我们为什么要学习?

我们为什么要学习?
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学习这个词听起来很普通。从小到大写作文、引用名人名言的时候,估计我们谁都没少说过学习有多重要的话。比如:孔子说学而时习之;培根说知识就是力量。不过,在生命科学这门学科的框架里,我们又为什么要学习呢?《王立铭·生命科学50讲》的课程主理人王立铭老师,是浙江大学生命科学研究院教授,美国加州理工学院博士,长期追踪生命科学与现代医学的最新进展。今天,他来和你聊聊这个话题。

随机应变的模式:刺激——反射

我们为什么要学习?看到这个问题,你可能会觉得莫名其妙,我们当然要学习啦!学习可以让我们掌握技能,知道怎么生存,怎么躲开危险,怎么读书写字,怎么升职加薪。但是你知道吗?在很多时候,生命活动的发生是不需要学习的——甚至可以说,越是重要的、基本的、性命攸关的生命活动,就越是不需要学习。动物体与外界环境的互动,很多时候只需要针对刺激产生反射,就完全可以实现。那我们为什么还要学习呢?今天,我们就来看看什么是刺激——反射,然后再思考我们为什么要学习。刺激反射是什么东西呢?简单来说就是“随机应变”。针对某种特定的环境刺激,动物能对应产生某种运动反馈。在很多时候,有一颗会随机应变的大脑,动物可以应对生活中发生的情况,安全地活下来。这个过程,有点像计算机程序语言里面的 if then else 语句。如果你没学过编程也不要紧,日常生活中我们经常套用这样的逻辑。比如:回了家,你想把灯泡打开。这个简单动作背后的逻辑实际上是这样的:if——如果灯泡现在是关的;then——那就按下开关把它打开;else——如果不是这样的话,也就是如果灯泡一直就是开着的,那就什么也不用做。这就是一个非常简单的刺激——反射模型。我们可以看到,为了和外部世界进行互动,这个刺激——反沙龙会彩票_沙龙会彩票app_沙龙会官网射模型肯定需要有感觉系统来感受刺激,知道灯现在到底是开还是关。除此之外,它肯定也需要一套运动系统,在大脑根据刺激的信息做出决定之后,来控制手去按动开关。在动物体内,有大量的活动都是遵循刺激——反射这样的模式来进行的。比如,对于一只饥饿的小飞虫来说,它的行为模式可能就是这样的:if——如果左前方出现了强烈的腐败水果的气味;then——那儿应该有食物,所以就朝左径直飞过去,赶紧寻找到食物;else——否则呢,干脆就停在原地不动,节约能量。以此类推,对于一只发情期的雄性老鼠来说:if——发现附近传来了雌性的气味;then——那就赶紧跑过去展开求偶;else——否则,还是专心致志地挖洞或者找吃的,等等。在咱们人体内,也有很多地方用上了这种最简单的刺激——反射模式。比如:强光照到你的眼睛里,你的瞳孔就会自己收缩,来保护视网膜不会被强光给破坏了;再比如:如果你走路的时候不小心,脚底绊了一下,你的双手会立刻自动伸出来沙龙会网站,帮助你保持平衡,等等。这种随机应变的反应模式实际上是非常有用的。我总结一下,有两个特别大的好处:第一,可以提前准备好行动预案;第二,不需要记忆太多的信息。先说第一个好处。对于地球环境中始终存在的各种环境信息的变化,动物在大脑里可以事先准备好各种各样天生的应对模式,准备好行动预案。这样,一旦某种刺激出现了,可以迅速调用准备好的反射模式,不至于临时抱佛脚。这种模式对于好的刺激——比如食物,坏的刺激——比如危险,都是很有用的。再说第二个好处。在这种模式里,动物不需要额外记住别的什么信息。比如:你完全不需要记得早上出门的时候有没有关灯,只需要套用刺激反射模式,你就可以在晚上回家的时候准确地打开灯;老鼠完全不需要记住这块田野上雌性老鼠的生活规律,也可以单纯根据气味准确地找到配偶,等等。这两个好处在一起,就能解释为什么越是至关重要的底层行为,动物越是倾向于用这种简单,但是很顽固的刺激——反射模式。刚沙龙会app官方下载才我们说的这几个例子里,包括找吃的、找配偶、瞳孔收缩、防止跌倒,都是和生存繁殖关系非常密切的行为。依靠这种随机应变的反应模式,生物体可以保证,在一生当中的绝大多数时间里,面对环境中常见的危险和诱惑,它都可以从容应对,而且找到配偶,传宗接代。

刺激——反射的实现:只需两个细胞

谈了刺激——反射模式的重要性,那你知道这种模式,在动物的脑袋里是怎么实现的吗?我想借用一个非常经典的例子来讨论这个问题。这个例子的主角是一种叫做海兔的动物。请注意,这种动物不是兔子,实际上是一种生活在浅海海底的软体动物。身体有差不多10厘米长,样子有点像一个去掉壳的象拔蚌。之所以叫海兔,是因为它的头上有一对长长的、软软的触角,有点像兔子的长耳朵。

海兔

海兔在神经生物学的研究中,是非常重要的研究对象。一个重要的原因,就是在它身体内,刺激反射模式非常容易被研究和理解。具体来说,和其他的软体动物一样,海兔是靠鳃来呼吸的。海兔的鳃位于身体的内部,上面连接着一根水管,和海水连通起来。那海水怎么进入鳃呢?水管上分布着密密麻麻的的细毛,它们能够摆动起来驱赶海水进入水管,这样一来,鳃就可以从流动的海水里获得氧气了。可想而知,海兔的鳃对于它的生存,是至关重要的。因此,保护好鳃就成了海兔的头等大事。所以,海兔就发展出了一个叫做缩腮反射的随机应变模式。如果海水突然剧烈地冲击在海兔身上,或者如果有天敌猛烈地撞击海兔,它就会迅速地把鳃紧紧包裹起来,防止它在海兔身体剧烈变形的时候被伤害。这个缩鳃反射如此重要,相对应,它也只需要非常简单和顽固的生物学,也就是刺激——反射模式。而且,它简单到只需要两个神经细胞的参与。首先,是一个感觉神经细胞,它连接在海兔的水管上。如果有海水剧烈地冲击,那么这个神经细胞就能感受到,并且把这种环境刺激转化成一个生物电信号。第二,是一个运动神经细胞,它连接在鳃上,可以控制鳃周围肌肉的收缩。这个感觉神经细胞和运动神经细胞之间有直接的联系。前者的信号输出端——也就是轴突,和后者的信号接收端——也就是树突之间,能够直接传递电信号。这样一来,海兔的这个缩鳃反射理解起来就很简单了。海水剧烈波动的时候,前面这个感觉神经细胞就能感觉到海水沙龙会棋牌_沙龙会棋牌app_沙龙会官网的冲击,产生一个生物电信号,而这个电信号会输出给后面的这个运动神经细胞。因此这个运动神经细胞随之也产生了电信号,从而能够驱动肌肉收缩,完成缩腮反射。从这个非常经典的案例中可以看到,在动物体内发展出刺激——反射的应对模式,实际上并不困难。最少只需要两个神经细胞相互连接,一个负责感觉,一个负责运动输出,就可以完成这件事。实际上,即便在人体内,类似的应对模式,可沙龙会彩票能也并不需要很复杂的生物学。比如:你可能知道一个叫做膝跳反射的实验,很多时候体检中还会做这样的测试。翘起一条腿,用一个小锤子轻轻地敲击膝盖下方,小腿就会不由自主地弹起来。在人体中的这样一个反射,实质上也只需要两个神经细胞的参与。一个负责感知敲击,一个负责收缩肌肉,抬起小腿。

刺激——反射模式有两大缺陷

说到这里,你已经知道了刺激——反射模式的好处和实现方法。听起来,这个模式又有效、又普遍、又简单。既然如此,回到这一讲开头的问题:我们为什么还要学习呢?直接用刺激反射来应对外界环境不就行了吗?不行,因为抛开这些好处不谈,刺激反射模式仍然有两个很大的沙龙会棋牌官网缺陷。第一个缺陷,就是它的局限性。因为这样的刺激反射模式,需要动物在出生前、在它的遗传物质DNA里,就必须事先携带能够在脑袋里制造这种模式的全部遗传信息。比如:对于海兔来说,它的DNA里面就需要有基因来告诉海兔,到底在哪儿长一个感觉神经细胞,感觉海水的冲击,又在哪儿需要长一个运动神经细胞,控制鳃的收缩,又怎么让这两个神经细胞找到彼此,产生连接。这样一来,遗传物质能够编码的天生的刺激反射模式就一定很有限,一定只能用来为生死攸关的事情做准备,比如找吃的、交配、逃跑、攻击和防御等等。我们难以想象,类似于看书、写字、唱歌、画画、演算方程,或者在「得到」听课这样变化多端的复杂任务,也能预先设置好反应模式。我们的遗传物质装不下,我们的大脑也装不下。第二个缺陷,是刺激——反射模式有盲目性。这话是什么意思呢?就是说,在这种模式中,再多次的重复,也无法变成能够积累的经验。每次遇到一模一样的刺激,生物体都还是只能机械地重复一模一样的反应。反应错了,它做不到吃一堑长一智;反射对了,它也不会总结成功经验。这是个很大的问题。你可以设想一下,如果一只动物永远记不住哪儿可能有丰富的食物,哪可能有天敌出没,哪儿更有可能找到适合交配的配偶,只能依靠先天的反应模式,每次都去闻哪里有吃的,去找哪里有配偶,它一定活得非常辛苦,非常低效。那有什么办法能让动物的行为模式摆脱局限和盲目,能够更从容地应对千变万化的地球环境呢?有,就是学习。在我看来,学习的生物学本质,就是生活经验对天生的刺激——反射模式,进行修饰的过程。有学习能力之后,环境对于动物来说,就不再是永恒的陌生和黑暗了。它们可以根据过去的经验知道,左边那个山头出现食物的概率要比右边大,所以,如果饿了的话,更应该先去左边看看;它们也可以根据经验知道,接下来可能会有长时间的海浪刺激,所以最好把鳃好好地保护起来。这对于智慧生命更是重要。只有有了学习能力,我们才有可能掌握诸如看书识字、沟通交流,上天下海,乃至制造弹药飞船,这类自然界从未出现,我们的遗传物质也绝对没有准备过的全新技能。为你推荐《王立铭·巡山报告》,王立铭老师每个月6号,都会在《巡山报告》里跟大家聊聊生命科学领域的大事件。欢迎加入王立铭老师的“巡山大队“,一起兜兜转转,看遍这个波澜壮阔的伟大时代。

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