歡迎光臨 國立臺灣實驗教育推動中心

主持：國立台中教育大學 教育學系系主任 陳延興教授

今日論壇的第四分場「生物科技與學習」，由本中心協同主持人--中教大教育系系主任陳延興教授主持，並由陽明交通大學教育所的段正仁教授以及中央大學認知神經科學所的吳嫻教授帶來一場知識密度很高的科普分享。
 
❏ 「教育是改變大腦的工作」為什麼我們不從了解大腦開始?

段正仁老師向大家介紹神經影像技術、這些技術的研究揭示大腦如何學習的證據有哪些、以及目前的研究方向。為了幫助廣泛背景的聽眾進入脈絡，段老師首先從神經的最基本單位:神經元介紹起，為大家複習了那些可能部分已經還給高中及大學老師的神經知識。

每一個神經細胞／神經元包含了細胞本體、接收訊息的樹突以及傳遞訊息的軸突等，放電的過程並不像電子訊號，而是透過神經元與神經元之間的間隙：突觸Synapse，以傳遞化學物質的方式進行訊號的傳遞。這邊段老師拋了一個有趣的問題讓大家想：

.
❏ 「為什麼神經不像電線一樣」一條到底就好，還要分段？
「電訊號這麼方便，為什麼神經不像電線一樣，一條拉到底就好？為什麼要這樣分段、用這麼麻煩的方式傳遞？」

在大家進行完一輪猜想後，段老師的答覆是：你想想看，既然有一條神經通路這麼重要，一條線牽到底萬一斷了怎麼辦？神經元與神經元彼此之間透過網絡狀的連結，允許訊號被繞道傳遞；另一方面，神經傳遞物質中，由於不同的傳遞物質有不同的功能：有的是傳遞物質作為促進的用途，有的則是抑制的，這樣的設計同一條線路傳遞不同的訊號。

暖身完畢，段老師進入正題，談一談眾多神經影像技術中，今天主要要介紹的EEG（腦電波）及fMRI（功能性核磁造影），這兩樣是當今最廣泛被研究與應用的神經影像技術。

.
❏ 「認識EEG」（腦電波）
EEG可以透過頭皮的微電流偵測大腦皮質的神經活性，具有高度的時間解析度，可以以毫秒為單位偵測外界刺激與腦波變化的時間差。由於腦電波的電流非常細微，在頭上貼附那64個偵測點之前要先塗導電膠，這樣的設備一組約兩百萬元，但跟fMRI比起來算是很便宜的了。

.
❏ 「認識fMRI」（功能性核磁造影）
段老師真的是非常看得起大家，為了幫助大家認識fMRI的工作原理，居然從astrocyte星狀細胞的作用講起！Astrocyte屬於神經膠質細胞的一種，這一類細胞過去認為只是用來架構在神經元之間，像填充物一樣扮演輔助性質的工作，直到近期的研究才發現它扮演非常重要的角色。由於astrocyte會在神經細胞與微血管之間，溝通微血管的舒張，以回應神經細胞活化時的需氧量。

也就是說當神經元工作量大、局部的微血管血流量就會增加。而fMRI就是偵測這個血流量。至於fMRI如何偵測血流量，段老師再次給大家密集的科普：由於血紅素中的2價鐵離子在核磁共振中，攜氧時是逆磁性，不攜氧時是順磁性，fMRI便可利用這個特性來偵測腦中的血流量變化，研究人員從而能回推什麼腦區正在活化中。

.
❏ 神經影像研究如何帶來對學習的新理解？
透過EEG的研究，研究人員驚訝地發現「腦幹聽覺反應」（用來測試聽覺訊號在聽神經的傳輸速度）竟然對於「不同程度的閱讀能力」有一定的預測力。換言之，在一些狀況中，閱讀能力不好的孩子，不見得是理解能力有問題，而是聽覺訊號傳遞有問題。透過EEG，有機會幫助判斷孩子的學習障礙背後真正的原因。

早期研究在評估閱讀任務對受試者難度時，經常用eye tracker（眼動儀）來追蹤受試者的視線焦點，當資訊被閱讀時，受試者眼球來回參照的頻率越高，表示閱讀難度越高。當透過EEG偵測大腦處理語言地Broca's area（運動性語言中樞）、Wernicke's area（聽覺性語言中樞）時，也可以運用一樣的原則，看看受試者閱讀時是否需要將訊號在兩個腦區間來回傳遞。

總結來說，神經影像可以幫助我們重新理解，當孩子的學習發生障礙時，到底是comprehension還是computation的問題。不過段老師仍提醒大家，神經影像只能反應大腦活動的百分之一不到，不是萬能的。
「大腦終生都在發育，大腦的發展並不是基因決定了就不會轉彎。」
吳嫻老師帶領大家好好認識了一番我們可能都有所誤解的大腦。

.
❏ 荒謬的商品亂象
從心智到大腦，坊間流行過非常多強健心智、腦力開發的商品，吳老師貼出令人啼笑皆非的新聞剪報，例如「吞火鍛鍊心智」的教育機構、提供「大腦皮紋檢測」服務的商家等。這些商品大多沒有科學證據的支持，只是任由業者用各種似是而非的說法招搖撞騙。

.
❏ Nature vs Nuture
關於「先天與後天」，曾在一個年代中被科學界熱烈討論過的議題。
吳老師給大家看一張照片：一位男性高、強壯、黝黑，另一位則矮小、瘦、皮膚白皙。令人驚訝的是，他們是同卵雙胞胎，也就是說，他們有著幾乎一樣的基因。一張圖簡單暴力地說明這個爭論的結論：就算是基因一樣的個體，透過不同的後天環境與鍛鍊，也可以塑造出完全不同的結果。

大腦也是。

在0-3歲間，大腦的神經網絡越長越緻密，但是3歲以後，神經網絡的緻密性就會下降、並且特化功能的神經束（由多個神經元構成）會變粗壯。並不是說神經網絡越緻密越好，突觸的修剪使得特化的功能得已實現，突觸的修剪也是一種成長的展現。

在過去的老鼠實驗中，豐富的環境比起貧乏的環境，更有助於神經元的滋生，再次說明了後天環境的影響力。

.
❏ 前額葉、前額葉、前額葉
（為什麼要說三次，你知道的）

許多人關心大腦的可塑性有沒有所謂的「關鍵期」，透過當代大腦的研究，可以看到不同的腦區的成熟曲線是有差異的。尤其PFC前額葉的穩定是特別晚的，在14-26歲之間有非常劇烈的變化，青少年乃至於大學生除了因為青春期的賀爾蒙變化而令大人覺得很難懂之外，前額葉在劇烈發育也是原因之一（小編推薦蔡函潔臨床心理師製作的不生氣心經：他的前額葉還沒長好但我長好了repeat*N）。比較人類與動物，人類的前額葉也是特別大的，而且越演化越大。

這麼大的前額葉能做什麼呢？
「好像...沒有也不會怎麼樣.....？」

Phineas Gage，這位有名的鐵路工人曾一度讓19世紀的醫師們充滿困惑。在1848年，他因為一場意外爆炸，使鐵棍從他的顴骨下穿進、從天靈蓋穿出。神奇的是，Gage後來不僅活了下來，而且康復後在醫院進行各種基礎認知功能的測試，竟然幾乎沒有受損！

後來追蹤一陣子之後才發現，他脾氣變得暴躁、也難以與他人配合、無法克制不合社會規範的衝動，家人們都覺得他性情大變。後來的研究者才發現，他受損的是自我控制力與社會互動等功能。在他死後，研究者重建了他的頭骨建模，回推得知那根穿刺他頭顱的鐵棍，破壞掉的是他的前額葉。

自此，研究者終於將自控力與前額葉關聯起來，感謝Gage對人類醫學的貢獻。（合十。）

在近代研究中發現，自控力對於人的成就與幸福有很高的預測。然而，根據Hummer等人2019的研究，即使是短暫的接觸暴力電玩，都可以降低前額葉的執行＝抑制功能。（你要繼續打電玩嗎，要確定欸！）

.
❏ 運動和睡覺才是王道
雖然腦神經科學的研究指出：「大腦終生可塑，越小的時候彈性越大。」然而這並不代表我們要塞越多的課程越好。腦科學告訴我們，語言和數學很重要，但是運動和睡覺同樣重要。

運動不只健身也健腦，Pontifex等人在2013年的研究顯示，跑20分鐘的跑步機對ADHD的兒童來說，不論對於學科表現、還是前額葉的執行功能，都有顯著的進步。運動對大腦的促進，主要得益於促進各式各樣的神經傳導物的合成與分泌（族繁不及備載下略三千字）。

吳老師列舉了第零堂體育課、以及一些教育實驗的案例，實驗的結果可能顛覆大家的印象：少讀一小時的書反而讓孩子表現更好。

既然運動這麼好，我們趕快制訂政策，督促所有學校都增加體育課好了？吳老師提醒：雖然運動很好，但是「自發的」效果更好。在老鼠身上實驗可見，自發運動組的老鼠在海馬迴的神經元增生量，比被動組多更多。

==============

結束了知識點滿滿的分享後，兩位老師的共同結論是：

腦神經科學可以讓大家對大腦有更多認識，但不是萬能的。藥物雖然可以短暫達成一些效果，但長期來看不見得都是好的影響。至於坊間的各種補品，沒有任何實證研究證明吃補品有幫助，不如把錢省下來。運動、睡覺、學習新事物才是真的對大腦好的事情。