒至數十秒的時間尺度上大腦保持和操縱信息的能力，是一種核心的高級認知能力。它與注意控制、推理能力及學業成績等密切相關。我們知道智力分為流體智力和固體智力，固體智力指在實踐中以習得的經驗為基礎的認知能力，如人類學會的技能、語言文字能力、判斷力、聯想力等。流體智力是指獨立於個體已有知識的推理和問題解決能力，它受先天遺傳因素影響比較大，受教育文化影響較少，流體智力的發育一般和年齡有關，20歲以後達到頂峰，30歲以後隨著年齡增長而逐漸下降。一個生活中的正常例子，當你20多歲的時候去記一個手機號碼，別人說一遍你都能記住，但隨著年齡的增長，越來越難記住。

　　

　　上圖是密西根大學心理系的一位教授設計的訓練程序，讓你每天去訓練工作記憶。他是怎麼做的呢？在看一串東西的同時，也聽一串東西。看一串東西的時候，如果隔了一幀以後，在第三幀又出現的話，如果和兩幀之前的圖像一模一樣的話，你按鍵一下。還有耳朵要戴上耳機來聽，讀的是CPCTC，如果說你發覺第三個C，之前兩位還會出現C，就要按鍵一下。N越多，對於你工作的記憶要求越高，如果N到10的話，你就要記住前面10位的數字。

　　

　　這個圖便是訓練效果。第一個訓練效果是：N的數字可以提高，讓這個數字在後面越來越大，從最開始不到3，可以到最後的5。在訓練前和訓練后，他們用瑞文漸進推理測驗，以及它的變式去測流體智力。說明訓練確實可以提高流體智力。流體智力跟孩子的學習成績、推理能力密切相關。這個結果令人非常吃驚，因為大家一般認為智力是遺傳，不可改變的，但現在結果顯示，訓練對於流體智力也是可以提升的。

　　如何增強可塑性和加強學習？

　　如何增強可塑性和加強學習呢？現在中國的中風病人越來越多，假如左側大腦中風，最典型的表現第一個是語言表達和理解受阻，及對側的肌肉運動出現困難。當病人解決出血的問題以後，就要做康復性訓練，最典型的康復性訓練就是把健康一側的肢體固定住，讓你兩三個小時內一直用中風對側的肢體進行訓練。這種訓練是非常無趣的，很多人堅持一段時間就堅持不下去。

　　

　　在北大心理學院的實驗室里，研究人員把一個經典的任天堂遊戲改變成讓病人樂意去訓練。怎麼做的？這個人站在兩個腳踏板，通過腳踏板的兩個轉換器去控制屏幕上雪橇的滑行方向。對於正常人使用的設備，左右腳的感測器敏感度一樣，但如果對於一個左側有問題的人，研究人員會把這個感測器弱化，也就是說你左腳必須始終比右腳更多的力量，你才能控制好這個方向。病人在恢復過程中，覺得有趣，有趣激發了多巴胺系統，可以在玩遊戲的過程中加快康復。這是用任天堂遊戲的促進大腦可塑性的例子。

　　

　　另外我們可以通過經顱電刺激改變可塑性，用大概1-2毫安的電流，這些電流可以是交流電，也可以是直流電。你可以通過各種實驗。把它放在不同的大腦位置，比如在這個實驗里，我們是訓練他的工作記憶，我們希望通過訓練工作記憶提高他的流體智力，然後再提高他的學習成績。這是把他的經顱直流電刺激放到他左側前頂葉的外側。在這些訓練過程中，施加一個毫安的電流，可以提高工作記憶的訓練效果，增強大腦的可塑性。

　　學習和可塑性是否有副作用

　　學習和可塑性的副作用？這個問題大家一般都不太願意提，因為我們做學習，就是告訴大家學習的好處，但其實學習可能會有副作用。

　　

　　舉個例子，知覺學習扭曲對現實世界的感知。從上圖中，大家可以得知，一張是線條完全垂直，另外一條是稍微向一邊傾斜。但是，如果我讓大家做一個訓練，每天去做一個朝向辨別訓練，辨別15度和18度，每天就做這個，大概做了五六天，你會發現，會覺得左邊這張的線條是往左邊偏的，向右偏的線條變成垂直。也就是說你的視覺被這個訓練扭曲了。

　　另外，過早識字對兒童認知發展的影響有三點，一個是對圖像和實物的觀察想象過程被省略，而這個觀察與想象的過程對幼兒未來的學習非常重要。比如看漫畫，識字的兒童不去觀察顏色，不觀察形狀，不觀察空間關係，而是直接看文字，文字可以瞬間得到更多信息。這會使幼兒過早地從基於圖像的認知轉向基於符號的認知，省略了實物的儲備階段，基於圖像的認知在某些條件下更能激發人的創造性和加快思維的過程。

　　另外，長時間的閱讀會對幼兒的聽覺記憶和聽覺理解有影響。我們在日常生活中像聽課、討論、談話都少不了他，錯過了幼兒期的聽覺記憶與聽覺理解的最佳訓練時機，很難彌補。（本文內容整理於方方教授在《理解未來》講座的演講，有刪減）