我们的大脑是如何工作和学习的？（中）

作者：读裁者黄远辉，专注人文历史，质量标准，知识产权

推荐阅读书单：《减压脑科学》《考试脑科学》《认识脑电波》《怪诞脑科学》《大脑的一天》《费曼学习法》《认知觉醒》

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二、认识脑电波

关于脑电波，我们结合《考试脑科学》《认识脑电波》这两本书再科普一下。我在《想要考试得高分，你得这么干》一文中曾提到过脑电波的有关知识，欢迎大家关注回看。

提到脑电波，大家可能最先想到的就是α波和β波，比如人在放松状态时，人脑中就会产生α波。但是，人脑还会产生θ波和γ波。

θ波是什么呢？θ波就是“好奇心”的象征，当你的好奇心之门打开的时候，处于紧张、兴奋或者期待的状态时，θ波就会出现，即使海马体刺激次数很少，也能产生LTP（即长时程增强作用，大脑的记忆之源）。乙酰胆碱是产生θ波的根源。所以我们常常说，好奇心或者兴趣就是最好的老师，这是有科学依据的。

万维钢老师在解读心理学家米哈里·契克森米哈赖的《心流：最优体验心理学》这本书时，也提到过θ波和γ波。我们在做梦或者在催眠状态时，大脑就处于θ波。在深度睡眠时处于γ波。处于心流状态时，脑波介于α和θ波之间的一条线上，频率大约是8赫兹。

δ波，0.1Hz-3Hz，它的持续说明深度睡眠、麻醉或者昏迷；

θ波，4Hz-7Hz，它的持续说明人处于平静的状态，或形成短期记忆和空间感；

α波，8Hz-13Hz，它的持续说明人处于身心轻松且注意力集中，类似于心流状态；

β波，14Hz-30Hz，它的持续说明人处于精神集中状态，激动、焦虑；

γ波，25Hz-100Hz，它的持续说明人处于警觉和主动思考。

创造力爆发的状态是γ波，这是一种频率非常高的波。γ波是神经元的高度连接，代表的是想法的连接。γ波和θ波是耦合的，你要想出γ波，就得先出θ波。

从神经化学角度来说，心流是大脑中的6种化学物质同时起作用的结果，分别是内啡肽、大麻素、多巴胺、去甲肾上腺素、血清素和催产素。它们都是大脑的奖励物质，因此心流能让我们感觉非常愉悦，这种愉悦感提升了我们做事的动机。研究发现，心流状态下，人的生产力能提高500%，学习效率能提高230%。

大脑是产生人类思想的器官，20世纪初期，对脑电波的检测是神经科学史上的重要进展之一。然而，人们对脑电波的意义甚至脑科学都知之甚少，R·道格拉斯·菲尔茨博士的《认识脑电波》一书将带我们一探脑电波的究竟。

书中提到，20世纪20年代，德国一家精神病院的一位深居简出的医生发现他的病人脑中会发射电波。从那一刻起，脑电波引发了人们的惊讶和浓厚的兴趣。这位医生的秘密实验显示，来自大脑的神秘电磁辐射会随着人们的思想和心理状态而变化。

著名哲学家陈嘉映老师专门写过一篇文章《神经研究与意识：从神经原聚合假说谈起》），提到他阅读《大脑的一天》的读后感。

《大脑的一天》的作者苏珊·格林菲尔德是牛津大学的神经科学家，她关注的基本问题是：与意识相应的神经机制是什么？依照她提出的假说，这一机制的核心是神经元聚合。神经元聚合是发现于20世纪90年代的一种神经活动模式：在特定条件下，数以百万计的神经元会同时在亚秒级时间水平上临时性地同步工作。格林菲尔德认为，与意识密切相关的，既不是微观层面的突触集合，也不是宏观层面的某个脑区，而是这种中间尺度或曰介观尺度（指的是介乎于微观和宏观之间的状态）上的大脑活动。

格林菲尔德使用了一个贯穿全书的比喻：清晨，你被闹钟叫醒，相当于把石头扔进水里产生的涟漪。石头能激起多大的涟漪，或者说，唤醒程度或意识程度，取决于石头有多大以及投掷石头的力度。投掷力度相当于闹钟铃声的大小，石头的大小相当于大脑中局部神经元固有连接的规模，涟漪相当于每一次神经元聚合的大小。

那么石头是怎样产生涟漪的？格林菲尔德的回答大致是：有一批强有力的调节性化学物质播散在广大的脑区，它们使得周围细胞敏感于固有连接的神经元团队的不同反应，并参与进来造成涟漪的扩散。

大脑中化学物质的改变会影响涟漪的扩散程度，例如酒精这种高度脂溶性物质会缩小神经元聚合，与之相应，醉汉的意识程度会降低。我们都知道，娱乐消遣性药物会促使大脑分泌多巴胺，而多巴胺会带来愉快的心情。但我本来不知道，多巴胺会缩小神经元聚合，与之相应，意识程度会降低，许多意识状态将转变为被动的、丧失自我意识的状态，仅仅对连续快速出现的刺激做出反应，而愉快的心情是和大脑的这些变化连在一起的。

书的第四章提到大脑是如何学习的，我引用一下原文：

“学习理论是基于100年前伊万·巴甫洛夫做的实验，他训练的狗听到铃声就会流口水。这种通过惩罚和奖励进行学习的简单模型被称为“条件反射”，很适合用来训练宠物，但人类也是这样学习的吗？无论是在人群中辨别出一个朋友，还是适应新的环境，或者学着说脏话，抑或是通过阅读小说透视人性……我们的大脑始终不停地对信息进行计算、组织、存储和回忆，总之就是在不停地学习——只不过没有美味的奶酪作为奖励或痛苦的电击作为惩罚。”

“当他的测试对象在房间里移动并四处探索时，波伊兹纳可以看到受试者的大脑顶叶中有一种特定频率的脑电波活动（θ波，以大约4～7赫兹的频率振荡）会随着测试对象建立空间地图的过程而增强。顶叶位于大脑的后上方，大约是无檐帽盖住的范围。我们知道，θ波对于增强突触连接和形成记忆非常重要。突触连接的增强意味着形成突触的神经元之间的通信信号得到了增强。在对记忆的细胞机制的研究中，我曾用θ频率的电波刺激神经元，以增强在培养皿中的大鼠脑切片的突触连接。”

“……。由刺激引发的脑电波反应被称为‘事件相关电位’或‘诱发电位’。这些刺激引起的脑电波跟把石头扔进池塘引起的涟漪很像。……”

“动物要学会对特定的刺激产生恐惧（被称为恐惧训练），需要它的不同大脑区域之间有信息交流。海马结构负责编码空间信息；杏仁核和边缘系统负责评估潜在威胁并调节情绪反应；前额皮质负责整合大脑可用的复杂信息，为事件提供适当的背景……”

“研究位置细胞得到了一项令人振奋的成果——使人们更加了解睡眠是如何促进长期记忆的，睡眠学习与此有关。本彻内恩在一项巧妙的实验中，利用睡眠学习来确定这些位置细胞是否真的编码了动物的位置信息。海马是编码信息所必需的，但是所编码的信息必须从海马转移到前额皮质才能长期保存。”

“1989年，捷尔吉·布扎基提出，信息是在θ电波形成的时候进行编码并传递到前额皮质的，这些信息主要在睡眠的时候重现并被整合到长期记忆中。”

关于睡眠为什么有助于学习（前面提到的《减压脑科学》亦有涉及），我在《我们为什么要睡觉以及如何吃饭》一文中也有详细介绍，欢迎大家关注回看。

▲不同睡眠阶段脑电波活动的变化，图片来自《认识脑电波》

从清醒到进入深度睡眠，脑电波会逐渐变慢，并且在每个睡眠阶段都表现出独有的特征。注意第2和第3阶段中的纺锤波活动，以及在做梦时（快速眼动睡眠阶段）出现的高频脑电图活动与清醒状态下的高频脑电图活动相似。

我们睡觉的原因之一是做梦，而我们做梦的部分原因是为了记住和遗忘。

第一阶段的睡眠以θ波为特征，第三阶段和第四阶段以δ波为特征。如前所述，一种特殊的脑电波突然暴发（被称为睡眠纺锤波）出现在轻度睡眠的第二阶段。它也叫作σ波，是分为高频（13～15赫兹）和低频（11～13赫兹）的纺锤形活动波，它会随着我们睡眠的加深而增加。人们认为纺锤波与海马（对于空间记忆很重要）和新皮质（对整合感觉、思想和记忆很重要）之间的信息传递相关，因此纺锤波被认为在记忆巩固中起到重要作用。记忆巩固是指将短期记忆转换为持久性长期记忆的过程。

有趣的是，纺锤波活动的增加与高智商有关，并且这种关系在女性中尤为明显。一个人在学习了新东西后，夜间纺锤波出现的量也会增加。而且测试证明，一个人执行新的学习任务的好坏程度与他前一天晚上睡眠中纺锤波的数量成正比。纺锤波可能表示大脑轻度睡眠时正在处理和整合新信息，这可能也是睡眠被剥夺后记忆力和认知能力会受损的原因之一。

书的第八章是讲当前非常热门的脑机接口的。

▲脑机接口，图片来自《认识脑电波》

脑机接口，让闭锁综合征患者能够进行交流。当人们想选择适当的字母输入时，脑皮层电图电极会感应到脑电波的变化。

2020年8月29号，埃隆·马斯克为他创办的脑机接口企业——Neuralink公司，召开了一场发布会，展示了旗下脑机接口产品的最新版本：LINK V0.9。这是一款微型脑机接口设备，外观看起来像一枚硬币，未来可以植入人的头部，全天无间断地采集大脑信号。

科学家认为，这个可行方案对于脑机接口而言，只需要接口的带宽达到大概100万个神经元的量级。也就是说，当脑机接口产品能够同时监测100万个神经元的实时信号时，就足以产生很多颠覆性的功能。比如，用脑电波玩游戏、操控飞机轮船，甚至人与电脑之间可以抛弃鼠标键盘，而直接用脑机接口传递信息等。

据马斯克说，未来这款产品安装在人的头部之后，可以做到外观上几乎和普通人没有区别。可以看得出，这一次产品发布的所有细节，都在为优化用户的使用体验，降低数据的收集门槛做准备。

未完，后续内容请关注阅读……