人脑的教育笔记

1 走进人脑的教育

1.1 相关学科

脑科学：神经 认知 医学 等 交叉学科，目标是认识保护创造脑

认知神经科学=认知心理学+神经科学，一门研究人脑高级功能的学科。

教育神经科学的逐渐形成

教育神经科学的主要研究领域

• 脑与教育环境
• ……

1.2 神经系统的基本结构

1. 神经元：细胞体+凸起，髓鞘
2. 神经胶质细胞，为神经元提供营养和环境（是神经元数量的10倍）
3. 神经和神经节：
4. 突触
5. 神经递质：乙酰胆碱Ach，去甲肾上腺素NAD，多巴胺Dopamine
6. 神经冲动的传导; 动作电位
7. 反射弧

1.3 脑

脑重1.4kg, 占体重2%, 耗氧量占25%

脑的基本构成 PPT28页 32页

胼胝体是中间通信的部分, (挺宽挺长的)

三位一体的脑: 爬行脑, 古哺乳动物, 新哺乳动物

大脑半球: 白质(髓质区, 在里面) 灰质(在大脑表面)

• 枕叶: 视觉 场景知觉 语言
• 顶叶: 躯体感觉 空间 阅读语义
• 颞叶: 听觉 物体 听理解 情感
• 岛叶: 味觉 情绪 共情 动机
• 额叶: 运动 推理 抽象 注意 工作记忆 计划 控制情绪

边缘系统

进化过程中发生较早, 埋藏于大脑深处, 有情绪脑之称

• 扣带回
• 杏仁核: 恐惧情绪加工
• 海马: 学习和记忆
• 丘脑: 粗浅感觉的分析
• 下丘脑: 调节内藏, 生物节律; 与情绪 动机有密切关系
• 神经垂体: 神经内分泌

小脑和脑干

• 脑干: 呼吸 心跳等
• 小脑: 控制平衡 姿势 运动协调

1.4 神经可塑性

神经系统对外界环境刺激做出适应性改变的特性.

突触可塑性: 丰富的环境

功能重组: 同侧补偿、对侧补偿

2 认知神经科学的研究方法

2.1 脑代谢功能成像

(1) 正电子发射断层扫描技术 PET

工作原理

将带有放射性标记的液体注射到被试体内

皮质区域兴奋时，放射性液体聚集于此

那些放射物质释放的微粒子就是正电子

试验方法：减法逻辑，先获取基线条件下的PET，然后获取兴奋条件下的PET

优点 空间分辨率高

缺点 时间分辨率低，简介测量，侵入性技术

(2) 磁共振成像 MRI

工作原理 磁场来激励大脑中的原子兴奋

缺点 只能发现结构特征, 无法处理功能问题

改进: 功能磁共振成像 fMRI

工作原理 血红蛋白所携带的氧的含量影响了血红蛋白的磁场特性

试验方法 减法逻辑

2.2 电生理功能成像

(3) 脑电图EEG与事件诱发电位ERP

EEG含有心理和生理信息, 但并非波形本身;

ERP是信息引起的波形本身, 但是淹没在EEG中, 无法直接观察到

脑电的形成原理: 大脑皮质锥体细胞顶树突的突触…

事件相关电位ERP

特性: 电压很小, 需要多次刺激进行叠加; 叠加后信噪比提高了

电极导联方法

经典ERP成分

• 关联负度 CNV : 两个信号相关联时会出现负变. 认为CNV与心理因素有关, 比如期待 注意 动机等
• P300及Oddball范式：一种解释认为，P300代 表知觉任务的结束，即对所期盼的靶刺激或目 标刺激做出有意识加工时，相关顶叶或内侧颞 叶部位受到**，产生负电位，当加工结束时 这些部位又受到抑制，于是出现了P300。

优点 时间分辨率高, 无创

缺点 空间分辨率低

(4) 脑磁图MEG与事件相关脑磁场ERF

原理 使用超导量子干扰装置来测量脑电活动导致的磁场变化

ERF波形的表示 与ERP一样用P表示正波、N表示负波， 其随后的数字表示潜伏期

优点 直接测量; 时间分辨率高

缺点 只能检测与颅骨表面平行的电流方向

3 脑的发育

1 脑容量的增加和减少

脑容量(重量)增加:

• 神经元体积加大
• 树突分枝叶增多
• 轴突髓鞘化
• 大脑皮层某些区域突出密度急剧增加

突触修剪

在人生命的前20年里，大脑突触的密度变化呈倒U形

突触增加的意义

动作、视觉及记忆的出现与突触密度开始迅速增加有关。

突触减少的意义

产生在信息上封闭的加工部分与结构

大脑系统之间的干扰减少

皮层灰质密度变化 MRI分析

(额上沟的)灰质密度在青春期急剧下降

(颞上沟的)灰质密度的一生中稳定上升

脑网络的复杂性在一生中急剧增加，随年龄的增长远距离连接增强

2 胚胎期的脑发育

由神经管发育而来$\rightarrow$→神经迁徙$\rightarrow$→突触发生

胎儿时期开始发育的系统

• 躯体感觉系统
• 前庭系统：平衡和运动
• 视觉、听觉、嗅觉和味觉
• 语言、记忆系统初步形成脑结构

环境的作用：胎儿的成长对压力的营养贫乏十分敏感

不利环境因素：酒精和可卡因，流感，营养，吸烟

酒精对胎儿的影响

额叶和顶叶区域灰质密度降低，颞叶和顶下叶灰质密度增高。

3 幼儿时期(0-2岁)

突触的发育到头重要

突触的过度产生由基因控制，但是突触的修剪和突触环路受环境影响很大

变得聪明的关键在于增长细胞之间更多的突触联结

神经通道的建立

大脑皮层进行结构调整

神经元的髓鞘化使信息传导的速度和稳定性增加

神经元间突触联系加强，成为传递系统

0-1岁 爬行脑一出生就开始工作；哺乳脑2-3人月时开始起作用（基本情绪出现、早期安全感建立）；大脑皮层……

2-3岁 新陈代谢持续增强，3岁时大脑的活动量约为成人的2.5倍……

左手右手习惯建立1-4岁，感觉和运动控制完全成熟3-4岁

大脑发育不正常的征兆 太乖；缺乏眼神交流；坐爬走发育迟缓；

4 儿童早期大脑的发育

特点

• 突触生成迅猛

• 脑的大小稳定下来

• 边缘系统继续髓鞘化

• 额区网络生长速度最快（调节，计划）

• 顶叶发展（多种感觉信息整合）

• 颞叶发展（记忆功能）

对大脑发展有利的环境 玩具、尝试、鼓励说话

5 上学最初几年

顶叶皮层发育完成，使得所有感觉器官的感觉联系在一起

抽象思维得到发展

辅导学习 演示 比喻 举例 给孩子提问题（而不是解释什么是正确的） 帮助孩子找到解决问题的办法

为什么孩子贪玩 大脑的幼儿期，额叶未完全成熟（不能进行成熟的推理，对行为的控制不完善）

6 儿童晚期 青少年早期

主要活动是突触修剪，较少使用的突触被去除，经常使用的得以保留

对发展潜能极其重要

前额叶皮层趋于成熟：记忆的速度和效率继续发展；批判思维；推理能力增强；情感状态的控制增强

前额叶的重要功能是冷却，对自己的行为不断进行检查

怎么教育孩子

• 如果父母总是不时提醒孩子应该如何做，会妨碍孩子发展自己的反馈系统

• 要求孩子坚守一些规则，如环境整洁、时间表、习惯

• 学会做决定

7 遵照大脑规律培养孩子

学前阶段——感知觉能力和运动机能

• 丰富的文化环境，不断地接触人，与人说话，有视觉、听觉、触觉的刺激

小学阶段——大量的形象具体的训练思维，书面语的学习和掌握

• 增加阅读量，鼓励多读课外书，启发思维，扩大知识面

中学阶段——自主学习能力

• 计划、组织机能，独立完成提出问题、分析问题和解决问题的能力

大学阶段——大脑额叶对其他部位进行有效控制（情商）

• 适应能力，了解自己、控制自己、调整自己、理解别人，学会合情合理地处理各种社会和人际关系的阶段。

4 认知发展

4.1 认知发展

认知的领域：知觉 注意 记忆 语言 思维

毕生发展：婴儿-成人-老年

研究的问题：不同年龄段认知过程、机制

科罗拉多收养计划 认知功能主要受遗传因素而非环境因素

双生子研究 遗传因素不会随时间减弱

4.2 感知学的发展

感觉(sensation)是刺激物直接作用于某种感官引起；知觉(perception)是对感觉信息的组织和解释

新生儿面孔偏爱（极小的婴儿关注外周轮廓，年长一点的关注眼部）

方位知觉的发展（3岁辨上下，4岁辨前后，7-9岁掌握左右的相对性）

深度知觉的发展 视崖实验

时间知觉 2岁以后的婴儿已经有了时间知觉，但是若有若无

4.3 注意的发展

注意的指向性和集中性

注意是儿童进行认知活动的必要条件

注意的发展：

• 婴儿时期主要是无意注意
• 注意的保持随着年龄的增长变得集中
• 可以选择与任务目标有关的方面，忽略其它信息

4.4 思维过程的发展

皮亚杰的观点

所有的生物发展要遵循两项原则，组织和适应

组织 是指处于适应过程中的心理结构的本质，schema 图式是思维的基本单元

个体的认知发展是一个对环境的适应过程

如何达到平衡状态：平衡 同化 顺应 组织；ppt举例了小孩认识鸟和飞机的过程

认知发展具有阶段性的特点（多个离散的，不连续的观点）

认知发展阶段：

• 感觉运动：0-2岁，没有在头脑里表征外界环境的能力，客体恒在存性
• 前运算(operation)：儿童有了运用符号的能力；容量守恒实验
• 具体运算7-12岁：守恒 分类 可逆性 排序的传递
• 形式运算12-16岁：青少年有控制变量的能力

5 记忆的机制及运用

5.1 基本概念

记忆的环节：编码，保持，提取

记忆的信息加工模型：环境输入$\rightarrow$→感觉记忆$\rightarrow$→适时记忆$\rightarrow$→长时记忆

5.2 感觉记忆

记忆系统的开始阶段，原始的感觉形式

实验：视觉记忆的容量，看有12个字母的卡片

保持时间很短

只有引起个体注意的信息才有机会进行适时记忆

5.3 短时记忆

容量十分有限的记忆系统，信息只能保留几十秒

过程：注意$\rightarrow$→复述$\rightarrow$→提取

容量：年轻人的记忆广度大约为7个单位

短时记忆的编码: 听觉编码实验 语言混淆实验

短时记忆易受干扰

用工作记忆代替短时记忆

工作记忆是指对临时的“在线”信息感知、调运、整合、储存

实验：言语及空间记忆的PET研究（空间工作记忆的言语工作记忆**不同的脑区）

5.4 长时记忆

信息经过充分和有一定深度的加工后，在头脑中长时间存储的记忆，通常按天或年计量

长时记忆的编码以语义编码为主，但语言编码与**形象编码(表象编码)**有时候重要

• 长时记忆中信息的存储是一个动态过程。在保持阶段，已存储的信息会随时间的迁移而下降

• 记忆扭曲 凭记忆画出的图像与原图相比发生了很大变化

• 目击者对事件的回忆会因为提问方式的不同而有很大的差异

长时记忆的提取：

• 分类原则（常常以分类的形式提取出来） 场合依存效应（岸上、深水）

• 状态依存（清醒或醉酒）情绪依存

长时记忆的分类：

• 陈述性记忆
• 非陈述性记忆
• 外显记忆（受意识控制的意义）
• 内隐记忆（自动的无意识的记忆）

5.5 应对遗忘的记忆策略

• 时间因素
• 识记材料的性质：形象的、有意义的、熟练的动作更不易遗忘
• 识记材料的数量：材料越多诵读的次数越多
• 识记材料的序列位置：中间的位置最容易记住，其次是末尾
• 学习程序：过度学习（学习一种材料达到一次完全正确背诵后仍继续学习）学习程序为150%的时候效果最好

6 脑的学习与老化

6.1 学习和记忆的神经基础

切除双侧颞叶中间部分：

• 外显记忆在失忆症中普遍受损，内隐记忆往往没有任何损伤

• 短时记忆和长期记忆是分开储存在

• 人类外显记忆的保持，主要依赖内侧颞叶的完整

存储记忆的脑区：

• 在较短的时间内，人物、时间、地点等外显记忆暂时存储在前额叶
  • 通过海马转化为长时记忆，然后存储在大脑皮层
• 技巧、习惯以及条件反射等内隐记忆存储于小脑、纹状体及杏仁核

海马的突触可塑性

• 长时程增强（LTP） 引起的兴奋性突触后电位
• 海马的LTD (long-term depression) 长时程抑制

6.2 学习的理论

行为主义

联结学习：学习是在刺激和反应之间建立联系的过程

经典条件反射：习得、消退、自发恢复

刺激泛化：和条件化相似的刺激也能引发条件化反应

操作性条件反射：根据后果习得反应(强化物分为初级和次级强化物，强化时间可分成连续和部分强化)

经典条件反射：根据非条件化刺激自身性质建立反应

认知主义

注重人的内在心理过程在学习中的作用

潜伏学习：学习可以隐蔽地发生，改变内在表征，直到通过强化表现出来

顿悟学习：突然理解问题情境中的关系

社会学习

认为个体的行为和变化是由个体内部因素和环境因素相互作用的结果

观察学习是通过观察他人行为及后果（观察和模仿）

自我效能感：自信程度

6.3 脑的老化

卡特尔将智力分为液态智力和晶态智力

• 液态是学习新事物的能力（老年后开始衰退）
• 晶态是后天习得的能力（一起增长）

加工速度、工作记忆、心算等在20岁之间迅速增加，在20岁之后缓慢衰退。

老年记忆的减退

• 与海马神经元丢失无关
• 与海马功能衰退有关
• 海马纤维联系减弱
• 前额皮质突触数量明显减少

7 脑与智育（语言和数学）

7.1 语言的神经机制

1. 语言的功能定位

失语证：特定脑区损伤所致的语言障碍

言语优势在左半球（1864年，布洛卡，我们的大脑用左半球说话）

双重分离 人类的言语理解机能和言语表达机能相互独立

图：主要语言区 PPT8页，听觉皮层、角回、Broca区、Wernicke区

2 脑成像对功能定位的发展

1. 语言中枢可以分为更小的非连续的脑区

2. 除经典语言区之外，语言加工也**了其它外侧裂周区、小脑等

   不同的任务会**不同的脑区

7.2 语言发展

1 语言习得

尽管左半球在语言加工中主导，但并不意味右半球就与语言加工毫不相干。

右半球的作用

• 理解和产生韵律
• 加工较大的语言单位，比如理解故事的中心思想
• 解决更高级的语言任务

语言学习的关键期 出生后到青春期都关键期

• 0-6岁最为关键

• 母语简单发音和牙牙学语阶段十分关键

• 习得第二种语言在幼儿期更好

• 句法的关键期在18-36个月

• 词汇获得的爆炸期始于18个月

• 早期语言觉知与后期语言技能的发展有很密切的关系

• 脑的可塑性可以维持终身

语言学习中环境的作用 立即接受妈妈反馈的婴儿说出更多的话，语言也更成熟 。

7.3 表征数字的神经系统

顶叶、前额叶和扣带回，其中**双侧顶内沟（IPS）**在数量关系的基本表征和操纵上起主要作用。

Wynn 1992 期待-违背任务：婴儿具有数量意识

人类顶内沟在估算中的作用

精算和估算：

• 精算和估算的神经基础包括顶叶、额叶和扣带回。

• 语言是精算和高级数学能力的基础

• 数的理解和计算同时受到数量编码和语言编码的调制

8 脑与德美育

把艺术教育融入科学、技术、工程和数学（STEM）学科教 育越来越成为一种新趋势。

8.1 音乐训练

音乐训练能促进：

• 认知能力：语言能力（理解 表达）、空间能力、数学能力

  • 音乐和语言共享脑网络
  • 6个月的音乐训练能使老年人的言语识别能力显著提高

• 空间能力：空间视觉化、图形加工

• 与数学能力无关

• 提高听觉能力

音乐训练如何改变我们的大脑：

• 在听觉 运动 躯体感觉皮层的体积密度厚度都更大
• 某些脑区的**程度比非音乐家更强

音乐训练是一种多感官参与的强化活动，它涉及听觉、视觉、躯体感觉、运动系统及注意和记忆的认知系统

8.2 德育

道德：调整人们相互关系的行为准则和规范的总和

皮亚杰”他律自律论“

皮亚杰在第4节出现过

研究方法（1）访谈法（2）对偶故事法

道德发展三阶段：

• 前道德期 不关心或未意识到规则
• $\rightarrow$→他律道德 相信规则由权威制定，不可改变
• $\rightarrow$→自律道德 规则是协商一致的结果

柯尔伯格的道德两难故事

三水平六阶段

避罚服从取向$\rightarrow$→相对功利取向$\rightarrow$→寻求认可取向$\rightarrow$→遵守法规取向$\rightarrow$→社会法制取向$\rightarrow$→普遍伦理取向

道德两难的脑机制 情绪加工的区域有较强的**，主要包括内侧额回、扣带后回和角回

一些实验：

• VMPC在人类面对道德两难问题时判断“对”还是“错”的过程中起着关键作用，同时也说明了情绪对于判断的生成是必需的

• 对伤害意图的情绪反应决定着被试对伤害未遂情况的谴责程度

• RTPJ在人类归因过程中扮演着因果性角色，而归因在道 德判断中也扮演着关键角色

9 睡眠、运动对学习的影响

9.1 睡眠

睡眠质量比睡眠时间长短更关键

好的睡眠质量应该具备: 1…5

睡眠时间与个体有关

睡眠时间与年龄有关, 一般而言, 年龄越小, 睡眠时间越长

睡眠研究

睡眠监测指标: 脑电波, 眼动图, 颏肌电图

睡眠阶段：Awake, NREM(4阶段), REM阶段

NREM和REM交替变化的4-6个周期

NREM：脑和躯体恢复时期；REM：脑功能的发育发展

睡眠剥夺 导致死亡，原因：体温过低、代谢过高、防卫体系破坏

严重失眠患者，PSG均提示S3+S4期缺乏

深睡期与新皮层发达程度密切相关

深睡期耗能少，合成能量增加

睡眠剥夺会显著降低语言学习成绩

睡眠剥夺对正性材料记忆显著低于控住组：

• 睡眠剥夺对正性和中性情绪词记忆影响较大，对负性词影响较小，因为后者受到杏仁核的控制。
• REM睡眠剥夺会导致海马部位的 神经元增长显著减少，脑干和小脑的神经营养素显著降低

记忆巩固

陈述性记忆：不管慢波睡眠 还是REM睡眠都有助于记忆的巩固

程序性记忆：动作技能学习开始之后，一晚上的睡眠能显著 改善手指按键反应的速度和精确度

9.2 运动

运动是人类进化来的本能。

体育活动是需要较高能量的躯体运动；有氧体适能是指心肺系统利用氧气的最大能力

运动效果

• 肾上腺素分泌增加

  打或逃反应，故和注意力有直接的相关

• 多巴胺分泌增加

  负责大脑的情欲，兴奋、快乐、幸福感、积极的信息传递

• 血清素分泌增加

  是稳定情绪、克制冲动与提升自尊心的重要元素。

  强化对压力的抵抗力

  过低会导致注意力降低、忧郁、易怒、焦虑

• 内啡肽分泌增加

  人体的天然止痛剂

• 大脑神经生长因子(BDNF)增加

  体内含量最多的神经营养因子，伸进神经细胞生存

• 大脑中新的微血管的生成增加

  血液循环增加，有更多氧份

对学习的影响

• 体育运动可以提高学业成绩

• 在儿童期， 高水平的有氧运动有助 于记忆，特别是关系记 忆。

10 情绪与认知

10.1 情绪的概念

情绪的定义

• 主观体验: 个体对不同情感状态的自我感受
• 外部表现: 面部表情 姿态表情 语调表情
• 生理唤醒: 各种生理指标

情绪的分类

• 基本情绪: 人和动物共有的
• 复合情绪: 基本情绪的不同组合

情绪的发生机制 行为和意识的物质基础——脑

情绪的性别差异

10.2 情绪的神经基础 - 边缘系统

• 下丘脑与（快乐 愤怒）情绪、动机有密切关系
• 杏仁核与恐惧情绪
• 额叶 前额叶受伤的病人表现出人格的改变，对现在和未来都不关心

10.3 情绪与认知

情绪和注意：注意负性偏向

焦虑的注意偏向：对环境中可能的危险刺激，与危有关的刺激过度敏感、过度注意

焦虑与注意偏向：靶向干扰

情绪和记忆：抑郁对负性情绪刺激和记忆偏向

情绪工作记忆训练改善焦虑

11 应激与认知

11.1 应激和生理基础

全身非特异性适应反应——应激

三个阶段

1. 警觉期：快速动员期，最佳动员状态；交感-肾上腺髓质系统兴奋为主

2. 抵抗期：肾上腺皮质肥大；增强机体抗操作能力；抑制免疫

3. 衰竭期：

应激的生理基础

• 交感-肾上腺髓质轴(SNS)
• 下丘脑-垂体-肾上腺皮质轴(HPA)
• 免疫系统

(1) 神经系统

神经系统的外周神经系统分为自主神经系统（交感系+非交感系）和非自主神经系统

交感神经系统是一个应急系统（心跳加速、抑制胃）

副交感系统是跟交感系统作用相反，使躯体介质平衡

下丘脑促进内分泌腺的活动

(2) 直接威胁与SNS

基本效应 中枢效应（兴奋警觉）外周效应（肾上腺素）

肾上腺髓质促进儿茶酚胺的释放

• 防御意义：心率+，血压+，促进糖原分解，血液重分布，支气管扩张
• 不利影响：组织缺血-溃疡，血管收缩-原发性高血压，血黏度-血栓

(3) 慢性威胁与HPA

中枢效应（促肾上腺皮质激素释放激素CRH+, 促肾上腺皮质激素ACTH+)

外周效应（糖皮质激素分泌增多）

• 有利方面：升高血糖 维持对儿茶酚反应性 抗炎抗过敏
• 不利方面：降低免疫 出现精神行为异常

(4) 应激和免疫系统

应激改变了免疫系统的工作方式，通过抑制免疫细胞的活性降低机体对疾病的抵抗力

内分泌系统释放皮质醇，抑制体内生物肽和蛋白质的合成

11.2 应激与认知的研究

应激研究方法

• 急性应激源（演讲 电击预期 恐怖视频）
• 慢性应激源（地震 癌症等）
• 急性应激水平评估（问卷 外周心理 皮质醇）
• 慢性应激水平评估（问卷）

应激对中枢神经系统的影响

• 非应激状态：前额叶是总司令部
• 应激状态：杏仁核开始支配$\rightarrow$→非理性行为

应激对认知的影响：

• 急性应激导致管状注意，但对焦点以外的信息觉察力降低

• 应激削弱了感觉门控功能（门控功能是大脑对重复刺激的加工减弱）

• 应激会降低记忆力

慢性应激与脑结构：

• 导致海马灰质体积减小
• 前额叶灰质体积减少
• 慢性应激效应对工作记忆的影响发生在 起始阶段（注意资源的分配阶段）

慢性应激对情绪的影响：过度的恐惧和不安全感

抑郁症的应激-素质模型：生活事件+易感素质(1/5的人，长期处于应激的脑)=抑郁或焦虑