大腦如何精準學習

學習擁有生命力（vital principle），而人類的大腦有著巨大的可塑性—去改變它自己，以適應環境。

大腦具有超凡的反彈能力，即使在受到巨大的創傷，如眼盲、失去半個腦或社會孤立後，還是能發展出學習的能力。這個學習的火花並沒有被這些不幸的遭遇所熄滅，語言、閱讀、數學、藝術創造：這些人類所特有的能力，也是其他靈長類所沒有的。

現代學習科學的旅程包括三個部分：

在第一部分，〈學習是什麼？」〉（What Is Learning?）

我們從學習對人類和動物的意義是什麼開始，討論學習時的法則或機制，因為學習就是逐漸形成外在世界的內在模式，不論它是在矽（silicon）或是神經迴路上。

當我去到一個新的城鎮時，我會在腦海中形成一個心智地圖——這個城市街道巷弄的小模型。同樣的，一個孩子在學騎自行車時，他也是在他腦海中，模擬腳要怎麼踩、手要怎麼握把手才能維持自行車的平衡。電腦的人臉辨識法則也是先得出眼睛、鼻子、嘴巴的各種形狀和它們的組合，把它形成一個模型板（template）。

在第二部分〈我們的大腦如何學習〉（How Our Brain Learns）之中，作者會用心理學和神經科學來回答。我會聚焦在嬰兒身上，因為他們是真正的學習機器，沒有人比得上。最近的實驗資料顯示，嬰兒的確是如這個理論所預測的，他們是正在長大的統計學家。嬰兒一生下來，他們的大腦迴路就已經組織好了，可以投射假設到外面的世界去，但是他們同時也有極大的可塑性，這個從大腦突觸永遠都有改變的可能上可得之。在這個統計的機械中，先天和後天不是對立的，而是相輔相成的。

在第三部分〈學習的四大支柱〉（The Four Pillars of Learning）中，作者詳列出為什麼大腦是到現在為止最有效率的學習設備。四根支柱就是四個重要的機制，使我們可以學習。第一個是注意力。第二根支柱是主動參與。第三根支柱是錯誤回饋，它正好是主動參與的反面。最後，第四根支柱是固化：透過時間的流逝，我們大腦彙整已經學會的東西，把它轉存到長期記憶中，把神經資源釋放出來以備未來的學習。

這四根支柱有普遍性，嬰兒、孩子、大人在學習時，都用到它們。這是為什麼我們需要把這四個能力操到很熟練—這就是我們可以學習的原因。最後，在總結時，我會討論這些科學的進步該怎麼應用。改變我們學校的教學法、改變家庭、改變職場其實是不必要的，只要遊戲、好奇心、社會化、集中注意力和睡眠就可以增加我們大腦本來已經有的最大才能：學習。

作者相關著作：他發表了很多經過同儕審訂過的期刊文獻，也是好幾本書的作者，包括《數字感》（The Number Sense）這本暢銷書和《大腦與閱讀》（Reading in the Brain，信誼出版）等。

前言

二OO九年九月，一個非常特殊的孩子驅使我澈底的修改了我對學習的看法。我那時在訪問巴西的莎拉醫院（Sarah Hospital），這是一個神經復健中心，是奧斯卡．尼邁耶（Oscar Niemeyer）所設計的白色建築物（譯註：巴西有名的建築家，聯合國總部大樓就是他設計的），我的實驗室和這個復健中心合作有十年了。中心主任，露西亞．布拉加（Lucia Braga）要我看一下她的病人，一個七歲的小男孩菲力普（Felipe），這個孩子有一半的歲月是花在這個醫院的病床上的，她告訴我，菲力普四歲時，在街上被流彈所傷─很不幸，這種事在巴西很常發生，子彈穿過了他的脊椎，使他幾乎完全癱瘓，只剩微弱的四肢感覺，子彈也摧毀了他的大腦視覺皮質區，他完全看不見，為了幫助他呼吸，醫生在他頸部氣管上開了個口，所以有三年的時光，他都住在醫院裡，一個鎖在殘障身體內的小靈魂。

在通往他病房的走廊上，我記得告訴我自己有心理準備去面對一個破碎的孩子，但是當我見到菲力普時…，一個跟其他七歲孩子一樣活潑可愛，對所有事情充滿了好奇心，問個不停，有十足生命力的孩子時，我太驚訝了，他的語言有著豐富的辭彙，文法完全正確，問我法文的髒話怎麼講（譯註：作者為法國的認知神經科學家，而巴西是講葡萄牙文），我發現他對語言狂熱，從未錯過任何可以豐富他詞彙的機會，他可以說英文、西班牙文和葡萄牙文，雖然他看不見，又生活在床上，他靠寫他自己的小說的方式逃避到他的想像世界中，醫院的人員也鼓勵他這樣做，他在幾個月之內便學會口述他的故事給一位助理幫他打出來，後來他學會用一個連到電腦跟音效卡的特殊鍵盤去寫故事，不再靠別人。醫院的小兒科醫生和語言治療師輪流到他的床邊，幫他把故事轉譯成盲人的點字書，還有著浮雕的插畫，他用殘留的一些觸覺，很驕傲地用手指輕拂過頁面。他的故事裡有英雄，以及他永遠沒有辦法看到的高山和湖泊，但是他像所有的小男孩一樣，有著他的夢想。

跟菲力普的會面深深地感動了我，也驅使我去仔細檢視我們大腦最大的才能：學習的能力。這個孩子的存在就是神經科學的一個挑戰，我們大腦的認知器官如何去應付這麼巨大的環境動盪？我跟菲力普有著這麼巨大的感官經驗，為什麼他和我可以有這麼相同的思想？不論人們是怎麼學的、什麼時候學的，這些不同的人是如何得出這麼相同的觀念？

許多神經科學家都是實證主義者（empiricists）：他們跟英國哲學家洛克（John Locke, 一六三二~一七O四）一樣，認為大腦是從環境中獲得知識，大腦皮質迴路的特性就是可塑性（plasticity），能夠適應環境的輸入。的確，神經細胞有著極大的能力，根據接收到的訊號不停地調整他們的突觸。然而，假如這是大腦的主要驅力，我的小菲力普，沒有視覺和動感的輸入，應該是個嚴重殘障的孩子，是什麼樣的奇蹟使他發展出完全正常的認知能力出來？

菲力普的個案絕對不是單一的個案，每個人都知道海倫．凱勒（Helen Keller, 一八八O~一九六八）和瑪莉．厄丹（Marie Heurtin, 一八八五~一九二一）的故事，她們都是生下來就失聰、失明，然而在多年的社會隔離（social isolation）後，學會了手語，最後變成聰慧的思想家和作家1。在這本書中，你會見到許多像這樣的人，我希望他們會大大改變你對學習的看法，其中一個人就是伊曼紐爾．吉魯科斯（Emmanuel Giroux），他在十一歲時眼睛失明了，卻成為世界頂級的數學家，套用聖．修伯里（Saint–Exupéry）在《小王子》（The little prince, 一九四三）這本書中狐狸的話，吉魯科斯說：「在幾何，它的重點是眼睛看不見的，只有用心，你才看得清楚。」一個盲人如何在抽象的代數幾何空間中，快速的操弄平面、球形和立體而沒有親眼看見它們？我們會發現他動用的神經迴路跟其他數學家所用的迴路一樣，但是他的視覺皮質不但沒有靜止不動，反而重新設定用來做數學了。

我也會介紹你認識尼可（Nico），一位年輕的畫家，當他去巴黎的瑪摩丹美術館（Marmottan Museum）時，複製了一幅莫內（Monet）的名畫「日出印象」（Impression, Sunrise）（彩圖一），這有什麼了不起呢？沒什麼，只是這是一個只有半個腦的年輕人，他的右腦在他三歲時便完全切除了，他只有左半球而已，尼可的大腦學會把他所有能力都擠到左腦中：他的左腦要說話、寫作、閱讀，還要繪畫，而後者一般認為那是右腦的專長，不但如此，他還會電腦、輪椅西洋劍（wheelchair fencing），他在這一項拿到西班牙的冠軍。請忘記你過去所學的左、右腦的功能，因為尼可就證明給你看了每個人都可以成為有創造力、有天份的藝術家，即使沒有右腦也行！大腦皮質的可塑性看起來真是奇蹟的創造者。

我們也會去看一下惡名昭彰的羅馬尼亞首都布加勒斯特（Bucharest）孤兒院的孤兒，這些可憐的孩子一出生就被送到孤兒院去[譯註：這是羅馬尼亞獨裁者希奧塞古（Ceausescu）一個很可怕的錯誤政策，因為當時羅馬尼亞缺乏人力（二次世界大戰在巴爾幹半島打的很激烈，青壯男士都戰死了，全國缺乏勞工，希奧塞古便下令凡是在四十五歲以下生育期的婦女必須為國家生育孩子，由國家成立教養院來養活他們，但是因為人手不夠，這些孩子是在幾乎沒有人照顧的情況下孤獨長大，造成後來很多的人格問題），這個經驗讓西方的學者（主要是哈佛的教授Charles Nelson）發現童年的受虐，如疏忽、冷漠、沒有關愛對孩子一生的影響]，但是那些在一歲或二歲以前被領養的孤兒卻有著幾乎正常的學校經驗（譯註：也就是說在學業和人際關係上沒有問題）。

這些例子說明了大腦超凡的反彈能力，即使在受到巨大的創傷，如眼盲、失去半個腦或社會孤立後，還是發展出學習的能力，這個學習的火花並沒有被這些不幸的遭遇所熄滅，語言、閱讀、數學、藝術創造：這些人類所特有的能力，也是其他靈長類所沒有的，都能抵抗這些大的創傷，如切去半個腦、失去視力和動作的能力。學習是個生命力（vital principle），而人類的大腦有著巨大的可塑性—去改變它自己，去適應環境。

然而我們同時也看到相反的例子，學習被僵住，沒有力量掙脫，例如失讀症（alexia）患者無法閱讀字，我曾經研究過好幾個成人，他們原來都是閱讀很強的人，但是在中風以後，他們連最簡單的狗（dog）或地墊（mat）都不認得了。我記得有一個精通三種語言的女士，原來每天讀法文報紙世界報（#Le Monde#）的，在中風以後，她無法讀報了，報紙上的每一個字讀起來都像希伯來文（Hebrew），她下決心要重新學會閱讀法文報紙，但是經過二年的努力，她的閱讀能力仍然沒有超過幼兒園孩子的程度：她要花好幾秒才能讀出一個字來，而且是一個字母、一個字母的辨識才行，即便如此，她還是無法讀出每一個字來。為什麼她不能學？為什麼先天性失讀症閱讀障礙（dyslexia）的孩子、沒有計算能力（dyscalculia）的計算障礙孩子或是運用障礙（dyspraxia），他們在學習閱讀、計算或書寫上都有相同的困難，而其他的孩子則毫無困難的學會這些技能。

大腦的可塑性像個喜怒無常的人：有的時候它可以克服巨大的困難，有的時候它又讓那些能力有障礙但有著很強動機想學，也很聰明的孩子和大人失望。這是因為某些神經迴路的關係嗎？是這些神經迴路在這些年間失去了它的可塑性嗎？這個可塑性可以再被打開嗎？控制打開／關閉可塑性的規則是什麼？大腦的可塑性為什麼從孩子一出生到幼年期能這麼的有效？大腦迴路如何形成外面世界的表徵？它的規則是什麼？了解這些規則會使我們學習的更快、更有效率嗎？這些規則可以幫助我們建構出更有效率的機器、人工智慧，使它們有一天能模仿我們或甚至超越我們嗎？這些問題是本書想要回答的問題之一，我會從認知科學和神經科學的最新發現，從跨領域的角度來回答它們，但是我也會從人工智慧和教育的角度來做整合。