隨著腦科學(xué)的發(fā)展，人們對于腦結(jié)構(gòu)與功能的了解也越來越深入，其中，腦可塑性是近年來廣受關(guān)注的話題。揭示腦可塑性內(nèi)涵及其對教育實(shí)踐的啟示，可為教育工作者及家庭提供有益參考。
動物學(xué)習(xí)與腦可塑性的研究
人類關(guān)于學(xué)習(xí)與復(fù)雜環(huán)境經(jīng)驗對腦結(jié)構(gòu)與功能影響的研究有一段歷史了。20世紀(jì)60年代，美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家Diamond研究組發(fā)現(xiàn)，學(xué)習(xí)與豐富環(huán)境的經(jīng)驗對大鼠腦的重量、皮層的厚度、乙酰膽堿水平與樹突結(jié)構(gòu)都有影響。70年代，美國伊利諾斯大學(xué)Greenough研究組則從多學(xué)科的角度研究豐富環(huán)境對大鼠腦的影響，發(fā)現(xiàn)樹突結(jié)構(gòu)的變化與突觸數(shù)量增加之間的關(guān)系。這些研究工作和相關(guān)研究為我們了解學(xué)習(xí)與環(huán)境經(jīng)驗對神經(jīng)結(jié)構(gòu)與功能的影響積累了大量科學(xué)事實(shí)。
學(xué)習(xí)或經(jīng)驗改變腦皮層的厚度與樹突的結(jié)構(gòu)
復(fù)雜環(huán)境誘發(fā)的經(jīng)驗依賴性神經(jīng)可塑性是探索學(xué)習(xí)與經(jīng)驗對腦結(jié)構(gòu)與功能影響的經(jīng)典研究，這類實(shí)驗一般都是以老鼠為研究對象，設(shè)計三種類型的實(shí)驗環(huán)境：豐富環(huán)境組、單調(diào)環(huán)境組和對照組。豐富環(huán)境組籠子里飼養(yǎng)多只大鼠，籠子中有各種玩具，如訓(xùn)練的輪子、轉(zhuǎn)臺和爬梯等，并定期更換。單調(diào)環(huán)境組籠子中僅養(yǎng)一只大鼠，沒有玩具。對照組介于兩者之間。實(shí)驗表明：豐富環(huán)境中成長的大鼠比單調(diào)環(huán)境中成長的大鼠腦皮層要厚6%。小于28天的幼鼠在豐富環(huán)境中生活 8天，其皮層比其他組幼鼠增厚7%到11%；2周后，豐富環(huán)境組幼鼠的腦皮層整合感覺信息的區(qū)域增厚16%，是所有年齡段中增厚最多的腦區(qū)。實(shí)驗證明了學(xué)習(xí)與豐富環(huán)境的經(jīng)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(jīng)細(xì)胞的胞核面積和胞體增大、樹突野擴(kuò)大、突觸數(shù)量增多、突觸終端變大等有關(guān)。豐富環(huán)境的實(shí)驗研究表明，在大鼠的視覺皮層上，每個神經(jīng)元的突觸比單調(diào)環(huán)境中的大鼠多20%-25%，其他腦區(qū)的突觸也有增長的現(xiàn)象。
學(xué)習(xí)與練習(xí)對腦的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的影響
從神經(jīng)科學(xué)的角度來說，學(xué)習(xí)是神經(jīng)元之間形成新連接的過程，而練習(xí)是鞏固與強(qiáng)化已有連接的過程，因此，學(xué)習(xí)和練習(xí)是兩種不同的神經(jīng)活動，對腦的結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生不同的影響。Black等人的實(shí)驗證明了這一點(diǎn)，他們研究小腦在運(yùn)動學(xué)習(xí)中的作用，研究對象為38個10月齡的成年鼠，實(shí)驗分為特技組、強(qiáng)制練習(xí)組、自愿練習(xí)組、不活動組。30天的實(shí)驗中，特技組大鼠逐步學(xué)會通過如鉛筆粗細(xì)的平衡木、松散的繩橋、鏈條、蹺蹺板等7個障礙物， 總共通過了0.9公里的路程；強(qiáng)制練習(xí)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；自愿練習(xí)組自由地在籠中的轉(zhuǎn)輪上練習(xí)，練習(xí)簡單的平衡與協(xié)調(diào)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(guān)在標(biāo)準(zhǔn)的籠中，學(xué)習(xí)或者練習(xí)的機(jī)會很少。研究表明，強(qiáng)制練習(xí)組與自愿練習(xí)組的毛細(xì)血管密度比另兩個組顯著增加；練習(xí)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(xì)胞突觸數(shù)量比其他組大約增加25%，血管密度保持不變。這說明運(yùn)動學(xué)習(xí)而不是重復(fù)訓(xùn)練在小腦皮層產(chǎn)生了新的突觸。這一研究支持了過去迷宮學(xué)習(xí)與練習(xí)的一些研究結(jié)果，即學(xué)習(xí)可以改變突觸的密度， 而練習(xí)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(xí)組，但是研究的是不同訓(xùn)練時間對于突觸的影響：連續(xù)訓(xùn)練10天、連續(xù)訓(xùn)練10天后28天不訓(xùn)練、連續(xù)訓(xùn)練38天。研究表明，三種不同訓(xùn)練條件下，特技組每一個浦肯野細(xì)胞的突觸都顯著多于練習(xí)組；而同一組大鼠的突觸數(shù)量在三種不同時間的訓(xùn)練條件下沒有產(chǎn)生差異。研究表明，運(yùn)動技能的學(xué)習(xí)使突觸數(shù)量增多、保持時間更長，其原因可能是，運(yùn)動技能的學(xué)習(xí)中，緩慢而漸進(jìn)形成的技能引起了小腦神經(jīng)回路的細(xì)微變化以及突觸的數(shù)量增加，而新增突觸的保持時間可能取決于大鼠在停止訓(xùn)練前所接受的訓(xùn)練量。
學(xué)習(xí)與經(jīng)驗改變?nèi)四X樹突的數(shù)量與樹突棘的形狀
由于倫理道德的原因，對人類腦結(jié)構(gòu)可塑性的研究數(shù)據(jù)還非常匱乏，直接研究一般局限于尸體解剖、腦疾病患者以及極少數(shù)自愿者，目前更多的是間接研究。兒童青少年接受的正規(guī)教育活動也會對大腦的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。Jacobs等的研究證明了這一點(diǎn)。他們研究了韋尼克區(qū)(Wernicke’s area)錐體細(xì)胞樹突長度、樹突分枝等結(jié)構(gòu)與教育因素之間的關(guān)系。研究對象是20名正常人，男女各10名。教育條件分為三類：低于中學(xué)層次、中學(xué)層次、大學(xué)層次。研究發(fā)現(xiàn)，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(zhàn)性思維活動的個體，腦中總的樹突分枝長度比中學(xué)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(jīng)常性、挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)經(jīng)驗造成了腦的這種變化。該研究表明，教育對腦的結(jié)構(gòu)具有顯著的一致性影響。
學(xué)習(xí)改變?nèi)四X的功能代表區(qū)
外語學(xué)習(xí)的研究 。 感覺、運(yùn)動、語言等在大腦皮層都有各自的功能代表區(qū)。經(jīng)驗或者學(xué)習(xí)可以重組或者改變皮層功能代表區(qū)的精細(xì)結(jié)構(gòu)。因此，許多研究人員運(yùn)用不同的技術(shù)與手段來研究技能的獲得與腦功能代表區(qū)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，以期查明特定技能的功能代表區(qū)和結(jié)構(gòu)以及年齡、學(xué)習(xí)的掌握程度等因素對功能代表區(qū)的影響。例如，Kim等人的研究表明，第二語言學(xué)習(xí)在布羅卡(Broca)區(qū)和韋尼克區(qū)的表征與第二語言學(xué)習(xí)的起始時間可能存在著密切的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)第二語言習(xí)得晚的6個被試，母語和第二語言在布羅卡區(qū)的兩個激活部位中心分離，平均相距6.43(±1. 83)mm，而早學(xué)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(xí)得的年齡可能是影響人腦語言區(qū)功能重組的一個重要因素，第二語言學(xué)習(xí)起始時間的早晚可能導(dǎo)致形成不同類型的語言加工系統(tǒng)。雖然這一結(jié)論還有待于進(jìn)一步的研究證明，但是學(xué)習(xí)經(jīng)驗對大腦功能區(qū)的影響已經(jīng)得到眾多實(shí)驗的驗證。Mechelli等人的進(jìn)一步研究不僅證實(shí)了年齡對腦功能代表區(qū)的影響，而且還闡明了雙語學(xué)習(xí)者的年齡、掌握程度與腦功能區(qū)之間的關(guān)系。研究表明，雙語學(xué)習(xí)者大腦左側(cè)下頂葉的灰質(zhì)密度隨第二語言掌握水平的提高而增加，隨第二語言習(xí)得年齡的增長而降低，而且腦結(jié)構(gòu)重組的程度與第二語言的掌握水平具有相關(guān)性。
樂器學(xué)習(xí)的研究。在技能學(xué)習(xí)中也觀察到學(xué)習(xí)改變腦功能代表區(qū)的現(xiàn)象。樂器演奏是一種復(fù)雜技能的學(xué)習(xí)，涉及到將音樂符號的視覺信號轉(zhuǎn)變?yōu)樾蛄谢氖种高\(yùn)動，同時還要監(jiān)聽演奏的聲音等過程，這些都需要將多通道的感覺和運(yùn)動信息與多通道的感覺反饋機(jī)制整合起來。因此，有研究者關(guān)注樂器演奏技能與腦結(jié)構(gòu)的關(guān)系，Gaser研究了持續(xù)性學(xué)習(xí)與技能重復(fù)能否導(dǎo)致腦結(jié)構(gòu)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(yè)音樂家、20名業(yè)余音樂愛好者與40名非音樂家。研究結(jié)果表明，三者之間在運(yùn)動、聽覺和視覺區(qū)域的灰質(zhì)分布模式不同，中央前回、左側(cè)顳橫回、右上頂葉皮層灰質(zhì)體積的增加與音樂專業(yè)化程度的提高有顯著正相關(guān)，表明專業(yè)技能與腦的結(jié)構(gòu)之間具有密切的聯(lián)系。這種技能學(xué)習(xí)與練習(xí)過程中所發(fā)生的腦區(qū)增大，灰質(zhì)結(jié)構(gòu)由于外界環(huán)境刺激的影響而產(chǎn)生適應(yīng)性的變化現(xiàn)象，說明人腦在學(xué)習(xí)與練習(xí)的作用下可以產(chǎn)生可塑性變化。
學(xué)習(xí)與腦可塑性研究的教育意義
學(xué)習(xí)是極其復(fù)雜的社會文化與生物現(xiàn)象，不僅涉及到社會、文化、心理等方面，而且也與神經(jīng)結(jié)構(gòu)與功能之間存在著相互的作用與影響。學(xué)習(xí)與腦可塑性的研究對理解學(xué)習(xí)的本質(zhì)與規(guī)律，揭示腦學(xué)習(xí)的奧秘具有重要的意義，并將影響到教育決策與課程教學(xué)設(shè)計。上述研究提示我們：
第一，學(xué)習(xí)與環(huán)境經(jīng)驗對腦的結(jié)構(gòu)與功能區(qū)會產(chǎn)生影響。環(huán)境中輸入的觸覺、味覺、聲音、視覺、感覺運(yùn)動經(jīng)驗以及語言、樂器演奏、運(yùn)動等技能的習(xí)得都會在神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生生物性變化。學(xué)習(xí)經(jīng)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(qū)。
第二，特定的學(xué)習(xí)與經(jīng)驗影響大腦特定的區(qū)域?？臻g學(xué)習(xí)主要改變海馬區(qū)的結(jié)構(gòu)，而運(yùn)動技能的習(xí)得主要影響小腦的結(jié)構(gòu)。第二語言學(xué)習(xí)增加了左側(cè)下頂葉的灰質(zhì)密度，音樂演奏技能則導(dǎo)致中央前回、左側(cè)顳橫回、右上頂葉皮層灰質(zhì)體積的增加。這些研究提示我們，設(shè)計有針對性的教與學(xué)活動可以對大腦特定的區(qū)域進(jìn)行訓(xùn)練，從而改善大腦特定區(qū)域的功能。這種針對性教學(xué)不僅有助于提高正常學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)水平，而且對恢復(fù)學(xué)習(xí)障礙兒童的認(rèn)知功能具有積極的作用。
第三，不同類型的學(xué)習(xí)與經(jīng)驗以不同的方式改變大腦的結(jié)構(gòu)。同樣是腦的活動，但是學(xué)習(xí)與練習(xí)可能對腦產(chǎn)生不同的影響，學(xué)習(xí)增加突觸的密度，而練習(xí)增加的是血管的密度，這表明突觸和血管由不同的生理機(jī)制和不同的行為事件所驅(qū)動。
第四，受教育的程度、挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)經(jīng)歷、學(xué)習(xí)技能的掌握水平以及學(xué)習(xí)的起始年齡等是影響腦結(jié)構(gòu)重組的因素。
第五，突觸連接的細(xì)微結(jié)構(gòu)與功能區(qū)的大小受到整個生命過程中的經(jīng)驗包括教育的影響。
因此，腦的可塑性并不僅僅局限于幼年、童年和青年期，而是持續(xù)終身的過程。這些研究對于理解終身學(xué)習(xí)的腦機(jī)制、確立終身學(xué)習(xí)體系具有重要的意義。
總之，學(xué)習(xí)與腦可塑性的研究表明，學(xué)習(xí)與大腦之間存在著密切的關(guān)系。大腦是學(xué)習(xí)的物質(zhì)基礎(chǔ)，而學(xué)習(xí)為大腦形成適應(yīng)性的行為創(chuàng)造了條件。
