10岁以后学语言就晚了？

本文转载自微信公众号：高山大学(ID：gasadaxue)，授课老师：骆利群

*以下根据骆利群2019年3月6日在高山大学(GASA)硅谷站的分享整理而成

授课老师：骆利群，斯坦福大学教授，美国艺术与科学学院院士，美国国家科学院院士。研究领域为神经科学，重点是大脑神经网络的结构和构建。曾在多个科学期刊任编委，世界多个著名大学和研究所顾问，以及PewScholar全国委员会和Damon Runyon癌症研究基金会科学顾问。曾获郭沫若奖、斯洛恩奖、麦克奈特神经科学技术创新奖、神经科学学会青年科学家奖、国家健康中心神经疾病及中风研究所的雅各布·贾维茨奖、解剖学家协会的HWMossman奖以及劳伦斯·卡茨奖。

1.大脑的结构

我们现在都知道，大脑皮层的每一个部分都有着不同的功能。

这个概念提出来也才三百年左右，那时人们意识到人所有的行为都源于大脑，但是涉及到具体不同区域对应什么功能，当时的理解，在现在看来都是错的。

1860年。法国医生Paul Broca(布鲁克)有一个病人不会讲话，只会发一个“tan”的音节。

病人去世后，医生解剖了他的大脑，发现大脑皮层上有一块区域出了问题。

随后很多类似病症的病人都被发现大脑的同一块区域均发生了损伤，这块脑区我们现在称它为“布罗卡区”，专门控制人舌头的动作，是语言产生区。

大脑皮层上还有另外一个区域，叫“韦尼克区”，主要功能是“理解语言”。如果这块区域发生病变，病人能讲话，但讲的话没有条理，并且也听不懂别人说话。

随着科学技术的发展，现在我们不需要解剖大脑，直接用核磁共振就能了解到大脑不同区域的不同功能。

通过核磁共振，我们还发现了大脑语言区的一个有趣的现象，那就是一个人10岁之前和10岁之后学习使用第二语言，在大脑语言区域的控制位置是不一样的。人脑中似乎有一块黄金区域是留给小时候学习语言的。

运动和感觉在大脑皮层上也分别对应着一个图谱。

图中右边是运动皮层，左边是感觉皮层，左右均是对称的。一般是左脑控制身体的右侧，右脑控制身体的左侧，但是语言只是由左脑控制。

这个图谱在100年前就已经发现了，当时主要是通过切断癫痫病人不同的神经对应绘制出来的。

图谱与人体各部位大小并不是成比例呈现的，一般来说，神经越敏感丰富的地方，在大脑皮层上所占的区域越大，例如大拇指、嘴唇等，相反，大腿、后背等区域在图谱上位置就很小。

2.神经元

大家都知道人体是由细胞组成的，细胞是基本单元。但在神经系统中，关于细胞是否是基本单位这个问题，仍然存在很多争论。

意大利科学家Golgi(高尔基)发明了一种染色的方法来研究神经系统，这个方法让人们发现了神经细胞有一个树突和一个轴突。

树突是用来接收信号的，轴突是释放信号的。一个树突可以接收来自高达15万个轴突的信息。

神经细胞中胶质细胞也非常重要，有的可以连接不同的神经元，有的可以让动作电位更快，有的则与一些疾病有关。

人脑中有大约1011个神经元，神经元的连接点有1014个，大量的神经元并不是混乱排列的，而是组成了非常有序的神经回路。

比如说膝跳反应，就是肌肉上的感觉接收器接受到刺激，产生冲动，通过感觉神经元传至脊椎，再经传出神经反馈给效应器，发生膝跳反应。

3.电和神经元

第一个发现电跟神经系统有关系的一个实验是“火花实验”。

1971年，意大利学者Luigi Galvani(路易吉·加尔瓦尼),他把青蛙的中枢神经和腿解剖了出来，然后用闪电来刺激青蛙。

结果发现尽管青蛙已经死了，但在电刺激下腿部仍然可以跳动，因此他得出结论：电和神经系统有交流。

1939年，英国科学家Hodgkin(霍奇金)和Huxley(哈斯利)首次将电极深入到细胞里面，记录到了神经元的动作电位。

经过十几年的研究，他们发现了神经元动作电位的分子机制，即钠离子和钾离子造成的不同离子通道的开闭，导致了膜电位的变化，从而形成了动作电位。

动作电位发生在树突和轴突之间，同一个细胞内速度最高可达120m/s,不同神经元之间传递时间最快是1μs。

4.我们如何感觉这个世界

人有五感，视觉、听觉、嗅觉、味觉和躯体感觉。我研究嗅觉比较多。

嗅觉在很多动物里也非常重要，比如三文鱼。它们小时候在小溪里长大，之后游到大海中生活，但当要生小三文鱼的时候，它们会非常精确地回到原来的小溪，靠的是什么，就是它们敏锐的嗅觉。

对于动物来说，嗅觉可以帮它们找到方向、食物、配偶和敌人。

嗅觉产生的机制一般是气味传到鼻子中的感觉神经元，感觉神经元再将信息传到大脑中的嗅球，由此就能感知到气味。

感觉到气味的嗅觉受体是通过多个基因进行编码的。

老鼠体内有2万个基因，其中有5%即1000个左右基因与嗅觉相关，占比很大。狗的嗅觉也很敏感，编码的基因大概在900多个左右。人的嗅觉编码基因大概300左右，而猪的嗅觉是最为敏感的，编码基因高达1300多个。

人开始直立行走之后，嗅觉变得不再非常重要了，相反，视觉的重要性加强了。在进化过程中，人类慢慢的丢掉了一些不重要的基因。

5.先天和后天行为

讲讲先天和后天的故事

先天行为

这幅图你们觉得像什么?

对于刚出生的小鸡来说，这像是老鹰的影子，在没有任何经历的情况下，小鸡知道躲避老鹰。这是进化留下来的行为，是先天性的。

另外一个在自然界普遍存在的先天性的行为就是性行为。

从大肠杆菌、酵母、蜜蜂、蝴蝶，再到乌龟、人类，都存在这种行为。

我们来看看果蝇的求偶行为。

果蝇的求偶行为存在固定的模式。

雄果蝇首先在雌果蝇附近发出荧光，告知雌果蝇自己的存在，随后会去轻拍雌果蝇的翅膀，给雌果蝇唱歌，然后去舔雌果蝇的翅膀和腹部，最后会尝试进行交配直到交配成功，整个过程大概一到两分钟。

如果雌果蝇已经与别的雄果蝇交配过，它则会踢开尝试和它交配的雄果蝇。

科学家研究果蝇的遗传学信息，发现当他们有一个叫“无果”的基因突变，会导致严重的求偶缺陷问题，他们无法辨别对方果蝇的性别，从而无法进行正常的性行为。

后天行为

猫头鹰的视觉和听觉非常好，在完全黑暗的情况下，可以依靠听觉来抓老鼠。猫头鹰为什么有这样的能力呢?

声音经过左耳，再传到右耳，时间差不超过200毫秒，一般与声音的频率有关。

猫头鹰的听觉神经网络非常发达，能够根据这个时间差来判定声音的方向来源。

我们学校一个教授，神经生物系的Eric Knudsen，他做了一个这样的实验。

他给猫头鹰带上一副眼镜，让猫头鹰的视觉产生23度的偏差，这样一来，猫头鹰听觉判断的位置和视觉看到的位置就会发生偏差。

但是在一段时间后，猫头鹰能够进行自我调整，让自己的视觉和听觉偏差减小，最后达到偏差为零。这说明猫头鹰有后天的学习能力。

这些实验是在小猫头鹰(年龄<200天)中实现的，年龄大的猫头鹰学习能力则比较差。

Eric Knudsen随后又做了许多其他的实验，结果发现，在猫头鹰小的时候进行戴眼镜的训练，年龄大了之后，可塑性(学习能力)要比没有经历过训练的猫头鹰强。

另外，即使小时候没有经过训练，成年的猫头鹰通过小幅度改变眼镜的偏差度数来慢慢进行训练，也能达到比较好的效果。

6.记忆和老年痴呆

1953年，一个癫痫病人H.M，为治疗癫痫切除海马体后，其他各项身体指标正常，但是不能再增加新的记忆，他的大脑不记得自己做了什么，但是肢体的记忆还是存在。

这让科学家们了解到人体记忆存在的两种方式，一种是陈述性记忆，需要有意识的回忆;一种是非陈述性记忆，不需要意识回忆，如运动技能和习惯等。

作为数百项研究的参与者，H.M帮助科学家们了解学习、记忆和体能灵敏度的生物学，他一直被认为是脑科学史上最重要的病人。

老年痴呆最突出的特点就是记忆逐渐丧失，到现在都没有好的方法来治疗。

老年痴呆主要是神经元中的突触、轴突和神经元丧失活性了，人体无法储存记忆。在美国，85岁以上的人中50%的人会患老年痴呆症。

现在已经发现老年痴呆的人群中有5%的人是一种突变的Aβ蛋白质的不断积累导致的，在冰岛，0.5%的人有一种保护基因，不会导致基因的突变，可以防止年老时智力衰退。

7.电脑和大脑的比较

人脑和电脑均有输入和输出，人脑有认知、感觉、状态和运动之间的各种联系，电脑有控制器和数据路径和内存。

不管在计算速度还是精确度方面，电脑要远超人脑，但是为什么在有些方面尤其是处理复杂问题的时候，人脑要超过电脑呢?

举例来说，网球运动员只需要不到0.37秒的时间，就可以完成挥拍接球、回击发球的动作。

因为很简单，同样的信号传到人脑，多个神经元可以大规模并行同时进行判断并做出反应，但是电脑需要根据步骤来做完一系列的反应。

除此之外，大脑神经元还可以根据活动和经验对回路进行修改。

近些年来，计算机科学通过对人类大脑的学习实现了很多新的令人兴奋的进步。

深度学习就是一种受神经网络启发的机器学习技术。

当然反过来，通过深度学习，我们对人脑的研究也会更进一步。