3.2.3腦科學與學習生理基礎研究的深化
（一）神經細胞與大腦皮層的功能定位
人的大腦是由神經細胞組成的。神經細胞也稱神經元，能夠感受刺激和傳導興奮，具有接受、傳遞、加工、儲存或發放信息的功能。神經細胞主要由細胞體和突起兩個部分組成。
人的大腦有大約1千億個神經細胞，每個細胞就像一個電子元件用以存儲信息。每個細胞又長出可多達2萬個樹枝狀的樹突，每一個樹突通過一根長長的軸突傳送電化信息，與其他細胞相連。
神經細胞之間相互接觸的部位叫突觸。一個神經細胞大約擁有3萬個突觸，並與另外上千個神經細胞發生聯繫，從而構成龐大複雜的「神經通信網路」。眾多的神經細胞，以最複雜的連接方式集中在大腦這麼一塊小小的地方，其精密度遠遠超過目前集成度最高的大規模集成電路。神經細胞之間的聯繫並不是生來就自然暢通的，而是通過學習、工作、思維、記憶等智力活動「接通」的。積極的大腦活動可使神經細胞的微細結構發生變化，使其樹突增多、軸突變粗、突觸聯繫增加，從而促成大腦的複雜聯繫，增強大腦的工作能力。懶於學習和思考會使大腦出現廢用性萎縮。
突觸對人的學習活動有很大影響。 研究表明，學習和記憶與突觸的傳遞機能密切相關。科學家艾克爾斯對突觸和單個神經元進行大量實驗研究以後認為，記憶就是在神經元之間形成了新的突觸聯繫。例如我們記憶一個英文單詞，每重讀一次，與之相對應的神經元系統就按順序興奮一次。如果這種刺激反覆進行，則沿通路傳遞的刺激就會使突觸生長，聯繫變得更加緊密和鞏固，傳輸效率大大提高，這就形成了良好的記憶。
大腦和人的高級神經系統的主要活動規律是興奮過程和抑制過程。興奮過程是人的神經系統活動的開始和加強，表現為人有充沛的精力進行學習、工作；抑制是與興奮相反的過程，是人的神經系統活動的減弱和停止，表現為人需要休息。另外，興奮與抑制的過程是有節奏、有規則地交替進行的，學習工作一定時間後，必須有適當的休息，才能使大腦得到放鬆，有利於保持興奮水平，提高學習或工作效率。我們應該使大腦有節奏地工作，穿插安排不同的學習內容，學習時專心致志，休息時多參加文體活動，還要保證有充足的睡眠。
人腦神經細胞複雜聯繫構成的整體結構就是大腦皮層。腦科學的研究表明，大腦皮層是學習和解決問題的高級部位。大腦皮層的不同部位具有不同的學習機能。
額葉：與思維、判斷、記憶、性格、行為有關。額葉在大腦半球的前半部、中央溝之前，面積約佔大腦皮層的30%，是高度發展的區域，具有高級的功能，在形成人的意向、運籌規劃等有意識活動中，起決定性作用。額葉受傷的人，低級行為的方式變化不大，但高級行為方式卻發生明顯的變化。哈勞的報告第一次使人們注意到前額葉損傷對人的精神活動會造成如此巨大的影響。
枕葉：是視覺高級中樞，位於大腦半球的後部，
頂葉：與軀體感覺有關，在大腦半球的頂部，中央溝的後面，是管理皮膚、肌肉運動、軀體感覺的中樞。
顳葉：是記憶倉庫和聽覺的高級中樞，位於大腦半球外側。與人的長時記憶密切相關，特別是人們通過視、聽覺形象記憶保存的內容，甚至連人們自己認為已經完全忘記的事物，刺激顳葉都會使之重新被鮮明地喚起。加拿大蒙特利爾神經學研究所潘菲爾德在一個報告中說，用電刺激患者大腦皮層右側顳葉時，會引起他對往事的回憶。有個患者受到電刺激後說：「我聽到了管弦樂隊的音樂聲。」重複刺激同一個部位，他會重複聽到這些音樂並情不自禁地跟著唱起來。有的科學家用電刺激一個11歲小孩的左側顳葉，他突然說：「我聽到了幾個小孩的呼喚聲，喊我到街上去玩，非常清楚，象錄音帶重新播放一樣。
顳葉還是聽覺高級中樞所在部位，主要對聽覺刺激進行加工。聽覺語言中樞在左半球顳上回後部，雖然只佔很小一片面積，但這卻是人類最早發展起來的語言區。如果此處受到損傷，就會產生感覺失語症，聽不懂別人的談話，有時甚至自己說了什麼自己也不懂，同樣無法順利地進行學習。
大腦皮層的各個部位在功能上有所分工，但又是相互聯繫，互相補充，互相影響的。在學習過程中僅僅使用大腦皮層的某一部分是不可能取得良好的學習效果的。心理學研究表明，人們只靠聽覺獲得的知識信息，能夠記憶15%，只靠視覺獲得的知識信息，能夠記憶25%，但如果把視聽結合起來，能夠記憶的信息量就不僅僅是15%+25%=40%，而是65%！可見在學習中應該儘可能地充分運用眼、耳、口、鼻、手等多種感官，最大限度地發揮大腦的整體功能，以提高學習的效率，取得更好的學習效果。
腦科學還為學習研究提供了一些新的研究方法論啟示。如並行分散式處理研究把學習看作是所有參與的神經元間通過連接的適應而發生的。這個研究被用來設計明確的計算模型，並通過行為實驗、計算機模擬、功能性的大腦成像和數學分析，將這個模型應用於大量複雜問題的研究過程。
（二）腦電波的變化與學習
人們在學習時，常常伴隨著以神經、肌肉、感官活動為主要形式的生物電變化。研究人類的學習機制，尤其是電生理機制的主要手段是腦電圖、腦電波。正常的腦電波分為四種波形。
1．波：頻率14—30次/秒，完全清醒時的大腦在這個波段上工作，在思考時或受到外界較強刺激時最為明顯；
2．α波：頻率7—13次/秒，此時大腦皮層處於微弱的興奮狀態，「放鬆性警覺」，鬆弛而清醒，這是理想的學習狀態；
3．θ波：頻率4—7次/秒，在睡眠的初期階段出現，在成人睏倦時常出現；
4．δ波：0.5—3次/秒，深度睡眠狀態時出現，缺氧時也容易出現。
其中α腦電波是誘發大腦潛能的重要武器，α腦電波最適宜潛意識學習。科學家研究天才者的大腦思維活動時（如速算神童或有驚人記憶力的人）發現，當他們做一些複雜的思考工作時（如計算、記憶等），腦電波都是比較緩慢的，處於α波狀態，而且他們不會緊張、很輕鬆、很容易便能完成任務。一般的人若要進行複雜的思考時，身體必定會變得緊張，諸如脈搏上升、心跳加速、血壓增加，腦電波也會加速至狀態。
聽巴羅克音樂（Baroque Music）、做靜坐、學習一些鬆弛技巧、腦海形象化練習、藉助雙向反饋儀等輔助儀器，可使大腦處於α波狀態，左右腦產生同步協調，精神鬆弛，增強注意力，提高直覺和創造力。
（三）大腦兩半球與學習
大腦是人體生命活動的司令部，被譽為「智慧之宮」；
大腦分左、右兩個半球，是中樞神經系統的最高級部分。
大腦兩半球由胼胝體相連接。胼胝體是連接大腦兩半球皮質的神經纖維束板，位於半球間裂的縱溝底部。人類的胼胝體由2億條神經纖維組成，以每秒40億個神經脈衝的頻率和速度在左、右兩個半球之間傳遞信息。胼胝體在兩半球的協同活動中起著重要作用。
人的感覺和運動，在兩半球和軀體之間，一般呈交叉支配的關係。左半球掌管右側身體的感覺和運動，右半球掌管左側身體的感覺和運動。
對大腦左右兩半球的功能的認識大致經歷了三個階段：
整體——分工——協同
在整體階段，人們對大腦的認識較少，認為大腦無論在結構上還是功能上都是一個統一的整體，並沒有代表特定功能的腦區分化。在1861年法國外科醫生布洛卡發表「人是用左半球講話」的研究成果之前，人們對大腦的認識始終處於這種整體論階段。
在分工階段，人們想出許多方法對一些腦病患者進行了研究和總結，發現大腦左右兩半球的功能是不同的，它們存在一定的分工。這段認識時間從1861年到20世紀50年代，即美國心理生物學家斯佩里對「裂腦人」的研究成果問世以前。
在協同階段，人們創造出腦科學所特有的一系列更先進的研究方法，對腦傷殘患者和正常人的大腦結構與功能進行了研究和比較，發現大腦左右半球功能的分化並不是絕對的，二者在分工的基礎上，還通過複雜的協同活動來實現大腦左右半球的整體功能。
目前腦科學在這方面的研究成果，向學習者提供了以下信息和啟示：
大腦兩半球功能具有不對稱性：每個大腦半球可分別行使功能,但它的功能主要是對來自對側身體之訊號起反應。在正常情況下,當然胼胝體是相連的,且此兩半球是共同行使功能。左腦，像一個雄辯家，善用語言和邏輯分析；同時，又像一個科學家，擅於進行抽象思維和計算。它雄心勃勃，經常想控制一切，甚至干預本屬於右腦的功能。它很刻板，缺乏幽默和豐富的情感；右腦，則像一個藝術家。它擅長非語言的形象思維和直覺思維，平日沉默寡言，不擅言辭，但卻在音樂、美術等藝術活動上很有天分，充滿創造性。它還有很好的空間感。同時，它又感情豐富，很有人情味。它的缺點是比較消極被動，在與左腦的競爭中，經常甘拜下風，致使自己的才能經常受到壓抑，難以充分發揮。
人在嬰幼兒期，大腦左右半球功能的差異表現並不明顯。隨著年齡的增長，隨著言語的發展，尤其是書寫技能的獲得，左右半球在功能上日趨分化，到10多歲這種分化過程才基本結束。左右腦功能分化的程度因人而異，多數人左右半球發展的水平處於平衡、協調狀態，但也有少數人左右半球發展很不平衡，這種人往往在某些方面極富創造性，但在其他方面則可能十分薄弱。
應該指出，大腦左右兩半球功能的劃分並不是絕對的。例如有少數人大腦兩半球的功能與常人正好相反，他們的語言中樞存在於左半球，分析性思維由右腦控制，而整體性、形象性思維則由左腦控制。據統計，左利手者中有15%的人是這樣的。
此外，一些研究發現，大腦兩半球在成熟與發展過程中具有很大的靈活性甚至替代性。兩半球中任何一個受到損傷，另一個即可代償。不過，這種代償受個體年齡限制，兒童的腦損傷發生得越早，越有機會被另一系統所代償。但是隨著年齡的增長，尤其是當個體言語機能發達、成熟以後，代償就比較困難了。
大腦兩半球既有分工,各司其職,又密切配合,協調發展。左、右腦合作威力驚人。奧恩思坦教授認為，如果對大腦兩半球中的「未開墾處」給予刺激，激發它積極配合另一腦半球的工作，大腦的總能力和效率會激增。當一個腦半球被激發，與正在發揮優勢工作的另一個腦半球配合工作時，整個大腦的工作能力是一個腦半球單獨工作時的5—10倍。
有偉大成就的人，都不單用左腦或右腦，而是左右腦皆能靈活運用的人。愛因斯坦左腦的數字、分析、邏輯能力相當出色；但他右腦的音樂、想像、直覺等功能也相當了不起。他除了是一位科學家外，還是一位出色的小提琴家，經常作公開表演；他抽象的科學理論「相對論」也是靠右腦的直覺功能，才獲得「靈感」的。義大利的達.芬奇既是一位著名的科學家，又是一位偉大的藝術家、建築師、雕朔家和畫家。那些集科學與藝術才能於一身的「能人」，則是左腳踏著藝術世界，右腳踏著科學世界前進的奇才。
開發右腦潛能可通過以下一些方法：
多從事一些和右腦功能有關的活動，如多使用左手、左腳，多進行想像力訓練、圖形識別練習，讀書時要善於隨時歸納大意，欣賞音樂、繪畫、電影等都是鍛煉與發展右腦功能簡便易行的方法。
進行漢字教學、心腦速算，調節腦電波、開展各種肢體運動、精神放鬆等方法都有助於開發右腦功能，使左右腦協同工作、協調發展。
運用現代教育技術（幻燈、錄音、唱片、電影、電視、錄像、多媒體計算等）開發左右腦的潛力大有可為。
計算機時代的協同作用是一種三向的合作關係（見圖3-8）[1]。右腦具有填補空白和產生直覺突破的創造性，但它不能對直覺進行檢驗,或是把直覺傳達給其他人或計算機。左腦則可接近右腦的直覺，並且能檢驗這些直覺，並將其轉換成計算機或其他人的邏輯語言。計算機則以完備的準確性和比人腦快過上百萬倍的速度，使左腦的能力得以延伸和擴展。
當前迅速降臨的信息時代，正在人——機之間創造出一種不斷提升的「新型協同關係」。國際互聯網存儲著古今中外人類創造的幾乎所有知識與智慧，實際上創造出了一個全人類的大腦，如何使這個全人類的大腦與每一個體的大腦連網，實現人腦與計算機之間的「共生共長」？這是信息時代工藝技術、生物工程與人工智慧技術整合發展的誘人前景。富於創造性想像力的未來學家們早已預言，將會出現一種把人的神經元同計算機連接起來的「共生」網路，它可以使我們通過心靈感應來同外界聯絡，能夠在一剎那間瀏覽信息高速公路，能夠將越來越人性化的信息資源庫方便地連進人腦或植入人體，在「智力介質」、「生物感測器」、「神經界面」等的幫助下，我們將能成為一個巨大的超生物有機體，一種集各種功能於一身的「未來人」。總之，人腦與計算機的內在結合，將創造出令現代人難以置信的奇蹟。在那個世界上，人們不僅能更深刻地體驗到生命的智慧與力量，而且能更強烈地領略到生命的情感與魅力！當然，也會面臨比現代人更難對付的挑戰與危機！
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