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脑科学与课程教学
作者：白月桥
[关键词]脑的结构 脑的功能 脑细胞可塑性 关键期 脑功能定位 教学科目脑区定位
2006年2月我国国务院颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006——2020年）》指出：脑科学与认知科学是8大科学前沿问题之一。脑发育、可塑性与人类智力的关系，学习、记忆和思维等脑高级认知功能的过程及其神经基础，脑信息表达与脑式信息处理系统等，是脑与认知科学的主要研究方向。《规划纲要》颁布意义重大，社会各有关方面要行动起来，为实现纲要确定的宏伟目标不懈努力奋斗。
上世纪九十年代以来，随着各种无创性脑成像技术的运用，脑科学已成为当今世界科研领域最前沿、最重要、最活跃和科研成果最丰硕的学科之一。世界发达国家都将脑科学研究纳入国家发展的战略科技规划。继颇有影响的美国“脑的十年”和欧共体“欧洲脑十年”计划之后，日本推出了名为“脑科学时代”为期20年的脑科学计划纲要，并于2003年又启动了“脑科学与教育”科研项目。人脑这个奥妙的“黑匣子”已被现代高科技逐步打开。把脑科学和教育结合起来，根据脑发育规律和认识规律编制课程，设计教学，是当前教育科研领域最前沿的科研课题，该科研课题正在世界范围内日益广泛兴起。本文先介绍脑的结构和功能，揭示人脑的秘密，在这个基础上，再就脑科学取得的科研成果，和课程教学相结合的问题作些探讨。
(一)脑的基本结构及其功能
人脑的结构及其功能是极其奥妙和复杂的，古今中外的哲学家和学科专家曾对人脑这个奥妙的“黑匣子”作过各种不同的巧妙比喻或隐喻。如人脑是“世界上最大的处女地”、“宇宙间最复杂的机械零件”、“生物学上的超级电脑”、“沉睡的巨人”、“尚未开采的金矿”等。人脑的结构虽如此奥妙，但却不是人体最大的器官，其重量约1350克，大小如柚子，形状如胡桃，只有身体的2%，不过耗热量却是人体的20%，脑遗传基因占全身的1/3。
科学家考察了地球的历史，揭示了一切生物和人类进化的连续性，揭示了人脑的演化进程。约38亿年前，地球上诞生了最初的生命，这种生命是原生的单细胞生物。后来便有了软体动物、两栖动物和爬行动物。人类起源于动物界，森林古猿是人类和现在大猩猩及黑猩猩的共同祖先。大约550万年，由猿类开始转化为人类。把人类和黑猩猩进行比较发现，其DNA的排列差别很小，大约相差仅1%左右。不过人脑的重量却比今天的猩猩大得多，大猩猩脑重约1磅（450克），而成人的脑重约3磅（1350克），这是因为人脑的前额叶脑区极大的进化了，因此有了语言能力、思维能力、高级性感能力和创新能力。
人脑是地球上生命诞生后，通过亿万年的历史演化，经过爬虫类动物的脑和哺乳类动物的脑，发展到今天人类特有的创新性脑。因此，人脑是由爬虫类脑，哺乳类脑和创新性脑构成的“三合一脑”，脑科学著作往往又分别称其为“古皮层”、“旧皮层”和“新皮层”。不过脑科学家根据解剖生理学和脑部功能的不同，大都把脑分为脑干、边缘系统和新皮层三大结构。
1.脑干（或称爬虫类脑部）。脑干由脊椎延伸而出，位于头颅的底部，是脑内最古老和最深层的区域，该部分进行了约五亿年。因为它和爬行动物的整个脑非常相似，人们经常称其为爬虫脑，如鳄鱼、晰蜴、鸟类的脑都如此。脑干又细分为延髓、脑桥和中脑三个构成部分。在进入脑的12对神经中就有11对止于脑干，只有嗅觉神经直接进入边缘系统，这是进化的原因。脑干是“生命中枢”，它控制着心跳、血压、呼吸、消化、体温等。脑干是大脑半球与脊髓之间的联络通路，脑干中的网状结构还负责司管大脑皮质的觉醒和睡眠等功能。
2.边缘系统（哺乳动物脑部）。边缘系统介于大脑皮层和脑干之间，人和其他哺乳类动物的脑都有类似的部位，因此又被称为“狗猫脑”。在两个脑半球内，边缘系统的生理结构是对称、一致的。就脑演化的过程来看，边缘系统的发展应在人类具有逻辑思维之前，该系统控制着荷尔蒙的分泌、口渴、饥饿、快感以及新陈代谢功能、免疫功能和长期记忆功能等，在学习和记忆中具有重要作用。它包括丘脑、海马和杏仁核三个部分。
（1）丘脑。丘脑是脑的中转站，所有来自外界的感觉信息，除了味觉外，都首先要通过丘脑进行初级加工和整合，然后再由此转送到其他脑区进行处理。
（2）海马。海马一词来自于希腊语，因其外形像海马而得名。在巩固学习和记忆储存方面，海马具有重要作用。电刺激海马能唤起人原有的某种记忆，两侧性切除海马的人会产生严重的识记障碍。可见海马同记忆关系极为密切。研究表明，海马在由短时记忆向长时记忆的转变中扮演着重要角色，它不仅能把外界接受的信息作为短时记忆暂时保存，而且能发送到大脑皮层相关脑区被全部编码永久储存，变为长期记忆。海马严重受损的人不仅丧失了长时记忆，而且不能回忆刚刚发生的事情。海马的脑波型和新皮质层有着明显不同，觉醒时显示出高振幅的幔波，昏迷时出现快波，熟睡时则常发生峰型波，无创性脑成像技术证实了海马在学习和记忆中的作用。
（3）杏仁核。杏仁核附着在海马的末端，在情绪行为中扮演着重要角色，与恐惧反应的关系尤为密切。电刺激杏仁核可以引起愤怒，或者产生恐惧感或快乐感，狂怒的精神病人在手术摘除杏仁核后，性格变得比较温顺。由于杏仁核靠近具有记忆功能的海马区，所以研究者认为，杏仁核能产生情绪把信息进行编码转入长时记忆中。同时，杏仁核还司管维系机体生存而需要作的一些行为，比如面对威胁是选择作战还是逃避，因饥饿四处觅食，为延续后代进行交配等，这些行为都有杏仁核决择。如果杏仁核认为环境形势有潜在危险，它就会刺激下丘脑向机体发出信号，当即逃跑。因此杏仁核被称作脑的警卫哨兵。大家知道，在教学实践中，通常采用的角色扮演、合作互动、娱乐游戏的教学策略，这种教学策略之所以能够取得好的教学效果，达到了长时记忆的目的，就是由于杏仁核的参与，因为杏仁核通过其控制的情绪能把接受的信息变为长期记忆，这是杏仁核功能的特点。
3.新皮层（或称思维脑部）。三位一体的脑是神经科学家PaulMaclea从进化论的角度提出的。为了更形象的说明脑的结构，有人作了这样一个比喻：把手握成拳，再用另一只手握住这一个拳头，如果第一只手的腕部代表“爬虫类脑部”，那么拳头则代表“哺乳类脑部”，而第二只手握住拳头的部分则代表思维性脑部，即新皮层。新皮层负责所有高级思维功能，人的视觉、听觉、思想、语言、计划、分析、决定、创意等活动都在这个脑区进行。新皮层的出现使人类和所有其他哺乳动物最终区别开来。
（1）脑叶。从脑外侧部分结构来看，新皮层可分为额叶、颞叶、枕叶、顶叶和运动皮层等。这些不同的脑区各有特殊的功能：额叶位于大脑最前部，为执行控制中枢，约占大脑半球容积的50%，具有规划、思维、解决问题和调控情绪的功能；颞叶位于耳朵内上方，负责处理声音和语言；枕叶在脑后部，进行视觉加工；顶叶位于脑的顶部，主要负责定位、计算和识别等功能。在顶叶和额叶之间，从左耳到右耳的顶部有一条带状区，这就是运动皮层，主要控制躯体运动，它与小脑协同，完成动作技巧的学习。