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1、广东省东莞市东莞中学高二（ 3）班杨戈 前言 经过了这么久的研究，终于可以捧出一份完整的研究报告了。 我想这不仅是一份作业那么简单， 更重要的是这是我第一次独立地 完成从收集，整理，到连接，再到得出结论，做出成果的过程。其 实我并没有花费大部分精力在它上面，只是周末回到家中， 打开电 脑，搜寻资料，平时多读些与生物学有关的报刊等等。可能它并不 是一份好的研究报告，但是我总是做了我能做的事。 在这过程中，我也惊奇地发现，原来在我们的身边，在我们 身处的社会里，有那么多为科学而孜孜不倦耕耘的人。 我们的大脑， 原来有着那么多我们所不了解的奇妙。科学是伟大的。 这不是一句 空洞的高调，这是我在探究之
2、后感受到的事实。 一 脑与脑科学 1关于大脑 人的大脑分为两个独立的半球体- 左脑和右脑，它们各自控制 着身体相对应的半边， 由一条粗的神经纽带相联。 就人的左脑而言， 它是负责管理合理的、 有条不紊的和合乎逻辑方法的思维，是人类 语言和数学思想本领的中枢； 就人的右脑而言， 它是非语言思维的 部位，主管人的想象、颜色、音乐、节奏以及无拘束的“ 胡思乱想 “ 等，是人类教诲、创造与视觉判断思想本领的中枢。 整个脑髓重量约为1300 克，包含 1000 亿个细胞。 “这个数目和银河系一 样庞大” 。大脑可能是人身上最神奇的 “构件”了， 它掌管着所有的感觉和动 作，哪怕你只是想抬一下你的一个手
3、指，那么简单而短暂的一个动作， 都是 由大脑通过神经一步一步地传达过来 的。人的大脑，每天可记录信息8600 万条，其信息量相当于世界藏书量最大的图书馆美国国会图书 馆藏书量的 50 倍。美国国会图书馆藏有1000 万册书，那么也就是 说，人的大脑可以贮存50 亿本书的信息。大脑神经功能细胞之间 每秒钟可以完成信息传递和交换高达1000 亿次，为了尽快地回收、 筛选、储存和传输信息，大脑的神经细胞回路，比全世界的电话网 络还要复杂 1400 倍。处于激活状态下的大脑，每天可以完整地记 住 4 本书的全部内容。 脑的重量和智力有很大的关系。从进化的角度来看，动物发 展得越高级， 其脑重量与体重之
4、比就越大： 鲸的脑重是体重的一万 分之一；狮子的脑重是体重的五百五十分之一；大象的脑重是体重 的四百四十分之一； 猴子的脑重是体重的九十分之一；而万物之灵 棗人的脑重是体重的四十分之一。然而可惜的是，到目前为止，并 没有任何人可以从这样一个有无限潜能的组织中得到那么大的馈 赠。人类对大脑的利用率只有5，最杰出的科学家也只有10而 已。 科学事实表明，大脑比传统的看法更加主动和积极的参与了 我们眼中世界的形成。 例如，对语言的研究使人们不得不认为人类 大脑中存在一种被称之为“通用语法 ”的生物学程序。因为儿童对 句法的掌握不是通过明显的“尝试错误”的渐进方式，而似乎 是一蹴而就的。 同样，一名演
5、讲者在做手势时，手在听众视网膜上 所成的像随距离而变， 但听众总能判断出它的真实大小。 这就是说， 我们对外部世界认知并不只是分析视网膜的映像，脑必须主动建立 一个视觉世界。对人的精神世界进行探索并揭开它的秘密是一个艰 苦而漫长， 甚至是最终并不会有结果的过程。就目前而言，人们仍 无合适的技术手段来把握人的主观世界，这就为从科学的角度对其 深入研究造成了困难， 同时，我们要想更好的揭示大脑的奥秘，还 需要研究方法和思路上的更新。 “神经活动可最终归结为在细胞和 分子水平上所发生的事件”是近数十年来脑科学的主导思想， 由此 所积累的大量知识是我们全面、深入认识脑功能的基石。但是，这 并不充分，
6、对大脑的研究，还需要一种多层次，多角度的综合性思 维。 2关于脑科学 脑科学，或称神经科学，是用多学科的手段综合研究脑的正 常功能和脑疾病机制的一门新的学科，主要研究知脑、 保脑和创脑 脑科学。即当前世界范围的脑科学研究主要致力的三个方面：认识 脑、保护脑和开发脑。 “知脑”的研究任务是，解析脑的功能和它处理信息的独特 机制，例如识别、学习、智能、语言感情、思考、记忆、意识等机 理，最后目标是搞清楚自我意识和社会意识以及语言和思考、知识 的关系，并且把这些成果应用在教育、社会心理、产业心理和灾害 心理等方面，为完成另外两个课题 “ 保脑”和“创脑”创造前 提条件。 “保脑”的主要目标是解析脑细
7、胞的功能和它传输信息的生 化学机制，把握脑的老化、阿尔茨海默氏症、帕金森氏症、精神分 裂症等多种神经和精神疾病、智力发育障碍、新陈代谢异常、遗传 性疾病以及外伤、 中毒和感染病症等的发病原因， 并根据新的原理 开发根本性的预防的治疗方法，保护脑不受伤害， 最终实现控制人 脑老化、开发人工神经、预防精神障碍等理想目标。 “创脑”的任务更为艰巨。它要在解析脑所具有的极其精密 的神经网络和神经系统的结构和功能的基础上，开发与当今计算机 不同的处理信息、 具有高档次的精神功能的计算机系统，如神经芯 片、神经网络式计算机等。 脑科学涉及到生命科学的各个方面，包括心理学等，是一门 典型的边缘科学， 所以研
8、究的难度令人却步， 但目前在世界各国科 学家的共同努力下， 脑科学研究已经取得突破性进展。脑科学的发 展世纪展望在脑科学中可能不会出现象达尔文的发现或DNA双螺 旋结构的发现所产生的改变生命科学全貌的情况，但是，在脑的高 级功能的研究中， 我们也许能期待新的发现和理论出现，导致对脑 的认识的革命性变化。 二 近期脑科学发展 1概况 科学技术的发展使人的思维和意识这个一度只有哲学家 才会涉足的领地成为最前沿和最具挑战性的问题。1989 年，美国 国会通过了 “命名自 1990 年 1 月 1 日起的今后 10 年为脑的十 年”的提案。这一提案旨在敦促和呼吁美国公众及相关的组织与 政府一道， 关心
9、和促进神经科学的研究。 这是美国国会第一次对一 个具体的领域作出有效期为10 年的决议。同样引人注目的是，7 年之后的 1996 年， 日本继 1986年制定并实施将脑研究放在重要位 置的人类前沿科学计划之后又推出了一个称之为“脑科学时 代”的庞大计划， 拟在 20 年内，每年投入 1000 亿日元，使日本的 脑科学研究达到甚至领先于世界先进水平。在我国，脑功能研究列 入了重大基础科学研究计划“攀登计划”。欧共体在 1991年 成立了 “欧洲脑的十年 ”委员会。这些举措充分反映出脑科学近年 来蓬勃发展的势头， 也预示着关于脑的研究是未来国际科技竞争的 重要方面。 人们最早开始采取实证的方法观察
10、和研究大脑及其产物，是 在 19 世纪末期。 然而，直到上个世纪 60 年代，对脑的研究才真正 进入飞速发展的黄金时期。 首先，由于生理学、分子生物学、解剖学、遗传学、医学、 物理学、计算机科学等学科的发展， 为脑科学的发展提供了理论指 导和技术手段。特别是核磁共振成像技术等无损伤脑探测技术的出 现，更是大大方便了人们对活体大脑的研究。其次，来自实际的需 求也拉动了脑科学的发展。 一方面，神经性和精神性疾病一直是影 响人类社会最严重的疾患之一。据估计，美国受神经系统疾病侵袭 的人数高达 5000 万，用于这些疾患的治疗、康复及相关的费用， 每年均超过 3000 亿美元。 因此，阐明脑的工作原理
11、，弄清楚各种神经疾患的发病缘由， 将为设计出更加高效而副作用小的药物提供可能。另一方面，对大 脑和神经网络机制的了解，是开发新一代仿脑计算机不可或缺的。 信息的传递、 处理和存储是未来国际竞争中的一个关键因素，谁拥 有功能强大的计算机， 谁就将掌握竞争的主导。 在日本人雄心勃勃 的“脑科学时代 ”计划里，一个重要的组成部分就是所谓的“创造 脑”。其实质性内容就是开发仿脑型器件和结构，设计仿脑的信息 产生和处理系统。 到今天，对神经系统的基本组件、大脑的构成和 功能划分的认识， 人们已经有了大致的轮廓， 并以从分子的水平对 脑的运行作出阐释。 对一些低层次的应激性神经活动，人们已经形 成了比较一
12、致的看法； 对运动的控制、视觉听觉的形成、语言的发 生等高级功能， 也有了一些很好的理论假设。 用“硕果累累 ”来形 容近年来脑科学发展的研究成果，应该是恰当的。 2世界脑科学发展 随着理论的完善和新实验工具的涌现，大脑最深层的一些奥 秘开始浮出水面。科学家们在今年美国科学促进协会波士顿年会上 说，在新理论、新技术和新模型的基础上，研究人类认知过程与大 脑的关系首次成为可能， 科学家已开始逐渐理解大脑的数百万个神 经元，如何通过相互作用控制着人类认知行为的产生，并帮助人类 根据环境而制定下一步的行动目标。 A区域转换能力 近日，德国海德堡马克斯普朗克学会医学研究所所长贝尔 特扎克曼教授宣布，人
13、类大脑皮层中的分工很细， 包括主管视觉、 听觉、味觉和嗅觉等诸多区域。一旦某个区域受到损害，人们的各 种感觉就要受影响。 但研究发现，人类大脑具有神奇般的能力，它 能够将一个区域的感觉能力转移到大脑皮层的另一区域以弥补损 失。扎克曼最新的研究成果证明，只要通过反复练习与使用，新的 区域能够胜任原来区域的职能。 扎克曼还要编制一套帮助患者康复 的练习方法， 最终目的是要让中风者能很快恢复语言能力，癫痫病 患者能够很好地辨别方向。 B记忆是如何形成的 这是一个长久困扰科学界的谜。由麻省理工学院瓦格勒教授 领导的一个小组率先借助先进的脑成像技术，“拍摄”下了在记忆 形成、存储和删除过程中大脑相关部位
14、的活动方式。美国霍华 德休斯医学研究所科学家在波士顿年会上公布的最新成果则更 进一步，他们利用脑成像技术不仅发现了造成老年人记忆困难的认 知机制，还通过研究首次揭示了老年人大脑的左前皮层中存在大量 未充分开发的认知资源， 这些资源不仅没有因为衰老而受损，而且 还有可能用来部分恢复因年老而造成的记忆障碍。其他科学家则在 从神经生理学、 细胞学和分子学等角度研究睡眠和记忆的关系。初 步研究结果表明，睡眠可能对长期记忆的形成起到一定作用。 C神经细胞变化 最近几年来人们最有趣的发现是：神经细胞在不断变化，它们 在不断地同“邻居”建立新的联系，同时取消旧的联系。这种现象 很可能是人学习过程的神经基础之
15、一。如果一些神经细胞习惯于一 起活动，那么，它们的联系就会得到加强，一个神经细胞活动就会 带动另一个神经细胞活动。 科研人员的另一个重大发现是：人虽然老了，但神经细胞不会 死亡，或者说很少死亡， 甚至在人的整个一生中都会有一些新的神 经细胞产生。有一种很错误的看法是：人到了一定年龄，即长到 25 岁左右时，每天都会失去大量的神经细胞。一些科研人员散布 这种看法依据的是 60年代初到 80年代的研究结果。但在那个时期， 人们是很难计算神经细胞数量的。现在，计算过程已计算机化。新 的计算表明，人在正常老年时期不会失去神经细胞( 或者失去得很 少) 。但是，一些疾病，如阿尔茨海默氏症和帕金森氏症，则
16、能够 使人失去一些神经细胞。 右图是运用脑成像技术制成的 脑图 . 既然无病的老年人不会失去神经细胞，那么，应当怎样解释 老年人认识能力的下降呢?实际上，这是由于老年人的一些神经细 胞僵化了，失去了演变的能力，可塑性减弱了。老年人神经细胞的 数量并没有减少，但神经细胞的个体能力减弱了。 将近一个世纪以来人们一再重复的另一个错误观点是：我们 每个人在出生时就储备有一定量的神经细胞，这些神经细胞不会再 生。这种观点是神经生物学的教条之一。这是错误的。脑神经细胞 产生于人的成年时期。 在记忆机制中起主要作用、 被称为海马的小 部分皮质的情况证明了这一点。这种再生是不可忽视的。 由神经细胞的再生现象我
17、们可以想到，治疗大脑疾病的前景 是很广阔的。 人们已经在动物身上进行了很有希望的试验，但现在 还不能把有关的技术应用于人类，大脑和身体其它部分是一个整 体，大脑有病会引起其它的身心疾病，反之，身体其它部分也会通 过激素影响到大脑。 大脑有 1000亿个神经细胞，每个神经细胞又同其它的神经细 胞建立有 1000 种联系。这样算起来，数字将是极大的。大脑在形 成的过程中产生的神经细胞数量会超过需要的数量。每个神经细胞 都有自己的位置并同其它神经细胞建立联系。这种复杂的机制是每 个人的单一性和不可“复制”性的保证 D大脑随人一起长 人们一般都认为， 人的智力与生俱有， 即所谓“天资” 。然而， 最近
18、在自然杂志上，美国一研究小组发表了他们多年的研究结 果显示，人脑直到青春期还在发展， “年轻人的行为决定了他们的 智力情况”。美国加利福尼亚的洛杉矶大学和加拿大的科学家，使 用了磁共振扫描仪，对3 岁到 15 岁的试验者进行了三维摄影，观 察他们脑部的变化和发展。 这是世界上第一次如此详细地研究人脑 的发展变化和照片拍摄。试验者的年龄在3 到 15 之间，观测的时 间从两周到四年。他们主要观察连接人脑两半球的中间部分的形状 和大小的改变， 因为这个部分是人脑的其他区域活动的指示器。科 学家观察到，在人脑的某些部分， 灰脑质的体积在一年内增大一倍， 然后它们互相结为网络， 与此同时，那些没有被使
19、用过的灰脑质细 胞就死亡或消退。 正如一位参与研究的科学家说： “令人惊奇的是， 在人们本来认为人脑已经发展成熟的阶段，人脑还会做局部的结构 改变。 ”科学家发现，在 3 岁到 6 岁时，灰脑质主要在前脑部增多， 这个区域与人的行为组织和计划能力以及精力的集中能力有关，而 在 6 岁到 12 岁，则主要在后脑部增多，这个区域与人的感情和语 言能力以及空间的判断力有关，这就是人过了12 岁后学习语言感 到困难的原因。 过去，科学家认为， 人过了 6 岁就停止了大脑的发 展。美国科学家现在的新发现告诉人们一直到青春期人脑都在发 展，而且确实是服从“用进废退”的原则，望子成龙的家庭和教育 工作者，对
20、此应该给予足够的注意。 E大脑细胞可再生 美国普林斯顿大学的一个研究小组说，他们证明了在成年猴 子的大脑皮层中生出了新的神经细胞。大脑皮层就是大脑中产生最 高级的功能的部位。 他们说，这一研究结果对于治疗和预防大脑疾 病以及中风或由头部受伤引起的脑损伤具有巨大的潜力。伊利诺伊 大学神经学计划主任威廉格里诺在一则声明中说：“这是一个全 新的结果。这些数据迫切要求我们对人脑的发育重新进行分析 如果我们所揭示的情况同样适合于包括人类在内的所有灵长类动 物， 那么就意味着我们真的需要改写有关大脑发育以及经验对大脑 的影响方式的书籍。 长期以来，医生们所受到的教育一直认为，一 旦大脑发育成熟，就不会再产
21、生新的脑细胞。如果神经细胞死了， 就永远不会有替代它的细胞。 最近的研究表明，这种说法未必属实。 科学家甚至已经发现和培育了干细胞即能够生成任何种类的 脑细胞的万能细胞。 他们把这些干细胞植入动物体内，发现它们能 够生长并发挥作用。 但此前在大脑皮层即大脑最复杂的区域内，还 未曾发现过成长中的新细胞。 大脑皮层所执行的功能包括决策、识 别和学习等。 普林斯顿大学的伊丽莎白古尔德和查尔斯格罗斯 利用独特的化学示踪装置， 发现了猴子的大脑皮层中有生长中的新 细胞。他们在科学杂志上撰文说，他们的研究结果将大大改变 有关大脑的研究。格罗斯在一则声明中说：“人们曾经这样想过， 如果说大脑皮层对于记忆十分
22、重要的话，那么它会是如何变化的 呢?事实上，相反的看法也完全能说得通如果说记忆是通过 经验形成的，那么这些经验必须在大脑中产生变化。”古尔德说， 有朝一日，这一信息可以用来帮助寻找治疗阿尔茨海默氏症或帕金 森氏症的方法。这两种疾病都与大脑细胞的减少有关。 F意识的产生 人之所以成为人，一个重要的特征是有意识。但意识一直被 认为不可研究。 在本次年会 “意识生物学 ”专题研讨会上， 科学家 们说他们现在不仅可利用科学方法来研究意识，而且还在探讨意识 形成的生物学基础。 一项重要发现表明， 人的行为很多时候是在无 意识的情况下产生的。 这一发现同时引发了一系列有关意识的新问 题，如在意识和无意识的
23、产生过程中大脑的活动是否会有所不同 等，这有待进一步研究才能回答。 G 语言和思维 在大脑如何控制人通过视觉识别物体、以及大脑与语言和思 维之间的关系上， 科学家们也有重要发现。 美国麻省理工学院神经 学家希勒宣布， 他和同事经过研究发现， 在大脑中存在着两套信号 处理系统，它们之间的相互作用， 控制了眼睛能做连贯的扫视运动。 近来的一些其他新成果对语言的产生、语言的理解能力和大脑特定 区域之间的关系作了修正。 例如，大脑成像分析显示，以前一些据 认为与语言功能无关的大脑结构，可能在人的语言能力中起到作 用。 但语言对人类的思维、行为方式会产生多大影响？在人类多 样化的语言表达方式中是否存在相
24、同的大脑活动？为回答这些问 题，科学家正在利用大脑成像等技术进行实验，并试图将实验结果 与语言学成果相结合， 以尽量减少无根据的假设。 他们在会上指出， 这种系统研究方法将帮助人们在未来更好地理解大脑与语言、思维 之间的复杂关系。 3中国近年脑科学大事 2001 年 10 月，继加入人类基因组计划之后，我国科学家又加 入了一项国际性科研计划人类脑计划，成为这一计划的第20 个成员国。 4 日至 5 日，我国科学家唐一源博士等人赴瑞典参加了 人类脑计划的第四次工作会议。 2001 年 10 月 18 日，北京大学脑科学与认知科学中心成立。 成立仪式之后， 中心举行了首次学术报告会。 北大脑科学与
25、认知科 学中心的核心学术队伍来自北大心理学系、生命科学学院、 信息科 学中心、神经科学研究所、 精神卫生研究所和大学附属医院的部分 科学家。该中心将承担国家基础科学研究的任务，从分子与细胞、 系统、认知、行为等方面对人脑的结构和功能展开多层次、跨学科 的综合研究， 探索大脑信息加工的认知和神经机制，建立可以实施 的计算模型。 2001年， 第一军医大学神经科学研究所舒斯云教授发现人脑新 大陆 “边缘区 ”，被国际权威专家称为“舒氏区 ”，“边缘 区”理论也被权威学者列入专著，并被国际神经科学界广为引用。 “这是一个从未见过， 也从未见人报道过的 新大陆 。而细胞形 状不同，功能肯定也不同。 ”
26、舒斯云乘胜追击进一步发现， 不仅老 鼠，而且在猫、猴子和人的大脑中都存在这一区域。“新大陆 ”正 左图是陈列于中国 术馆的人脑模型, 了人类目前比较确 大脑的初步认识成 脑分为左右两个半 半球展示了躯体感 好处于人脑各区域之间的“枢纽”位置， 与它们有着密切的功能联 系 由香港大学语言神经科学与人类认知实验室谭力海博士主持 的研究小组， 应用功能磁共振成像技术， 发现中国人大脑语言区与 英美等国人大脑语言区在空间位置上有明显不同。这为脑损伤病人 术前语言活动区临床诊断提供依据。其观点为：中英文属于两种截 然不同的文字体系。 中文作为表意文字， 它的方块字形具有较强表 意功能。中文字发音采用单音
27、节方式， 字形与字音联系发生在音节 水平；而英文单词每个字母均可发音， 整个单词读音由字母语音组 合而成。其研究成果为：采用单词产生、同义判断、同音判断、韵 律判断、汉字命名等认知加工的方法，发现在默读与加工中文时， 左半球额中回第9 区和第 46 区活动最强。而西方学者发现，以英 语和其它拼音文字为母语的人的大脑语言区位置是在左半球额下 回前侧（第 45、47 区，主管语义分析）和后侧（第44 区，主管语 音分析） ，以及左半球额上回后侧（第22、42 区，主管字母声音 转换）和额枕叶联合区（第37 区，主管形音）的联合。 中国首家人脑库在安徽合肥建成。目前脑库已经收集脑标本 40 个，并已
28、建立了标准脑库操作室，可以为全国乃至全世界的医 学家提供脑组织用于治疗疑难病症或做科学研究。脑库的建立标志 着人类对脑科学的探索、 对人脑生理和病理的研究进入了崭新的阶 段，给目前用一般方法无法治愈的脑病患者，如老年痴呆症、帕金 森氏症、癫痫以及部分精神疾病患者带来了重获健康的曙光。 三 脑科学知识 1. 脑的功能定位 脑分为不同区域，如感觉区、语言区、识字区和运动区等， 不同区域执行不同功能，有的管视觉，有的管语言，有的管思考。 对大脑各区域所司职能的了解， 最初是通过对某些特殊病例的研究 而获得的。 从控制语言中枢的布罗卡区和韦尼克区，到与记忆有关 的“海马区”，都是如此。 19 世纪初，
29、 德国科学家弗伦茨一约瑟夫 加尔肯定地说，颅 相能反映大脑功能情况。 他认为，位于颈上部、颅骨下部的小隆凸 主管性欲，上面几厘米处的隆凸主管争斗，另一个隆凸主管快 乐加尔创立的颅相学风行一时，但由于缺乏科学依据， 被人们 放弃了。但人们并没有放弃他提出的大脑功能定位理论。1861 年， 法国科学家保罗 白洛嘉向同行们介绍了一个病例：病人大脑内有 一个鸡蛋大的部位发生病变， 病人无法讲话， 但似乎仍能理解别人 对他说的话。 白洛嘉得出结论说， 这名患者的大脑病变部位正是大 脑中的清晰语言区。这个区域后来被人们命名为“白洛嘉脑回”。 后来不久， 人们又发现了大脑中的理解功能区。这个区域如果受到 损
30、伤，人的理解力就会受到损害，但表达能力却不会受到损害。脑 神经学医生研究了许多大脑受损伤的病例：一名以色列士兵头部被 弹片击中， 结果该士兵睡觉不能做梦了； 一个美国矿工被一根金属 棒击中头部，结果该工人的情绪再也激动不起来了医生们从这 些病例中弄清楚了大脑相关部位的功能。 但是，大脑功能定位问题并没有真正得到解决。只要仔细分 析一下患者的症状， 往往会发现各种并发症。实际上，并不存在单 纯的病证。 大脑的每个部分并不是孤立的， 某一个区域可能具有专 门的功能， 但它也需要其它区域的协助才能运转。另外，由于技术 原因，现在显示的图像实际上只能表示大脑的某些区域比另一些区 域更活跃。显然，还有一
31、些区域需要我们去探索。 如果说我们还不能给大脑的一种功能定位的话，这一功能很 可能就是指记忆功能。 据一些科研人员说， 我们的大脑并不像计算 机那样有单独的存储器。 经验是深化于大脑中各个部分的。回忆就 是“重新考虑我们周围的世界。 ”所以，我们总是“经常在重新发 现我们的过去”。 2. 脑科学与教育 A第一个脑科学新概念是大脑神经突触生长呈倒U状的模型 假说。大脑的秘密主要在于神经细胞，而脑科学研究发现，早期大 脑神经突触联系形成最为迅速。有这样一个脑科学事实， 人在出生 20 年里神经突触密度的变化呈倒U型，即刚出生时低，童年期达 到高峰，而成年后则又降低下来。 这表明神经突触密度与智力水
32、平 是直接关联的。从出生到10 岁，随着突触联系和密度迅速增加， 与此相关的技能和能力也随之迅速发展，一直持续到成年后才逐渐 衰退。假定这个倒 U状模型是存在的话， 似乎可以得出这样一个结 论， 突触生长高峰期的童年是学习收获最多和智力发展最充分的时 期。这项研究发现对开展早期教育提供了科学依据，尽管还没有完 全证实，但值得进一步探讨。 B第二个脑科学新概念是大脑发育的关键期假说。大脑发展 的关键期概念是英国学者戴维. 休伯尔等人在 60 年代提出来的。他 们的研究发现， 将出生后的小猫或小猴子用外科手术缝上眼皮，数 月后打开， 这些动物就无法获得视觉信息， 尽管它们的眼生理机制 是正常的。而
33、且这些早期剥夺了视觉经验的动物在视皮层上的结构 也有异于正常的动物。 休伯尔等人由此提出了一个视觉机能发展的 关键期概念。 其科学结论简要说来就是， 脑的不同功能的发展有不 同的关键期， 某些能力在大脑发展的某一敏感时期最容易获得，如 人的视觉功能发展的关键期大约在幼年期；对语言学习来说， 音韵 学习的关键期在幼年，而语法学习的关键期则大约在16 岁以前。 此时相应的神经系统可塑性大， 发展速度特别快，过了这段关键期， 则可塑性与发展速度都要受到很大的影响。此外， 对不同的人来说， 脑的不同功能发展的关键期也并不完全一致。所以在教育中要抓住 关键期，使脑的不同功能得到及时的发展。这对于在儿童的
34、教育中 如何发展脑的最大潜能而不导致认知障碍有着重要意义。 C第三个脑科学新概念是大脑的变化、学习和记忆及脑内神 经元的联结程度决定于环境对大脑的刺激。脑科学研究发现， 多姿 多彩的环境刺激对早期大脑发展具有显著的影响。科学材料证实， 大脑的生理变化是经验的结果， 而大脑功能的水平在很大程度上取 决于其工作时所处的环境状态，服从“用进废退 ”的规则，不能缺 乏足够的刺激。 环境影响基因的变化，基因决定环境的作用，这是 脑科学研究得出的一个新的见解，而这里的关键因素是对脑的刺 激。人们在研究中已经认识到， 引起脑内巨大变化的主要是有学习 和记忆参与的活动而不只是体力活动，像课外愉快的交谈， 有意
35、义 的交往，填字游戏和勤奋的阅读， 都可以不拘一格地使人脑得到刺 激。这些涉及到教育管理学、学校卫生学、教育心理学、教育社会 学、教学论和教材教法研究等诸多领域的理论和实践，富有启迪。 D第四个脑科学新概念是脑高级功能的生理基础主要是后天 形成并终生可变，不存在先天预成的智力， 也不存在单一性的智力， 心智的结构是多元的。 脑科学研究的这一项发现与上述发现有着密 切的联系， 即智商不是生来固定不变的。 智商测试或许是一个有用 的工具，但智力实际上是多元或者说多重的。因为每个大脑表现出 来的个体特征不尽相同，在情感、行为和认知能力上存在着差别。 在这方面美国哈佛大学心理学教授加德纳曾花数年时间分
36、析了大 脑和大脑对教育的影响， 他的结论是简单但极其重要的。 在加德纳 看来，传统上大多数所谓智商测试都集中在语言智力和逻辑数理智 力上，全世界很多学校教育也片面集中在这两种能力上，致使我们 对大脑学习潜力产生了一种不正常的、有局限的看法。 而他所提出 的这一 “多元智力理论 ”，拓宽了人们对智力的认识， 既向传统的 智商测试提出了挑战，又为教学策略的研究提供了脑科学依据。 E第五个脑科学新概念突出了杏仁核在情绪反应乃至大脑整 体结构中的关键作用，并强调大脑神经系统和行为系统的整合机 能，进而提出 “情感智力 ”和“情商”（EQ ）概念，向那种狭隘的 经典智力和智商 （IQ）概念提出了挑战。
37、脑科学研究越来越多的证 据表明：情感在人类学习中起着不可低估的作用，情感与认知并不 是对立的两个过程， 而应当理解为两个并行的过程， 它们以特殊的 方式联系在一起， 对有机体有不同的意义或价值， 都是脑神经整体 功能的体现，反映出神经活动的效率。 脑科学研究已被证实是当前教育发展的重要方面，许多学者 都预言其将会得到更加长足的进展， 为在脑科学与教育科学之间建 立新的研究领域和学科门类提供方法和理论的资源。 四 脑科学与人类进步 21 世纪即将作为 “脑的世纪 ”而掀开新的一页。脑是 21 世纪 仍处于相对未开发的为数很少的几个重大前沿之一。在21 世纪， 人类认识自身和脑的历史进程必将是由两
38、个车轮推向前进的：“基 因组”和脑科学。基因组作为生命的蓝图， 是分子总设计师。 但是， 在脑内有序生成的过程中， 对遗传的信息的需求是很小的。 基因组 后时代的脑科学必定是以基因脑行为的结合为其特征的。 在揭示脑的高级功能的整体性的道路上，揭示“意识 ”的脑 机制，乃是脑科学的战略目标。日本的脑科学时代计划中，其 20 年后的战略目标是阐明自我意识和社会意识的脑机制。这标志 着意识已经从泛泛的议论成为严肃的研究课题了。近来的文献中， 将意识归纳为： (1) 一种整合的协同的可控的行为；(2) 对新事物 的检测和适应； (3) 目标导向行为，具有完成给定任务的灵活性和 制定因条件而异的计划；(
39、4) 使用语言； (5) 使用一定的明显记忆； (6) 采用交替认知。 脑和神经系统的疾病是困扰和危及人类的主要疾病。其中， 脑老化、神经系统退行性疾病、 药物成瘾和神经系统的损伤所造成 的影响更为严重。 所以，研究脑科学对整个人类的健康就更具有重 大意义。 人类认识自然，认识生命，和认识脑是相互促进的。只有更 好地认识自然，才可能更好地认识自身； 在理解脑和生命的基础上， 也才会更好地认识自然。 古往今来，脑一直是哲人学者们持续争论 的领域：从古老的灵魂与肉体的争论到当代脑思维计算的关系 的科学探索， 都折射出了人类关于脑的思考。俗话说：“一方水土 养一方人 ”。脑科学必将最终清除那些超自然
40、观念的尘埃，在“脑 神经的人间”找回自我的内心世界。 五脑 科学 发 展趣事 记 2001 年 1 月 加拿大科学家发现了人解读声音的大脑 部位。一见钟情已令人费解，但医学界发现， 即使只闻其声而不见其人， 也足以令人 “一听 倾情”。 加拿大蒙特利尔神经病学院一项研究 发现，人脑某一个特定部分， 负责辨认人的声 音，而这种辨认能力可以将人声所含的复杂情感解码，而这可能正 是人们对歌星等的声音 “一听倾情 ”的关键。 2001 年 3 月 研究发现数学天才用脑部位与常人不同。法国和比利时的科 学家联合进行一项研究， 试图找出数学天才和一般常人的大脑是否 有差别。他们在发表的报告中说， 研究发现
41、能够快速心算复杂数学 问题的人，可能是因为他们能够使用其他人无法使用的大脑部位。 2001 年 4 月 科学家发现，从事脑力活动的人不易患老年痴呆症。研究发 现注射葡萄糖及吸氧能显著提高大脑功能。英国一所大学的人类感 知神经学中心主任安德鲁斯奇雷博士指出，通过给人体直接注射 葡萄糖制剂或是让人体吸入纯净的氧气，将可以提高人脑的功能。 2001 年 5 月 科学家首次发现70岁人大脑仍会长出新的神经元（脑细胞） 。 他们在患者的一个小小区域 海马状突起处发现了新生的神 经元、能够使大脑恢复部分功能。这里处于大脑深层，对人的学习 和记忆能力非常重要。 这一发现否定了此前科学家关于成人脑细胞 损伤后
42、就不能再生的定论。科学家发现控制 “自我”的人脑区域。 美国加利福尼亚旧金山大学神经学家布鲁斯米勒说，他们在治疗 患有一种罕见的脑叶萎缩症的病人时，发现了控制人的 “自我”意 识的脑部区域。这个位于人类大脑右额叶前部的某个区域，看来 “储蓄”着人的自我意识。通俗点说，人的个性特质、信仰、喜好 与厌憎之意，都是从那里产生的。 2001 年 6 月 美国科学家进行的一项实验表明，进入人类视野的东西并不 一定全都会被看到， 大脑对于人看到的事物应该是什么样子，可能 有一种先入为主的 “成见”，即它只让我们看到部分事物。 科学家 把这一效果称为 “运动致盲 ”。他们认为，大脑是从零散杂乱的视 觉输入信
43、号中选择信息来组织成图像的，在这个过程中大脑有时候 会剔除某些信息。 世界上第一例成人神经干细胞自体移植手术在复旦大学附属 华山医院完成。 这标志着在国际生物高科技革命的竞争中，我国的 神经干细胞基础研究和应用已经跨入了脑修复再生医学的新门槛。 六 脑科学前景展望 1神经活动的基本过程 在神经系统的活动中存在着一些有普遍意义的基本过程，包 括神经信号的发生、转导、传导、突触传递等。在离子通道方面， 将来会发现更多的新通道或通道的亚型，确定更多通道的氨基酸顺 序以及内含子 - 外显子的界线，从而推出通道类型间的自然进化关 系，形成通道的分类模式，并揭示通道类型的家族关系。对于神经 经递质存贮、保
44、持、释放、调节过程目前已经有了一幅概图，其中 的一些精细过程将得以清楚地阐明。 由于在脑中所有的信息处理均 涉及突触、 神经递质受体的分子特性、 递质和受体的相互作用无疑 将继续在脑科学中占有关键的地位，对由G-蛋白偶合的第二信使 级联反应所介导的信号转导方式及其在脑功能中的作用的研究，会 有重要的拓展。 人们将不断揭示新的神经调制方式，对神经系统的 控制其自身特性方式的多样性形成更完整的认识。神经系统的发育 的关键问题之一， 是细胞运动和诱导信号的相互作用。应用低等动 物简单神经系统对这种相互作用的细致分析，以及作为其基础的细 三位获奖 脑 科学家 . 胞间信号传导、转录调节、基因表达的研究
45、将继续成为研究的重点。 对在发育过程中神经元整合各种分子信号形成突触和组成神经回 路的研究将取得重大进展； 将有更多的神经营养因子被鉴定，相应 的受体被发现， 它们在发育中和成年脑中的作用将逐渐被阐明。这 些研究的进展将使人们更清楚地认识到，在发育过程中遗传突变的 表达如何引起神经系统的缺损。 神经系统疾患在应用分子遗传学的方法对遗传性神经系统疾 患的研究方面， 已经有了良好的开端， 若干影响脑正常发育或产生 进行性脑变性的缺损基因已经被定位或鉴定。迄今为止，所考察过 的基因还不过是组成人类基因组中的百分之几，随着基因组研究的 进展，这方面进展的步伐将会大大加快。 同时，运用基因定位技术， 有
46、可能追踪 DMA 的某种标志， 以确定是否存在某种特定的基因，并 利用这种标志在症状出现之前就发现遗传性疾病。一个合理的估计 是，在未来几十年内， 人们将能预测大部分的遗传疾病的未来表达 或确定缺损基因的定位； 产前诊断和遗传筛选程序将大降低某些疾 病的发病率。 鉴定缺损基因之后， 将对这些基因如何引起病症的机 制进行探索。 只有当对致病机制有深入了解之后，才可能有针对性 地发展某种药物或治疗方法，防止或阻遏病理性变化。可以预期， 这将是未来研究的一个热点，并将取得迅速的发展。 2脑的高级功能 对于脑的高级功能，诸如感知、运动控制、学习记忆、情绪、 语言、意识等的认识，可能会取得突破性的进展，
47、几十年来，对于 以细胞、分子事件为基础的局部神经网络如何组装起来构成庞大的 复杂的脑来实现高级功能， 既缺少有成效的研究手段， 在理论上也 只有很模糊的想法。感觉信息如何整合起来用以认知外部世界?意 识如何被控制 ?意识的整体性怎样被保持?突触可塑性与学习和记 忆形成、记忆检索是怎样的关系 ?语言的中枢表象是什么 ?对于这些 问题，我们的了解还刚刚开始。人们将创立一系列新方法，包括若 干原理上全新的方法， 把离子通道、突触、神经元的兴奋和抑制等 概念与脑的高级功能沟通起来。现有的脑成像技术的时间、 空间分 辨能力将大幅度提高， 新的元创伤检测脑活动的技术将进一步发展 起来。在清醒动物上， 多电
48、极同时记录不同脑区神经元群体的活动 和高级功能研究结合起来。 计算神经科学的发展将进一步揭示脑执 行各种高级功能的算法。 基于神经生物学的实验资料及基于数学和 物理上的分析的脑高级功能的模型， 有可能在脑科学中产生重大突 破。脑科学的进展，既取决于科学家的睿智、努力以及所得到的支 持，也会受限于在推进过程中所遭遇的困难。特别需要指出的是， 在探索的进程中突然出现的新发现，会大大改变其进程本身。 3电脑接通人脑 西方的一些科学家们正在探索脑科学发展史上的一项创举： 把电脑与人脑接通。 具体一点说，就是把芯片直接融入人脑。科学 家预计：大约在 20 至 30 年时间内，这一愿望将可能实现。 这一科
49、学创举已经开始：法国新设计的“奔驰” 、 “宝马”等豪 华轿车已经在各关键部位安装上计算机芯片，完全由电脑控制， 称 之为“智能车”。记载个人一切信息的智能卡已进入日本的一些家 庭，由电脑担任“管家” ，遵照主人的吩咐，干好一切家务劳动。 在美国已经实验成功了“电脑传感器”。只要把这种“电脑传 感器”戴在人的头上，就可以凭人的意念指挥电脑替代工作，如核 算账目、续写文章、翻译等。然而，这仅仅是人脑与电脑接通的初 步。在德国，七百多名聋哑人的头颅里被装上人工耳蜗和语言处理 机， 因此而恢复了听觉和语言功能。 法国科学家们正在加紧研制 “人 工视网膜” 的微电脑，并准备移植到盲人的眼睛里，并与人的大脑 神经接通。 如果这项试验取得成功， 那么世界上几千万盲人将会恢 复视觉，重见光明。 七小结 科学的发展如此日新月异，让人觉得不可思议。据统计，近 三十年来所创造的知识相当于过去几千年的总和。也就是说，如果 我们不抓紧时间补充学习， 很快就会被时代抛在后面。 二十一世纪 是生物学的时代，让我们为无限光明的科研前景祝福吧！ 附：脑科学主要名词解释 突触：人脑 1 千亿个活动 神经细胞中的每一个， 都将信息 存储在像树枝一样的