《最强大脑》背后的心理学、认知科学和脑科学
2019-03-29 11:47阅读：
“《最强大脑》，我是跪着看完的......”
“《最强大脑》是学霸的世界啊！！！”
“看完最强大脑，只想说造物主实在是太有趣了，我就是一个大写的智障啊！！ ”
那，学霸们到底是怎么学习的？
《最强大脑》背后的心理学、认知科学和脑科学（精减版）
从2014~2016年, 《最强大脑》已播出三季,
在中国被誉为现象级的节目, 收视率一直位于同时段节目的前列. 在内容制作上,
由来自北京大学心理与认知科学学院、北京师范大学心理学院等院所的心理学专家组成的团队提供了专业知识支持.
特别是节目采用的展现人类认知能力的挑战项目都由科学家团队设计, 用电视的手段进行了包装. 那么,
这些看似匪夷所思的大脑能力展示的背后, 到底有怎样的科学背景呢? 其实,
几乎每一个挑战项目都是心理学经典实验范式的变体, 本文选取了《最强大脑》节目中的四个项目进行解读。
1 看字知笔画
“扒鸡大妈”赵淑芳在最强大脑节目中表演了“看字知笔画”的能力,
即随意给出一句话(节目中要求在12个汉字以内), 她都可以快速报出这句话中所包含的所有汉字的笔画数之和(图1A).
这一能力让在场的科学评审感到惊叹, 一时难以进行评价和打分.
“扒鸡大妈”是如何做到在如此短的时间内报出汉字笔画数的呢?
对此提出了两种可能的假设: (1) 记忆假设, 即“扒鸡大妈”可能是在日常生活中以内隐或外显的方式加工和记忆了汉字笔画数量的信息,
然后在“数笔画”的表演中, 直接将笔画数量信息从记忆中提取出来, 这和人们对字形、字音、字义的记忆类似; (2) 视觉加工假设,
即“扒鸡大妈”可能是因为对汉字有较好的早期视觉识别与加工的能力,
因此能够很快地数出汉字的笔画数量.
为了探究原因和检验以上两种假设,
从全国各地找到了多位具有这种“看字知笔画”能力的被试进行了实验研究(图1B). 结果表明, 这些被试识别汉字的速度与常人没有差异,
也就是说被试与正常人相比并不存在对汉字的早期视觉加工优势, 因此也就否定了上文中提出的视觉加工假设. 同时,
功能性磁共振成像(functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI)实验数据表明,
被试在数笔画过程中的反应越快, 与记忆相关脑区左侧海马(left hippocampus)的激活就越强, 存在显著的负相关.
这一结果为上文中提到的记忆假设提供了直接的证据支持.
除了脑成像的结果外, 其他行为实验的结果也为记忆假设提供了间接的证据支持.
首先, 发现日常生活中汉字出现的频率显著地影响了被试数笔画的速度:
对经常出现的高频汉字数笔画所需要的时间明显低于低频汉字、假字、伪字以及繁体字. 这与被试对汉字笔画数量信息的学习记忆机制是吻合的,
也就是说被试对于日常生活中经常出现的高频汉字进行了更多的学习与记忆, 因此数笔画的速度也就更快.
其次, 使用眼动仪追踪了被试数笔画过程中的眼睛注视点,
发现被试在数笔画过程中眼动较少, 没有明显的注视点移动现象, 几乎是看一眼汉字就立即报告出了笔画数目.
而对照组被试(即普通人)在数笔画时则会在汉字区域有较多的眼动轨迹, 表明注视点在跟随笔画的书写轨迹.
这一结果反映了两组被试的数笔画方式存在很大差异, 即正常人在数笔画的过程中需要追踪和扫描汉字字形中的每一个笔画,
而“扒鸡大妈”们在数笔画时则没有对于汉字字形的精细序列加工, 也就是说他们并不是一笔一画数出来的笔画数目,
而更可能是在看到汉字后直接从记忆中提取该字的笔画数量信息.
2 知觉学习
“捕风者”曹全全在节目中的挑战项目是在一个电影片段中插入另一部电影的一帧,
他需要分辨这一帧画面来自于哪部电影(图2A). 胶片电影的放映速度是每秒24帧, 因此在电影放映过程中,
这一帧只在挑战者面前出现了1/24 s, 约42 ms. 一般人(如在场嘉宾)在这42 ms的时间内只能看到画面“闪”了一下,
而曹全全则可以在这段时间内分辨出画面的内容, 再判断这一画面来自于哪一部电影. 除对电影画面的记忆能力之外,
他的毫秒级别的视觉辨别能力似乎更加让人惊叹. 然而事实上, 普通人的视觉系统在经过足够的练习后, 几乎都可以达到这种辨别能力,
而这种练习过程在心理学研究领域中则被称为知觉学习(perceptual learning).
在训练的开始阶段, 被试的SOA阈限为100~150 ms,
但是经过5~10天的训练(每天的训练试次为1000个左右)后, 被试的阈限可以下降50%~ 70%, 最后稳定在40~50 ms左右,
即一张图片闪过40~50 ms, 被试便能辨别图片中前景刺激的排列方向. 从视觉辨认角度来说,
TDT的实验任务可能比曹全全的挑战任务还要困难,
因此这一结果证明通过10天左右的知觉学习训练便可以让每一个普通人具备类似曹全全的视觉辨别能力.
除了纹理辨别任务外,
知觉学习还可以通过训练提高人们对其他基本视觉特征的辨别能力, 包括视觉对比度、空间视敏度、刺激朝向、运动方向等. 除了视觉外,
在触觉和听觉方面也存在知觉学习的效应, 如通过训练提高手指对振动频率的辨别能力以及听觉系统对声音时长的辨别能力等.
知觉学习的研究对心理学、认知科学和脑科学都具有重要的意义,
因为它是大脑可塑性的具体表现.
3 多客体追踪
在第三季的节目中,
苏清波第二次挑战的“奔跑的力量”被嘉宾公认为本季难度最高的项目. 这项挑战中, 50位奔跑者在巨型广场上自由跑动15 min,
选手需要在这段时间内同时观察和记忆50条奔跑路线, 随后绘制出嘉宾指定的任一条路线(图3A). 苏清波的精彩表现令所有人惊叹不已,
他在这里展现出的是远远超过常人的多客体追踪(multiple-object tracking,
MOT)能力.
在日常生活中, 人们常常需要同时关注和追踪多个物体.
足球运动员必须追踪队友和对手的跑位, 以及球的位置; 警察需要同时追踪人群中多个个体的行动, 找出潜在的安全隐患. 近30年来,
科学家针对多客体追踪背后的心理机制做了大量探索, 发现了一些行为及脑成像方面的规律.
1998年, Pylyshyn和Storm最早提出了多客体追踪的研究范式.
研究发现, 被试通常能同时追踪最多四项物体, 这一上限被称为追踪容量(tracking capacity).
追踪容量受到多种因素影响: 追踪时间越长, 物体运动速度越快, 目标项和干扰项距离越小, 这些因素都会降低追踪容量. 节目中,
苏清波在长达15 min的时间内追踪50项目标, 不论是追踪时间还是数量都远远超过人类的平均水平.
当然选手在完成挑战时和标准的实验测试不一样: 首先这50个目标不是同时显示在屏幕上, 而是有一定的先后顺序. 其次,
选手提前记忆了大量信息, 包括整个场地的路径和可能的目标轨迹. 再次, 目标本身有编号, 而不是像在实验条件下所有目标都是一样的外观.
即使有这些因素能降低难度, 选手还是展现了超人一等的记忆能力和多客体追踪能力.
多客体追踪任务究竟用到了何种基本认知功能? 科学家认为,
多客体追踪和视觉注意(visual attention)密切相关.多客体追踪是否可能被学习?
心理学家的答案是肯定的, 但需要长时间或在特定条件下训练.
当训练阶段和最终测试阶段的目标项的轨迹完全相同时, 短时间的训练也能够提高追踪成绩.
人脑的哪些区域参与了多客体追踪任务? 科学家借助脑成像技术,
发现和多客体追踪有关的脑区包括上顶叶(superior parietal lobule, SPL)、额叶眼区(frontal eye
fields, FEF)、顶内沟(intraparietal sulcus,
IPS)和颞中回运动区(middle temporal complex, MT+). 其中, SPL和FEF可能和控制眼跳有关,
MT+负责表征运动物体的位置, IPS可能和注意有关.
4 生物运动
第三季节目中最大的争议来自于苏清波挑战的“光点美人”项目. 挑战过程中,
选手首先现场观看一段集体舞. 每位成员的舞蹈动作被记录之后以光点运动的形式呈现出来, 选手需要找出指定成员对应的光点信息(图4A).
该项挑战最终得到的难度系数分并不高, 嘉宾对此感到难以理解. 那么, 这项任务的难度究竟如何?
它背后的心理学现象是什么呢?
日常生活中, 我们有时看不清远处人的面孔,
但是仅凭走路姿态就能判断出这个人是谁. 我们是凭借生物运动(biological motion)信息来帮助识别的.
生物运动是人类和动物固有的运动模式, 如行走、奔跑和舞蹈等. 瑞典心理学家Johansson(1973年)首次使用光点动画技术,
将运动模式从外形轮廓特征中突显出来. 观察者仅仅根据这些光点就能识别出人的运动.
进一步研究发现, 除了动作信息外,
人们还能从光点运动中提取其他信息特征, 如人物的性别、身份(自己、朋友或陌生人)和情绪等.
人类对生物运动的识别能力, 究竟是先天具备还是后天习得的呢?
研究者发现, 对生物运动信息的识别能力在出生两天的婴儿中即已经体现: 新生儿能够区分生物运动和随机光点运动;
相比于倒置的生物运动, 新生儿更偏好正立的生物运动. 上述证据表明, 对生物运动的检测是人类视觉系统的相对天生的固有能力.
在进化过程中, 人类和动物形成了对种群中其他个体更加关注的偏好. 与此同时, 随着儿童年龄的增长, 对生物信息的检测能力逐渐增强,
到5岁时达到成人水平.
人类和动物天生就擅长处理生物运动信息, 大脑中也存在专门加工生物运动信息的结构.
虽然上述的科学发现使得苏清波挑战的“光点美人”的项目难度不高, 但这恰恰也说明人类大脑的强大之处.
人脑中存在许多负责某一特定功能的模块化结构, 使我们能够轻松地完成各种人类独有的、看似神奇的任务.
我们能够在极短时间内仅凭走路姿态识别他人,
正是得益于大脑pSTS区对生物运动信息的自动化加工.这些脑区帮助我们毫不费力并且精准无误地认出面孔, 识别文字, 识别场景.
上述这些还只是大脑功能的冰山一角, 人类对于大脑的探索刚刚起步, 还有更多秘密等待心理学家发现.
5 结语
人类大脑是一个极其复杂的器官,
约860亿个神经元形成的复杂网络上有百万亿数量级别的突触连接, 被誉为宇宙中最复杂的1.5公斤重的物体. 基于它,
人类产生了知觉、注意、语言、决策、记忆、意识、情感等心理和认知过程, 也产生了以科学和艺术为代表的灿烂的文明. 但是,
作为人类理解世界和理解自身的终极科学问题之一, 厘清大脑的工作机制的探索征程才刚起步. 在一百多年心理学和近几十年认知科学的努力下,
对人类的认知能力及其神经机制取得了一定的进展, 这些进展并不为普通民众所熟知. 许多观众惊异于《最强大脑》节目中展示的大脑认知能力,
惊异于人类认知能力的多样性、有效性、精确性, 这也从一个侧面体现了心理学、认知科学和脑科学科普的重要性.
本文从四个挑战项目入手,
详细说明了这些看似神奇任务的背后的心理学实验范式和基本知识. 基于这些分析, 得到如下启示.
一是超常能力的背后除了天生优势以外, 很多来自于后天的训练.
二是科学发现时常是和常识背离的, 如上述研究所证明的那样.
三是科研工作者需要分配出一定的时间和精力, 把科学知识转化为大众喜闻乐见的内容和形式传播开来. 对心理学、认知科学和脑科学来说,
这有非常重要的现实意义: 脑科学与类脑研究在“十三五”规划纲要中被确定为体现国家战略意图的重大科技创新项目和工程之一,
“中国脑计划”也箭在弦上. 不仅要在管理层面和学术层面形成合力,
更需要向广大民众介绍心理学、认知科学和脑科学的重要性,
为学科的长远发展打下基础。
每一个“最强大脑”背后，其实都站着“科学”引导的父母。
当“家长陪孩子写作业”成为热议现象，各种培训特长班成为入学标配的时候，“最强大脑”再次证明了天才不是靠智商，学习的内驱力才是王道。“我想变更好”远比“都是为你好”有更强的执行力和学习力。
提问
什么样的孩子更适合参加全脑潜能开发的训练呢？
潜能开发全脑教育适合所有18岁之前的孩子，经过训练后，孩子右脑的潜能会被充分挖掘，告别过去机械式学习的方式，接受力和学习力能力会得到到迅速的提升。
原本天资聪明的孩子。从小就很机灵，但为了适应目前的教育，长期使用左脑思维，时间一长，则会越来越愚钝。所以，需要进行全脑开发，让大脑具有创造思维，聪明的孩子更容易成功。
勤奋但成绩不理想的孩子。用脑方法不当，花大力气也难取得成绩，全脑开发，产生新智慧，学习自然不困难。
不喜欢学习的孩子：不喜欢学习，不自信，不是孩子的错，问题出在教育方式上。全脑开发，让孩子体验思考的乐趣，变得自信，自然就喜欢学习。
