科学大家|活到老学到老!成人大脑还有多大可塑性?

科学大家|活到老学到老!成人大脑还有多大可塑性?
2018年11月22日 09:39 科学大家

  出品 | 新浪科技《科学大家》

  撰文 | 方方 北京大学心理与认知科学学院教授

  我们都知道,后天环境中的学习和训练可以深刻的改变我们的认知、情感和运动等方面的能力,因为我们的大脑有很强的可塑性。发育期的青少年和成年人,应该如何训练自己的大脑以获得更多技能,这样的训练又会有什么样的副作用?今天,我讲一些科学发现,试图去回答三个问题。但是对于科学的问题,特别是脑科学的问题,并不一定是非黑即白,也许我并不能给大家带来确定性的答案,但是希望这些发现能给大家一些思索。

  成人大脑还有多大可塑性?

选择性养育实验选择性养育实验

  第一,成人的大脑和认知能力还有多大可塑性?这是教育里非常重要的一个问题,为了回答这个问题,我们毫不犹豫想到一个词:“发育关键期”,用一个著名的实验来说明什么叫发育关键期,这个实验叫选择性养育实验。1975年,英国科学家做了一个实验,一只猫从出生以后,它只在两种环境下生长,一种是完全黑暗,另一种环境就是只有垂直线条的世界,在这个桶里,猫能看到的世界就是垂直线条。这只猫的脖子上还套了铁箍,头不能随便动。这只猫会长成一只什么样的猫?

  插播一下背景知识:这里展示的视皮层双光子成像,科学家用双光子成像技术记录个数千个神经元的活动反应。这张图有很多黑点和白点,每个黑点和白点都是一个神经元。当这只动物看到不同朝向的时候,不同的神经元被激活。红色表示的是被水平朝向激活的神经元,浅蓝色表示的是被竖直朝向激活的神经元。从图中我们可以看到有很多神经元被激活,也就是说这些神经元会对不同的朝向进行加工。

  回到这个实验,如果这只猫从出生的时候,所面对的环境只是垂直朝向,那它会长成什么样呢?研究发现,这只猫的所有视觉神经元都只对垂直朝向及附近朝向进行反应,而对水平朝向没有反应。反过来,如果把另外一只猫放在一个完全水平朝向的环境中,长大后这只猫又会怎么样呢?结果表明这只猫长大后只对水平及其附近朝向有反应,对垂直朝向没有反应。

  有一些的教育学家说过,孩子在发育关键期,如果不教育他,认知能力便会丧失,这也就促成了早教类行业的兴起。

  但我们现在想知道,如果错过了发育的关键期,认知能力还能否继续提升。《最强大脑》有一期节目,主持人让选手看一副电影,电影里面的一个小片断,里面有一帧的图像被来自另一个电影的图像替代,这一帧的呈现时间只有40多毫秒,让选手去回答这张飞闪而过张图片是什么?这个选手回答得非常好。这个不是超强脑力,通过十多天的训练,普通人也可以达到。

  这么说的依据源自哪里呢?90年代,一位科学家发表了一篇文章。通过相关训练,普通人也可以达到这样的水平。如果一个人到实验室每天训练1小时,连续训练10天,最终的结果是,你可以上《最强大脑》。

  这背后有什么生理机制呢?从上图我们可以发现,通过训练,初级视皮层以及顶叶、杏仁核和后面的神经网络发生了主要改变。无论是初级神经元的反应敏感性和脑网络的连接,都出现了比较大的变化。这也就说明,在成人视觉感应方面,还可以有非常明显的提高。

  讲完视觉的例子,下面我们聊聊触觉的例子。还是从一个实验说起,实验是这么进行的:把一个正常人,从他进入实验室开始,眼睛便被蒙上,共5天。在这段时间里,他看不见任何东西,无论吃饭、洗澡、上厕所都必须蒙着。他感知这个世界只能通过听觉和触觉。

  那么5天之后,他的大脑发生了什么呢?我们都知道,大脑后面的地方是加工视觉,耳朵上面的顶叶是加工触觉信息。当我们闭上眼睛摸一个东西时,只能激活触觉皮层,不能激活视觉皮层,但是如果经过5天全封闭的蒙上眼睛训练时,从上图可知,大脑产生了非常大的重组,换言之,也就是说触觉功能短暂占据了视皮层。

  假如切除一部分脑组织会对大脑产生何种影响?近期一些科学家发表了一篇论文,一名6岁患者有严重癫痫疾病,无法用药物控制,所以必须得切除脑组织。

  那么他切了多少呢?从图中我们可以得知,上面是手术前,下面是手术后,大脑的六分之一被切除了。被切除的部分是大脑右半部的颞叶。

  大脑组织被切除了这么多,是否影响他的认知功能?从上图我们可以发现,患者从8到9岁的时候做了多次扫描,10岁的时候测试了智力,结果显示,智力和正常人没有区别,甚至高于人的平均水平!虽然他的感知能力出现偏盲,但对客观图像加工没有问题。

  患者在做手术之前,医生最担心的是什么?担心被切掉的部分是负责物体识别的功能区。如果这部分有问题,那患者面临的最大问题便是无法识别面孔。但幸运的是,手术后,患者大脑左半边长出了很多区域,去承担正常人大脑右半部所负责的事情。图中绿色的部分便是患者新长出来的区域。

  前面讲触觉、视觉、客体感知,是较为低级的认知功能。下面来讲一下认知科学中比较核心的部分:工作记忆。

  工作记忆的概念是指在数秒至数十秒的时间尺度上大脑保持和操纵信息的能力,是一种核心的高级认知能力。它与注意控制、推理能力及学业成绩等密切相关。我们知道智力分为流体智力和固体智力,固体智力指在实践中以习得的经验为基础的认知能力,如人类学会的技能、语言文字能力、判断力、联想力等。流体智力是指独立于个体已有知识的推理和问题解决能力,它受先天遗传因素影响比较大,受教育文化影响较少,流体智力的发育一般和年龄有关,20岁以后达到顶峰,30岁以后随着年龄增长而逐渐下降。一个生活中的正常例子,当你20多岁的时候去记一个手机号码,别人说一遍你都能记住,但随着年龄的增长,越来越难记住。

  上图是密西根大学心理系的一位教授设计的训练程序,让你每天去训练工作记忆。他是怎么做的呢?在看一串东西的同时,也听一串东西。看一串东西的时候,如果隔了一帧以后,在第三帧又出现的话,如果和两帧之前的图像一模一样的话,你按键一下。还有耳朵要戴上耳机来听,读的是CPCTC,如果说你发觉第三个C,之前两位还会出现C,就要按键一下。N越多,对于你工作的记忆要求越高,如果N到10的话,你就要记住前面10位的数字。

  这个图便是训练效果。第一个训练效果是:N的数字可以提高,让这个数字在后面越来越大,从最开始不到3,可以到最后的5。在训练前和训练后,他们用瑞文渐进推理测验,以及它的变式去测流体智力。说明训练确实可以提高流体智力。流体智力跟孩子的学习成绩、推理能力密切相关。这个结果令人非常吃惊,因为大家一般认为智力是遗传,不可改变的,但现在结果显示,训练对于流体智力也是可以提升的。

  如何增强可塑性和加强学习?

  如何增强可塑性和加强学习呢?现在中国的中风病人越来越多,假如左侧大脑中风,最典型的表现第一个是语言表达和理解受阻,及对侧的肌肉运动出现困难。当病人解决出血的问题以后,就要做康复性训练,最典型的康复性训练就是把健康一侧的肢体固定住,让你两三个小时内一直用中风对侧的肢体进行训练。这种训练是非常无趣的,很多人坚持一段时间就坚持不下去。

  在北大心理学院的实验室里,研究人员把一个经典的任天堂游戏改变成让病人乐意去训练。怎么做的?这个人站在两个脚踏板,通过脚踏板的两个转换器去控制屏幕上雪橇的滑行方向。对于正常人使用的设备,左右脚的传感器敏感度一样,但如果对于一个左侧有问题的人,研究人员会把这个传感器弱化,也就是说你左脚必须始终比右脚更多的力量,你才能控制好这个方向。病人在恢复过程中,觉得有趣,有趣激发了多巴胺系统,可以在玩游戏的过程中加快康复。这是用任天堂游戏的促进大脑可塑性的例子。

  另外我们可以通过经颅电刺激改变可塑性,用大概1-2毫安的电流,这些电流可以是交流电,也可以是直流电。你可以通过各种实验。把它放在不同的大脑位置,比如在这个实验里,我们是训练他的工作记忆,我们希望通过训练工作记忆提高他的流体智力,然后再提高他的学习成绩。这是把他的经颅直流电刺激放到他左侧前顶叶的外侧。在这些训练过程中,施加一个毫安的电流,可以提高工作记忆的训练效果,增强大脑的可塑性。

  学习和可塑性是否有副作用?

  学习和可塑性的副作用?这个问题大家一般都不太愿意提,因为我们做学习,就是告诉大家学习的好处,但其实学习可能会有副作用。

  举个例子,知觉学习扭曲对现实世界的感知。从上图中,大家可以得知,一张是线条完全垂直,另外一条是稍微向一边倾斜。但是,如果我让大家做一个训练,每天去做一个朝向辨别训练,辨别15度和18度,每天就做这个,大概做了五六天,你会发现,会觉得左边这张的线条是往左边偏的,向右偏的线条变成垂直。也就是说你的视觉被这个训练扭曲了。

  另外,过早识字对儿童认知发展的影响有三点,一个是对图像和实物的观察想象过程被省略,而这个观察与想象的过程对幼儿未来的学习非常重要。比如看漫画,识字的儿童不去观察颜色,不观察形状,不观察空间关系,而是直接看文字,文字可以瞬间得到更多信息。这会使幼儿过早地从基于图像的认知转向基于符号的认知,省略了实物的储备阶段,基于图像的认知在某些条件下更能激发人的创造性和加快思维的过程。

  另外,长时间的阅读会对幼儿的听觉记忆和听觉理解有影响。我们在日常生活中像听课、讨论、谈话都少不了他,错过了幼儿期的听觉记忆与听觉理解的最佳训练时机,很难弥补。(本文内容整理于方方教授在《理解未来》讲座的演讲,有删减)

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