脑科学与潜能发展学说

人脑重约1.5公斤，由上千亿个神经细胞组成，是人体中最复杂的器官，也是人类智慧赖以深藏的组织结构。几千年来，大脑一直保持着神秘的面纱，大脑的复杂性远远超出了人类的想像，尽管人类穷尽了所有的努力，可还是无实质性突破，大脑成了人类最亲近却最又陌生的朋友，截止到现在，大脑仍然是学术界公认的宇宙中最大的谜团之一。

脑科学，狭义的讲就是神经科学，是为了了解神经系统内分子水平、细胞水平、细胞间的变化过程，以及这些过程在中枢功能控制系统内的整合作用而进行的研究。（美国神经科学学会）广义的定义是研究脑的结构和功能的科学，还包括认知神经科学等。

一、脑科学的发展

现代脑研究开始于19世纪末叶，Caｊal染色法的发明在技术上为Caｊal的神经元学说发展准备了前提条件。20世纪40年代末期微电极的发明，开创了神经生理研究的新时代，对神经活动的认识因此出现了重大的飞跃。20世纪60年代后期，神经科学概念的出现是人类认识脑的历程中又一个里程碑。1967年美国心理学家Neisser提出认知心理学。1979年正式确立认知科学这门新学科。认知科学的兴起和发展标志着对以人类为中心的认知和智能活动的研究已进入到新的阶段。功能磁共振成像（fMRI）、正电子发射射线断层成像（PET）、高分辨率脑磁图（MEG）和高分辨率的脑电图（EEG）等设备出现，为脑认知成像研究提供了条件，对于大脑和认知的关系的认识产生划时代的作用和影响，推动智能科学发展。美国政府命名20世纪90年代为“脑的10年”，支持发展神经科学，促进脑的研究。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，又于1996年推出了“脑科学时代”的为期20年的脑科学计划纲要。科学家们预言，脑科学将在21世纪自然科学中占据特别重要的地位。

2002年美国DARPA提出了认知信息处理技术计划，主要研究内容包括（1）计算感知；（2）表示和推理；（3）学习；（4）通信和人机交互技术；（5）认知系统结构和集成认知主体（agent）；（6）鲁棒软件和硬件；（7）认知团队；（8）基础研究。

脑科学是科学之巅，包括很多基础学科，直到今天，支持脑科学的所有基础学科尚在初级阶段，且举步维艰走下坡路，脑科学已经沦为高不可攀的边缘学科。

二、脑科学有关智慧的基本观点

（一）人脑细胞的增生

过去，人们一直误以为，神经系统及其感官的生理解剖特征是与生俱来的，它伴随着成熟过程而逐步到位，是先天的、不可改变的“遗传素质”^[11]。脑的发育与成熟不受外界环境的制约，只要提供保证大脑生长发育的营养，大脑会按照遗传的指令自然而然地发展起来，并形成个体的特征和学习的能力，正所谓“树大自然直”。

人们更多的只是重视早期营养对脑发育的影响，而“成熟是学习的基础”则是不可动摇的儿童发展观。孩子之所以3岁后进入幼儿园接受启蒙教育，而不在乳婴阶段，是因为小婴儿连话都不会说，他能懂什么，他能学什么？而学前的“游戏为主导”的提法，并不是针对学前儿童学习方法提出的要求，而是用以区别学龄儿童“学习为主导”提法，强调的是相对于学龄儿童“学习为主导”而言，学前儿童则反对以“学习为主导”。

然而，今天神经科学发现，在个体发展的早期，人脑细胞具有异乎寻常的增生能力，遗传进程为个体感知、运动、思维发展提供充足的细胞，以保证个体适应不同环境的需要。如果环境刺激贫乏、环境影响简单，脑的许多备用细胞就会发育废止，不再生长，最后，大脑将以一个低水平的网络化结构处理各种刺激；如果刺激丰富、环境影响复杂，大脑中的所有神经细胞就会得到充分利用，最后，大脑将形成一个强大的网络系统用以解决各种复杂的难题。

（二）大脑开始形成的差异

大脑实际上是一个动态的“创造物”，神经系统的发育材料可以说是各种营养素，但神经系统的建构方式及分化则需要一种完全不同的要素。这一要素正是儿童早期成长的环境刺激，那些来自视觉的、听觉的、触觉的、平衡的、运动的、言语的；来自形状的、颜色的、符号的、声音的等。

正是婴儿在成长过程中，利用自己的各种感觉运动器官，不断地在看、在听、在说，不断地在运动、在探索、在模仿，每时每刻接受着来自环境中的各种刺激，大脑皮层相应区域才得以分化和建立起来。这种分化带来的差异，不是天赋的差异，而是环境的差异。当环境对个体的影响不同时，个体的大脑就开始形成差异。

简言之，个体之所以形成不同的特长、不同的兴趣、不同的爱好，是家长或教师有意或无意提供的环境与教育的差异所导致的。个体智力上的差别，正反映了个体环境刺激丰富程度的差异以及环境刺激结构的差异。

可以说，影响个体的各种环境刺激像一只无形的手，环境的结构特征像一个潜在的设计师，塑造着大脑的微观结构，特别是树突分枝和突触传导通路的建立。应当说，不是大脑的生长导致了个体对自己心理行为控制能力或智力能力的差异性得以显示，而是环境刺激以自己的结构方式刺激了个体大脑的建构与分化，最终表现出差异性。

儿童早期发展存在关键期的本质是，早期的大脑处在一个快速持续发展的可塑期里，脑的各个功能区正处在建构与不断分化各种信息处理系统的敏感时期，而脑的各种信息处理系统如视觉的、听觉的、言语的、运动的等，它们在功能上的复杂程度以及结构特征是与婴幼儿早期发展环境刺激的复杂性与结构性相关的。

人脑极其复杂的微观结构，不是生来就定型的，而是在早期接受各种刺激的过程中逐步形成的。大脑在成熟过程中不断建构与不断分化的真正要素就是丰富而又结构化的环境刺激。正是良好的环境与教育刺激，可以从根本上改变大脑的微观结构和整个大脑的性能。而人的智力差异，本质上是脑的差异，脑的差异本质上是环境与教育的差异。

因此，我们以为所谓“先天”的东西往往就是早期的东西、就是关键期所获得的东西。^[12]

（三）大脑的神经网络

一个人的大脑，是一个极其复杂的神经网络，它的功能比全世界所有电脑全部网络化以后的功能还要大。只是我们没有意识到，没有利用它、没有开发它、没有重视它，数千亿脑细胞复杂的网络化过程，无论是区域化的，还是左右脑的，或是大小全脑的，是早期发展的根本。

原以为，人脑的网络是先天的，无法后天改变，今天知道，人脑的网络也是后天建立起来的。科学家们发现10至12周的胎儿大脑便开始了神经元之间有目的的接触。这种频繁而有目的的连接，使婴儿在出生前大脑就开始了工作，尽管此时的大脑结构还远未完善。

婴儿出生后不久，大脑神经元的连接可达1万亿。由于这些连接绝大部分很不稳定，在随后的发育中，那些很少或从不使用的连接便很快中断了。每个神经元都有很多用于连接的轴突和树突，轴突就像树枝一样，那些没有连接的轴突最终会被“修剪”。因此，在婴儿出世后的最初几年，大脑要经历一系列的变化，在10岁或12岁以前，形成自己特有的情绪和思维模式，不论这种模式是好是坏。

大脑接受外界的刺激才能正常发育。研究发现，那些不大被人哄逗，很少被触摸的婴儿，其神经元连接程度要比正常婴儿低20%～30%。

婴儿出生后，数以十亿计的神经元每个都在与其他数以千计的神经元联系，从而导致神经元连接的数量激增。神经元上发出信号的是轴突，接收信号的是树突，形成的连接称为突触。连接时一个神经元的轴突向另一个神经元的树突发出信号，信号有回应后轴突便实施连接，直到与树突接触。轴突就像神经系统的重型电缆，可做远距离连接，而树突很少移动。

例如，大脑视觉的突触在出生时每个神经元大约有2500个，但很快增加到6个月后的18000个。其他皮层的情况也大致相同，只是时间快慢有些不同。这些神经元之间的微观连接可持续人的整个一生，但最活跃的时期是在出生后的最初几年，到两岁时达到突触最高平均密度每个神经元15000个，这一水平一直保持到10～11岁。

促进神经元连接最有效的方法是让婴儿接受反复的体验和感受。当代脑科学证明，人脑的发育存在着时间表，基本的发育在10岁前完成。其中，神经元的网络化主要在3岁前建立；各种能力发展的关键期主要在6岁前；脑皮层的成熟主要在7岁前完成；个体的分化在8岁前完成80%；人格特征，精神风貌，自我评价系统多带有早期的烙印。^[13]美国芝加哥大学著名心理学家布鲁姆1964年出版了《人类特性的稳定与变化》一书，提出了有名的智力发展的假设：5岁前是儿童智力发展最迅速的时期。

三、大脑的塑造潜力

最新的脑科学研究成果指出，人脑具有巨大的塑造潜力。人脑在发育建构过程中遵循“窗口”理论：孩子越小，打开的窗口就越多，随着年龄的增长，一扇一扇的窗口随之关闭，智力提升的可能性越来越小。很多科学家相信，在孩子出生后的最初几年，有几个至关重要的“窗口”时期，在窗口开放时期，大脑对外界某种特定类型的信号接受特别敏感，错过这个时期接受效果则大大降低。例如，如果婴儿出生后带有先天性白内障而未能及时手术，就可能造成婴儿永久性失明。为什么？因为大脑要在特定时间段内进行知觉积累——在这种情况下就需要光对视觉神经的反复刺激——以巩固神经元之间的暂时性的连接。很多科学家经过长期对某些鸟类的实验和观察发现，如果孵出的小鸟在一个特定的时间段从未听过鸣叫，它可能永远也不会鸣叫。例如，斑马鸟学习鸣叫的窗口在孵化后的25～30天开启，大约50天后关闭。他们认为，婴儿的情况与这些鸟类相似。

神经系统后天如此巨大的塑造潜能提示我们，神经网络丰富化的程度不是自然而然形成的，它并不遵循“树大自然直”的规律发展，并非是与生俱来的先天遗传品质的单纯外化过程。神经系统的强弱、好坏直接与后天的环境及教育相关。

这一发现让人们意识到，人脑的网络化潜能深不可测，人们可以在人脑网络化的历程中，通过环境和教育这一设计师，使人脑的网络化进程变得更加完美。

这就是大脑的潜能！今天，正是这样的发现同样为“潜能发展心理学”的建立提供了科学的依据。

四、脑科学的信息加工机制

脑科学也认为，一般情况下，无论哪个阶段的信息，在加工机制上是相同的，即是“人脑以神经活动为载体的信息输入、加工、输出的过程”。因此，信息没有独立于人脑之外或之上的独立的信息加工机制。也就是说，人类潜能发展不是一个独立的层次。另行寻找这一层次规律或机制的努力是徒劳的。

（一）实体信息和非实体信息

信息从感觉系统进入大脑皮层后，兼具实体和非实体信息两种性质。^[14]

信息作为非实体信息在大脑中的运动目的可以大致分成三个方面，一是产生外显行为反应，二是产生记忆，三是产生情绪。作为第一个目的，信息可以按感觉系统中的相同机理在大脑皮层中运行。输入信息在大脑已经建立起来的神经网络系统中按照一定的路径通过特定的神经子网络系统进行映射处理（即信号有序地流过该子网络系统），然后输出相应的特异化的信息指令到随意运动系统中，产生相应的行为反应。第二个目的是产生记忆，记忆并不是生命在生存过程中的终极性目的，所以记忆自身还存在目的，其目的是使得生命主体在未来能够（在外来信息刺激下）做出更好的行为反应。要想产生更好的行为反应，只需具备结构更好的神经网络联系，结果就可以实现其终极目的。现实中信号在神经元间流动就会自动地产生或加强突触联系，建立或加深记忆。第三个目的也可以认为只是信息过程的结果，心理学实验发现，情绪反应与记忆效果及与对外来信息的反应能力之间存在高度相关性，所以可以认为情绪反应具有影响建立神经网络联系的作用及改变函数U（t）＝F（Ｘ1，Ｘ2，Ｘ3，…）中某些影响因素的作用，这种作用具有一定的控制性质。

作为具备实体信息能力的要求，大脑皮层应该能够随时在外来信息刺激作用下迅速发出恰当的指令，支配随意运动系统做出恰当而又必要的行为反应，同时还要求大脑皮层能够主动地建立新的更好的神经网络联系系统（即新的记忆）。这两种要求都是对神经网络系统提出的，前者要求具备一个达到一定功能状态的网络，后者要求网络可达到的功能不断提升，以适应更高的要求。前者是已有记忆的再现，后者是新的记忆内容的增加。记忆的建立存在主动和被动两种形式，在信息以非实体信息性质运动的过程中，神经元之间会自动地产生突触联系，建立起被动性质的新的记忆；人们还会以记忆某些特有信息关系（即知识）为目的，反复输入知识信息对应的信息内容，使得大脑皮层能够按被动记忆同样的机理产生主动记忆。主动输入知识信息的过程就是学习过程。

（二）外来信息与神经元突起变化

神经解剖学和神经生物学已经证实，经常受到外来信息刺激的高级动物的神经网络系统比对照组的发达，突起数量和突触数量明显多出很多；神经元的突起会在某些信号的引导下向正确的靶方向延伸。所以“在刺激信号的作用下相应的神经元的突起会延伸发展并建立突触联系”这一现象是毋庸置疑的事实。人类的深度交流就是由种种心灵信息构成。人与周围环境存在大量的信息交流。思维信息反映了信息系统的最高水平。从这一点分析，思维的形式和内容都影响着人的神经网络的通道和内在关联的质量。

突起延伸必然受到外界环境中各种相关物质的引导。谢志平先生为此假设，新的神经通道由两部分内容组成，一是突起要向正确的方向延伸，二是通过突起延伸已经走到一起的突起之间建立新的突触联络。据分子神经生物学介绍，虽然生长锥在前伸，但很多表现活动都是后退的，同时，膜波纹及其附着颗粒都是由生长锥前缘向后运动的。由此可推断，在肌动蛋白微丝向生长锥中心移动的过程中必然给生长锥中心带来了许多物质内容，这些物质内容是使得微管稳定长出新突起必不可少且不能通过轴浆运输的。另一方面，通过轴浆运输到生长锥中心的物质必然无法独立构成突起生长的充分条件，还必须加上生长锥送来的物质才能构成充要条件。在非胚胎期，突起的生长锥由什么物质引导向什么方向延伸呢？在神经元处于静息状态时，神经元膜处于极化状态，不难证明，处于极化状态下的脂质双层膜对带电荷（无论正负）物质的通透性必然相对较低。相反，当神经元处于去极化状态，膜两侧的电位极化状态会产生减弱、消失、极性翻转等变化（局部电位在胞体和树突内的被动电特性也能使得膜电位减弱），这些变化都改变带电物质的通透性，使得通透性大大提高。如果这些带电物质（或者神经元去极化释放的神经递质）就是引导另一神经元突起的生长锥前行的物质信号，那么生长锥的延伸方向就必然指向该正在进行去极化的神经元。如果建构新突起所需的部分带电物质必须从生长锥中心附近的神经元膜表面吸收（或者生长锥的表面膜也存在极化问题），那么神经元自身的去极化就能够提高这些物质的吸收能力，使得新突起在去极化时相对生长得更快。于是，如果两个正在同时去极化的神经元排出和吸收的物质在突起延伸时正好互补，那么，它们就必然会在同时去极的过程中相互伸展各自的突起。同理，建立突触也同样需要双方去极化过程中产生的物质成份（这些成份在神经元外的扩散性较差，只有两个突起碰到一起才能有效地相互扩散和吸收）。记忆的要求是把相关的事物联系起来，在同时去极化的过程中相应需要连接的神经元就能依靠相互提供的物质延伸突起、建立突触、产生新的网络通道。这就是在神经系统中不断产生新的记忆完善神经网络系统的生理基础假说。这一假说可以通过特殊的实验进行检验，也可以通过生物化学进行判断。如果这一假说能得到完全肯定，那么生命的奥秘就已经解开了多半。

五、脑科学对潜能发展学说的支持

（一）脑科学展现了潜能发展的基本机制

当代脑科学关于信息运行的研究，将神经生理学、神经形态学、神经生物学、神经心理学和生理心理学许多新科学丰富的事实集中起来，用以说明信息运行的脑机制。至少在四个层次展现了潜能发展的基本机制。这四个层次是皮层细胞、功能柱、皮层映射和网络。在多种细胞中，着重分析锥体细胞与大量中间神经元的连接方法，说明功能上的层次性、整合性及其记忆功能之所在。在功能柱层次上，它们强调信息加工的并行分布特征，皮层上数以万计的功能，可以并行性进行传入—传出的信息传递加工，每一个功能柱又由许多神经共同活动，完成信息加工和学习功能。在皮层映射层次上，许多功能相互连接的柱彼此形成区，将许多区结合在行为适应功能之中，如识别物体、空间方位判定等。最高层次是神经网络在几个功能区之间随时地变换连接组合方式，实现复杂智能活动，如语言学习等。

（二）脑科学为潜能发展关键期提供新的视角

我们认为，随着多领域对关键期研究的不断深入，在儿童发展关键期研究方面有了新的进展。而新近脑科学关于关键期的研究，为我们进一步深入理解儿童心理发展的关键期提供了新的视角。

1.人脑存在一定的发育顺序和成熟的关键期

脑生理学的研究证明，有条始终贯穿于整个早期教育的适时性原则，这是基于人脑存在生长、发育和成熟的关键期而定的。脑科学研究发现：幼儿大脑的发育遵循严格的程序性，其发展是循序渐进的。儿童大脑皮层的发展具有头尾原则和近远原则。也就是说，大脑皮层中控制头部及躯干运动的一些部分先行发展，而后与肢体控制有关的皮层部分才开始发展；其中，控制上肢的皮层部分的发展又早于控制下肢的皮层部分的发展。从小儿动作发展顺序可以看出脑皮层的这种发展顺序：小儿总是先移动头部，抬头，然后坐起，最后直立行走。又如对儿童的脑电波研究表明，大脑各区的成熟程序是由后往前分别进行的，其程序是颞叶—顶叶—额叶，这一路线是正常儿童大脑发育的规律。与之相应，脑功能的发展也有一定的顺序，如一个幼儿总是在会说话前先学会看，因为视觉神经中心处在大脑后部，成熟较早，而言语中心则比较靠前，成熟也较晚。

2.关键期内功能缺失的补偿性

诺贝尔奖获得者赫伯（Hubel）等人及其他学者，如斯图尔特（D．L．Stewart）等根据小猫实验研究结果，指出人脑某些系统的每一个具体功能，如视觉系统的视锥体，在关键期可能内有三个显著的阶段。初始的是功能快速变化时期，如视锥体很快达到成熟的加工水平。第二个阶段，如果人类或者动物不能继续从环境中接受适当的刺激，系统仍然保持足够的可塑性，但是剥夺能够导致功能的丧失或者退化。在被剥夺的敏感期之后，敏感期似乎还有第三个阶段。在这个时期，系统仍然保持足够的可塑性，如果给予适应的感觉经验，就可以补偿这种剥夺产生的影响，几乎可以恢复到正常的功能。在被剥夺的时期之后，在适当的时间，给予适应的训练和治疗，猫，猴子和人类，能够恢复到接近正常的视觉功能。但是关键期和其中的每一阶段持续多久，将依赖于具体的功能和支持这项功能的脑区成熟时间表。

3.关键期与突触发生、突触修剪有关联

神经系统特别是高度精确的系统，如视觉，已经进化到依靠普遍存在的环境刺激的出现来调整他们神经回路的发展阶段。这些环境刺激维持和强化了经常加工信息的突触，经常使用的突触得到经验的强化和保持，而不经常使用的就要被修剪。突触的修剪发生在突触建立过度联结期间，关键期与过度的突触联结形成的时期相一致。对儿童学习机制的研究以及一些早期教育工作者的研究和实践表明，儿童早期学习过程中的具体机能有不同的关键期，它可能与突触的生长和修剪有关。例如，在视觉系统内部，视觉敏感度、视觉优势、双眼功能就有不同的关键期。关键期的年龄可能是出生到3岁、出生到6岁、出生到10岁。大体上说，2—3岁是学习口头语言的关键期，4—5岁为学习书面语言的关键期，5岁左右是掌握数概念的关键期。人类语言功能同样似乎也有几个关键期，音位学的关键期从婴儿期开始，最有可能是在12岁左右结束。对于语法关键期约在6岁结束，然而我们获得新词汇的能力却贯穿终生。所有这些研究似乎都在坚定一个信念：儿童早期是我们学习最多的时期，是大脑对新经验最开放的时期。其实也在指出，脑的发展在最早期是独特的，经验必须限定在一定的时间段里才能起作用，也就是说它们将要深深的影响以后的发展。^[15]

（三）脑科学将进一步为潜能发展提供解剖实证的支持

潜能发展学说最大的薄弱点是缺乏解剖意义的研究，而脑科学已积累了许多解剖技术和科学资料：脑磁图、脑的正负电子发射层扫描技术（PET）、核磁共振成像技术（NMR）等的应用，使潜能发展学说在认知模型研究与脑功能研究在人类被试中同时进行。20世纪80年代中出现的复杂认知模式与电生理技术相结合的研究，为潜能发展的智力信息加工打开了大门。我国心理学家在研究中小学学生的智力与能力发展的同时，也研究了其机制问题，特别是脑电图（EEG）的机制问题，试图探讨出定位问题、关键期问题和可塑性问题。中国国防科工委航天医学工程研究所以梅磊教授为首的研究小组，提出脑电超慢涨落分析技术（简称ET）。他们使用这种脑ET仪器，探讨了中小学生智力发展的某些机制问题。^[16]这样，潜能发展学说不再是信息加工的“黑箱子”心理学，潜能发展过程与脑功能变化规律的探讨将逐渐打开人脑的奥秘。认知神经科学由于采用了先进的研究手段，使得潜能发展学说在智力活动脑机制的研究中显示出了勃勃生机，但它也面临着严峻的挑战：作为物质运动最高形式的人脑工作原理的阐明仍是一大难题，因为它是系统的整体的综合特征，而不是分子水平或任何其他单一层次、单一方面的特征和活动，也不是它们的简单组合和叠加，通过整体综合这一关，至少在目前遇到了难以克服的方法论困境。

（四）脑科学不能替代潜能发展科学

我们对潜能的陈述中，潜能已不是以往遗留、沉淀、储备的能量，而是心理“发展势力”，是一种动态的、变化的能量。包括人类“遗传的潜能”“大脑的潜能”及“环境的潜能”。“遗传表达的潜能”“大脑可塑的潜能”是心理发展潜能的内在和生物学的因素，它们和“环境建构性的潜能”这个外在的因素一起构成了整个潜能发展学说的坚实基础。脑是心理的器官，潜能的发展取决于现实，现实世界既包括物理世界，又包括社会世界，这就构成心理学两个研究方面：自然面和社会面。

因此，脑科学不能替代潜能发展科学。近年来，脑科学借助“正电子发射断层扫描（PEI）”、“功能性磁共振成像（FMRI）”、“计算机控制的断层扫描（CT）”、“脑电图（EEG）和事件相关电位（ERP）”等物理技术的进步，开始窥探人脑的奥秘，心理学也必然积极参与揭示脑的生物物理与生物化学机能的研究。但是，脑科学的这些研究不能取代三位一体的“遗传表达的潜能”“大脑可塑的潜能”和“环境建构性的潜能”。从某种意义讲，潜能发展学说较之脑科学，其研究范围更大，各方面参与度更广，是力求自然面与社会面的统一，微观生物水平与全脑宏观水平的统一；静态层面与动态发展层面的统一。正如林崇德教授说的：“在今天，我们不探索自然面是一种落后的表现，但忽视了社会面也是一种不科学的表现。在强调探索自然面的研究同时，必须重视社会面的研究，因为发展心理学与教育心理学强调发展过程与教育过程是社会化的过程。”^[17]