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競爭時代開啟孩子的智慧之窗「我女兒小學二年級，每天早晨起床後練寫1小時毛筆字，7點去學校上課，下午放學後先做家庭作業，然後再練1小時鋼琴。」「她感覺累不累？」「有時挺高興的，有時也不願意。但沒辦法，不管她是否願意，都必須去做。現在社會競爭激烈，人家的孩子都在學，你不讓她學或不練就跟不上，在班裡就得不到老師的認可，有可能耽誤她一輩子。」上面是年輕的媽媽們之間經常有的對話。這時，如果有人插話，勸她們別這樣折騰孩子，她們會很不高興。她們認為，說這話的人對孩子沒有直接責任，屬於「站著說話不腰疼」。儘管她們中不少人知道，即使獲得過國際奧數比賽大獎的孩子，長大成人後並沒有幾個能夠成為數學家或者從事數學研究工作，但她們似乎找不到更好的途徑培養自己的孩子，目前採取的措施完全是一種無奈。實際上，年輕父母們這種無奈之舉緣於人類對自身大腦的工作原理知之甚少，不知如何開發利用，不知如何發現孩子的個性特徵。也許正因此，腦與認知科學已成為國際科學界的熱門研究課題。最近，許多研究人員明顯感受到，關於腦認知的研究報告不論在Scinece、Nature還是其他專業刊物上所佔的比例均呈增加趨勢，而且這些報告很有吸引力。澳大利亞與美國科學家在美國《國家科學院院刊》發表文章說，大腦發育分階段，在青春期早期，叛逆的孩子大腦內負責情緒的區域發育較正常孩子要快。經常與父母發生衝突的孩子，大腦中與情緒相關的區域比其他孩子發育更早，但他們大腦內控制情緒的區域發育狀況卻不佳。這可以解釋為什麼叛逆的孩子更容易產生焦躁、反常情緒，也更不善於控制局面。但到了一定年齡，這兩個區域的發展會達到平衡。通常，人發育到20多歲時，大腦兩個區域的發展會達到平衡。2004年，香港大學譚力海等在Nature發表文章認為，中國人的大腦語言區與西方人的不盡相同，這可能是文字差異造成的。西方人使用拼音文字，語言功能由左腦控制；而中國人使用象形文字，語言功能不僅需要動用左腦的力量，而且必須有右腦的參與。他們的研究結果已被美國同行證實。譚力海認為，這一發現對臨床有重要指導意義。如果中國人完全照搬西方人的腦外科手術方案，很可能給接受手術的中國人帶來失語等後遺症。他們的這項成果為中國神經外科醫生設定了有中國特色手術的腦語言禁區。在中國，中科院生物物理所研究員劉力發現和證實了記憶在果蠅腦中儲存的位置。他和同事們將分子遺傳學與行為學方法結合起來，將特定的腦結構與學習記憶功能聯繫起來，首次證明了果蠅中心腦區——扇形體結構，參與調節視覺圖形的識別過程。扇形體內的兩層水平平行片狀結構由兩組神經元的末梢分支構成，它們分別具有記憶圖形的重心高度信息和記憶圖形朝向信息的功能，從而使果蠅有效地分辨重心或朝向不同的圖形。這一發現表明：果蠅個體很小，腦功能卻相當複雜，其視覺記憶功能需要腦中特定神經元形成迴路來完成。其工作也使果蠅成為研究神經結構和功能關係的模型之一。他們的這一成果以長文的方式發表在Nature上。可以預見，科學家們在不久的將來可能尋找並定位人類記憶的準確腦區。一旦科學家弄清大腦每個精細部位的功能，媽媽培養孩子必定有更科學的方法，而不是像現在這樣無奈地給孩子增加有用或無用的壓力。科研成果直接聯繫經濟行為腦認知的研究成果，不僅與教育、醫療密切相關，而且已愈來愈多地影響著人們經濟行為的策略。2008年12月，美國加利福尼亞理工學院的科學家在Science上公布了一項引人注目的成果：他們使用功能性磁共振（fMRI），觀察到人在面對風險和不確定因素時作出決定的整個過程，包括主管感情和理智的腦區在這個過程中所起的不同作用。Science為此發表述評，分析了這一研究結果所蘊涵的經濟學價值，其最有說服力的例子是：賭博和保險兩大產業都依賴於人類對風險的態度。在這方面，中國科學家也開展了很有趣的研究。他們設計了這樣的問題：假設你現在有一筆5000元的獎金，你可以作兩個不同選擇：選擇一是現在就拿到5000元獎金去好好消費，犒勞自己一年的辛苦；選擇二是把這些獎金存起來或投資，一年後可以得到5500元。請問你會選擇哪一種？另一個問題是：假設你上個月刷卡消費了5000元，今天是本月的還款日，你可以作兩個不同選擇：選擇一是現在就還款5000元；選擇二是付出一些利息，一年以後還款5500元。請問你會選擇哪一種？行為決策領域的研究已經證明，在面對「損失」或者「獲得」的跨期選擇時，人們對未來「獲得」的時間折扣率大於對「損失」的折扣率，這在學術界被稱為「符號效應」。基於這一現象，中科院自動化所蔣田仔研究員，徐麗娟、王坤博士與中科院心理所李紓研究員、梁竹苑博士後，合作進行了一項fMRI研究，首次考察並比較了「獲得」與「損失」領域中時間折扣的神經機制。他們發現，在對「獲得」和「損失」的時間折扣中，對「獲得」和「損失」進行折扣的神經機制並不對稱。一般來說，當被試對未來的「獲得」與「損失」進行選擇時，大腦側額葉和後頂葉區域發生激活，但在折扣「損失」時，不僅這兩個區域的腦激活更強，腦島、丘腦、背側紋狀體等區域也顯著激活；而如果被試需要對即刻的選項進行選擇時，後扣帶回和內側前額葉皮質都會發生激活，但在折扣損失時，前扣帶回、腦島和額上回都會發生激活。這些結果說明，人類的大腦對未來「損失」比對未來的「獲得」更加敏感，而這可能是由諸如恐懼、厭惡之類的負性情緒所驅動。這一研究結果為揭開時間折扣的神經機制提供了新的證據。他們根據研究結果撰寫的報告，近期已在線發表在SCI索引期刊——愛思唯爾雜誌《腦研究》（BrainResearch）上，後續研究成果也正在撰寫之中。「Global-first」（大範圍首先）取得理論上的突破研究人員告訴記者，如果追溯腦與認知科學的研究歷史，至今已有200年。200年來，在理論上，認知領域的一些科學家從「原子論」和「整體論」兩種角度開展了研究，形成了不同的學術觀點，因而存在一些爭論。最近半個世紀以來，「原子論」佔據認知科學的主導地位。其中，較有影響的近代知覺理論主要有：美國麻省理工大學Marr的計算理論、加州大學伯克利分校Treisman的特徵整合理論、貝爾實驗室Julesz的質地子理論。他們都持「原子論」的觀點，認為知覺過程是「由局部到大範圍」。1982年，中科院生物物理所陳霖在Science上發表了不同於其他學者的一個理論猜想——《視知覺中的拓撲結構》（Topological structure in visual perception）。在這篇文章中，陳霖認為，知覺活動以拓撲形式體現——「從大範圍向局部推進」。陳霖的觀點向權威們提出了挑戰，包括諾貝爾獎獲得者、著名裂腦研究專家R.W. Sperry。他曾在1991年指出，精神和意識是大腦的整體性質。在認知過程中，神經元事件可看成是嵌入在更高層次的因果現象之中。在大腦活動的因果鏈中，意識經驗以不可還原的突現形式出現在大腦過程的認知層次上。這些突現的心靈實體不僅在認知水平上相互作用，而且對作為組成成分的神經元的活動實施自上而下的控制。但20餘年來，陳霖帶領的團隊所完成的一系列研究為他們的猜想提供了更多的依據，相關研究成果發表在2003年美國《國家科學院院刊》上，表述了視覺過程是「從大範圍拓撲性質」知覺組織開始的；拓撲性質作為最基本層次的各個層次的幾何不變性質，是圖形知覺的基本表達。這一猜想，目前已成為國際上比較公認的拓撲性質初期知覺學說。Visual Cognition的主編Humphreys在2005年出版陳霖的研究專集時說：「這篇文章是許多年來關於人類知覺信息決定性因素研究的豐富和重要的總結。我相信，這項工作是對許多當前知覺觀點的重大挑戰。在這一期雜誌中，這篇文章將由這個領域的一些領軍人物來評論。我相信這篇文章有開創性的貢獻。」美國科學院院士Desimone說：「近來神經生理學數據提示，陳的模型的確是正確的。它從大範圍到局部知覺拓撲模型，將激勵神經生理學家對視覺特徵分析，採取強調物體特徵在變換下不變性質上開展新方向的研究工作。」Minnesota大學副教授H』S認為：「陳和他的同事們在過去20多年積累了令人印象極其深刻的實驗證據，毫無疑問地動搖了我們現在理解視覺過程的基礎，拓撲知覺理論對我們最終理解視覺的貢獻是很難估量的。」最近，哈佛大學教授Wolfe總結概括陳霖的理論為「陳氏Global-first」（大範圍首先）理論。陳霖對記者這樣解釋他的理論：一塊橡皮上如果有個洞，不論你怎樣揉搓變形，這個洞的形狀也隨之改變，但它一直存在。這就是典型的拓撲性質。人類大腦對信息的處理，遵循這個基本規律。這個理論回答了「什麼是知覺信息的基本表達」——這一知覺研究最根本的問題，為腦科學家們提供了一個統一的科學描述認知的理論框架，如同基因概念之於生物學、比特概念之於信息科學的意義。由於「原創性地提出和系統地發展了拓撲性質初期知覺理論」，陳霖獲得了2004年求是科技基金會的傑出科學家獎，併當選中國科學院院士。研究工作呈三大特徵「腦認知科學的發展目前呈現3個特徵：在科學上，腦認知科學容納了越來越多的其他學科內容，成為典型的多學科交叉研究領域，如數學、物理學、計算機科學、心理學、神經科學、遺傳學甚至哲學與社會科學等，都逐漸滲透到腦與認知科學中來；在研究方法上，越來越多地應用無創技術，過去的科學家依靠解剖等手段，打開大腦開展研究，而現在可以通過腦成像技術等進行分析；腦認知研究成果不僅直接應用於精神健康、學習記憶等，而且直接影響社會生產和生活的多個方面。」中科院生物物理所副所長赫榮喬研究員接受採訪時說。「目前，關於大腦記憶功能的存儲與提取問題，是本世紀的重大科學問題，成為相關研究人員的工作重點」。他還介紹，在中科院生物物理所，郭愛克院士領導的課題組發現，正常野生型果蠅（WTB）可以根據線索強度對比變化，果斷地作出最為有利的選擇，而通過基因突變或生化方法導致果蠅腦中蘑菇體缺失的果蠅則猶豫不決，不能作出穩定的抉擇。蘑菇體是果蠅腦內的重要結構，1850年蘑菇體的發現者曾經猜想它是果蠅腦內負責「自由意志」和實施「智能控制」的地方。郭愛克課題組推測，蘑菇體結構能通過抑制作用調控果蠅的某些行為，也可能以此方式調節多通路感覺輸入信息的綜合處理，使果蠅得以抑制次要信息，在面臨矛盾線索時作出正確選擇。這可能與高等動物決策的抑制性閘門理論有相似性，果蠅在某些基本的人類認知行為方面，有可能利用了與高等動物相近的神經機制。近年來，郭愛克等的相關研究成果在Science上發表了一系列論文。2006年Nature發表了中科院生物物理所研究員沈鈞賢與美國伊利諾伊大學的研究團隊合作，發現凹耳蛙能發出超出128千赫的高頻超聲信號，是人類聽力極限的6倍。這是科學家首次發現哺乳動物以外的動物能夠用超聲波相互交流，而研究首次證實，凹耳蛙是第一個能產生並檢測超聲信號的非哺乳類脊椎動物。凹耳蛙的這種超聲通訊能力是如何進行控制的，課題組正在進一步研究。在國際上，科學家正從不同角度、不同層次開展腦認知的研究，有分子層次的、有細胞層次的、有環路角度的、有從腦—行為過程研究的。他們正針對各種層次、不同角度理解大腦的結構和功能。但對於大腦的認識，任何一種方法、任何一個層次的工作都不足以描述大腦的活動。這是由大腦結構和功能的複雜性所決定的，因而研究方法必須多種多樣。關於大腦的研究，除了傳統工具和手段之外，如今利用物理、化學等方法研究的事例日趨增多，一項又一項關於大腦研究的新成果、新發現接踵而至，也引起了科學界乃至全社會的高度關注。生物學家說，「這類專業刊物近年來的影響因子一路攀升，如關於腦成像的雜誌Neuroimage，影響因子近年來已經達到5～6之間，Human brain mapping則已達6～10之間。儘管這兩本雜誌創刊
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