认知分子生物学的发展

1、認 知 分 子 生 物 學 的 發 展及 其 對 教 育 研 究 的 啟 發指導教授：江新合博士學生：簡聿成一、 前言：認知研究對教育研究的重要性在教育研究中，如何設計出一個好的教學模式及有效的教學策略，一直是一個受關心的課題。但在研究教學模式及教學策略的同時，若無法瞭解學習的主體學生的學習特性，那將陷入如邏輯實證論對於科學主體認知錯誤的困境。是故，要發展有效的教學策略，首先要瞭解學習者的學習特性。而學習者的心理特質的研究，主要即是認知研究的主要課題：人是如何學習知識？人是如何表徵知識？人是如何記憶知識？人是如何提取知識？也就是說，瞭解學習心理學，必定要先瞭解認知科學。而人的認知思考，主要仰賴

2、大腦的運作。所以，研究認知科學的方式之一，即是對腦神經科學加以瞭解及研究，以瞭解大腦神經的基本運作。而隨著分子生物學的進步，對神經的研究也進入了分子生物的層次。西元2000年生物醫學諾貝爾獎即是神經分子生物學的研究。其中任職於美國Columbia University的神經生物學及行為學研究中心的Kandal教授，過去揭露許多引導人類思考的隱藏過程。他的發現包括有關長期及短期記憶的獲得之分子機制。七零年中，他的研究群發現神經傳導物質質（neurotransmitter）-血清素（serotonin）在記憶過程中的重要性。他們的結果顯示血清素會引發一連串的化學反應來增強在腦中神經元間達好幾分鐘電

3、的聯繫(electrical connection)。這是短期記憶的基礎反應。後來，Kandal教授也發現了在短期轉長期記憶過程中顯的活躍的基因。而身為教育工作者的我們，對分子生物學的發展，應當保持高度的關注。以期能由其中得到對教學設計，學生學習特性的啟發。目前已有些專家學者提出了與人腦相容的學習理論，其基礎即基於人腦是主要的學習器官，如果我們能夠設計與人腦運作模式學習相容的課程與教學，將有助於學習者的學習（Kovalik& Olsen, 1997； Nagel, 1996； Brandt, 1997）。因此，當我們愈能了解我們的大腦是如何學習的時候，我們的教學及學生的學習，就愈能成功

4、。（Jensen, 1998）由以上的說明可知，對認知的瞭解將對教育的研究有很大的幫助。以下將就認知研究的發展，認知分子生物學的發展，及由認知分子生物學對教育的啟示逐一論述說明：二、 認知研究的發展（一） 內省法：自從蘇格拉底第一次提出人類是有先驗的知識、某些外界的知識是生來即有的之後，西方的哲學家就一直在下面這些問題中掙扎：我們如何學習有關外界的新知識？這些知識又是如何儲存在記憶之中？哪些心智的知識是天生的？後天的經驗對這些天生的組織架構能夠影響多少？一開始時，哲學家主要是用三種方法（都不是實驗的方法）來研究記憶和其他的心智歷程，包括意識的內省法、邏輯的分析以及辯論。這些方法的問題在於無法達

5、到共識，或大家同意所謂的事實（Fact）是什麼。到十九世紀中葉時，實證科學在物理和化學解決問題上的成功，開始吸引研究行為和心智者的注意力，結果哲學的探索心智歷程就逐漸被實證的研究所取代，心理學變成一個獨立的學問，與哲學分家了。一開始時，實驗心理學家將他們的注意力集中於感官知覺的研究上，逐漸的，他們進入比較複雜的心智運作，想將心智現象帶入實驗的和量化的分析中。這方面的先驅是德國的心理學家艾賓豪斯，他於1880年左右成功地將記憶的研究帶入了實驗室。心理學自1879年起即以實證科學（empirical science）起家。而許多十九世紀後期的心理學家都是認知心理學家，因為他們都對了解心理事件具有廣

6、大的興趣。當Freud正嘗試要了解潛意識（unconscious）時，Wundt則在研究意識（consciousness）的成分；William James（1890）把心理學定義為心智生活的科學（the Science of Mental Life）；而當時許多心理學家最盛行採用的研究方法便是內省法自我觀察法（introspection/self-observation）。（二） 行為主義：在二十世紀初期，美國心理學家John B. Watson開始攻擊將心理學視為心智生活科學的看法，他認為心理學乃是一門研究行為的科學（the science of behavior）。Watson主張那些內

7、省資料太過個人化而無法被獨立驗證，因此這些資料並不符合做為一門實證科學所要求凡事必須能被驗證的標準。換言之，心智生活根本不能被客觀地研究。所以，我們應把注意力集中在行為本身，因為行為可以被客觀地研究，而經由行為觀察，許多東西即可被發掘出來。而此時，在生物學的演化觀點上，達爾文提出種族間心智的特質是個連續的向度，就像外表上的特質是個連續的向度一樣。例如哺乳類、鳥類和爬蟲類的上肢都有相同的結構，所以蜥蜴的前肢、蝙蝠的翅膀及人類的手臂都有相同的骨頭和相似的組合方式。假如人類與其他動物在這些方面如此相似，我們應該可以從動物的研究了解到我們的心智運作。所以在二十世紀初期，著名的俄國生理學家巴夫洛夫和美國

8、的心理學家桑戴克巴受到達爾文認為人類的心智能力是由低等動物演化而來的激勵，發展出動物的模式來研究學習。他們各自研發出不同的實驗方法來改變行為：巴夫洛夫發現古典制約（classical conditioning），桑戴克發現工具制約（instrumental conditioning）或操作制約（operat conditioning），這兩種實驗方法提供了動物學習和記憶的科學研究方法。在古典制約中，動物學習去聯結兩個事件，例如鈴聲和食物的出現，所以在聽到鈴聲後開始流口水，即使食物沒有出現亦有此反應，動物學會了以鈴聲預測食物的來臨。在工具制約中，動物學習去聯結一個正確的反應和一個報酬，或是一個不

9、正確的反應與一個懲罰，用這個方法，行為也會逐漸改變。這個客觀的、實驗室為主的學習心理學發展出一個實徵的傳統，稱為行為主義。行為主義者在美國的華生的領導下，認為行為現在可以像其他的自然科學一樣的研究了，心理學家只要去研究可以觀察得到的東西即可。他們可以找出刺激，測量行為的反應，然而在此看法裡，個人的經驗及心智的歷程便無法科學化的來探索。在古典制約和工具制約的傳統下，我們得到許多有用的訊息：動物如何形成刺激間聯結的法則，增強物（或是報酬）是了解學習的關鍵，以及不同的增強時刻表如何決定學習的速率。 雖然行為主義極力想科學化，但是它仍受限於它的方法學及其所自訂的範圍，因為它想模仿自然科學，僅研究可以觀

10、察得到的刺激和反應。行為主義放棄了許多有趣的心智處理歷程的重要問題，尤其是他們完全忽略完型學派（Gestalt psychology）、神經學、心理分析學上的證據，甚至忽略普通常識，因為這些都指出刺激和反應之間是有心智機制的，而這個心智機制是有重要性。行為主義者用他們狹隘的方法技術來界定心智生活，他們將實驗心理學限制在一個少的問題範疇之中，而將最有趣的心智生活排除在外。這個被排除的心智歷程就是知覺、注意力、動機、動作、計畫和思考，以及學習和記憶的內在歷程。（三） 認知心理學認知簡單的說就是知識的獲得和使用，這牽涉到兩個層面的問題：一是知識在我們的記憶中是如何貯存的，以及貯存什麼的記憶內容問題；

11、一是知識是如何被使用或處理的歷程問題。前者強調的是心智結構，後者強的是心智歷程。以上這兩個問題就是認知心理學研討的兩大方向，因此認知心理學可以定義為：為了解人類行為，而對人類心智歷程及結構所作的科學分析。這個定義包含三個重要部份：第一：科學分析：認知心理學必須使用科學的方法研究。當使用客觀，可以重複驗證的方法，不同人使用相同的程序也可以獲得相同的答案。所以認知心理學家必須發明精確的分析工具來間接觀察心智的活動。第二：心智歷程和結構：心智歷程和結構是認知心理學所探討的兩大內容。心智歷程探討的是我們在從事某工作時，如何使用或處理知識，而心智結構是我們如何貯存知識及貯存什麼知識於記憶。有些研究者偏好

12、探討心智結構，有些人偏好歷程，但是兩者同屬人類的心智活動，實為互補，很難劃分。因此，往往只是強調程度的不同。第三：了解人類行為：凡是心理學，最終目的都可說是了解人類行為。而認知心理學的目的是藉著精確分析內在的認知事件及知識，以期更加了解和預測人類行為。譬如我們分析一個人在解答數學題目時的內在心智歷程，就能了解和預測為什麼有些人能夠順利解題，而有些人則不能。以上是認知心理學的一般性定義。若根據認知心理學家所研討的主題，認知心理學的一般性定義則是指，對人類的記憶、知覺、語言、理解、推理、決策、思考、問題解決及學習等的科學研究。認知心理學的主要理論架構是訊息處理模式。這個模式視人類為主動的訊息處理者

13、，探討人類憑感官接受訊息、貯存訊息以及提取、運用訊息等不同階段所發生的事，所以認知心理學也常被稱做訊息處理心理學。信息處理模型假設認知可以分解為一系列的階段，每一階段表示一種假設的存在。輸入的信息就在這些階段中進行某些獨特的操作。最後的反應就被假設為這些階段和操作系列如知覺、信息編碼、從記憶中提取信息、形成概念、判斷 和產生語言的結果。每一階段都從前面的階段接受信息，然後發揮自己本身的獨特作用。由於信息處理模型的所有成分在某種程度上都與其他成分有關，因而要確認一個開始階段是很困難的。為了方便，我們可把整個程序看作是從輸入刺激開始。訊息處理模式所包含的不同階段及其前後關係可以下圖表示： 

14、; 輸感注圖選短長入官樣期期刺貯辨記記激存意識擇憶憶反應 但是這個強調內在表徵的新科學不是沒有它的問題的。行為主義雖然狹隘，但是它對內在表徵的看法是對的，即沒有一個可以客觀去測量它的方法。的確，對認知有興趣的心理學家不得不承認心智歷程是一個理論上的架構，很難用實驗的方法去研究它。例如反應時間的測量帶給我們一些猜測內在心智運作是如何執行的概念，然而這些是不直接的檢驗，所以無法告訴我們運作歷程為何。認知心理學要想茁壯，它必須和生物學合作，才能打開大腦這個黑盒子，一窺這個長期被行為主義所忽略的器官。（四） 腦神經科學神經認知心理學在記憶方面的研究主要是牽涉到大腦中的功能定位( topography

15、)、記憶的痕跡(traces)、記憶的形成和改變有關的神經傳導過程的確認。在四十年代 Penfield 用電流來刺激神經外科癲癇的病人以舒緩其痛苦並標的出動作、感覺及語言在大腦皮層的運作區域。因為腦本身沒有疼痛感受器，在意識清醒的病人進行局部麻醉下能夠進行腦外科手術，他能夠描述出他們在不同皮質的範圍的電流刺激的反應。Penfield 對超過1,000個病人的外皮質做研究。他發現電流刺激作用下產生了過去經驗的回憶，或者一瞬間的影像，這與病人描述回憶的一些先前的經驗一致。這些類似記憶的反應總是從這些顳葉所引出的。 在五十年代的研究中是對癲癇患者進行顳葉中海馬回及其鄰近區域進行對稱性切除的研究。第一

16、個也是最成功的研究中，蒙特婁神經學研究所的Brenda Milner對一位27年歲的生產線工人，H.M. 做研究。外科醫生William B. Scoville將H.M.大腦的兩邊的顳葉內部切除，這使的他的情況大有改善。但在手術後不久，H.M.失去了他的記憶。他無法將新的短期記憶轉換成新的長期記憶。雖然他形成新記憶有困難，H.M.仍然保留了他的以前獲得的長期記憶。他記得了他的名字，也能完美地運用語言和保有他正常的詞彙；他的智商也保持在正常的範圍。於外科手術之前的事情都能記得很好，例如他的工作，並且能生動的描述他童年的事件。此外，H.M.仍然有一個功能完全完整的短期的記憶。H.M.所缺乏的是把他

17、將短期學習轉換成長期記憶的能力。例如，他能正常的與醫院職員談話，但是，即使他每天都看見他們，他仍無法記得住他們。原本認為雙側顳葉的損壞將導致記憶喪失的看法可適用於各種形式的學習。但是不久之後Milner發現並這不是這麼回事。即使是嚴重的記憶功能喪失這樣的病人，他們仍能和正常人一樣完成一些任務而且能夠和在長時期保留這些任務的記憶。首先Milner展示了在H.M.剩餘記憶的能力，他發現他能學習新的動作技能。她隨後和倫敦國家精神疾病醫院的Elizabeth K. Warrington以及牛津大學的Lawrence Weiskrantz，發現例如H.M.這樣的病人也能夠在涉及改變反射回應強度的基本學習

18、類型例如習慣化、敏感化、及古典制約等獲得和保留記憶。由腦神經科學的研究可讓我們對大腦記憶的儲存位置，知識的形式，長期記憶的形成等議題有更進一步的瞭解及幫助。而隨著分子生物學的進步，對神經的研究也進入了分子生物的層次，試圖以分子生物學的技術，加以對認知心理學，腦神經科學等未能解決的疑問，提出分子層次的說明。以上我們對知識的習得，儲存，提取等議題有更進一步的認識。（五） 認知分子生物學在過去的數十年裡，生物學的進步使人們了解基因、細胞和有機體是如何作用的，例如目前已經知道基因的結構如何決定遺傳，而這些基因的運作又是如何決定有機體的發展和功能。這些新發現將以前生物學的許多次領域結合成一個新的路領域科

19、學，以前的生物化學、遺傳學、細胞生物學、細胞發展學及癌症研究現在都被包含於分子生物學中。這個科際整合使我們對細胞的結構和功能具有整體一真的了解，並且知道在不同動物的種類上都有其一致性，從而了解大自然普遍性的基本原則。而在心智的研究上，我們也看到這個整合，神經科學和認知心理學的科際整合創造出一個新的領域，認知神經科學提供了我們如何知覺、行為、學習及記憶的新觀點。 而最新的研究是將分子生物學和認知神經科學結合一起，稱為：認知分子生物學(Molecular Biology Of Cognion)。將心智和分子加以結合，形成一個完整的系統。記憶的研究是第一個可以將認知的歷程進行分子分析的領域。分子生物

20、學和認知神經科學的結合讓我們看到記憶約兩個部件，即大腦的記憶系統及記憶儲存機制。相較於過去二十年，我們在這兩方面的知識真是突飛猛進。從大腦的記憶系統研究中，我們有三個重要的發現，第一，記憶不是一個單一的心智組織，而是由兩個基本的形式構成:陳述性記憶與非陳述性記憶。第二，這兩個形式各有其邏輯:有意識的回憶和潛意識的表現。第三，每種形式都有自己的神經系統。在記憶的儲存機制研究上，我們發現了陳述性和非陳述性記憶的相似性:一、兩者都有短期記憶（可維持數分鐘）及長期記憶（可長達數天或更長），且都取決於突觸強度的改變。二、兩者的短期記憶係由於突觸強度的短暫改變。三、兩者基因和蛋白質的活化，是將短期記憶轉換

21、成長期記憶的必要條件;的確，兩者的記憶儲存都有相同的神經通路，激發共同的基因和蛋白質。最後，兩者都用到新突觸的生長 軸突終端突觸前及樹狀突分岔的生長以穩定長期突觸。 這種綜合的另一個成就為在某個學習經驗時，不論使用到哪一個大腦系統，其所得到的記憶儲存都是許多相互聯結的細胞突觸強度改變的結果。研究海蝸牛這種簡單神經系統動物單一突觸反應的結果，讓我們看到學習時突觸的改變。在比較複雜的動物如貓和鼠，我們看到這些突觸改變的分子成分，雖然突觸的種類不同，然而在分子的層次上，這些突觸的機制卻是異常的相似。因此，並非在突觸上某種分子的改變造成某種記憶，而是在突觸改變的位置以及在哪一個神經通道上突觸的改變造成

22、了不同的記憶。你記得這個花瓶是個曾經看過的花瓶，母親最喜歡的絲巾是一條熟悉的絲巾，這並不是因突觸上的改變有什麼不同，而是它們在神經系統上的位置有所不同。花瓶和絲巾在大腦表徵的位置不相同，因此，某一儲存訊息的特定形態是決定於突觸改變的位置;相反的，這個訊息的永久性是決定於細胞之間聯結成的幾何形狀結構的改變，亦即大腦以結構的改變來記錄某些經驗的效應。 同樣的，雖然我們已經找出一小部分將短期記憶轉變成長期記憶的基因和蛋白質，但是在找出建立長期記憶結構改變的分子步驟還有很長一段路要走。直到今天，最清楚的分析仍然是從具有簡單神經系統的動物身上得到的資料，而動物是沒有陳述性記憶的，所以，雖然我們知道一些基

23、因及簡單形式非陳述性記憶的分子改變的知識，但對於複雜形式的非陳述性記憶和陳述性記憶的知識卻知道得很少。Ltp被認為是陳述性記憶底下的機制，但它是一個在實驗室中觀察到的現象，我們並不了解在正常的記憶儲存時是如何作用。上述問題的答案有一些可能可以由腦造影技術來回答。我們可以觀察大腦在處理學習、記憶和遺忘等認知功能時，從記憶神經系統與這些認知行為問的相關來推論。為了得到因果關係，科學家必須運用基因工程的技術，使老鼠的某些基因於大腦某個區域或甚至在某個細胞中表現或消失。透過分子生物學對認知行為的分析以及應用解剖學、生理學及行為去分析支持這個認知行為的大腦系統功能這兩種方法的交互採用，才可能帶給我們最後

24、的答案。三、 認知分子生物學在學習研究的發現（一） 學習的細胞機制：前-後關連機制 VS 前調節關連機制根據早期神經學的對關連學習的研究認為，內隱性記憶與外顯性記憶這兩種記憶，都需要一個完整的神經迴路。但第一個向這個觀點挑戰的是Milner的老師；加拿大心理學家Donald O. Hebb。Hebb大膽認為關聯學習能由一個簡單的細胞機制來產生。他認為連接可以由對應的神經活動來形成，他說：若A細胞的軸突持續不斷的刺激B細胞時，A細胞就會發生生理上或新陳代謝上的改變，而使A細胞刺激B細胞的效能更為增加。根據Hebb的學習規則，神經細胞中的前突觸與後突觸的同時活動是加強他們之間連結的重要關鍵。(稱做

25、前-後關連機制)。 在學習期間突觸強度關聯變化的兩個細胞機制的假設。前後同時機制：由1949年Donald O. Hebb所提出，神經細胞中的前突觸與後突觸的同時活動是加強他們之間連結的重要關鍵。 在 1963 年提出的前調節關連機制，是在對海蝸牛Aplysia的研究中發現，認為連結的增強是由第三個神經元調節神經元與前突觸神經元同時活動的，而不需要後突觸神經元的活動。圖中斜線條紋表示發生在關連變化中的兩個同時活動的神經元。( Ian Worpole ) 1963年在巴黎Marey研究所，LadislavTauc和Kandel在對海蝸牛Aplysia的神經系統研究中提出了第二個關聯學習規則。他們

26、發現當第三個神經元在突觸前神經元上動作時，雖然突觸後神經元沒有活動，但仍能增強兩者之間的突觸強度。這稱做調節神經元的第三個神經元，能使突觸前神經元的末端釋放更多的神經傳導物質。他們提議假如如果突觸前細胞的動作電位與調節神經元的動作電位同時發生，即可適當說明關連學習的運作機制。(前調節關連機制)這兩種截然不同的細胞學習機制，各有其關連的特性，也足以說明內隱性及外顯性學習並不需要複雜神經網路。而這瞭解關連的能力也使我們很容易來反映某些細胞相互作用的內在能力。此外，這些研究結果引發了一個有趣的問題：每一種的學習都有如此不同的機制表現嗎？在考慮他們的可能相互關係前，我們先來瞭解這兩種學習機制。首先開始

27、從對Aplysia的研究中前調節關連機制對古典制約的瞭解看起。（二） 內隱性學習之古典制約：海蝸牛（Aplysia）的研究古典制約最早是由俄國人生理學家Ivan Pavlov，在本世紀初所提出；他認為兩關連事件之間的制約是學習的最簡單例子。在古典制約中，稱為條件刺激的無效刺激隨著稱為非條件刺激（高度有效的刺激）不斷的同時出現。條件刺激最初僅能產生很小的反應或者沒有反應；而非條件刺激則不需要任何預先條件就能產生很大的反應。 由於條件制約（或是學習）的關係，條件刺激到後來變得能夠產生更大的反應或是全新的反應。例如，在不會有反應的鈴聲（條件刺激）與餵食（非條件刺激）經常的同時出現之後，這個鈴聲就能很

28、明顯的引發與餵食相同的行為反應。而制約的發生，條件刺激通常要與非條件刺激有關，而且要在一個關鍵的時距之前發生。這樣動物就可以學習到兩刺激之間的可預期的關係。 因為Aplysia的神經系統只有大約 20000個中央神經細胞，所以能夠以細胞的層級來檢驗古典制約的各個面向。Aplysia 有一些簡單的反射動作，而這個鰓回縮的反射特別適合來做研究。Aplysia通常在其套膜或是吸管受到刺激時會將它的呼吸器官鰓向內收回。而套膜和吸管都各自支配它們的感覺神經群。每一感覺神經群都直接與鰓的動作神經連結也與興奮和抑制的中介神經神經元有突觸的接觸。我們和我們的同事Carew和Waiters發現即使這種簡單反射也

29、能夠被制約。 在吸管上施以一個輕微的觸覺刺激，作為條件刺激，而以配對出現對尾部的電擊作為非條件刺激。另一方面，以外套膜作為控制組施予相同次數的刺激。此時並為給予尾部電擊的刺激配對（關連）刺激。經過各自五次的刺激後，對吸管刺激作用的反應（配對組）比對外套膜的反應（未配對組）更大。若將兩刺激對調，對外套膜施予配對電擊，而吸管則否，則對外套膜的反應也比對吸管的反應來的大。如此的差異制約，在許多脊椎動物上也都能看到十分類似的情形。 為了瞭解這樣的制約是如何運作的，我們聚焦於一件事上：感覺神經群和他們的目標細胞（中介神經元和動作神經元）之間的關聯。無論是從外套膜或吸管來刺激感覺神經都能夠在中介神經元和動

30、作神經元上產生突觸電位。 這突觸電位使得動作神經元放電，引起鰓的迅速反射縮回。這樣對尾部的非條件制約刺激使得許多細胞群活化產生運動，其中之一就是鰓的縮回。在其中至少有是三組的調節神經元參與，其中均以一化學血清張素做為神經傳導物質。(血清張素神經傳導物質發生在細胞之間傳遞訊息叫作第一級信使；而其他在細胞內傳遞訊息的化學物質稱為次級信使。)在由吸管和外套膜上的感覺神經元與調節神經元的發現中，可以提出一個有意思的問題：古典制約的特定關連增強又是如何達成的呢？時間在這裡是一個重要的因素。要發生古典制約，條件刺激通常要先於非條件刺激很短的時間間隔。由尾部的電擊刺激使得鰓發生制約，其時間間隔是大約 0.5

31、 秒。如果時間差太長，太短，或是順序相反了，則其制約將大大的減少或者完全不發生制約。 在鰓縮回反射實驗中時間上的明顯性看來，我們必須對條件刺激及非條件刺激的感覺神經元上有所區分。在感覺神經元上的非條件刺激表現是由調節神經元的活動來表徵，特別是以血清張素做為神經傳導物質。而條件刺激是以感覺神經自體的動作來表徵。我們發現如果在條件刺激產生動作電位的反應之後再施予尾部的非條件刺激將導致感覺神經元的前突觸更加激發。若動作電位發生在尾部電擊之後將會變的無效。這種前突觸觸發的新奇性質叫作依活動倚賴性。依活動倚賴的增強在細胞層次上與在行為層次上進行制約都需要相同的時間差，並且是制約的關鍵。這結果認為鰓縮回反

32、射的古典制約的細胞機制是一個精巧的前突觸觸發，和敏感化反射相同的機制。而這些實驗也為學習提供了一個研究的入門，對於更複雜學習類型的機制也許可以以一些簡單類型的學習機制來精緻或結合。 古典條件是如何發生的下一個問題是：找尋為什麼在非條件制約（尾部刺激）之前給予觸發感覺神經元的動作電位能增強前突觸的觸發？我們發現當尾部受電擊使得血清張素由調節神經元中釋放出來，而使得感覺神經元發生一系列的生物化學變化。血清張素與一個感受器結合，並活化一種叫做 腺甘環化脢（adenylyl cyclase）的酵素。這個酵素又會將一種能提供細胞各種活動需要的能量的分子ATP（腺漂呤核甘三磷酸）轉變成cAMP（環狀腺甘單

33、磷酸）。而cAMP此時在細胞裡活動充當次級信使(血清張素是初級信使)以活化另一個脢蛋白質激脢（protein kinase）。激脢是在蛋白質中加入磷酸鹽使其與其他蛋白質結合， 使得一些蛋白質的活動劇烈但有一些則活動減緩。感覺神經元中蛋白質激脢的活化會造成一些重要短期的結果。蛋白質激脢將鉀離子通道的蛋白質加以磷酸化。而將此通道磷酸化將減少正常動作電位時鉀離子電流的補充。鉀電流的減少將使動作電位延長並且使鈣離子通道開放更長的時間，使得更多鈣離子進入前突觸末端。鈣離子在細胞之內的活動，其中之一是將神經傳導物質囊泡由突觸末端釋放出來。由於動作電位的持續增加，使得更多鈣離子進入突觸末端而釋放更多的神經傳

34、導物質。 第二，由於蛋白質激脢的活動，血清張素也促使神經傳導物質由原先的儲存區移動到細胞膜的釋放區，而造成與鈣離子湧入無關的情形下，仍造成神經傳導物質的釋放。在這個動作中，cAMP和蛋白質激脢相同都做為由血清張素所活化的次級信使。 為什麼感覺神經元的動作電位動作要在非制約刺激增強了血清張素的活動之前呢？感覺神經元的動作電位導致了一些變化。它們使鈉和鈣流入而和鉀向外流出， 因而改變了膜電位。Abrams 和 Kandel 發現這種活動依賴性動作電位的關鍵在於鈣離子的流入。而且在細胞中，鈣離子會與一種叫作攜鈣素（calmodulin）的蛋白質結合，而使得血清張素對腺甘環化脢的活化更為增強。而當鈣或

35、攜鈣素與腺甘環化脢結合時，這酵素因而產生更多的cAMP。因為如此，使得腺甘環化脢在制約刺激與非制約刺激的機制上都佔了很重要的地位。 而制約刺激與非制約刺激在細胞內以同一種酵素的不同訊號（鈣與血清張素）來表徵。而在鰓縮回反射中的學習中兩個刺激之間的間隔必須為 0.5 秒也與鈣因為受到血清張素的影響而在突觸前末端增加，並與攜鈣素結合而使腺甘環化脢能產生更多的cAMP的機制十分吻合。這種cAMP 的依活動決定的方式，並不是只在Aplysia的鰓，尾縮回的反射中看得到。在果蠅的遺傳研究中也有類似的制約分子機制。果蠅能夠被制約，而且發現有一基因突變的果蠅在學習方面有困難。麻州技術學院的William G

36、. Quinn 和哈佛大學的Margaret Livingstone 以及以色列的衛斯曼研究所的 Yadin Dudai 對一隻叫做失憶者的果蠅做研究。他們發現在這個突變體中的與鈣/攜鈣素有關的腺甘環化酵素在基因上有所缺陷，使得在這隻果蠅中的腺甘環化酵素失去了被鈣/攜鈣素激發的能力。此外，冷泉海港實驗室的Ronald L. Davis與他的同事們發現在果蠅大腦的蘑菇體能使促使腺甘環化酵素的形成，而且與其許多種類的關聯學習有關。由以上可知，由對海蝸牛的細胞研究和對果蠅的基因研究都指出cAMP這個次級信使系統在某些基本內隱學習類型和記憶儲存的重要性。圖解：海蝸牛（左上圖）時常被用來進行學習的生理基

37、礎的研究。因為他的神經系統較簡單，只包含20000的細胞，而且比起其他的來的大。左下圖是海蝸牛在鰓回縮反射的古典制約神經傳導路徑。依活動決定的促發使得神經傳導物質釋放的增加是制約的發生機制。右圖是依活動決定的促發的分子步驟放大圖。由非條件制約引發仲介神經元血清張素的釋放活化了感覺神經元中的腺甘環化脢。而當感覺神經動作，會使得細胞內的鈣離子增加。鈣與攜鈣素結合後，進而與腺甘環化脢結合，會增強合成cAMP的能力。而cAMP會活化蛋白質激脢，並導致釋放比正常時更多的神經傳導物質。（Ian Worpole ; Patricia J .Wynne）（三） 外顯性學習之研究： LTP 的研究就我們所知，人

38、類的外顯性學習是在顳葉部分。Mortimer Mishkin國家健康研究所的Squire, David G. Amara和加州大學的Stuart Zola-Morgan 的研究指出記憶的存儲關鍵是顳葉中的一個叫做海馬回的構造。而海馬回的損傷將僅僅使新記憶的儲存發生障礙：例如像 H.M. 這樣的病人對於更早的事件仍然有的一個清楚的很好的記憶。海馬回似乎只是長期的記憶的臨時性存放處。海馬回對數月到數週中這一個時期的新近學習加以處理，然後將這些資訊傳送到腦部皮層的相關區域以進行更長久的儲存。如同Patricia S 和 Goldman-Rakic 所說的那樣，記憶儲存在這些不同外皮區，並透過前額葉皮

39、質區的工作記憶區來加以傳達。 1973年，在挪威奧斯陸Per Andersen實驗室工作的Timothy Bliss和 Terje Lomo，首先說明海馬回中的神經有為各種學習所需要的明顯的可塑性能力。他們發現海馬回中的神經傳達路徑會在一段簡短而高頻率的訓練之後使得突觸的強度增強。這樣的增強在一個被麻醉的動物身上能持續數小時，而在清醒，能自由移動的動物身上則能持續數天到數週。Bliss 和 Lomo 叫這種增強為長期增益效用 ( LTP )。後來的研究顯現 LTP 在海馬回之內不同類型的突觸有不同的性質。我們在這裡將聚焦於關連增強的兩個相互作用的特性。首先是海伯前後關連的形式：為了促進發生，相

40、關的突觸前神經元與突觸後神經元必須同時活動。第二， LPT 顯現出他的獨特性，它被限制在它被激發的路線之上。 為什麼對於 LPT 而言，突觸前神經元與突觸後神經元必須要同時活動？在海馬回中神經主要的傳輸方式是以麩胺酸做為神經傳導物質。麩胺酸利用結合其目標細胞上的麩胺酸接受器來引發 LTP 。而這這當中有兩種麩胺酸接受器：NMDA 接受器 和非NMDA 接受器。非NMDA接受器控制著大部分神經傳導物質，因為與NMDA 接受器有關的離子通道通常被由鎂所阻塞。只有在突觸後神經元去極化時，通道才會打開。而 NMDA接受器通道最理想的活化情況需要二個信號（麩胺酸與接受器的結合和突觸後神經元去極化）同時發

41、生。而NMDA接受器關聯或偵測同時性的性質和腺甘環化酵素相同。但這種需要同時激發的特性，運用外顯性學習比內隱性學習更為合適。在 LTP 的產生看來突觸後神經元的去極化，引發鈣的流入和次級信使激脢隨之活化。而 LTP 的維持，有一些研究者認為與前突觸神經元末端神經傳導物質的增加有關。這些研究者包括Bliss和他沙克研究所的同事John Bekkers 及 Charles Stevens，還有史丹佛大學的Roberto Malinow 和 Richard Tsien Roberto。如果 LTP 的產生需要突觸後神經元事件 (透過 NMDA 接受器通道使鈣流入) 而 LTP 的維持涉及突觸前神經元

42、事件(神經傳導物質釋放的增加)，Bliss認為必須有一些訊息從突觸後神經元送到突觸前神經元。而這樣的想法令神經生理學家產生一個問題。自從西班牙解剖學家聖地牙哥Santiago Ram6n y Cajal 首先提出了動力極化（dynamic polarization）的原則之後，每個化學突觸的研究都證明了訊息的流動是單向性的。訊息只從突觸前神經元向突觸後神經元流動。在 LTP 中，神經細胞的溝通似乎需要一個新法則。這些鈣活化的次級信使，或是由鈣直接活化的方式，使突觸後神經元釋放一個後向可塑性的成分。而這個後向可塑性的成分會擴散到突觸前神經元的末端，使其活化一個或一個以上的次級信使來促進神經傳導物

43、質的釋放，以維持LTP的發生 參見下面的說明 。 在 LPT 中藉由非NADA 接受器通道的活動而使突觸後神經元細胞膜產生去極化。 去極化減低了鎂對 NMDA 通道的封阻，使鈣能流入這個通道。鈣引發與鈣有關的激脢，而引發 LTP 。突觸後神經元釋放能夠滲透突觸前神經元的膜的後向信使。 我們認為這個後向信使（可能是一氧化氮 NO）可以增進突觸前神經元末端傳導物質（麩胺酸）的釋放，也可能是guanylyl cyclase 或是 ADP-ribosyl transferase。 (Ian Worpole ) 與突觸前神經元末端不同，突觸前神經元末端有專門儲存神經傳導物質的囊泡和釋放的地點，突觸後神經

44、元的末端沒有這些特別的釋放器。所以一個非常吸引人的說法是將後向信使想成一個需要時可以利用及合成的物質，一旦合成便可以立刻擴散出突觸後神經元，穿越突觸間隙而到達突觸前神經元末端。 1991 年四組研究人員獲得了一氧化氮 NO 就是後向信使的證據，分別是我們實驗室的Thomas J， O'Dell 和 Ottavio Arancio；史丹佛大學的Erin M. Schuman 和 Daniel Madison；明尼蘇達大學醫藥學院的Paul F. Chapman和其同事；以及和法國的Georg Bohme和其同事。抑制突觸後神經元一氧化氮的合成或吸收細胞外一氧化氮的空間阻止LTP的形成，都

45、可用以說明一氧化氮能增強突觸前神經元神經傳導物質的釋放。在一連串海馬回切片一氧化氮的影響的研究中，我們和Scott A. Small 和 Min Zhuo得到了令人驚訝的發現：我們發現只有在與突觸前神經元同時活化時一氧化氮才會產生 LTP ，這和海蝸牛古典制約時的依活動決定的突觸前促發作用是一樣的。突觸前的活動（也許是鈣流入），顯示出一氧化氮對形成LTP的重要性。這些實驗的發現使LTP以兩個獨立，相聯的突觸學習機制加以結合：一個是Hebbian NMDA 接受器機制另一個是非Hebbian式的，依活動決定的突觸前促發機制。根據這個假設，突觸後神經元中的 NMDA 接受器的活化產生了這個後向訊號

46、(一氧化氮) 。 此時信號產生了開始一個依活動決定的突觸前促發作用機制，這有利於突觸前神經元末端神經傳導物質的釋放。突觸中的變化可以視為是內隱性與外顯性學習的簡單區別。事實上，關連的突觸變化並不需要複雜神經網路，而可能直接與學習的關連形式和基本的細胞性質相對應。而細胞性質又源自於其獨特的蛋白質性質例如腺甘環化酵素和 NMDA 接受器分別會與制約刺激與非制約刺激這兩個獨立訊息作出回應。當然，這種關連刺激的分子機制並非獨立而彼此無關的。它們運用細胞中多樣的機構來完成複雜的使關連刺激。而細胞內複雜的神經網路，其所擁有的眾多，平行處理，計算的能力，也使這基本的機制增加了許多複雜性。 我們發現在海馬回中

47、發生 LTP 的現象，而海馬回又是被認為是記憶儲存的重要區域重要，這使得研究者想知道是否 LTP 與腦的這個地區存儲記憶的過程有關。由愛丁堡醫學大學的Richard Morris所做的運用空間記憶的研究可當作例證。當海馬回中的 NMDA 接受器阻塞時，被實驗動物變的無法學習新的事物。這個實驗認為海馬回中的 NMDA 接受器機制，以及 LTP ，與空間學習有關。 （四） 長期記憶的形成：初始鞏固和穩定建立長期記憶的過程可分為三個階段初始鞏固和穩定。在這三個過程中均存在促成和抑制長期記憶的因素。初始階段時大腦接受外來刺激信號大腦中非神經細胞(除了神經細胞以外的有些細胞因位於神經細胞之間又稱為神經間

48、質細胞)釋放一種化合物叫血清張素(Serotonin)。血清張素可與相關的神經細胞結合使神經細胞內發生一系列反應最後產生兩個信使一個叫蛋白激脢(PKA)的分子進入細胞核去激活促成長期記憶的分支。另一個叫絲裂原激活的蛋白激脢(MAPK)轉移至細胞核內去破壞抑制長期記憶的分支。在鞏固階段中促成和抑制兩個方面的許多基因被激活。在這一階段中促成和控制兩者之間的平衡控制極為嚴格。這時抑制方面起著“關卡”的作用只有突出顯著的信息才被允許轉為長期記憶。不重要的背景或“雜音”在此時過濾排除。從生物進化的意義而言把對於生存重要的信息轉為長期記憶而不是儲存廢物。在穩定過程中神經細胞合成另外的蛋白質促成神經細胞突觸

49、的生長和形態變化，使突觸之間的接觸更為適宜有效和牢固，因而長期記憶。另外研究人員還在動物實驗中觀察到：抑制長期記憶的基因在由多次間隔刺激引起得記憶過程中尤其重要。促成和抑制這兩個調節機製在被激活時有不同的發生動力學。正是由於它們不同的發生發展過程使得這兩方面的因素在間隔記憶訓練中互相配合協調，達到長期記憶的目的。四、 腦神經科學與認知分子生物學研究對教育研究的意義由以上的腦神經及分子生物學的發展可知，我們對大腦的瞭解已遠多於十或二十年前了。然而由腦神經及分子生物學對記憶、學習的基礎瞭解勢必能帶給教育學者一些新的看見(Center for the Advancement of Reform in

50、 Education, 1999 & Funderstanding, Brain-Based Learning, 1998)。在國外，已有學者提出brain-based learning以大腦運作為基礎的學習理論，值得身為教育工作者的我們加以瞭解及探究。以下即介紹一些brain-based learning的一些原則及建議。與腦相容（brain-compatible）一詞最先由Leslie A, Hart（1983）所提出，他主張根據人腦如何處理訊息的研究結果，以及觀察人類自然學習行為的模式中，我們應設計與人腦運作模式與學習傾向相容之課程與教學。隨著腦神經科學研究成果的累積與應用之推廣

51、，目前在美國已有多位學者提出與人腦相容的教學理論。綜合多位學者的研究 (Hart, 1983； Gardner, 1985, 1991; Edelman, 1992; Sprenger, 1999; Sylwester, 1995; Goleman, 1995; Calvin, 1996a, 1996b ) ，發現腦相容教學理論依據如下：(李珀，2001)（一）豐富的學習環境及有意義的學習將有助於學習人腦是先天的學習器官，以組型(pattern)、意義(meaning)之蒐集、連結、組串的方式處理訊息，永不停息，所以學習對它來說是自然而然的事。在安全、詳和、受鼓勵、積極的氣氛之中，加上新奇性與

52、挑戰性的學習內容，人腦最能發揮功能，反之，在感受威脅、不安全的氣氛之中，人腦會產生退縮(sownshift) 的現象，將不利於學習(Hart, 1983; Ross & Olsen, 1993; Caine, Caine, & Crowell, 1994)。所以，在教學時若能不拘泥於教室課堂，將學習環境拓展到如社區、校園、博物館等多元的學習環境，配合在真實學習環境中所面對的真實、挑戰性的問題來加以教學學習，將有助於學生大腦的吸收及學習。（二）自信且有興趣之學習動機的情緒反應將有助於學習及記憶情感在有效學習中扮演很重要的角色。人腦研究顯示，人首先以情感，然後以理智去評價事物的重要

53、性。往往人腦能記憶的事情，不論遠近，多是連同情感和情景一起記憶的。因此善用角色扮演、辯論、歌曲、遊戲、美麗的圖畫等等，都是資深老師的教學本領。把正面的情感和情景，注入重要的課題中，確能有助學習。課程統整既重視情感豐富的科目，如音樂；又重視以理智為主的科目，如數學。當這些科目的老師互相交流和協作，學生便會學習得更為有效。情緒之好壞對記憶有加深及過濾的作用 (Goleman, 1995)，對於認知與記憶的可產生之影響，Caine & Caine (1994) 綜合如下：(1)情緒會影響知識貯存於長期記憶中。(2)情緒能影響理性思考及本能的反應模式。(3)帶有感性及情緒性之記憶最容易存入長期

54、記憶中。教室氣氛的營造一直是教學研究的一項課題。如今更有了腦神經及分子生物學的生理基礎，使我們在進行教學及研究時有了更有力的支持。而在教學時，如何能使學習者的情緒、動機保持在有利的學習狀態，也將是教師、學生值得注意的一個重點。（三）人腦以平行且多元的方式處理訊息多元智能之教學，將有助於學習(Gardner, 1991)。哈佛心理學家 Howard Gardner已經証明，人擁有多種智能，確知的至少有七種：語言(linguistic)、數理邏輯(logical-mathematical)、空間 (spatial)、身體知覺(bodily-kinesthetic)、音樂 (musical)、人際

55、(interpersonal) 及內省 (intrapersonal) 等七種智能 (intelligences) 。這些智能在人腦內都各佔獨特區域，並負責應付完全不同本質的問題。Gardner 的理論對教育有著重大的意義。每一個人的每一種智能發展速度不一，每個兒童都有他獨特的智能側面圖 (intellectual profile) 。人腦以平行、多元的方式，同時將大量及複雜的訊息，分散在各個不同的區塊加以處理(Calvin, 1996a, b)。因此在教學過程中擴大學習探索體驗的機會，以激發多元智能。腦學習（brain-based learning）與多元智慧的研究結果顯示，以往學科分立模式

56、並不符合人們的真正學習歷程，主張好的教學便是合諧地結合（orchestrate）學習者的腦所能運作的所有層面之經驗，以讓學習者能從中萃取理解與意義（Caine Caine，1991）。以往的學習均偏向於語言及數理邏輯的學習，如今由Gardner博士所提出的多元智能及對腦神經的瞭解可知，若能以統整、多元的方式來呈現學習活動，將有助於各種不同學習特質的學生學習。提供課程的統整，就是為學生提供綜合性、生活化的學習活動，培養多種智能，更讓兒童可以從不同智能的途徑去學習，從多樣的活動中尋找出適合他們自己智能的發展途徑。（四）建立知識與學科之關聯性，符應腦神經網路連結機制（陳新轉，1999）人腦以平行及多

57、元方式，將資訊、知識分散於不同之區塊加以處理。知識與技能的發展亦是如此。如地理之中有歷史，歷史之中有文學。任何知識都可以再分化，但是其性質、意義與作用都不是固定不變的，都可以經由統整、組合、改造、詮釋成為新的知識與技能，如同人腦的神經網路，並不是固定的連結關係，可隨情境挑戰形成新的連結，發展出對應的功能。（五）人類重要的基本能力，都是以整體而自然的方式習得的從人腦的學習行為觀察，可以發現許多重要、有用的基本能力，是透過整體性、真實的學習自然學會的。Vygotsky (1978) 的語言學習研究、Hart (1983) 以學騎單車為例，Caine & Caine (1994) 以兒童玩電

58、動玩具為例、兒童透過遊戲中，自然學會人際互動的技能與社會性規範，可以說明在自然學習中獲得重要基本能力。因此體驗與探索學習就佔有十分重要的地位，學習不一定消耗很大的心力，才能學會。就腦相容的觀點而言，學習的困難是來自欠缺自然、真實及有威脅感、挫折感學習機會與環境。若學習是從真實的生活體驗中結合有意義及自然的學習情境，學習並非是一件困難的事情。學習的困難以人腦的運作機制而言，在於知識與技能被抽離、分解，以至於喪失整體感與意義感，學習者又被限制在時間有限、僵化方式的人為學習情境下所造成的。五、 結語：教育是一種價值判斷的活動儘管腦神經科學及認知分子生物學以對人類學習記憶的運作的瞭解有了極大的進展，但是，我們仍然不能說如此我們即能完全掌握學習。原因有二：第一，現有的研究均只止於記憶學習的研究，以古典制約等行為模式來加以研究。對需要高層次思考的創造思考、批