脑功能发育发展的动力学机制及其重要意义

吴祖仁，吴江滨，张增常，杨正波

(1.中国创造学会大脑开发研究会，河北 保定 071000；2.河北大学 科技园办公室，河北 保定 071000；3.湖北文理学院 物理与电子工程学院，湖北 襄阳 441053)

脑功能发育发展的动力学机制及其重要意义

吴祖仁1，吴江滨2，张增常3，杨正波3

(1.中国创造学会大脑开发研究会，河北 保定 071000；2.河北大学 科技园办公室，河北 保定 071000；3.湖北文理学院 物理与电子工程学院，湖北 襄阳 441053)

通过追溯神经系统和脑的演化历史及对一系列脑科学典型实验和相关实例的研究，发现脑内存在特殊的代谢机制，在此基础上提出脑功能发育发展和自主演化的动力学机制假设，并引出更深层次的科学思考.

脑功能；发育；动力学机制

揭示脑功能发育发展的动力学机制是“认识脑”领域的一个重要研究课题，更是“开发脑”教育研究的理论基础. 开发脑的研究对于建立基于脑科学的创新教育体系具有划时代的战略意义.

笔者从事教育改革研究三十多年，近十年，专致于”开发脑”教育研究与实践，希望通过探索脑功能发育与发展的机制，深入研究学习和教育的规律. 物理专业的思维习惯驱使笔者从以下两个方面去展开研究：第一，从亿万年的生命演化史中寻找神经系统和脑的演化轨迹；第二，从近二十多年来一系列脑科学实验去探索其中奥秘. 庆幸的是，在这两个方向上的努力，均获得了很有价值的资料，从不同的角度启示笔者得到相同的思想：脑是一个比普通生命组织更高级的物质形态，它遵循着与一般生命组织绝然不同的规律，脑是一个以信息活动为主导的，特殊的能量、物质的代谢系统. 为了方便，我们称其为“信息、能量、物质”三个维度的代谢系统.

“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在灯火阑珊处”. 记得四年前笔者提出上述理论假设的那一刻，也突然觉得，也许我们要寻求的脑功能发育发展和自主演化的动力学机制，就是“信息、能量、物质”的特殊代谢活动. 几年来，笔者在不断论证这一想法合理性的同时，并将其应用于开发脑教育课程研究与实践，深感四处逢源、得心应手，在基于脑科学的教育理论研究和课程创新实验两方面均收到丰硕的成果. 经过四年的沉淀，我们决定提出来与学界讨论，恳请大家指正.

1 追溯历史，从神经系统与脑的形成和演化历史过程进行探索

先让我们来观察一组五亿年前神经系统演化的图片. 图1中的ABC分别代表神经系统演化发展的几个典型阶段，勾画出了一条神经系统发育、发展、演化的清晰轨迹.

A.水螅的网状神经系统； B.涡虫的梯形神经系统； C.蚯蚓的链状神经系统图1 神经系统的演化

自然界是最好的老师，生命演化史是充满智慧的科学历史博物馆. 生命是大自然亿万年演化的创造，神经系统和大脑演化发展是生命演化史中最精彩的一页，在那里能发现生命系统自主演化发展的奥秘. 大约35亿年前，地球上出现生命. 最早的动物是没有神经系统的单细胞原生动物. 大约5亿多年前，出现多细胞动物，在它们身上开始发展起来专门感知外部环境的组织，称为神经系统雏形. 到腔肠动物，演化出原始的神经系统——网状神经系统，如图A所示；到扁形动物，就演化出有方向分布的神经系统——梯形神经系统，且神经细胞向前集中，出现神经中枢，呈现“脑”的雏形，如图B所示；到线虫动物，就出现了发达的神经索，出现轴向分布特征；到环节动物，出现明显纵向分布的神经系统——链状神经，环节动物的“脑”和复神经链能协同控制全身的感觉和运动，如图C所示；到节肢动物发展成了有脑的神经系统，头部的三对神经就整合成脑，而且形成前脑、中脑和后脑的结构；奥陶纪(5亿1千万年前到4亿3千8百万年前)出现原始的脊椎动物. 脊椎动物神经系统的演化集中地体现在脑的进化之中. 图2展示了脊椎动物脑的演化.

图2 各种脊椎动物的脑

从图2可以看出，脊椎动物脑的演化集中地体现在大脑皮层的发展. 鱼类、两栖类和鸟类的大脑皮层很小；鼠类的大脑皮层变大很多，但表面光滑；猫科开始的高等哺乳动物的大脑皮层开始出现沟回，到黑猩猩的大脑皮层就几乎把整个“原始脑”盖住了. 上述演化经历了长达亿年计的历程，但是，从人类祖先到现在，才经历几百万年的时间，人类的大脑就发生了质的飞跃.

分析漫长的动物演化史，我们可以发现：神经系统的演化存在两个截然不同的历史阶段. 第一阶段是人类出现之前，在那个漫长的阶段，驱动动物神经系统演化的基本因素是自然环境变化信息，完全属于被动地变化，遵循达尔文的“适者生存”原则. 称其为自然演化. 第二阶段是人类祖先出现以后. 人类以自己的社会化劳动和生活创造了远比自然信息对人类大脑作用更频繁，作用强度更大的社会生活信息，于是人类的大脑进入了一个由人类自己创造信息起主导作用的自主演化发展阶段.

与历史上靠自然变化的信息对脑的作用相比，在人类自主演化的时代，人类是社会性活动，信息量大、内容丰富、变化频繁，且随着脑的进化呈现耦合式加速发展趋势. 随着语言、文字的创造和发展，社会性教育的形成，人类文化既有历史传承，又有不同民族和国家的交流，就可以接受巨大的、系统的、连续的、变化的课程信息教育，就能对自己的大脑进行系统的教育开发. 所以在百万年的时间里，人类的大脑容量扩大了数倍，使大脑神经网络系统出现了质的飞跃，成为有高度智慧、复杂情感和意识的能主宰整个世界的生灵. 创造了长期以来人们不解的“智慧之谜”. 表1显示在百万年计的时间里人类祖先大脑的迅速演化.

追溯漫长的生命演化史，尤其是人类自身神经系统和脑的演化史，审视这一幕幕演化过程，启示笔者去思考，在大脑系统中存在着一种由信息支配下的能量、物质的特殊代谢机制. 正是这种机制，亿万年来驱动着神经系统和脑的持续演化，最后造就了人类大脑.

表1 人脑的进化

注：资料来源于P. V. Tobias《奥丁峡谷鲍氏南方古猿的颅骨》.

2 分析一系列脑科学实验，从中搜索隐藏的秘密

下面让我们看看一系列脑科学实验结果，以实验事实为依据去探索脑内的特殊代谢和发展机制.

2.1 第一类实验，显示大脑内部的特殊能耗性质

实验表明，“成人脑重仅占身体总重量的2%，但其能量消耗却占全身总能量消耗的20%，是其重量比例估算值的10倍. ”“在任务状态中时，脑增加的能量消耗却不到总能量消耗的1%[1]，也就是说，大脑静态能耗远远大于任务引起的能耗增加. ”

上述实验事实启示我们：脑是一个超高能耗器官，那么脑内的大量能量消耗用于什么活动？“任务状态”，即有信息交流时，大脑才增加1%的能耗，那么“非任务状态”为什么消耗20%的能量呢？其耗能机制是什么呢？

唐孝威先生在《心智的无意识活动》中对心智的无意识活动与能量消耗进行了专题讨论. 书中写道：“我们强调，无意识活动不但是脑的状态，而且是脑内的过程；无意识活动不但有内隐作用，而且消耗脑内能量. ”又说，“脑内无意识活动是持续进行着的. 脑内同时加工的无意识活动项目数远大于有意识活动项目，因为在同一时刻加工的有意识活动的项目只有一项. 可以设想，大量的无意识活动引起的脑的总能量消耗，有可能比与任务相关的有意识活动引起的脑能量消耗大. ”[2]

心理学中关于意识有一个“冰山理论”，它的意思是“如果把人的心理比作一座冰山的话，那么人的意识便是露出水面的冰山顶端，它只占人心理的很小一部分，大部分的心理活动或过程是无意识的. ”[3]

根据前面的实验结果，结合唐孝威先生的论述和心理学的“冰山理论”，我们可以形成这样的认识：心智活动需要消耗能量，脑内大量的能耗主要用于无意识的心智活动. 无意识心智活动虽然是感觉不到的，但却是大量的、持续地在脑内进行着的. 无意识活动是有意识心智活动的继续，脑不仅要在有意识活动后进一步完成信息的编码、存储、记忆，还要不断调整脑内心理元素之间的关系，使心智的整体能态结构分布尽可能处于最合理状态. 脑内的这些频繁的无意识心智活动都需要不停地消耗大量的能量. 这样就可以理解，为什么在静息态大脑也要消耗全身耗能的20%.

2.2 第二类实验，表明脑的能量和物质的代谢活动与意识状态存在紧密的关联性

“在意识状态发生改变的情况下，脑的能量消耗会发生改变. 如药物引起的麻醉会使个体全脑葡萄糖代谢大幅下降. 病人麻醉时，由不同麻醉剂造成的脑的能量代谢下降从31%—68%不等[4]，植物人的脑能量代谢比控制组低30%—40%[5].

第二类实验表明，上述两种情况脑内的无意识心智活动已经严重下降，所以脑内能量消耗大幅地下降.

综合上述两类实验，可以得出结论：心智活动需要消耗能量，由于脑内存在大量的、复杂的、持续不断的无意识心智活动，所以脑就是一个大量消耗能量的器官；信息活动主导着脑内能量的消耗，脑内能量的消耗随着心智活动程度的变化而变化.

2.3 第三类实验，提出学习记忆模型

2000年诺贝尔生理学或医学奖的其中之一授予美国科学家坎德拉，表彰他用动物实验揭示了学习记忆模型. 实验发现，记忆过程的必要条件是突触形态的改变；“长程记忆和短程记忆的根本区别在于，长时程记忆需要有新的蛋白质合成，而短时程记忆只需要已有的蛋白质磷酸化.[6]坎德拉的发现告诉我们，脑内的记忆是在一定能量的信息作用下，在相关脑区引起物质变化的过程. 在这过程中，相关脑区有神经递质的运动和蛋白质的生成. 这样就从实验证明，学习和记忆过程是大脑中信息活动主导下的能量和物质的特殊代谢活动.

2.4 第四类实验，发现脑内能量物质代谢随信息活动变化而改变

用正电子发射断层显像PET实验，对学习活动过程大脑功能进行实时图像观测，直接获取脑内的能量、物质代谢随信息活动变化的重要信息. 如观察到以下现象：“不同的脑功能定位于解剖学上专一性的脑区. 例如，当受试者被动地看一个字，听一个字或说一个字时，每种任务分别激活不同的一组脑区”[7]实验可显示“更细致的功能分离现象，如PET实验表明，学习动词、名词，以及不同类的名词都分别定位于脑内不同的部分”[8]“实验证明，反过来一个看起来简单的认知任务，也并不是由单个脑区、而是由许多相关的脑区激活来完成的. 即由这些脑区组成网络来执行特定的认知操作. ”[9]

这类实验的基本原理是人在学习活动时，相关脑区的氧和葡萄糖的消耗量呈现增加. PET实验就是通过相关脑区的氧和葡萄糖代谢的变化的脑图特征来显示哪些脑区参与了学习和记忆活动. 应用2000年诺贝尔生理学与医学奖“学习记忆的模型”，长时程记忆必然有新的蛋白质生成机制，我们就可以理解为，上面PET实验的结果，等于间接地看到在相关脑区出现了新的蛋白质，相应神经元突触出现了变形，出现“大脑重塑”. 综合起来，我们可以理解为PET实验已经动态地观察到脑内“信息、物质、能量”紧密结合的代谢活动.

综合分析上述四类实验，笔者认为可以对大脑内部的代谢活动做出如下理论假设：

1)脑是专司信息的器官，脑内之所以大量地消耗能量，因为脑内存在不间断的复杂的信息活动. 信息活动伴随能量和物质的代谢. 不仅有意识心智活动伴随能量物质代谢，心智的无意识活动也存在能量的消耗，而且是能量消耗的主体.

2)脑内的信息活动主导着脑内的能量和物质的代谢.

3)脑具有如下特殊的生命特征：脑是一个需要不断与外界保持“信息、能量、物质”交流的开放系统，是一个以信息活动为主导的“能量、物质”的特殊代谢系统，简称为“信息、能量、物质”三个维度的代谢系统.

3 脑功能发育发展的动力学机制

现在让我们对上述两方面的研究做一个综合分析，提出脑功能发育发展的动力学机制假设.

脑是生命系统为适应环境变化，在数以亿年的历史演化中形成的，随着脑的演化，动物也不断地进化. 高级动物的脑逐渐演化成功能分工不同的两大部分. 第一部分叫原始脑，主要负责调整控制整个生命体征，这一部分人和高等动物的差不多，它功能是由遗传直接形成的；第二部分是大脑皮层，也就是通常所说的大脑. 人和动物脑的区别主要就在人有一个发达的大脑. 大脑与一切器官不同，存在两种不同的结构状态和发育过程. 高等动物出生后它们的大脑也存在一个短暂的发育敏感期，而敏感期的长短随着脑的复杂程度不同而不同. 人脑发展的敏感期相当长，而且不同能力对应的脑区有不同的敏感期时间. 婴儿出生时大脑中几百亿个神经元处于无序的、没有功能的状态，必须经过长期的学习和体念，才能逐渐形成具有功能的神经网络结构. 所以，也称其为“社会性脑”. 人类大脑的这种“双重结构特性”是人类祖先在特殊的生活方式下，在漫长的历史演化中形成，并且形成了大脑的两个截然不同的发展阶段. 第一阶段是通过遗传自然实现的，第二阶段必须通过个体的长期学习，才能实现. 这就是说，每个人必须经历从“自然性脑”到“社会性脑”的结构性转变，这个过程就是不断学习的过程. 不经历社会性学习就不能成为一个正常的人. 狼孩就是最好的例证.

脑的两种结构的转变是人类祖先大脑漫长演化的创造. 对当代人来说，可以看做是自然界留给每个人的“一门必修课程”. 脑科学研究揭示，人出生时，除了“原始脑”中由于基因作用在胎里已经形成的、控制人的生理活动的神经网络以外，大脑中的几百亿的神经元细胞基本上都处于无序的，没有功能的，等待联接的状态. 从无序的没有功能的生理结构向有序的网络功能结构转变是一个根本性转变. 那么，这个结构性转变的过程是靠什么机制不断进行的呢？

从上面的分析我们可以得出，这个结构性转变过程的必要条件是个体的学习和体念. 个体的学习和体念使大脑获得有效的信息，有效的信息传递到大脑，使相关神经元之间有相应的蛋白质形成，从而使神经元之间形成功能关联，形成神经元通道，进而逐渐形成神经网络，正是这种网络物质的形成完成了学习和记忆. 这是诺贝尔奖获得者坎贝尔的“学习记忆模型“的基本意义. 可见，神经网络的建立，脑功能的发育发展的基本动力是信息主导下的能量、物质的代谢作用. 我们知道，按照普利高津的耗散结构理论，一切生命现象都遵循能量、物质的耗散结构规律. 脑也不例外，但是，从一系列脑科学实验表明，如果脑仅仅遵循普利高津耗散结构过程，那么只是一个自然脑，脑还必须遵循一种特殊的耗散结构规律，信息主导下的“信息、能量、物质”耗散结构规律. 即在脑内耗散结构中，信息与能量、物质不仅属于并列的一个维度，而且处于主导的地位. 所以.我们可以将脑内的代谢活动称之为，“信息、能量、物质”的三维耗散结构活动.

我们认为，正是脑内的”信息、能量、物质”的三维耗散结构活动使大脑从没有信息功能的自然结构逐渐发育发展起来具有心智功能的社会结构，并提出假设：“信息、能量、物质”的三个维度的耗散结构是脑功能发育发展的动力学机制. 为方便，用信息(information)，能量(energy)，物质(material)英文单词的第一个字母组合表示，称为IEM假设.

4 本课题研究的意义

4.1 IEM假设为“开发脑”教育研究提供了基础理论

“开发脑”就是要使人的潜在大脑功能及早地、全面地、最大限度地得到开发. IEM假设假设可以诠释：人的智能不是天生的，是通过学习形成的，必须进行开发. 信息的品质、结构、强度等对应教育课程和环境，决定脑内的能量和物质的耗散结构活动，所以IEM假设是“开发脑”教育研究的理论基础. 近十年来，笔者在承担全国教育科学“十一五”“十二五”课题研究中，应用IEM假设在教育理论研究和课程创新方面取得丰硕成果.

基于脑科学的学习论，提出了学习是脑的天然要求，学习是脑功能发育发展的基本途径；学习是大脑的功能、创造也是大脑的特性，人人都可以有创造性，天才可以开发、培养. 没有不爱学习的学生，只有不适合学生的课程和教学等等[10]；研究教育必先研究学习等.

基于脑科学的教育论，提出了“教育的三个时代论”，强调“基础教育应该以开发大脑功能为基本目标”[11]；教育的时间空间结构理论[12]；基于脑科学的“以学生为本”理论等.

基于脑科学的课程论，提出了“国家课程、地方课程、校本课程、家庭课程和个人课程”五位一体的课程论；“国家课程脑科学校本化”和创建填补国家课程能力缺失的“超常课程”；基于脑功能四个系统和五种心理相互作用及统一性的课程设计理念；“以能力发展为主线(或主导)结构性课程”理念等

基于脑科学的评价理论，提出了“注重激励性的评价原则“和“基于智能论的全面评价体系”；提出“行商概念”和“智商、情商、行商相结合的心理结构评价体系”[13].

上述思想理论在多年的实验教学中已经取得丰硕的成果：邢台市第四幼儿园承担的《入园教育课程》研究，以教育统计测量呈现“显著性差异”通过河北省教育科学课题鉴定；湖北文理学院(原襄樊学院)基于脑科学智能论提出的“以技术教育基地为平台的大学物理课程综合改革”获得“2009年国家级人才培养模式创新实验区”的称号；基于“全国教育科学‘十二五’课题”(HBB110031)的“以能力发展为主线全脑开发小学结构性课程”已经形成显著特色的体系，各科教学呈现新的面貌. 2015年8月河北省教育厅编制的《教育信息快报》做了明确介绍.

4.2 IEM假设可以为生命系统的自主演化提供诠释

亿万年来，生命系统为什么会不断地自主演化发展，为什么人类祖先出现以后会出现加速演化，使自己成为超越一切生灵，主宰整个地球的智慧物种？现在，我们可以用IEM假设来做一解释.

脑功能发育发展的三维耗散结构活动机制，揭示了脑是在信息主导下的“信息、能量、物质耗散结构”活动中实现功能建构，对外部信息形成记忆，从而获得适应环境变化的生存能力，并在这种过程中实现了脑的演化发展. 由于环境变化的信息比较单调、缓慢，所以在人类祖先出现前的数亿年历史中，有脑动物的演化仍然是相当缓慢的.

人类祖先出现后，由于人类祖先学会劳动和创造，形成用自己创造的信息对大脑进行高强度频繁作用的演化机制，使人类大脑内的“信息、能量、物质”耗散结构活动异常频繁剧烈，所以在几十万年的时间内，人类的大脑皮层便增大了几倍，使大脑形成了具有空前强大的信息功能，形成具有高度的智慧，复杂的感情和坚强意志力的智能系统. 而历史上与类人猿处于相当水平的灵长类动物，至今却仍然停留在几百万年前的智能水平.

4.3 IEM假设为哲学基本问题的研究提供了新思想

“存在与意识”的关系问题是哲学界长期讨论，但至今并没有得到根本解决的基本问题. 究其原因，是一直没有从根本上找到“存在与意识”双方的本质联系. 因此，基本认识一直停留在哲学界形成一种大家可以接受的说法. 如“存在决定意识”“物质决定精神”云云. 笔者认为，基于脑科学的IEM假设也许可望将“存在与意识”统一于一种更高的物质形态——智慧物质之中. 智慧物质就是大脑神经网络. 我们可以从神经网络的形成和基本特性去认识. 从IEM假设我们知道，作为智慧生命系统，是在信息的作用下通过“信息、能量、物质”的耗散结构过程逐渐形成的. 所以，意识与智慧物质是统一体，更明确地说，意识是智慧物质的特性，它们同时形成、同时发展、同时衰退、同时消亡. 一旦意识不存在了，智慧物质也就死亡了，反之亦然. 医学上的植物人就是例证. 植物人就是智慧生命物质失去意识，智慧系统便降解为普通生命系统，只维持能量物质的耗散结构活动. 再来看婴儿脑，一开始也还是个自然脑，没有什么意识，是一步步学习，才逐渐形成意识的，逐渐由普通生命物质变成智慧物质的. 可见，通过应用IEM假设，从意识的源头始末分析，将智慧物质的形成过程和意识的出现联系起来，建立智慧物质的特殊结构概念，有望从根本上对“存在与意识”的争论实现统一.

哲学家应该从脑科学的发展中得到启示，不应该停留在20世纪以前对物质世界的认识水平上. 应该从运动的、变化的哲学观去看待对物质世界，认识到对物质的认识也还存在重大的未知领域. 脑科学启示人们，自然界还存在一种比普通生命物质更高的形态——智慧生命物质，脑. 脑科学的发展应该促使哲学关于世界观和方法论的研究有新的突破和发展.

[1] 唐孝威.物理·生理·心理病理[M].杭州：浙江大学出版社，2009：253.

[2] 唐孝威.心智的无意识活动[M].杭州：浙江大学出版社，2008：55.

[3] 彭聃龄.普通心理学[M].北京：北京师范大学出版社，2004：175.

[4] ALKIRE M T， HAIER R J， BARKER S J， et al. Cerebral metabolism during propofol anesthesia in humans studied with positron emission tomography[J].Anesthesiology，1995，82(2)：393.

[5] SCHIFF N D， PLUM F. Cortical function in the persistent vegetative state[J]. Trends Cogn Sci， 1999(3)：43-46.

[6] 李丰桥，王晓民.三位神经科学家分享2000年诺贝尔生理学或医学奖[J].生物学进展，2001(1)：92-95.

[7] PETERSON. The systems neuroscience of human memory[J]. Cog Neurosci.， 1989(1)：153-170.

[8] PETERSON S E， FOX P T， SNYDER A Z， et al. Activation of extrastriate and frontal cortical areas by visual words and word-like stimulus[J]. Science，1990(249)：1041-1044.

[9] DAMASIO H， GRABOWSKI TJ. A neural basis for lexical retrieval[J]. Nature，1996(380)：499-505.

[10] 应和平，张剑波，陈飞燕.走近唐孝威[M].杭州：浙江科学技术出版社，2014：97-102.

[11] 吴祖仁.未来教育展望：迎接教育的第三个时代[N].科学时报，2009-03-27.

[12] 吴祖仁.基于技术教育基地的大学物理课程改革的教育理论价值和实践意义[J].物理通报，2010(5)：3-6.

[13] 吴祖仁.行商的科学背景及其意义[J].北京师范大学学报：自然科学版，2010(1)：103-107.

(责任编辑：徐 杰)

Dynamic Mechanism of Brain Function Development and Its Great Significance

WU Zuren1, WU Jiangbin2, ZHANG Zengchang3, YANG Zhengbo3

(1.Brain Development Institute, China Creative Studies Institute, Baoding 071000, China; 2.Office for Science Park, Hebei University, Baoding 071000, China; 3.School of Physics and Electronic Engineering, Hubei University of Arts and Science, Xiangyang 441053, China)

By tracing the evolution history of the nervous system and brains and studying a series of typical experiments about brain science and some related instances， it found that there is a special metabolic mechanism in a brain， based on this， it assumes a dynamic mechanism on the development and the evolution of brain function， and carrying on some deeper scientific thinking.

brain function； development； a dynamic mechanism

2017-04-05；

2017-08-02

吴祖仁(1940— )，男，浙江东阳人，河北大学物理科学与技术学院教授，湖北文理学院兼职教授，中国创造学会大脑开发研究会理事长.

N4

A

2095-4476(2017)08-0073-06