互动科普

打造天才大脑

脑科学或将赋予“因材施教”一个全新的意义——那就是在上学之前，根据孩子的情况，用科学方法增强他们的学习能力。

撰文 加里·斯蒂克斯（Gary Stix）    翻译 冯泽君

8个月大的卢卡斯·克朗米勒（Lucas Kronmiller）头戴一顶特殊的“帽子”——128根电极，一位研究助理坐在他对面，扮各种鬼脸逗他开心。但卢卡斯看起来很平静，因为从4个月大的时候开始，他就常来美国罗格斯大学的这个婴儿研究实验室，所以研究助理的这些举动他已习以为常。过去十年间，约有1 000名和卢卡斯差不多大的孩子来过这里，帮助阿普里尔·拜纳斯奇（April Benasich）完成研究项目：看能否在孩子出生不久后，就弄清楚他们是否会有语言问题。当孩子进入小学阶段，语言问题将会成为一个巨大障碍。

拜纳斯奇是用脑电图技术研究大脑学习机制的重要科学家之一。研究过程催生了一门新的学科——神经教育学，试图回答长期以来一直困扰认知心理学家和教师们的问题：新生儿处理声音和图像的能力，是否与今后识字和学单词的能力有关？在学前班能集中精神的幼儿，今后的学习成绩是否会更好？教育人员要怎样培养孩子的社交技巧（在课堂上也很重要）？对于心理学和教育学研究，这些问题是非常重要的补充。

在脑科学的基础上，这一学科还有望提供一些新思路，帮助婴幼儿在幼儿园以及今后的学习阶段中，获得更好的阅读、写作、算术能力，以及在复杂的社交网络中生存的技巧。这些研究主要集中在婴幼儿阶段和小学低年级时期，因为有研究显示，大脑在这一阶段的可塑性最强。

“啊哈时刻”

大脑感知声音的过程是理解语言的基础，更是阅读和写作的基础。因此，拜纳斯奇主要研究婴幼儿大脑感知声音过程中的异常情况。她的着眼点是大脑电活动突然发生改变，标志着大脑发现新东西的那一时刻——她把这个时间点叫做“啊哈时刻”（aha! instant）。

在拜纳斯奇的实验室里，研究人员先给卢卡斯和其他婴儿播放一段具有特定频率和持续时间的声音，然后再让他们听另一段频率不同的声音，并记录大脑电信号发生的变化。通常，当有变化发生时，脑电图（electroencephalography，EEG）上会出现一个波谷，表示大脑确实意识到，“是的，发生了一些变化”。如果波谷出现较晚，说明大脑没有及时注意到新声音的出现。研究发现，如果6个月大的婴儿有这种大脑活动反应迟钝的现象，则预示着他们在3～5岁时会出现语言问题；如果这种问题在学步和学龄前孩子中一直存在，就说明大脑中负责处理基本语言单元快速变化的神经回路，可能在发育上出了一些问题。如果孩子在小时候不能很快听懂基本语言单元，比如“da”或“pa”，很可能会防碍大脑形成字母或者音节的概念，进而影响阅读的流利程度。这些发现印证了拜纳斯奇曾做过的其他研究：如果孩子在很小的时候不能很好地理解声音信号，那么在八九岁时，他们在语言测试中的表现也会很差。

如果拜纳斯奇和科学家能诊断出，哪些婴儿将来会有语言障碍，就可以及时纠正这些问题，因为发育中的大脑具有较强的可塑性，在经历过新的刺激或体验后会发生一些改变。对于发育正常的婴幼儿，科学家甚至还可以提高他们的一些基本大脑功能。拜纳斯奇说：“大概在孩子出生后的三个月里，就能确保大脑朝着最有利于学习的方向发育。”

游戏是一种干预方式，即便孩子还在襁褓中。拜纳斯奇和同事设计了一个游戏来训练婴儿，让他们通过转头或是动眼来对声音变化作出反应。当婴儿反应正确的时候，就会播放音乐、亮起彩灯来作为奖励。发表于去年年底的初步实验结果显示，经过几个月的训练，15名健康宝宝的反应变得更加迅速。拜纳斯奇还希望确认，这种训练也能改善在声音处理上有障碍的宝宝的反应速度。她已经开始和一家对此有兴趣的玩具开发商协议，研发一种放在婴儿床边的移动电话，来训练婴儿对声音的反应速度。

“数字游戏”

及早训练认知能力，还可以帮助婴儿提高基本的数学能力。法国国家健康和医疗研究所的神经科学家斯坦尼斯拉斯·德汉尼（Stanislas Dehaene），是数字认知领域的领军者，他曾试着寻找一些方法，帮助早期数学能力存在缺陷的孩子。德汉尼说，孩子一出生就具有一定的数字识别能力，如果这种能力从一开始就有缺陷，那他以后就很难在算术和数学上取得好成绩。如果通过一定方法，及早帮助这些孩子建立“数字感觉”，他们也许就能避免在数学上吃亏。

不过，这些研究与著名心理学家让·皮亚杰（Jean Piaget）的理论有矛盾。后者认为，在计算方面，婴儿大脑是一块“白板”。在皮亚杰看来，只有对积木、燕麦圈和其他一些物体有了数年的接触后，孩子才会形成基本的数字概念。最终，他们会知道，当燕麦圈从一边被推到另一边时，虽然位置发生了变化，但数量始终一样。

神经科学家却通过大量研究发现，人类和其他一些动物天生就会数数。当然，这并不是说婴儿一生下来就懂微分方程，但实验显示，他们确实知道几堆糖果中，哪一堆的糖果最多。还有研究显示，几个月大的婴儿就有相对大小的概念。如果他们看见5个物体被藏到一块屏幕后面，然后又有5块被放进去，屏幕拿开以后如果只有5个物体，他们就会表现出惊讶的表情。婴儿还有其他一些天生的数学能力——他们不仅是“估算高手”，还能区分确切数字，不过最大只能是4以内的数字。德汉尼和科学家一起，找到了婴儿大脑中负责识数和估算的区域——顶叶皮层的一部分（用手去摸头顶后方，就能找到顶叶的大致位置）。

海豚、大鼠、鸽子、狮子和猴子都能大致估算群体数量。这有可能是进化而来的能力，有助于动物判断遇到敌人的时候是战还是逃，弄清楚哪颗树上的果子更多。德汉尼和同事、法国语言学家皮埃尔·皮卡（Pierre Pica）在研究巴西亚马孙河的印第安人（Mundurukú族）时，得到了更多的关于计数能力是与生俱来的证据。Mundurukú族印第安人只有最基本的计数能力，该部落的成年人能判断哪一个阵列的点更多，而且表现和法国成年人不相上下，但如果从6个物体中挪走4个，问他们还剩几个的时候，他们就答不上来了。

估算系统是构建复杂数学能力的基石。这种天生的能力如果有缺陷，会对将来产生影响。上世纪90年代初，德汉尼提出假设：孩子长大后，更复杂的运算能力是建立在天生的估算能力的基础上。过去10年，确实有一些研究显示，幼儿的数字估计能力如果不完善，那么上小学后，算术和数学成绩肯定不好。德汉尼说：“我们现在开始意识到，某些方面的学习能力，比如算术，必须建立在特定的核心知识上，而这些知识，在婴儿期就已具备。”

事实表明，大约有3%～6%的孩子存在计算困难（dyscalculia，与读写困难相对应），表现为计算缓慢。教育工作者对于计算困难的关注远低于读写困难，但这种症状造成的危害并不亚于后者。5月，《科学》杂志上的一篇综述提到，“他们挣得少，花得少，更容易生病，更容易遇到法律问题，在学校时也更需要帮助”。

和语言一样，尽早进行辅助治疗，也能改善数学能力。德汉尼和同事开发了一种简单的电脑游戏来帮助孩子增强数学能力。游戏叫做《数字竞赛》（Number Race），可以锻炼4～8岁儿童的基本数学能力。其中一个版本是这样的：玩家要尽快从两堆金块中选出数量多的一堆，否则由计算机控制的对手就会拿走多的那一堆。游戏会自动根据玩家的表现调整难度。难度升高以后，孩子要先做一次加减，才能比较金块数量，确定哪一堆更多。如果孩子赢了，他就会向前移动，移动步数等于他赢来的金块数量。谁先走到最后一格，谁就是赢家。

这个游戏是开源的，现在已经有8种语言版本。虽然开发者并没有夸大游戏在脑力训练上的效果，但是已有两万多位教师在芬兰一个研究机构的网站上下载过这个游戏。目前，有数个对照实验都在测试这款游戏，看它能否预防计算困难，是否有助于巩固孩子的基本数学能力。

控制自我

在很大程度上，良好学习能力的认知基础都依赖于心理学家常说的执行功能（executive function）。这个心理学术语包括两个认知概念：一是注意力，即把刚刚所见所闻的东西保留在工作记忆中的能力；二是延迟满足（delay gratification）。拥有这两种能力的人，意味着他们更有可能在学校中取得好成绩，在事业上发展得更好。1972年，美国斯坦福大学开展的一项著名实验证明了执行功能的重要性。实验很简单：“这儿有一块棉花糖，如果你能忍住不吃，等我回来我就再给你一块。”结果发现，那些能忍住不吃，不管多想吃都坚持到最后的孩子，在以后的学习和工作中都表现得更好。

过去10年，科学家已经发现，执行功能是可以通过训练来改善的。比如，有一个名为思想工具（Tools of the Mind）的教育课程，成功提高了部分低收入地区的孩子的学习成绩，而在通常情况下，这些孩子的成绩要比高收入地区的孩子差。该课程是训练孩子抵制诱惑，不分心，然后让他们做一些专门用于增强工作记忆和思维敏捷性的练习。比如在一个自我调节练习中，孩子要大声地对自己说要做些什么。这些训练非常有潜力，以至于在一些高等教育机构中，经济学家已开始考虑通过公共政策来提高人们的自我控制能力，以便“加强公众的身体和财政健康，降低犯罪率”，今年2月份的《美国国家科学院院刊》上的一篇文章如此评论道。

来自神经科学实验室的最新结果也支持这一理论，而且研究还表明，并不是只有简单枯燥的练习可以帮助孩子抵抗“棉花糖的诱惑”，音乐训练亦可达到同样的效果。这和最近的《虎妈战歌》（Battle Hymn of the Tiger Mother）一书提出的观点不谋而合。科学家发现，让孩子勤练音乐器械，对学习成绩的提高很有帮助，就像该书作者、“虎妈”蔡美儿（Amy Chua）对她女儿的要求一样——让女儿不断练习小提琴和钢琴。练习乐器的确可以让注意力更集中，工作记忆和自我控制力也能得到改善。

上述研究中的一部分，是由美国西北大学的尼娜·克劳斯（Nina Kraus）和同事所做。克劳斯是西北大学听觉神经科学实验室的负责人，她从小就受到音乐的熏陶。她的母亲是一位古典音乐家，一直用母语意大利语跟女儿交流，今天的克劳斯都还经常弹钢琴、弹吉他和敲鼓。尽管她觉得自己“只是一个乱弹琴的音乐家”，但是她说，“我热爱音乐，这是我生活中很重要的一部分”。

利用脑电图技术，克劳斯研究了神经系统如何编码乐曲的音调、节奏和音色，以及音乐练习对神经系统的改变是否能改善认知功能。结果发现，音乐训练能够增强工作记忆，而最重要的是，也许能使学生变成更好的倾听者，并能在嘈杂的课堂上抓住讲课重点。

用音乐训练增强大脑功能的研究还处于起步阶段，现在还不清楚的是，训练中的哪些因素增强了大脑的执行功能：练钢琴和练小提琴起到的效果一样吗？训练效果与演奏的乐曲（是莫扎特还是甲壳虫乐队）有关系吗？更重要的是，音乐练习能帮助有学习障碍或来自低收入学区的学生提升成绩吗？

不过，克劳斯提出的一些实例表明，音乐训练的影响甚至能触及高校学生。美国洛杉矶开展的“和声”计划（The Harmony Project）致力于为低收入家庭的孩子提供音乐教育。近年，很多孩子都从高中毕业，顺利进入大学学习，他们基本上都是自己家族中的第一个大学生。

受“和声”计划的发起者玛格利特·马丁（Margaret Martin）的委托，克劳斯利用移动型脑电图传感器和声音处理软件，来研究音乐如何影响参加该计划的学生。作为“乱弹琴”的音乐家，克劳斯是音乐训练法的“死忠”，“如果学生必须要在乐器和可能会增强记忆的电脑游戏中选择一个来接受训练，我觉得不用问也知道哪种方法对神经系统更有益。如果你想用吉他弹奏一段乐曲，不仅要将乐曲完全记在脑子里，还得一遍遍地进行艰苦练习”。

脑力训练的真相

在从四个方面（读、写、算术和自我控制）研究成功背后的大脑机制的同时，神经教育学家也极力避免过度宣传正在进行中的实验。尽管他们渴望将研究成果转化为实际应用，帮助孩子们的成长，但他们明白，这一研究还有很长的路要走。他们也知道，教师和家长已经被一大堆未经验证、号称可以增强学习能力的产品搞得晕头转向，而且研究证实，不少备受追捧的产品的效果都很令人失望。

举例来说，几年前有种说法认为，听莫扎特的奏鸣曲能让宝宝变聪明，围绕这个说法，一些厂家推出了很多相关产品，竟形成了一个规模较小的产业领域。但实际上，这种说法经不起检验。克劳斯的研究表明，要想通过音乐训练大脑，必须亲自演奏乐器，锻炼大脑中的听觉处理系统，练习得越多，分辨声音细微差别的能力越强，而只听音乐是不够的。

同样，某些号称具有坚实科学依据的大脑训练方法到底有没有效果也很难说。今年3月，《儿童心理和精神病学杂志》（the Journal of Child Psychology and Psychiatry）上的一篇元分析文章回顾了多项关于Fast ForWord软件的研究。这款软件是由罗格斯大学的保拉·A·塔拉尔（Paula A. Tallal）、加利福尼亚大学旧金山分校的迈克尔·梅策尼西（Michael Merzenich）及同事共同开发的，大概是所有脑力训练工具中最有名的一种。但分析结果却显示，没有证据表明，这款软件能有效改善孩子的语言和阅读障碍。该软件和拜纳斯奇（曾在塔拉尔手下做博士后研究员）采用的方法一样，试图改善孩子在声音处理上的缺陷，而这种缺陷的存在，有可能导致学习障碍。这篇元分析文章发表后，立即遭到Fast ForWord软件的出品单位——科学学习公司（Scientific Learning）的强烈反对。该公司称，这篇文章在选择分析对象时，限制性太强，其中涉及的大部分研究都没发挥出ForWord软件的作用，而且这些研究还在进行时，这款软件已经有了改进。

 “还有待进一步研究”，这是许多神经教育学试验的常用结语。德汉尼的“数字游戏”也要经过一翻调整后，才可能得到大众认可。最近，一项对照实验显示，该游戏确实可以帮助孩子比较数字大小，但这对计数和算术能力的提高并无帮助。另外，还有一项研究也让人们怀疑，音乐训练能否提高孩子的执行功能，进而增强智力。

对于新生学科，一项研究经常得出与另一项研究矛盾的结果，而第三项研究得出的结果，又会与前两项不同。这种纷乱的现象存在于所有科学研究之中，争论也在所难免。在神经教育学领域，“有科学依据的”软件及教育项目广告有时会误导教师和家长。美国新泽西高地公园的中心学校是一所特殊教育研究机构，接受来自全国各个公立学校的学生。该校数学教师黛博拉·雷布胡恩（Deborah Rebhuhn）说：“我不知道该选哪种方法，也没有足够证据让我们相信哪种方法确实有用。”

学前教育

整天琢磨脑电图曲线和核磁共振图像中复杂数据模式的科学家心里清楚，他们现在还没法提供一种以神经科学为基础的有效方法，帮助孩子提高学习能力。但是，在科学家的努力下，这些有效方法已经成为可能，终有一天会让我们的下一代或下下一代受益。想想神经科学家约翰·D·E·加布里埃利（John D.E.Gabrieli）所说的话吧。2009年，他在《科学》杂志的一篇综述中推测，联合使用大脑评估技术、传统测试，甚至基因检测，再加上家族史，在孩子6岁的时候，就可能检测出他有没有阅读障碍，从而及早进行干预，消除大部分学龄儿童的读写困难症。

一项研究已经发现，对幼儿园的小朋友进行脑电图检测，可以预测他们在5年级时的阅读能力，预测效果要好于传统心理测试。结合大脑检测和传统测试，每个孩子在上学前都可以接受一次评估，并根据评估结果，接受相应的训练——训练方法正在神经科学家的实验室里酝酿。如果加布里埃利的猜想成为现实，那么脑科学将赋予“因材施教”一个全新的意义——那就是在上学之前，根据孩子的情况，增强他们的学习能力。