主题：【原创】教育探索（六）—大脑神经网络是如何形成的 -- 夕曦

夕曦:【原创】教育探索（五）—从电脑认识大脑（1）

通过类比，我们发现电脑和大脑都具有以开关为基础的网络结构，用来实现信息存储、运算、反馈这些信息处理功能。人类大脑的高级功能，就是常说的智力或智慧，是人们认识事物并运用已有知识解决实际问题的能力，包括观察力、记忆力、想象力、分析判断能力、思维能力、应变能力等等，也都是通过这个神经网络来实现的。从神经网络来看，足够数目的突触（不能太多，太多了也有问题），连接的越好，信息处理功能就越强大，大脑就越聪明。所以高智力对应于连接更好的神经网络。

电脑和大脑的信息网络也有很大的差异。

从规模上看，构成电脑CPU的基本模块是集成电路，目前已进入巨大规模集成电路GSI时代，集成组件数达到了10的9次方以上，所构建成的开关（逻辑门电路）数目与电路组件数大致相等或小一个数量级。组成人脑神经网络的神经元的数目在10的11次方左右，但构建的开关数目（突触）则达到了大约10的15次方个。

从空间结构看，虽然今年有新闻报道出现了革命性的三维集成电路，但还只是处于研究阶段，没有进入应用。目前电脑的信息网络还是二维的平面结构。对于人脑的网络来说，是个三维立体结构。

不论是从规模还是从空间结构上看，大脑的网络结构远远比电脑的网络复杂。

从形成过程看，所有电脑的网络都是预先被设计出来，然后才开始制造的。随着知识与技术的发展，电脑网络的复杂程度越来越高，但具体到每个细节的连接还是被人脑设计的。最初的电脑，其运行程序的改变是通过改变电子线路来实现的；而现代的电脑为适应大规模生产模式，其信息网络一旦设计完成，电子线路就被固定下来，运行程序的改变只能通过调用、执行不同的软件程序来实现。不同的软件程序，都是在同一个固定的网络中运行。与通过改变线路形成的专用电路相比，会损失一定的运算速度。

对于大脑，现在我们还没有能力认识、搞清楚局部的神经网络连接结构，更不用去想象、理解整个大脑的信息网络如何设计的。

我们已经知道基因是生命延续的密码，记录并传递着遗传信息。人的生、长、病、老、死等一切生命现象都与基因有关。通过人类基因组计划发现人类基因组的30亿个DNA碱基对序列，只有很小一部分编码了不到三万个基因。这些基因储存着生命孕育、生长、凋亡过程的全部信息，通过复制、表达、修复，完成生命繁衍所有人的遗传信息。

人类的基因肯定与大脑发育、生长和功能相关。但不到三万个基因是否携带了足够的遗传信息，能够直接设计决定神经网络中高达10的15次方个突触的所有具体连接？也就是说，由不到三万个基因在一维线性序列上存储的信息是否能够决定有10的15次方个连接的三维空间结构？从常识上看由一个简单的系统决定另一个极度复杂系统的详细设计是不太可能的，或者是根本不可能的。

我们很容易得到这样的结论：人脑的神经网络是不可能被预先设计出来。或者是说：人脑的神经网络是不可能在出生时就已经构建完成了的。

人脑发育的绝大部分发生在出生以后，人脑发育最重要的部分也发生在出生以后。

人的基因组上携带的遗传密码只能给这个极度复杂的三维空间网络提供基础的框架，决定了大脑的阶段性发育，如大脑的发育是从后向前的，靠近额部的大脑最后发育完成。在这个时序框架内，人脑的神经网络可以在很大程度上自主、自由地生成、修改，最终成形并固定下来。以前人们根据大脑重量的增长，估计大脑发育要到十岁左右完成。现在依据功能磁共振成像技术（fMRI），发现大脑的发育过程要一直延续到20至25岁。

人脑的神经网络发育要很长时间才能完成，差不多占据了人生最初四分之一左右的时间。在这漫长的过程中，许多遗传因素以外的因素通过长期的、潜移默化的方式对网络结构产生重大影响。对于一个没有重大基因缺陷的人来说，基因对神经网络的发育，也就是对智力的影响不是很大。

自然的长期进化，给大脑形成了一套精妙而独特的机制，用来构建神经网络。

下图显示了突触密度随年龄增长而发生的变化。

（图片来源：外链出处）

刚出生的正常婴儿，大脑所有的神经元细胞（1000亿以上）都已产生、分化好，并迁移到大脑适当的部位。这时的神经元细胞上还没有多少突起，相互之间只形成了很少的突触连接。据估计新生儿的突触数目不到成人的三分之一。新生儿的大脑神经网络能够处理的信息非常有限，仅仅能做出基本的神经反射，眼睛能够看清楚的距离大约只有一尺左右。

出生后，大脑直接暴露在一个全新的复杂环境中，各种信号都需要大脑进行相应的处理，这就刺激了大脑神经网络的快速发育。神经元从胞体快速地产生突起并不断延伸，相互之间通过随机的方式形成大量的突触连接，逐渐形成越来越复杂的网络。伴随着新突触的产生，同时也存在着已生成突触凋亡、消失的过程。在幼儿发育的早期，新生成突触的速度大于凋亡的速度。在两到三岁左右，突触数目达到顶峰，大约是成人的两倍以上。在这以后，突触消失的速度逐渐超过生成的速度，突触数目开始减少。一般认为，到成人阶段神经网络被髓鞘和其它细胞保护并固定下来，突触产生和凋亡都很少发生，突触数目渐趋稳定。随着年龄的增长，突触数目开始下降。

在神经网络形成过程中，连接网络的突触是随机产生的，但决定哪些突触需要保留、哪些突触又需要裁减的过程却不是随意的，而是根据大脑获取的外界环境信号决定的。如下图所示，环境信号传入大脑，引起神经元兴奋产生动作电位，传播到突触。被激活的突触释放神经递质对下一个神经元产生兴奋或抑制。同时，被激活的突触两端可释放生长因子，维持突触的生存，保留了信息处理的通路。长期没有被激活的突触，因为缺乏生长因子的作用则逐渐萎缩、凋亡，这部分信息传导通路因缺少使用，得不到足够生长因子而萎缩、消失。

简单地说，大脑发育就是神经元先随机连接形成过量的突触网络，然后通过生物学上的“用进废退”原则，根据环境信号的反复刺激对突触网络进行修剪。这个过程类似于果树的剪枝，也有个相类似的专有名词，叫突触修饰（synaptic pruning）。Pruning的中文翻译就是剪枝的意思。

大脑神经网络的发育过程一定要与周围环境发生密切的交互作用，通过各种各样的环境信号不断地对随机生成的信息网络进行修剪、调整，最终保留最有效的信息处理网络。一个能够应对处理各种信息的神经网络，是由所处的复杂环境所塑造的。

相比基因组上的遗传因素，环境因素对人类智力的影响作用更大。环境可以改变人脑的结构（神经网络）。

人们一直在不知不觉中遵照这个原理、使用各种方法、有目的有针对地来给孩子提供各种环境信号，以构建更“聪明”的大脑，这就是我们所说的教育。

教育也可以改变人的大脑。人类所有的文化中，教育都涵盖了人脑发育的大部分或全部过程。一个高度重视、并实施恰当教育的社会，会有很多人拥有连接更好的大脑。

教育过程与大脑发育过程的重叠，但并不是说过分强调正式的教育，或者说是通常认为的知识教育，就能够构建更聪明的大脑。例如大多数中国家庭都熟悉或使用过的、让小孩子背诵唐诗宋词的方式，就是通过反复、强化的外界信号刺激，在孩子大脑中建立相关的信息网络。如果孩子太小，大脑的网络还没有能力充分理解所背诵内容，那么背诵的过程仅仅建立了信息存储的网络，还没有建立如何使用信息的网络。对多数孩子来说，长大进入社会后并不需要使用这些存储的信息和相关的神经网络。对这些孩子，背诵唐诗宋词的过程或许可以同来构建更有用、更好的网络。

教育仅是大脑发育过程中接受的外界环境信息的一部分，常常是主动地、按照固定模式提供的。和其它环境信号一样，不是所有的教育对孩子大脑的发育都是有益的，有些也是有害的。教育内容和方式还必须和大脑发育不同阶段相匹配。同一种教育，在大脑发育过程中过早地给与，常常具有更大的危害。因为这不仅挤占了大脑建立正常神经网络的机会，而且在实施过程中常常会带有强制性、欺骗性，对大脑建立正常的情绪控制网络有很大的危害，从长期看降低了大脑的执行功能。

环境可以改变人脑的结构，人脑与环境交互作用的核心是突触网络和突触修饰。从这点出发看教育，会进入一个不同的境界。在进一步讨论教育之前，我们不妨考虑几个很有意思的问题。

首先，为什么大脑不能长时间连续工作？

人脑和电脑一个很大的不同在于，电脑可以长期连续地工作，而人脑则做不到。

（图片来源：外链出处）

神经网络的基本元件神经元是活的细胞，必须维持正常的新陈代谢才能维持信息处理功能。神经元兴奋产生、传递动作电位，激活突触释放神经递质，这些过程都需要消耗能量。生物细胞使用的是一种带有高能化学键的分子能量（ATP），由线粒体产生。突触在执行信息传递功能时，还要消耗神经递质。神经递质在细胞体合成，贮存在突触小泡内，经过运输到突触才能使用。大脑在处理信息时，神经元同时也不断地合成分子能量和神经递质等必须地分子，并将代谢废物及时运走。如果让大脑长时间地处于高强度的兴奋状态，就会发生能量与神经递质供给不足的情况，信息处理速度减慢，反应能力降低。只有经过睡眠休息，才能调整恢复到良好的状态。

有意思的是，当大脑神经网络信息处理能力开始下降的时候，最先给出的人体信号不是：“困了，需要睡觉”。而是：“饿了，要吃东西”。按照内分泌专家的说法：人体大部分想吃东西的时候，并不是身体真正需要食物的时候。大脑兴奋过度是引起吃的欲望之一。

孩子的大脑处于发育期，突触数目远多于成人，因髓鞘的发育还不完备神经元之间也缺乏足够的绝缘。与成人相比，这时的神经网络更容易产生大范围的过度兴奋。孩子越小，就越不能够有效地把这种状态明确地表达出来。父母也常常忽视、误解孩子表达的身体信号，采取不当的应对方法。

第二个问题是：胎教有用吗？

在“不能让孩子输在起跑线上”这句话的蛊惑下，很多不求甚解的家长非常热衷于提前开始教育。顾名思义，胎教也“算是”教育，所以也是很多家庭追求的热点。

（图片来源：外链出处）

如果你用“胎教”作为关键词，在互联网上做个简单的检索，会得到铺天盖地的信息。

其中的一种说法是：“据国外神经学专家研究，胎儿从第5周之后形成神经细胞，因此父母亲希望宝宝有什么样的智力，希望能够在有利的条件下增进遗传中大脑潜力的发展，这在一定程度上是可以预先设计的，其方法很简单，那就是胎教。”支持的根据是：“近20年来，许多发达国家如美、日、法、俄等国家的产科医师在研究胎儿医学的基础上，使用B超、胎儿镜、脑电图等先进科学仪器进行检查，证实了孕24周后的胎儿有了听觉功能，并通过实验发现出生后的婴儿对宫内曾经听惯的音乐有记忆的表现。”

不论何种说法，最后总要强调：“胎教是一种优生优育的方法之一，为了使宝宝出生后有一个良好的基础。在胎儿期内，利用一定的方法，通过母体给胎儿以各种良性刺激，从而促使胎儿生理和心理上的健康成长。” 更幽默的是，还有的胎教网站强调：“许多人以为胎教就是教育胎儿,或者说让胎儿接受教育，这是一种误解。胎儿是没有思维能力的，因此胎儿是什么也学不会的。那么胎教还有什么意义呢?”原来“胎教”是给妈妈的，那么不妨用“围产期保健”在互联网上检索一下，你会发现围产期保健比“胎教”做得更好。

用神经网络发育的知识来分析“胎教”，会有进一步的认识。婴儿在出生时，大脑的重量只有成人的十分之一，突触数目不到成人的三分之一，神经网络只具有最基本的条件反射功能，不具有任何高级的认知和执行功能。很容易推断，在出生前胎儿大脑只可能具有比这更加原始的功能。

在母体的保护下，胎儿所处的环境非常单一，因此大脑的发育受遗传因素的影响比受环境因素的影响更大。遗传因素保证了胎儿能够生成足够数目的神经元并迁移到大脑适当的位置。胎儿神经网络的发育几乎都是集中在脑干部位。脑干包括了控制人体基本生命功能的神经中枢，如心跳、呼吸等。这部分的神经网络自主性强，是出生后独立生活所必须具有的功能，这部分神经网络在出生后受环境的影响也不大，所以不需要外界的环境信号，更适于在胎儿期充分发育。

如果你想了解更多胎儿大脑发育的信息，可以参考这个网站，提供了较详细的解释和相关的参考书籍外链出处。

第三个问题是：人能够克隆吗？

很多人看过好莱坞科幻大片《第六日》，故事梗概：“在不久的将来，人类科技的技术已发展到可以任意克隆任何生物，甚至包括人类本身的地步，不过克隆人类仍然被宣布为非法行为。但充满野心的科学家却死心不息继续秘密地研究复制人类的可能性，因而引出了一系列惊险的故事。。。”

克隆人（动物）是近年来很热门的话题，追求长生不老或许是克隆人的主要目的。很多人相信随着科学技术的发展，克隆人是可以实现的。所以很多的讨论是关于伦理、法律相关的问题。也有人已经直接投资开始做起来了。

我相信克隆一个具有完全相同基因的个体是可以实现的。但是，根据前面介绍的大脑神经网络的形成过程，你可以想一想是否能够将一个大脑的神经网络完整地克隆出来？这需要复制完全相同的大脑外界环境，如何做到？我想象不出来，也没有见到有人讨论过。

不过，从一个人身上克隆出另一个基因完全相同的个体，但具有截然不同的大脑，这会是个挺有意思的科幻题材。现在玩儿“穿越”还不如玩儿“克隆”，比如将希特勒“克隆”到犹太人家里。。。

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