how we learn 第四章 新生大脑 金句
how we learn 第四章 新生大脑 金句
CHAPTER 4 The Birth of a Brain
新生婴儿立即表现出对物体、数字、人和语言的复杂知识,这一事实驳斥了这样的假设,即他们的大脑只不过是吸收环境强加给他们的任何东⻄的空白板、海绵。一个简单的预测随之而来:如果我们可以解剖新生儿的大脑,我们应该在出生时甚至更早的时候观察到与这些主要知识领域相对应的组织良好的神经元结构
随着复杂的磁共振成像(MRI)方法的出现,我们才最终能够可视化人脑的早期组织,并发现与我们的预期一致,几乎成人大脑的所有回路都已经存在于新生婴儿的大脑中。
婴儿的大脑组织良好
我们观察到,出生后两个月,当婴儿听到母语句子时,他们激活了与成年人完全相同的大脑区域
当我们听到一个句子时,大脑皮层第一个被激活的区域是初级听觉区域——这是所有听觉信息进入大脑的入口。这个区域也在婴儿大脑中,句子一开始就亮了。这对你来说似乎是显而易⻅的,但在当时,这对非常小的婴儿来说并不是不言自明的。一些研究人员推测,儿童大脑的感觉区域在出生时是如此混乱,以至于他们的感觉倾向于混合。根据这些研究人员的说法,在几周的时间里,婴儿的大脑混合了听觉、视觉和触觉,婴儿需要一些时间来学会分离这些感觉形式。2我们今天知道这是错误的——从出生起,听觉激活听觉区域,视觉激活视觉区域,触摸激活与触觉相关的区域,而我们从来没有学过这一点。大脑皮层为每一种感觉划分为不同的区域是由我们的基因决定的。
婴儿在核磁共振扫描仪中听句子。进入初级听觉区后,活动迅速扩散。几分之一秒后,其他区域点亮,顺序固定:第一,次级听觉区域,邻近初级感觉皮层;然后是一整套颞叶区域,形成一个渐变流;最后是布洛卡区,在左额叶底部,与颞叶顶端同时出现。这个复杂的信息处理链,偏侧化到左半球,非常类似于成年人的信息处理链。
两个月大时,婴儿已经激活了与成人相同的语音、词汇、句法和语义大脑区域层次。而且, 就像成年人一样,信号在大脑皮层的层次上爬得越高,大脑的反应就越慢,这些区域就越能在越来越高的水平上整合信息
语言高速公路
神经学家发现了一条由数百万根神经纤维组成的大电缆,称为“弓形束”,连接大脑后部的颞侧和顶侧语言区 正面区域,特别是著名的布洛卡区。这种联系是语言进化的标志
这种解剖学特征不是学习的结果:它从一开始就存在。事实上,当我们检查新生儿大脑的连接时,我们发现不仅弓状纤维束,而且连接皮质和皮质下大脑区域的所有主要纤维束在出生时都在原位 (⻅彩色插⻚中的图8)
这些“大脑高速公路”是在怀孕的最后三个月建造的
生物成像的最新进展揭示了,早在怀孕的前两个月,当手的手指还只是芽时,它们已经被三根神经侵入,桡神经、正中神经和尺神经,每根神经都以特定的端点为目标(⻅彩色插图中的图8)。7同样的高精度机制可能因此存在于大脑中:就像手的芽分裂成五个手指一样, 大脑皮层细分成几十个高度特化的区域,由清晰的边界隔开(⻅彩色插图中的图9)。5早在怀孕的头几个月,许多基因就选择性地在大脑皮层的不同点表达。9大约在怀孕28周,大脑开始折叠,表征人脑的主要沟出现。在三十五周大的胎儿中,大脑皮层的所有主要褶皱都形成得很好,并且已经可以看到容纳语言区的颞区的特征性不对称
皮层的自组织
在整个怀孕期间,随着皮质连接的发展,相应的皮质褶皱也会发展。孕中期,皮层初步光滑;然后,第一组脊出现,让人想起猴子的大脑;最后,我们开始看到人类大脑典型的二级和三级折叠——层层叠叠。它们的表观发生逐渐变得越来越依赖于神经细胞系统的活动。根据大脑从感官接收的反馈,一些电路稳定,而另一些无用的电路退化。因此,左撇子和右撇子的运动皮层的折叠最终会略有不同。有趣的是,小时候被迫用右手写字的左撇子表现出一40 种妥协:他们的运动皮层的形状是左撇子的典型特征,但它的大小显示了右撇子的左右不对称。11正如这项研究的作者所总结的,“成人的皮层形态学保存了先天偏⻅和早期发展经验的累积记录。
举另一个例子,我们也知道婴儿的顶叶皮层已经对物体的数量有反应,19在与成人计算2 + 2 或猴子记忆一些物体时激活的区域相匹配的位置。在猴子身上,德国神经科学家安德烈亚斯· 尼德成功地证明了这个区域包含对物体数量敏感的神经元:一个物体有专⻔的神经元,两个物体有专⻔的神经元,三个物体有专⻔的神经元,等等...而且这些神经元是存在的,即使所讨论的猴子从未被训练来执行数字任务。因此,我们认为这些模块最初是在先天的基础上出现的,即使环境后来塑造了它们。
自组织还将大脑与目前主导人工智能工程方法的人工神经网络区分开来。如今,人工智能几乎已经成为大数据的同义词——因为这些网络对数据的需求非常大,只有在获得千兆字节的数据后,它们才会开始智能地行动。然而,与他们不同的是,我们的大脑不需要那么多经验。恰恰相反,我们大脑的主要节点,也就是我们储存核心知识的模块,似乎很大程度上是自发发展的,也许纯粹是通过内部模拟。
只有少数当代计算机科学家,如麻省理工学院教授乔希·特南鲍姆,正在认真尝试将这种类型的自组织纳入人工智能。特南鲍姆和他的同事正在研究“虚拟婴儿项目”——一个能够自我产生数百万个想法和图像的系统。这些内部生成的数据将作为系统其余部分学习的基础,而不需要提供任何额外的外部数据。根据这种激进的观点,甚至在出生之前,我们核心大脑回路的基础就通过自组织产生,通过从系统内部生成的数据库自举。21大多数最初的基础发生在内部,没有与外部世界的任何互动;只有最后的调整留给学习,由我们从环境中获得的额外数据决定。
脑皮层包含一个部分专⻔化的模块集合,每个模块都将一种特定类型的表示投射到外部世界。内嗅皮层的网格细胞绘制二维平面,非常适合编码和导航空间。正如我们将在后面看到的,其他区域,如顶叶皮层,绘制线条,非常适合编码包括数字在内的线性量,大小和时间的流逝;布罗卡的区域投射出树形结构,非常适合语言语法的编码。从我们的进化中,我们继承了一套基本规则,之后我们将从中选择最能代表我们一生中必须学习的情况和概念的规则。
个性的起源
因为我们都有相同的初始大脑结构,相同的核心知识,以及相同的学习算法让我们获得额外的天赋,所以我们最终往往会分享相同的概念。同样的人类潜能存在于每个人身上——无论是阅读、科学还是数学,也无论我们是瞎子、聋子还是哑巴。
个体差异是真实存在的——但它们几乎总是程度上的,而不是种类上的。只有在大脑组织的正常分布的极端情况下,神经生物学的变化才会产生真正的认知差异。我们越来越多地发现,患有发育障碍的儿童处于这种分布的末端。他们的大脑似乎在发展过程中出现了错误的转向,从遗传遗传到神经元迁移和回路自组织的心理路径。
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