学习的分类及其大脑机制

一、学习的概念

心理学上关于学习的定义是，学习是个体在一定的情景下由于反复的经验而产生的行为或行为潜能的比较持久的变化。在它的定义中强调三点：

(1)学习是以行为或行为潜能的改变为标志的，学习是有机体获得新的个体行为经验的过程。在这点中明确指出，经过学习，有机体将出现某些可观察的行为变化，可以完成一些以前无法完成的事情。所以，心理学的定义强调学习的结果，也就是必须获得行为或行为的变化结果，并且是比较持久的变化。如小孩没有学习四则运算法则，无法进行数字的加减乘除，经过对四则运算的学习，能够进行四则的运算，发生了行为的改变。由不会到会，这就是行为的改变。另外，是行为潜力的变化，是原先没有发生行为的改变，但以后再学习的话，就比之前的学习变得更加容易，也就是说，原先的学习使你获得了一定的潜能。例如，你学习驾驶一段时间，你并不会开车，没有发生行为的改变(与你学驾驶之前一样都不会开车)，但是你此时已经获得了一定的驾驶行为的潜力，以后发生行为的改变(学会驾驶)将更加容易，这一过程也叫学习。故心理学认为，虽然你参加了某种学习活动，但你连一点学习潜能都没有获得，那不叫学习。

(2)学习必须是反复的经验介导发生的个体行为的变化，而其他原因(成熟、疲劳、疾病等)产生的行为变化不能称之为学习。例如，你从暗处走到明处，会先发生闭眼，后逐渐适应光线，你的光敏感度减低，眼睛Ζ睁开，发生了行为改变，但是这是由成熟的神经机制介导的；你已经走了很长的山路，你的脚步变慢了，这是疲劳导致的；由于疾病，你的行动变得迟缓、性情变得暴躁，以上的行为改变都不是经验介导的，所以不能称之为学习。所以，我们可以认为，心理学认为在经验的基础上获得经验就叫学习，或者可以理解为后天习得经验的过程叫学习。

(3)行为的变化必须具有相对的持久性。那些短暂的行为变化不能称为学习，一旦诱发行为改变的原因消失，行为变化也将消失，所以心理学认为这些行为变化不属于学习。

在生理学上，把学习定义为机体通过神经系统不断接受环境刺激而获得新的经验和行为习惯的过程。这里与心理学一样都强调学习的结果，是获得经验和行为习惯，但并不强调一定是由经验来介导的，所以，遇见强光，人们会闭眼的行为习惯也是学习。它强调的是一种神经刺激引起的新的行为和经验的产生过程。

我比较喜欢生理学对学习的定义，人在形成的那一刻以后，所获得的所有经验和行为习惯都是学习的结果，有些是无意识的本能的学习，有些是有意识的经验叠加，只要是长期的刺激，能够产生经验和行为习惯的神经活动过程都应该叫做学习，当然，这也包括大脑皮质下结构的神经活动的建立，但我们主要探讨在大脑皮质上所产生的经验和行为习惯的建立过程。

二、学习的分类

罗伯特·米尔斯·加涅(Robert Mills Gagne，1916—2002)，教育心理学家。加涅认为，人类的学习是复杂、多样的，是有层次性的，总是由简单的低级学习向复杂的高级学习发展，构成了一个依次递进的层次与水平，而简单的低级学习是复杂高级学习的基础。1968年，他把人类的学习分为8个层次：

(1)信号学习。相当于生理学的经典条件反射。这是最低级层次的学习。

(2)刺激—反应学习。即操作式的条件反射，比如，小孩子主动问答问题，然后就能获得老师的表扬，在多次被表扬后，小孩子就喜欢回答问题了。

(3)连锁学习。又称系列学习，就是通过一系列的刺激，形成一系列的动作反应和(或)言语反应。比如，我们学习踩踏单车，左腿踩踏、右腿提升、右腿踩踏、左腿提升，形成一系列的连锁动作反应。

(4)言语联结学习。这是指语言学习中言语的连锁化，包括字词形、声、义的联想和言语顺序的学习。

(5)辨别学习。这是指学习者对某一特别集合中的不同的成分作出不同的反应的学习。比如，吃一碗面条，你能辨别一碗面条中不同材料的味质和气味。

(6)概念学习。这是指对事物的共同特征进行反应的学习。其中有些概念可以通过学习者与环境的直接接触来获得，但有些概念则要运用语言对事物进行分类、归纳和概括才能获得。

(7)原理(规则)学习。这是对概念间关系的认识或理解。例如，从对“圆的物体”和“摩擦阻力”两个概念间关系的认识中得出“圆的物体摩擦阻力较小”的结论。

(8)解决问题学习。就是运用所学的原理解决问题，是一种“高级规则”的学习。

在对学习层次进行更深入的研究之后，加涅于1971年又把学习的8个层次压缩为6个层次，即连锁学习、辨别学习、具体概念学习、意义概念学习、规则学习、高级规则学习。1977年后，他又把学习层次提炼为5个层次，即联结与连锁学习、辨别学习、概念学习、规则学习、高级规则学习。

在加涅的学习层次分类中，对后面层次的学习都是建立在前面层次学习的基础上衍生而来的。所以学习归根结底，是由第一层次和第二层次不断的复杂组合完成的。故此，在生理学上只把学习分为两种：

1.非联合性学习

非联合性学习指刺激和反应之间不形成明确联系的学习形式，主要指单一刺激长期重复作用后，个体对该刺激的反射性反应增大或减弱的神经过程。非联合性学习又分为两类：习惯化和敏感化。其实就是第二章所说到的突触的习惯化和敏感化。

一个不具有伤害性效应的温和刺激反复作用时，神经系统对该刺激的反应逐渐减弱，这种现象称为习惯化。假设你的宿舍有部电话，电话铃响，你跑去接，但每次都是打给你的室友的。久而久之，你对电话铃声反应不再那↑，最后甚至充耳不闻。这种类型的学习就是习惯化，即学习不理会无意义的、重复出现的刺激。现实生活中，你随时都在对很多刺激产生习惯化。当你即将入睡的，父母为你盖上被盖，你并没有感受到父母的爱，因为你早已习惯化；你戴着耳麦听音乐，却翻看爱人的照片，你的思绪随着对爱情的点点回忆而波澜起伏，却对耳麦里传来的什么歌曲默然无知。那是因为你习惯化了。

一个强刺激或伤害性刺激存在时，神经系统对一个弱刺激的反应有可能变大，这种现象称为敏感化。你可能经历过这样的情况，你呆呆地想着某件事情，如果你的朋友恶作剧，突然在耳边大声高叫，你会立即高耸你的双肩，感到恐惧。以后如果在你沉思的时候，有人轻轻拍你的肩膀，你还会吓得大跳，你对于一个温和的拍肩动作做出如此强烈的反应，你敏感化了。所谓“一朝被蛇咬，十年怕井绳”就是这个道理，受到一个强烈的或伤害的刺激后，其他无关的温和的刺激也敏感化了。例中的强刺激是声音刺激，而你敏感的是触觉刺激。

习惯化学习可以让动物有更多的神经储备来应对随时出现的未知刺激或专注于某种刺激，而敏感化学习却可以使动物远离伤害性刺激，从而增强对危险的规避能力。

2.联合性学习

个体能够在事件与事件之间建立起某种形式的联系或预示关系，这种学习称为联合性学习。联合性学习又可分为经典条件反射和操作式条件反射两类。

(1)经典条件反射。19世纪末，著名的俄国生理学家巴甫洛夫在对狗的实验中发现了这种类型的学习，并对其特征进行了详尽的描述。在经典条件反射中，动物学会在两个不同刺激源之间形成联系，其中一种刺激引起一个可观测的生理反应，另一刺激正常情况下不引起此反应。能引起可测量反应的刺激称为非条件刺激(US)，不能引起这种反应的刺激称为条件刺激(CS)。在巴甫洛夫的实验中，非条件刺激是食物，它引起狗分泌唾液；条件刺激是铃声，它不能引起狗分泌唾液。训练方法是：

反复地将铃声与食物给予配对出现。经过多次配对训练后，狗只要听见铃声就会分泌唾液。即狗学会了将铃声与食物相联系，懂得了铃声预示着食物的出现，对条件刺激的这种习得反应称为经典条件反射或巴甫洛夫条件反射。

经典条件反射的成功建立对条件刺激和非条件刺激出现的时序有严格的要求。如果条件刺激和非条件刺激同时出现，或条件刺激略先于非条件刺激出现，条件反射可以形成；如果条件刺激先于非条件刺激出现，但两者之间的时间间隔较长，条件反射会很不巩固，或不能形成；如果条件刺激晚于非条件刺激出现，条件反射根本不能建立。

(2)操作式条件反射。20世纪初，著名的美国哥伦比亚大学心理学家桑戴克发现并研究了这一类型的联合性学习。在操作式条件反射中，动物学会将一个动作反应与一个有意义的结果(如食物)相联系。例如，将一只饥饿的大鼠放入一个箱子，箱内有一个杠杆能发送食物。在箱内探究的过程中，大鼠碰上了杠杆，一份食物意外地出现了!这种愉快的经历多次发生后，大鼠懂得了按杠杆会带来食物奖励。于是，它就会有意地按杠杆以获取食物，直到吃饱。奖励不一定要是食物或饮料，也可以是可卡因或电刺激内侧前脑束(能导致舒服的感觉)。如果反应带来的不是奖励性刺激，而是伤害性刺激(如电击)，操作式条件反射亦能形成。

与经典条件反射一样，时序对操作式条件反射的建立也是重要的。操作式条件反射的建立要求行为反应的结果紧随行为反应之后出现(例如，按杠杆后食物立即出现)。不过，由于动机在操作式条件反射中起着很大的作用(毕竟只有饥饿的大鼠才会为了食物而按杠杆)，操作式条件反射的神经回路比单纯的经典条件反射的神经回路要复杂得多。

在经典条件反射和操作式条件反射这两种情况下，动物都学会了一种预示关系。在经典条件反射中，动物懂得了条件性刺激的出现预示着非条件性刺激的出现；在操作式条件反射中，动物懂得了特定的行为反应预示着特定的结果。

三、学习的大脑机制

前面已经提及，学习是获得新经验和行为习惯的过程，在这一过程中有着神经活动的变化，而这些神经结构的变化(主要是大脑结构的变化)，就是学习的神经机制。探究学习的生理机制，对于大家提高学习的效率和疾病的治疗都有不可估量的意义。现在对于学习的研究还主要停留在表象层面，而其生理机制虽然有一定的突破，但还没有触及核心，所以对其机制的猜想和探究必然会成为脑科学工作者们痴迷的工作项目。

在这里，我们主要探讨关于大脑层面的普通学习，也就是关于大脑层面的基础学习。

先来看一下人们普遍的学习成长经历，从出生开始接受光线到感知第一幅与语言有关的图形和文字，从接受声音到咿呀学语，从大运动的发育到手部的精细活动。从这一刻开始，人们才真正地进入语言或者说是有意义的学习。我们终其一生，所有活动包括学习都离不开语言活动。所以，语言的学习与获得是其他高级学习与思维的基础。语言的学习也就成为人一生中最为重要的基础学习。

我们来回想一下小时候，第一次正式学习的场景，老师在黑板上写上“1”的图案，然后教你读“yī”，其中“1”的图像信息先被大脑的初级视觉区接受，然后在视感知区形成“1”的轮廓感知信息，这个在视感知区形成的“1”的轮廓信息被传递到视觉性语言区，然后在视觉性语言区形成视觉性语言信息，并由一个或多个功能柱来存储。以后如果有与“1”形状相同或相似的形状信息，通过视感知区的感知，再通过信息传递到视觉性语言区激活表达为“1”的功能柱，引起“1”的视觉性语言表达。而老师教你“yī”的声音信息传导到大脑的听觉初级皮质区，然后听觉感知区产生“yī”声音感知信息，接着，将“yī”的声音感知信息传导听觉性语言区，在这里存储一个或多个表达为“yī读音信息”的功能柱。由于“1”的图案刺激与“yī”的声音刺激几乎同时或在间隔很短的时间传导大脑的视觉感知区和听觉感知区，而两个感知区又几乎同时将其感知信息传导到各自语言区的定位功能柱，所以分别位于视觉性语言区的表达为“1”的定位功能柱和位于听觉性语言区的表达为“yī”定位功能柱同样几乎同时激活(兴奋)，而这两个同时激活的位于不同语言区的功能柱就试图建立联系，经过反复多次的┆，两个功能柱就可以相互激活，建立起稳固连结。乃至后来，发生一看到“1”的图案立即想到“yī”的读音，而一听到“yī”的声音就会想到“1”的形态。这一机制，在巴甫洛夫的经典实验中已经得到验证(图4-2)。

图4-2　语言学习机制示意图

随着接收的刺激越来越多，在感觉性语言区被赋予特定信息的功能柱越来越多，在接受组合刺激信息后建立的连结也就越来越多。于是当感觉性语言区的某一些被赋予特定信息的功能柱兴奋的时候，通过它的辐射出去的连接通路兴奋其他的特定信息功能柱，产生与其相关的语言知觉，这也可能是大脑进行推导、思维和想象的基础。

我们再来看看，在新中国成立之前，国内文盲较多。而所谓文盲，就是不认识文字符号的人群。因为从来没有人教授过他们这些文字符号与声音之间的连结，他们无法使用文字符号(书信)来表达对远方的朋友和亲人的问候，但是他们仍然拥有强大的语言交流的能力。在实际的生活中通过接受各种对具体物体进行定义的声音语言信息，来建立物体的视觉语言信息，最后衍生建立起物体的各种语言信息。例如，父母指着一头猪，然后对你说这叫“zhū”，反复建立联系后，你就知道这种动物叫“zhū”，然后会给你讲述：“‘zhū’要吃食，吃饱了才会长肥，肥后就可以杀了，宝宝你就有肉吃了。”于是，以后它们就会建立起对猪这一动物的许多信息，如猪要吃食，猪要长肥，杀了猪就有猪肉，猪肉可以吃等信息。因此，它们在实际的生活中建立了强大的语言信息，完全可以进行语言信息的交流，只是无法使用抽象的文字符号来进行语言交流。所以，笔者在这里可以做出如下推断：

第一，在人类语言的产生过程中，应该是首先结合肢体语言→视感知→听感知来对物体进行声音语言定义，由此产生了物体的声音语言信息。在开始的时候，人们无法明白声音语言的含义时，他可能使用肢体语言、视觉性感知信息(具体的物体)与听觉性语言的联系，从而诱导其他人的视觉性感知信息汇聚形成视觉性语言，由此，由视觉和听觉组成的语言就产生了(图4-3)。

图4-3　人类语言产生示意图

第二，没有相应的刺激就不会产生相应的语言，文盲们从来没有文字符号与发音的联合刺激，因此，也就不会产生文字符号的语言信息。这个情况在考古界可能随时发生，比如碰到一段古人的文字，却无法知道它的读音和意义，也就无法产生它原有定义的听觉性语言和视觉性语言。前面所述的“狼孩”也是如此，她们从来没有接受过人类听觉性语言的声音刺激，同样就无法产生相应的人类听觉性语言和视觉性语言。

第三，从对某一刺激物进行视觉性和听觉性语言定义开始，与该物体相关视觉性和听觉性信息，甚至触觉性、嗅觉性和味觉性语言与之建立联系，随着建构的联系越来越多，与之相关的神经网络越来越庞大。而当其中的某点兴奋的时候，通过记忆系统的提取，可引发网络中其他的点兴奋，由此产生由语言信息介导的推导、计算、逻辑、思维、想象等大脑的高级活动。

从上面我们可以看到，人类的学习，无论是非联合性学习，还是联合性学习，都有神经网络的建立，而在长期的刺激作用下，可以建立比较稳固的神经网络，稳固的神经网络的建立有赖于记忆的存储。一旦建立起记忆的存储，该神经网络存储的经验和行为习惯就可能影响我们一生，但是建立的神经网络并不是一成不变，它随时可能被修改、完善、扩展等。前面提及，在最初，我们仅仅建立起了“猪”与“zhū”的神经网络连结，是比较简单的，以后我们会学习到关于“猪”和“zhū”的许多信息，比如，“猪”是动物并且是一种哺乳动物，它有四肢，主要靠嘴来搏斗和获取食物，食物以植物为主，一般圈养，从出生再生长到5～6个月后宰杀，其肉质供人类食用，而这些信息不断地使原有的神经网络越来越庞大、复杂，这就是神经网络的扩展。同样在原有的工建立的神经网络中，对于一些错误的信息，人类在获得正确的信息后，会对原有的神经网络进行修改。比如，“踝”在四川经常与“guō”建立连结，一旦知道它的正确读音：“huái”，即被改为与“huái”之间的连结。而这些都与神经元和突触的结构、特性以及递质与受体是密切相关的。

由上可知，学习的大脑机制就是神经网络的稳固建立，并且该神经网络一旦形成稳固连结，就会形成长时记忆，在此以后大脑就将利用原有的资源进行思维、计算、逻辑推理、判断、想象等高级活动，进行更为复杂的学习，由此也将建立更为复杂的神经网络体系。