首页 -> 2008年第1期

脑科学与课程教学

作者:白月桥







  [摘 要]脑的结构与功能是极为复杂的,脑干、边缘系统和新皮层是脑的主要结构。细胞是脑组织的最小单位,可分为神经细胞和胶质细胞两种。可塑性、关键期、髓鞘化、神经元修剪,是脑的根本特性,现代脑成像技术揭示,不同教学科目反映在不同的脑区。课程教学可以进行脑区定位。我们要把脑科学的研究成果作为课程教学编订和实施的主要理论根据。
  [关键词]脑的结构 脑的功能 脑细胞可塑性 关键期 脑功能定位 教学科目脑区定位
  
  2006年2月我国国务院颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006——2020年)》指出:脑科学与认知科学是8大科学前沿问题之一。脑发育、可塑性与人类智力的关系,学习、记忆和思维等脑高级认知功能的过程及其神经基础,脑信息表达与脑式信息处理系统等,是脑与认知科学的主要研究方向。《规划纲要》颁布意义重大,社会各有关方面要行动起来,为实现纲要确定的宏伟目标不懈努力奋斗。
  上世纪九十年代以来,随着各种无创性脑成像技术的运用,脑科学已成为当今世界科研领域最前沿、最重要、最活跃和科研成果最丰硕的学科之一。世界发达国家都将脑科学研究纳入国家发展的战略科技规划。继颇有影响的美国“脑的十年”和欧共体“欧洲脑十年”计划之后,日本推出了名为“脑科学时代”为期20年的脑科学计划纲要,并于2003年又启动了“脑科学与教育”科研项目。人脑这个奥妙的“黑匣子”已被现代高科技逐步打开。把脑科学和教育结合起来,根据脑发育规律和认识规律编制课程,设计教学,是当前教育科研领域最前沿的科研课题,该科研课题正在世界范围内日益广泛兴起。本文先介绍脑的结构和功能,揭示人脑的秘密,在这个基础上,再就脑科学取得的科研成果,和课程教学相结合的问题作些探讨。
  
  (一)脑的基本结构及其功能
  人脑的结构及其功能是极其奥妙和复杂的,古今中外的哲学家和学科专家曾对人脑这个奥妙的“黑匣子”作过各种不同的巧妙比喻或隐喻。如人脑是“世界上最大的处女地”、“宇宙间最复杂的机械零件”、“生物学上的超级电脑”、“沉睡的巨人”、“尚未开采的金矿”等。人脑的结构虽如此奥妙,但却不是人体最大的器官,其重量约1350克,大小如柚子,形状如胡桃,只有身体的2%,不过耗热量却是人体的20%,脑遗传基因占全身的1/3。
  科学家考察了地球的历史,揭示了一切生物和人类进化的连续性,揭示了人脑的演化进程。约38亿年前,地球上诞生了最初的生命,这种生命是原生的单细胞生物。后来便有了软体动物、两栖动物和爬行动物。人类起源于动物界,森林古猿是人类和现在大猩猩及黑猩猩的共同祖先。大约550万年,由猿类开始转化为人类。把人类和黑猩猩进行比较发现,其DNA的排列差别很小,大约相差仅1%左右。不过人脑的重量却比今天的猩猩大得多,大猩猩脑重约1磅(450克),而成人的脑重约3磅(1350克),这是因为人脑的前额叶脑区极大的进化了,因此有了语言能力、思维能力、高级性感能力和创新能力。
  人脑是地球上生命诞生后,通过亿万年的历史演化,经过爬虫类动物的脑和哺乳类动物的脑,发展到今天人类特有的创新性脑。因此,人脑是由爬虫类脑,哺乳类脑和创新性脑构成的“三合一脑”,脑科学著作往往又分别称其为“古皮层”、“旧皮层”和“新皮层”。不过脑科学家根据解剖生理学和脑部功能的不同,大都把脑分为脑干、边缘系统和新皮层三大结构。
  1.脑干(或称爬虫类脑部)。脑干由脊椎延伸而出,位于头颅的底部,是脑内最古老和最深层的区域,该部分进行了约五亿年。因为它和爬行动物的整个脑非常相似,人们经常称其为爬虫脑,如鳄鱼、晰蜴、鸟类的脑都如此。脑干又细分为延髓、脑桥和中脑三个构成部分。在进入脑的12对神经中就有11对止于脑干,只有嗅觉神经直接进入边缘系统,这是进化的原因。脑干是“生命中枢”,它控制着心跳、血压、呼吸、消化、体温等。脑干是大脑半球与脊髓之间的联络通路,脑干中的网状结构还负责司管大脑皮质的觉醒和睡眠等功能。
  2.边缘系统(哺乳动物脑部)。边缘系统介于大脑皮层和脑干之间,人和其他哺乳类动物的脑都有类似的部位,因此又被称为“狗猫脑”。在两个脑半球内,边缘系统的生理结构是对称、一致的。就脑演化的过程来看,边缘系统的发展应在人类具有逻辑思维之前,该系统控制着荷尔蒙的分泌、口渴、饥饿、快感以及新陈代谢功能、免疫功能和长期记忆功能等,在学习和记忆中具有重要作用。它包括丘脑、海马和杏仁核三个部分。
  (1)丘脑。丘脑是脑的中转站,所有来自外界的感觉信息,除了味觉外,都首先要通过丘脑进行初级加工和整合,然后再由此转送到其他脑区进行处理。
  (2)海马。海马一词来自于希腊语,因其外形像海马而得名。在巩固学习和记忆储存方面,海马具有重要作用。电刺激海马能唤起人原有的某种记忆,两侧性切除海马的人会产生严重的识记障碍。可见海马同记忆关系极为密切。研究表明,海马在由短时记忆向长时记忆的转变中扮演着重要角色,它不仅能把外界接受的信息作为短时记忆暂时保存,而且能发送到大脑皮层相关脑区被全部编码永久储存,变为长期记忆。海马严重受损的人不仅丧失了长时记忆,而且不能回忆刚刚发生的事情。海马的脑波型和新皮质层有着明显不同,觉醒时显示出高振幅的幔波,昏迷时出现快波,熟睡时则常发生峰型波,无创性脑成像技术证实了海马在学习和记忆中的作用。
  
  (3)杏仁核。杏仁核附着在海马的末端,在情绪行为中扮演着重要角色,与恐惧反应的关系尤为密切。电刺激杏仁核可以引起愤怒,或者产生恐惧感或快乐感,狂怒的精神病人在手术摘除杏仁核后,性格变得比较温顺。由于杏仁核靠近具有记忆功能的海马区,所以研究者认为,杏仁核能产生情绪把信息进行编码转入长时记忆中。同时,杏仁核还司管维系机体生存而需要作的一些行为,比如面对威胁是选择作战还是逃避,因饥饿四处觅食,为延续后代进行交配等,这些行为都有杏仁核决择。如果杏仁核认为环境形势有潜在危险,它就会刺激下丘脑向机体发出信号,当即逃跑。因此杏仁核被称作脑的警卫哨兵。大家知道,在教学实践中,通常采用的角色扮演、合作互动、娱乐游戏的教学策略,这种教学策略之所以能够取得好的教学效果,达到了长时记忆的目的,就是由于杏仁核的参与,因为杏仁核通过其控制的情绪能把接受的信息变为长期记忆,这是杏仁核功能的特点。
  3.新皮层(或称思维脑部)。三位一体的脑是神经科学家PaulMaclea从进化论的角度提出的。为了更形象的说明脑的结构,有人作了这样一个比喻:把手握成拳,再用另一只手握住这一个拳头,如果第一只手的腕部代表“爬虫类脑部”,那么拳头则代表“哺乳类脑部”,而第二只手握住拳头的部分则代表思维性脑部,即新皮层。新皮层负责所有高级思维功能,人的视觉、听觉、思想、语言、计划、分析、决定、创意等活动都在这个脑区进行。新皮层的出现使人类和所有其他哺乳动物最终区别开来。
  
  (1)脑叶。从脑外侧部分结构来看,新皮层可分为额叶、颞叶、枕叶、顶叶和运动皮层等。这些不同的脑区各有特殊的功能:额叶位于大脑最前部,为执行控制中枢,约占大脑半球容积的50%,具有规划、思维、解决问题和调控情绪的功能;颞叶位于耳朵内上方,负责处理声音和语言;枕叶在脑后部,进行视觉加工;顶叶位于脑的顶部,主要负责定位、计算和识别等功能。在顶叶和额叶之间,从左耳到右耳的顶部有一条带状区,这就是运动皮层,主要控制躯体运动,它与小脑协同,完成动作技巧的学习。
  

[2] [3]