脑科学与课程教学

（ ２） 神经细胞。是控制脑和全部神经系统的 最 小 单 位 。 人 脑 神 经 元 为 １０００ 亿 ， 猴 子 有 １００ 亿， 老鼠为 ５００ 万。１ 个神经元有多 大 ， 有 的 比 喻说 ３００００ 个神经元仅相当于针头那么大。神经 元是由胞体、树突、轴突构成的。如果把神经元 比作人的手和前臂， 那么胞体好比人的手掌， 树 突好比人的手指， 手腕和手臂好比轴突。不过细 胞体所生出的树突远比手指数多， 一个胞体能长 出成千上万的大小树突。轴突仅有一个。短轴突 约一厘米， 最长的可达一米。轴突外面包裹着特 殊的物质即髓磷脂。髓磷脂具有绝缘作用， 能保 障电信号的传递畅通， 避免干扰， 这种现象称作 “髓鞘化”。
［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。
胼胝体 丘脑
皮层
下丘脑 杏仁核 海马
２．３ 脑切面图
脑干
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４．脑细胞。前面讲了脑 干 、 边 缘 系 统 和 新 皮 层及其功能。如果说这是脑的宏观结构， 那么脑 细胞则是脑的微观结构。脑是细胞的王国。脑细 胞的结构和功能是相当复杂的。和人体其他部位 的细胞不同， 脑细胞有自己的特点。脑细胞的类 型主要有两种： 胶质细胞和神经细胞。神经细胞 通常称神经元。人脑内两种细胞共计约 １ 万亿， 其中胶质细胞 ９０００ 亿， 神经细胞 １０００ 亿， 两种 细胞的比例为 ９： １。
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
５ ·基 础 教 育
２００８年１月第１期 总第１０１期
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。
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。
理论前沿
脑科学与课程教学
◇中央教育科学研究所 白月桥
［摘 要］ 脑的结构与功能是极为复杂的， 脑干、边缘系统和新皮层是脑的主要结构。细胞是脑组织 的最小单位， 可分为神经细胞和胶质细胞两种。可塑性、关键期、髓鞘化、神经元修剪， 是脑的根本特 性， 现代脑成像技术揭示， 不同教学科目反映在不同的脑区。课程教学可以进行脑区定位。我们要把脑科 学的研究成果作为课程教学编订和实施的主要理论根据。
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。
脑叶
（ 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
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。
（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。
６
·基础教育
２００８年１月第１期 总第１０１期
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。
（ ２） 脑半球。新皮层又以胼胝体为准， 把大 脑分为左右两个半球。上个世纪六十年代， 美国 神经学家斯佩瑞和他的助手通过 “裂脑人”的研 究， 对大脑左右半球的功能区别有极大影响。斯 佩瑞研究的结论认为， 每个半球拥有各自独立的 分割的感觉和知觉， 各自保持不同的和不可相互 转换的功能， 并且各自接受不同的刺激。今天的 研究结果证明， 左右脑半球的功能是有区别的， 但又是相互协作的并有可塑性。总体来看， 来自 身体左侧的神经交叉到右半球， 来自躯体右侧的 神经交叉到左半球； 左半球负责言语、分析、逻 辑、推理、数学、顺序等方面的言语类信息加工； 右半球负责韵律、节奏、绘画、视觉、空间等非 言语类信息的加工。显意识思维在左脑， 潜意识 思维在右脑。虽然这个科研结论是正确的， 但是 如果把脑半球功能的区分绝对化则是不对的。
（ １） 胶质细胞。胶质细胞因其质地类似胶水 而得名， 其形状是多种多样的。这种细胞没有细 胞体。在胚胎脑发育的过程中， 神经细胞处于游 漓状态， 不能到达应到的脑区定位。胶质细胞则 帮助神经细胞迁移到位并加以固定。神经细胞每 天耗费大量养料并产生废弃物或死亡。胶质细胞 担任着繁重的运输任务， 它不仅运送养料， 清理 废弃物， 还具有调节免疫系统的功能。这一点， 科学家解剖爱因斯坦的大脑得到有力的证据。很 久以来， 人们都猜测大科学家爱因斯坦的大脑整 个结构可能和常人不一样。但通过解剖发现， 爱 因斯坦的大脑构造没有特殊的地方， 不过在一个 特定脑区胶质细胞的数量大大超过常人。有的解 释说， 这是因为爱因斯坦由于繁重的脑力劳动， 神经细胞需要大量营养并产生更多的废弃物， 这 就加大了胶质细胞的运输任务， 因而也使胶质细 胞更加发达。一般认为， 神经细胞是不能再生的， 但胶质细胞可以再生。此外， 据迈阿密第 ２９ 届神 经科学年会 １９９９ 年的报导， 在形状各异的胶质细 胞中， 有一种 “星形胶质细胞”， 还具有加快神经 信号传递速度的作用。
（ ３） 胼胝体。两个大脑半球是脑的最大组成 部 分 ， 约 占 整 个 脑 重 的 ８５％ 。 从 结 构 和 功 能 上 看， 左右半球虽有不同， 但胼胝体把二者联系起 来， 形成一个整体。胼胝体是联系大脑左右两半 球皮层的巨大纤维束， 是架在两半球间的超高速 公路， 约有两亿五千万条神经纤维组成。通过这 条超高速公路， 左右半球可自由地瞬间反复往来 交换信息， 协调命令。比较神经学家的研究表明， 胼胝体的演化与大脑皮层的演化是一致的， 现代 人的胼胝体远比古代人的胼胝体更发达。裂脑人 的实验证明， 如果切断胼胝体则左右脑的信息不 能交流。这也说明， 课程教学的设计和实施应是 全脑教育， 前些年一度兴起的片面强调开发右脑 作法是不实际的。
新皮层 高级思维
边缘脑 情绪
脑干 生存
三位一体脑模型 （ 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。
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。
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。