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2021-04-07 12:07:44PChome書店

大腦如何精準學習


大腦如何精準學習
作者:史坦尼斯勒斯‧狄漢(stanislas dehaene) 出版社:遠流出版 出版日期:2020-09-29 00:00:00

學習擁有生命力(vital principle),
而人類的大腦有著巨大的可塑性—去改變它自己,以適應環境。
大腦具有超凡的反彈能力,即使在受到巨大的創傷,如眼盲、失去半個腦或社會孤立後,還是能發展出學習的能力。這個學習的火花並沒有被這些不幸的遭遇所熄滅,語言、閱讀、數學、藝術創造:這些人類所特有的能力,也是其他靈長類所沒有的。

現代學習科學的旅程包括三個部分:
在第一部分,〈學習是什麼?」〉(What Is Learning?)
我們從學習對人類和動物的意義是什麼開始,討論學習時的法則或機制,因為學習就是逐漸形成外在世界的內在模式,不論它是在矽(silicon)或是神經迴路上。
當我去到一個新的城鎮時,我會在腦海中形成一個心智地圖——這個城市街道巷弄的小模型。同樣的,一個孩子在學騎自行車時,他也是在他腦海中,模擬腳要怎麼踩、手要怎麼握把手才能維持自行車的平衡。電腦的人臉辨識法則也是先得出眼睛、鼻子、嘴巴的各種形狀和它們的組合,把它形成一個模型板(template)。

在第二部分〈我們的大腦如何學習〉(How Our Brain Learns)之中,作者會用心理學和神經科學來回答。我會聚焦在嬰兒身上,因為他們是真正的學習機器,沒有人比得上。最近的實驗資料顯示,嬰兒的確是如這個理論所預測的,他們是正在長大的統計學家。嬰兒一生下來,他們的大腦迴路就已經組織好了,可以投射假設到外面的世界去,但是他們同時也有極大的可塑性,這個從大腦突觸永遠都有改變的可能上可得之。在這個統計的機械中,先天和後天不是對立的,而是相輔相成的。

在第三部分〈學習的四大支柱〉(The Four Pillars of Learning)中,作者詳列出為什麼大腦是到現在為止最有效率的學習設備。四根支柱就是四個重要的機制,使我們可以學習。第一個是注意力。第二根支柱是主動參與。第三根支柱是錯誤回饋,它正好是主動參與的反面。最後,第四根支柱是固化:透過時間的流逝,我們大腦彙整已經學會的東西,把它轉存到長期記憶中,把神經資源釋放出來以備未來的學習。
這四根支柱有普遍性,嬰兒、孩子、大人在學習時,都用到它們。這是為什麼我們需要把這四個能力操到很熟練—這就是我們可以學習的原因。最後,在總結時,我會討論這些科學的進步該怎麼應用。改變我們學校的教學法、改變家庭、改變職場其實是不必要的,只要遊戲、好奇心、社會化、集中注意力和睡眠就可以增加我們大腦本來已經有的最大才能:學習。

★名人推薦:

~洪蘭教授強力推薦並親自翻譯~
曾志朗 前教育部長
白明奇 成大醫學院神經學教授兼老年學研究所所長

★內文試閱:

‧前言

二OO九年九月,一個非常特殊的孩子驅使我澈底的修改了我對學習的看法。我那時在訪問巴西的莎拉醫院(Sarah Hospital),這是一個神經復健中心,是奧斯卡.尼邁耶(Oscar Niemeyer)所設計的白色建築物(譯註:巴西有名的建築家,聯合國總部大樓就是他設計的),我的實驗室和這個復健中心合作有十年了。中心主任,露西亞.布拉加(Lucia Braga)要我看一下她的病人,一個七歲的小男孩菲力普(Felipe),這個孩子有一半的歲月是花在這個醫院的病床上的,她告訴我,菲力普四歲時,在街上被流彈所傷─很不幸,這種事在巴西很常發生,子彈穿過了他的脊椎,使他幾乎完全癱瘓,只剩微弱的四肢感覺,子彈也摧毀了他的大腦視覺皮質區,他完全看不見,為了幫助他呼吸,醫生在他頸部氣管上開了個口,所以有三年的時光,他都住在醫院裡,一個鎖在殘障身體內的小靈魂。

在通往他病房的走廊上,我記得告訴我自己有心理準備去面對一個破碎的孩子,但是當我見到菲力普時…,一個跟其他七歲孩子一樣活潑可愛,對所有事情充滿了好奇心,問個不停,有十足生命力的孩子時,我太驚訝了,他的語言有著豐富的辭彙,文法完全正確,問我法文的髒話怎麼講(譯註:作者為法國的認知神經科學家,而巴西是講葡萄牙文),我發現他對語言狂熱,從未錯過任何可以豐富他詞彙的機會,他可以說英文、西班牙文和葡萄牙文,雖然他看不見,又生活在床上,他靠寫他自己的小說的方式逃避到他的想像世界中,醫院的人員也鼓勵他這樣做,他在幾個月之內便學會口述他的故事給一位助理幫他打出來,後來他學會用一個連到電腦跟音效卡的特殊鍵盤去寫故事,不再靠別人。醫院的小兒科醫生和語言治療師輪流到他的床邊,幫他把故事轉譯成盲人的點字書,還有著浮雕的插畫,他用殘留的一些觸覺,很驕傲地用手指輕拂過頁面。他的故事裡有英雄,以及他永遠沒有辦法看到的高山和湖泊,但是他像所有的小男孩一樣,有著他的夢想。

跟菲力普的會面深深地感動了我,也驅使我去仔細檢視我們大腦最大的才能:學習的能力。這個孩子的存在就是神經科學的一個挑戰,我們大腦的認知器官如何去應付這麼巨大的環境動盪?我跟菲力普有著這麼巨大的感官經驗,為什麼他和我可以有這麼相同的思想?不論人們是怎麼學的、什麼時候學的,這些不同的人是如何得出這麼相同的觀念?

許多神經科學家都是實證主義者(empiricists):他們跟英國哲學家洛克(John Locke, 一六三二~一七O四)一樣,認為大腦是從環境中獲得知識,大腦皮質迴路的特性就是可塑性(plasticity),能夠適應環境的輸入。的確,神經細胞有著極大的能力,根據接收到的訊號不停地調整他們的突觸。然而,假如這是大腦的主要驅力,我的小菲力普,沒有視覺和動感的輸入,應該是個嚴重殘障的孩子,是什麼樣的奇蹟使他發展出完全正常的認知能力出來?

菲力普的個案絕對不是單一的個案,每個人都知道海倫.凱勒(Helen Keller, 一八八O~一九六八)和瑪莉.厄丹(Marie Heurtin, 一八八五~一九二一)的故事,她們都是生下來就失聰、失明,然而在多年的社會隔離(social isolation)後,學會了手語,最後變成聰慧的思想家和作家1。在這本書中,你會見到許多像這樣的人,我希望他們會大大改變你對學習的看法,其中一個人就是伊曼紐爾.吉魯科斯(Emmanuel Giroux),他在十一歲時眼睛失明了,卻成為世界頂級的數學家,套用聖.修伯里(Saint–Exupéry)在《小王子》(The little prince, 一九四三)這本書中狐狸的話,吉魯科斯說:「在幾何,它的重點是眼睛看不見的,只有用心,你才看得清楚。」一個盲人如何在抽象的代數幾何空間中,快速的操弄平面、球形和立體而沒有親眼看見它們?我們會發現他動用的神經迴路跟其他數學家所用的迴路一樣,但是他的視覺皮質不但沒有靜止不動,反而重新設定用來做數學了。

我也會介紹你認識尼可(Nico),一位年輕的畫家,當他去巴黎的瑪摩丹美術館(Marmottan Museum)時,複製了一幅莫內(Monet)的名畫「日出印象」(Impression, Sunrise)(彩圖一),這有什麼了不起呢?沒什麼,只是這是一個只有半個腦的年輕人,他的右腦在他三歲時便完全切除了,他只有左半球而已,尼可的大腦學會把他所有能力都擠到左腦中:他的左腦要說話、寫作、閱讀,還要繪畫,而後者一般認為那是右腦的專長,不但如此,他還會電腦、輪 椅西洋劍(wheelchair fencing),他在這一項拿到西班牙的冠軍。請忘記你過去所學的左、右腦的功能,因為尼可就證明給你看了每個人都可以成為有創造力、有天份的藝術家,即使沒有右腦也行!大腦皮質的可塑性看起來真是奇蹟的創造者。

我們也會去看一下惡名昭彰的羅馬尼亞首都布加勒斯特(Bucharest)孤兒院的孤兒,這些可憐的孩子一出生就被送到孤兒院去[譯註:這是羅馬尼亞獨裁者希奧塞古(Ceausescu)一個很可怕的錯誤政策,因為當時羅馬尼亞缺乏人力(二次世界大戰在巴爾幹半島打的很激烈,青壯男士都戰死了,全國缺乏勞工,希奧塞古便下令凡是在四十五歲以下生育期的婦女必須為國家生育孩子,由國家成立教養院來養活他們,但是因為人手不夠,這些孩子是在幾乎沒有人照顧的情況下孤獨長大,造成後來很多的人格問題),這個經驗讓西方的學者(主要是哈佛的教授Charles Nelson)發現童年的受虐,如疏忽、冷漠、沒有關愛對孩子一生的影響],但是那些在一歲或二歲以前被領養的孤兒卻有著幾乎正常的學校經驗(譯註:也就是說在學業和人際關係上沒有問題)。

這些例子說明了大腦超凡的反彈能力,即使在受到巨大的創傷,如眼盲、失去半個腦或社會孤立後,還是發展出學習的能力,這個學習的火花並沒有被這些不幸的遭遇所熄滅,語言、閱讀、數學、藝術創造:這些人類所特有的能力,也是其他靈長類所沒有的,都能抵抗這些大的創傷,如切去半個腦、失去視力和動作的能力。學習是個生命力(vital principle),而人類的大腦有著巨大的可塑性—去改變它自己,去適應環境。

然而我們同時也看到相反的例子,學習被僵住,沒有力量掙脫,例如失讀症(alexia)患者無法閱讀字,我曾經研究過好幾個成人,他們原來都是閱讀很強的人,但是在中風以後,他們連最簡單的狗(dog)或地墊(mat)都不認得了。我記得有一個精通三種語言的女士,原來每天讀法文報紙世界報(#Le Monde#)的,在中風以後,她無法讀報了,報紙上的每一個字讀起來都像希伯來文(Hebrew),她下決心要重新學會閱讀法文報紙,但是經過二年的努力,她的閱讀能力仍然沒有超過幼兒園孩子的程度:她要花好幾秒才能讀出一個字來,而且是一個字母、一個字母的辨識才行,即便如此,她還是無法讀出每一個字來。為什麼她不能學?為什麼先天性失讀症閱讀障礙(dyslexia)的孩子、沒有計算能力(dyscalculia)的計算障礙孩子或是運用障礙(dyspraxia),他們在學習閱讀、計算或書寫上都有相同的困難,而其他的孩子則毫無困難的學會這些技能。

大腦的可塑性像個喜怒無常的人:有的時候它可以克服巨大的困難,有的時候它又讓那些能力有障礙但有著很強動機想學,也很聰明的孩子和大人失望。這是因為某些神經迴路的關係嗎?是這些神經迴路在這些年間失去了它的可塑性嗎?這個可塑性可以再被打開嗎?控制打開/關閉可塑性的規則是什麼?大腦的可塑性為什麼從孩子一出生到幼年期能這麼的有效?大腦迴路如何形成外面世界的表徵?它的規則是什麼?了解這些規則會使我們學習的更快、更有效率嗎?這些規則可以幫助我們建構出更有效率的機器、人工智慧,使它們有一天能模仿我們或甚至超越我們嗎?這些問題是本書想要回答的問題之一,我會從認知科學和神經科學的最新發現,從跨領域的角度來回答它們,但是我也會從人工智慧和教育的角度來做整合。

‧推薦序

蓋好格子的白紙

◎白明奇 成大醫學院神經學教授、老年學研究所所長

2004年,我從美國亞歷桑納大學訪問研究歸來,洪蘭教授打電話來台南請我關照一位因中風住院的病人,說是她好友的父親。不久,洪教授寄來一大箱書,打開一看,十分驚訝,都是科普類的翻譯作品。這些年來,洪教授不斷翻譯科學書籍,將國外認知神經科學、心理學等重要的發現與理論引入國內,對當代的年輕學子產生很大的影響。這批書中,還包含腦科學教育的指引,更令人敬佩。三年前,我開始主持科技部前沿科轉計畫,目的是要將重大的科學發現轉化成一般人可以理解的形式、並推廣,以提升國人的科學素養,這是一流國民應該有的能力,更深刻體悟到洪教授過去數十年的努力,很不容易。

這次洪教授翻譯《大腦如何精準學習》(How We Learn),作者是Stanislas Dehaene,是另一本了解大腦功能的好書。書中 Dehaene 引用許多有名的學說與實驗,對我來說十分熟悉,因為在心理學研究所攻讀博士學位的那幾年,上課內容與專題討論幾乎都是在探究學習的機制與原理,這與認知神經科學關係密切。

夏末某天,朝北的辦公室窗外,鴿子銜來一條條枯枝築起了巢,過了不久,下了兩個蛋,幾天之後,孵出了幼鴿,經過反哺餵食,歷經風吹雨打,幼鴿羽長翅硬,很快地,已經可以展翅拍打、做出欲飛之姿態。看這鴿子的成長,不禁想到此書描述的學習機器,剛破卵而出的乳鴿大腦是一張白紙嗎?

奇美實業創辦人許文龍先生曾說:人生如果被劃上格子,就只能寫字了。這是勉勵人們不要自我受限、或被他人束縛,而阻擋了原可揮灑的人生。然而,延續物種是個非常現實的任務,為達使命,生物體業已將千萬年來經過演化、物競天擇考驗的精髓及成功存活的祕笈印刻在染色體上。這樣說來,新生的大腦像是一張畫了格子的白紙,具備足夠與生俱來的能力,得以快速適應既有的環境;同時,大腦可塑性則是對付環境威脅的利器。2014年諾貝爾醫學與生理學桂冠 The Mosers 發現了網格細胞 (參考白明奇:腦內的導航系統。科學發展,2015年:八月號),再次支持這種理論。

這其實正是本書所要強調的重點之一,但不會否定教育的角色,同時,Dehaene 告訴我們,教育學子絕非任其發展,必須有篤實的學理根據。以往教育心理學家多半靠觀察、推論形成理論,沒有科學的根據有可能導致推論錯誤。現在應用功能性大腦磁振造影,可以支持、但也推翻了許多過去堅硬不敗、知名的學說或理論。

這本書創造許多名句,例如「記憶看的不是過去,而是未來」、「沒有驚嚇、沒有學習」、「學習就是排除、減少錯誤」,Dehaene更提點人類大腦的獨特性,弱化人工智慧的過度誇大,這對迷戀人工智慧的人來說,提供一個省思的機會。

古地圖用 Terra Incognita 來描述未知的疆域,剛剛來到人間的人類大腦就像 Terra Incognita,值得對認知神經科學有興趣的你我來持續關注。

學習不簡單:認知神經科學如是說!

曾志朗

這是一本非常好的書,作者狄漢(Stanislas Dehaene)是法國法蘭西學院(College de France)的特聘教授,也是近20年來在腦科學領域的研究上,公認最有貢獻的科學家之一。在2014年,他是這領域最大獎「大腦獎」(The Brain Prize,2010年由丹麥倫德貝克基金會捐款成立的獎項,獎金為1000萬丹麥克朗,約150萬美金)的三位得主之一;去年又獲得這領域最高榮譽獎,認知科學協會(Cognitive Science Society)的魯梅哈特獎(Rumelhart Prize)。我們的研究團隊與有榮焉,因為長期以來他一直是我們團隊的研究顧問,也是我們實驗合作的好夥伴。這些年來,在科技部龍門計畫的支持下,我們有好幾位博士生都到他的實驗室,受到他的照顧和培訓。三年前,他來台灣參加我們國際腦科學聯盟的研討會,報告了他剛剛完成的「腦與意識」的實驗結果,大膽的下結論說:「語義激發不需要意識,但語意聯結的計算是推理的基礎,沒有意識就不會有理解,也就不能預知未來。因此,人的記憶不是為了回憶過去,而是為了計劃未來!」

有點禪的味道?!所以那天晚餐後的小飲聊天時,我告訴狄漢教授,我把理解的歷程分段,由感官激發,到覺知,到意識,到理解,然後到預知,前兩個階段不需意識,但後三個階段必須有意識的支持才能完成;而實驗派典(experimental paradigm)的建立和理論的驗證,有其必要!但我更感謝他的實驗室已經開拓了意識研究的實驗天地,「讓我們共同啟動中國禪學的實驗研究吧!」他哈哈大笑說:「做和尚,不幹;打坐冥思,可以試試!」

狄漢治學嚴謹,對每個實驗的管控一點都不馬虎,要求實驗室的年輕學員要精讀古典文獻,重視科學史觀的演進,但又不能被傳承的學風框住,思維一定要開放,主體是生物演化,行為是外相,根源是基因和神經聯結的系統化,提出的理論要深要遠,最重要的是禁得起數據為主的考驗!他這些堅持的理念和作為,貫穿在他每個實驗中,也表現在前後所寫的四本書中。從1997年出版的《數字感-1、2、3哪裡來?》(Number Sense),到2009年的《大腦與閱讀》(Reading in the brain),到2014年的Conscious in the brain,到今年剛出版的《大腦如何精準學習》(How we learn),他以深入淺出的生花妙筆,清清楚楚敘述了認知神經科學的起始、發展,和騰飛的過程。每一個面向都帶著歷史的困境,而且每一個細節都缺乏適切的概念來做好順暢的聯結,但他總有辦法把複雜的困境分解成可被理解的細緻圖像,然後就容易消化成為相互聯繫的階層性構圖。啊哈,懂了!這就是狄漢的能耐!

這本剛出版的書,寫的是有關「學習」這個大家都知道的概念,在現代神經科學和認知科學整合之後,以新的研究工具(MRI、MEG、ERP等測量腦神經活動的高科技儀器)和不斷提升其精準度的分析方法,透視行為改變的神經機制,並建構新建「知識」儲存、聯結,和組合的生化模式,讓我們了解以往大家認為理所當然也習以為常的「學習」,其實是涵蓋非常複雜的生物演化歷程和不斷要把行為的特殊性提升為普遍原則的傾向,因此有效學習的四個核心動力就是:注意、主動參與、錯誤回饋,以及鞏固所學。總的來說,被動的學習是學不到東西的!

這本書最精彩的部份是狄漢對近50年來在嬰幼兒學習的科學研究發現,做了全面且非常深入的整合報告。他的博士生涯是在當年世界上最好的嬰幼兒認知實驗室,跟隨頂尖的大師梅勒(Jacques Mehler)學習,所以他說「不要低估嬰幼兒!」,也很清楚的告訴大家,即使現代最強的人工智慧(AI),都比不上人類嬰兒腦神經的學習潛力!你也許有親友在外國,他們的小孩同時學會說兩種或三種不同語言,一點也不困難,但你現在想學第二外國語,就必須費盡心力,遑論學習第三外國語。用科學的方法,在認知神經科學的研究中,打開腦神經學習的神秘面紗,對未來教育中有效學習的重新設計,絕對是有很大助益的!

最後,我必須再強調一次,這是一本非常值得慢慢細嚼、用心體會的有關人類有效「學習」的科普著作。內容不簡單,但作者的敘述條理分明,所以讀起來並不困難。在講究為未來科技社會超前部署的世代,重視精準學習,實屬必要!

‧摘文

第三章

嬰兒看不見的知識

從表面上看,還有什麼人比嬰兒更沒有知識呢?還有什麼比洛克說的嬰兒的心智像「一塊空白的石板」(blank slate)等待環境去填滿它,更有道理呢?盧梭(Jean-Jacques Rousseau, 一七一二-一七七八)在他的《愛彌兒》(Emile, or On Education, 一七六二)中更是宣揚這一點:「我們天生可以學習,但是生來什麼都不知道,什麼都無覺識」(We are born capable of learning, but knowing nothing, perceiving nothing)。大約二百年之後,現代電腦之父圖靈說:「假設孩子的大腦像剛從文具店買的筆記本,有很多的空白頁,很少的機制」(Presumably the child brain is something like a notebook as one buys it from the stationer’s. Rather little mechanism, and lots of blank sheets.)。

現在我們知道這種看法是大錯特錯的了,外表是可以唬人的:雖然它還沒有成熟,但是新生的大腦已經擁有相當多的知識,這是演化長史給他的。然而,絕大部分的這些知識是看不見的,因為它無法從嬰兒很原始的行為中去表現出來。靠著認知科學聰明的實驗法才讓我們看到寶寶生來就有的能力庫中有很多、很廣的,物體、數字、機率、面孔、語言等先驗的知識。

□物體的概念

我們都直覺的知道這個世界是由實體物件構成的,其實應該說是由原子構成的。但是以我們所居住的世界來說,這些原子都集合成被我們叫做「物體」(objects)的東西。這些物體就是構成我們環境的基本元素,我們需要特別去學習這些嗎?不需要,千百萬年的演化已經把這個知識刻在我們大腦的核心上了。幾個月大的嬰兒就知道這個世界是由物體組成的,它們會在空間移動,如果沒有理由,不會突然消失,同一個東西不可能同時在兩個不同的地方出現。1就這一點來講,嬰兒的大腦已經知道物理學的定律了,如果拋一個物體在空中,它會成拋物線,在空中持續移動,不會突然彈跳或突然不見。

我們怎麼知道這些?因為違反這些物理定律時,他們會很驚訝,今天的認知科學實驗室,實驗者就像魔術師一樣(見彩圖5),在一個特別為嬰兒設計的戲院裡,實驗者在舞台上玩各種把戲,物體一下子出現,一下子消失,一下子變多,一下子不見,一下子穿牆過了…,隱藏的錄影機監控著寶寶的眼睛,看他們投射到哪裡。結果很清楚,即使只有幾個星期大的寶寶就對這個魔術很敏感,他們已經對這個物理世界有很深的直覺了,他們會像我們大人一樣,當期待的結果不是那樣時,會感到很驚奇。認知科學家放大所拍攝的嬰兒眼睛,來決定他們是在看哪裡、看了多久,用此來測量嬰兒的驚奇度,並推論嬰兒本來預期看到什麼。

如果在書後面放一個物體,然後突然間書倒下躺平,後面的物體好像不見了(其實桌子有個小門,書是掉到桌子底下的袋子中),嬰兒會非常驚奇(譯註:作者用flabbergasted目瞪口呆這個字,我做過這個實驗,目瞪口呆絕不誇張),他們不能了解,一個固體的東西怎麼會突然消失在空中。當他們看到一個物體從一個屏風後面消失,卻在另外一個屏風後面出現時,他們也是張大了嘴,說不出話來,因為他們沒有看到物體在這兩個屏風的中間移動。當一輛小火車從斜坡上滾下來就這樣穿牆而過時,也會非常驚奇,假如他們看到一根桿子的上下兩端隔著中間木板在規律的移動,他們認為這兩端是屬於同一根棍子,假如把木板移開,原來是兩截短棍時,他們會很震驚。

所以嬰兒對外界已擁有很多的知識,但是一開始,他們並不知道所有的事情,要花好幾個月的時間,寶寶才知道兩個物體如何可以相互支持。2一開始,他們並不知道當你放開手,物體會掉下來,但是慢慢的,他們了解物體靜止不動或掉下來的因素。第一,他們了解物體沒有支持會掉下來,但是以為任何的接觸都足以讓物體靜止不動—例如,把玩具放在桌子的邊緣。慢慢的,他們了解,玩具不但要跟桌子接觸,還得在桌子上面,不能在下面,好幾個月後,他們才了解前面的接觸規則是不夠的,是物體的萬有引力使物體停在桌子上面。

下次你的寶寶把湯匙丟在地上,玩我丟你撿遊戲時,不要生氣,他們在做實驗,就像科學家一樣,孩子需要一連串的實驗才能把錯誤的理論排除掉,這些理論的順序如下:(1)一個物體在空中可以停留;(2)一個物體一定要接觸另一個物體才不會掉下來;(3)一個物體一定要在另一個物體上面才不會掉下來;(4)這個物體大部分的體積必須在另外一個物體上面才不會掉下來,以此類推(譯註:以玩具和桌子為例,第一個物體指的是玩具,第二個物體指的是桌子)。

這個實驗的態度一直延續到成年後,還是如此,我們對違反一般物理定律的新玩意充滿了好奇,如氦汽球、動態平衡(mobiles in equilibrium)、不倒翁(roly–poly),我們都喜愛兔子消失在帽子中、鋸人等魔術表演,我們喜歡這些因為它違反了我們大腦中一出生就有的直覺,這個感覺在我們生命的第一年又精緻了許多。麻省理工學院(MIT)人工智慧和認知科學的教授田能邦(Josh Tenenbaum)認為寶寶的大腦中有一個遊戲的主機(game engine),它會在心智上模擬物體的標準行為就像電玩遊戲去模擬不同的虛擬實境(virtual reality)一樣,寶寶在大腦中模擬物體的動作,並把這個模擬動作和真實的相比較,他們很早就知道哪些動作是在物理上可能的(possible),哪些是很可能(probable)。

數字的感覺

讓我們來看第二個例子:算術。還有什麼比嬰兒不懂數學更好的例子?然而,在八十年代之後,實驗者已經一再顯示嬰兒是有數字概念的。3在一個實驗中,嬰兒重複的看著螢幕上出現的兩個物體,一直看,一直看,直到他們厭倦了,這時螢幕突然出現三個物體,嬰兒看著新投影片的時間明顯的增長,表示他們知道新的跟舊的投影片是不一樣的,實驗者用這種方法去操弄大小、密度來證明嬰兒對數字本身敏感。一個證明嬰兒有抽象「數字感覺」(number sense)的實驗是給嬰兒聽「噗、噗、噗、噗」四個聲音,他們會去看螢幕上有四個物體的投影片,而不會去看有十二個物體的投影片,反之亦然。4實驗者用這種控制的很好的實驗,來說明嬰兒一出生就已經有直覺能力去辨認跟聲音相符合的影像,雖然他們還不會數數(譯註:這類實驗很多,也都做得很漂亮,尤其一個觸覺的實驗,更是證明小嬰兒嘴裡的奶嘴是上面有突起小球(有點像冠狀病毒的狀形,他們的眼睛就會去看螢幕上跟嘴裡奶嘴相符合的奶嘴圖片,雖然他們並不知道嘴裡的奶嘴長的是什麼樣,但是舌頭的觸覺已經讓他喜歡看有突起圓球的奶嘴了)。

那麼,嬰兒可以做計算嗎?假設給寶寶看一個物件後再把它藏到屏風後面,接著再放另一個物件到屏風後面,當把屏風撤去時只有一個物件在那邊!這時嬰兒會很驚奇,嘴巴張的大大的,怎麼跟我的預期不符了呢?5假如屏風撤去,嬰兒果然看到有二個物件在那裡,那麼,他們看一下就不看了,這叫做「認知驚奇」(cognitive surprise),是對違反心智計算的反應,才幾個月大的嬰兒就知道1+1應該是2,他們心中有個心智模式,可以增加或移走物體,這種實驗不只是1+1和2−1,還可以做到5+5和10−5。九個月大的嬰兒就知道5+5不可能是5,10−5也不可能是10。6

這個能力有可能是天生的嗎?難道生命的頭幾個月的經驗就足以讓寶寶學會數字組的概念嗎?雖然他們需要時間去增進他們的正確率,7但是很清楚地,他們絕對不是從一張白板開始,新生兒在出生幾個小時之內就已經有數字概念—猴子、鴿子、烏鴉、小雞、魚、甚至蠑螈都有。在小雞的實驗裡,實驗者控制小雞所有的感官輸入,確定牠們孵出來後,沒有看到任何一個物體,但是牠們仍然知道什麼是算術。8

這些實驗顯示算術能力是天生的,是演化賦予我們及其他動物的。實驗者在猴子和烏鴉的大腦中找到數字的迴路,牠們的大腦中有「數字神經元」(number neurons),對某些特定數目敏感,有些神經元對一個東西敏感,有些對二個,有些對三個、五個、甚至三十個東西敏感,作反應,這些細胞在該動物沒有接受任何訓練之前就存在了。9我的實驗室曾經用腦造影技術顯示人類大腦也有同樣的神經電路,裡面有同樣的神經細胞對基數(cardinal number)起反應,最近因為技術的進步,我們發現這種神經元在人類的海馬迴中。10

這些發現推翻了瑞士心理學家皮亞杰(Jean Piaget, 一八九六-一九八○)兒童發展理論的核心,皮亞杰認為嬰兒沒有「物體永久性」(object permanence)—即物體已經不在眼前,看不見了卻仍然持續存在。他們要到滿一歲以後才會有物體永久性的能力,他也認為數字的抽象概念是超越小小孩子的能力,他們要慢慢從具體測量中抽取出大小、長度和密度的抽象概念;事實上,他是錯的,物體和數字的概念是我們思想的基本,是「核心知識」(core knowledge)的一部分,人生而有之,當組合這些概念時,它使我們可以形成更複雜的思想。11

數字感覺是嬰兒看不見知識的一個例子而已,這個生來就有的直覺引導著他們後續的學習,下面是研究者發現幾週大新生兒就有的能力。

機率的直覺

從數字到機率只要一步而已…,最近研究者在想,不知幾個月大的嬰兒可不可以預測樂透的結果,這個實驗的做法是先給寶寶看一個透明的箱子,裡面裝有四個球:三個紅的,一個綠的,箱子底下有一個小洞,打開時,會有一個球滾出來,假如把小洞打開,滾出來的是一顆紅色的球,孩子看一下就不看了,因為箱子裡本來就是紅色的球多,紅球最可能掉出來,但是假如是綠色的球掉了出來,寶寶看的時間長了很多,因為綠的掉出來的機率只有四分之一,是一個比較不可能的結果。

後來的實驗發現嬰兒在他們大腦中模擬真實的情境,並會知道相當的機率。因此,假如我們插入木板,把球隔開,或是把球移到離洞口近一點或遠一點的位置,我們發現到嬰兒會把這些參數考慮進去,在心中算出機率,假如情境跟他們預測的不合,他們會看久一點,好像在心中計算一樣。

嬰兒的這些能力都超越最新的人工神經網路。的確,嬰兒的驚訝反應絕不是小事一椿,他們會驚訝表示他們的小腦袋會估算事件的機率,而且懂得為剛剛看到的事件下了個不太可能發生的結論,所以才會有驚訝的表情出現—他們的大腦可以計算機率。事實上,目前最紅的大腦功能理論就是認為大腦是一個會計算機率的電腦,可以操作機率分配,並用它們來預測尚未發生的事件,嬰兒實驗顯示即使是嬰兒也有這樣精密的計算機。

最近一系列實驗更進一步顯示,嬰兒生來就有所有必要的機制,以進行複雜的機率推論。你還記得貝氏的機率定理嗎?這個定理能使我們回溯到觀察事件可能發生的源頭?研究者發現即使幾個月大的嬰兒也可以根據貝氏定理去作推理。12他們不但知道如何從有顏色球的盒子去推論可能的機率(前向推理),也會從觀察到的情況回頭去推理盒子裡的球是什麼顏色(反向推理)。在一個實驗中,我們先給寶寶看一個不透明的箱子,裡面裝什麼他看不見,然後有一個眼睛被蒙住的人進來,隨機從箱中取出一序列的球,一顆接著一顆,都是紅色的球,寶寶會不會推論這個箱子中絕大部分的球是紅色的?會,當我們最後打開箱子,讓寶寶看到箱子裡竟然都是綠色的球時,他們會很驚奇,看的時間遠比箱子打開裡面是紅球來得長很多。他們的邏輯非常正確:假如箱子裡大部分是綠球,為什麼隨機抽出來的球會是紅色的?

嬰兒的這個行為好像沒有什麼了不起,但是它暗示一個非常特殊的能力,即他們可以作一個內隱的、潛意識的雙向推理:只要給他們一個樣本,他們就可以猜出箱子裡東西的特質;或是反過來說,給他們一組球,他們就可以猜出隨機抽取出來的樣本應該是什麼樣子。

我們一出生,大腦就已經擁有直覺的邏輯,現在這個實驗已經有許多不同版本,在在顯示出寶寶像個小小科學家,他們像好的統計學家一樣推論,會剔除最不可能的假設,並搜索現象背後隱藏的原因。13例如,美國心理學家Fei Xu(徐緋)實驗顯示,當一個十一個月大的寶寶看到一個人從箱子中取出來的球都是紅色的時,他們會驚訝於箱子裡竟然大多數都是黃球,但是他們同時也會推論這個人喜歡紅球。14假如他們看到球不是隨機取出而是有固定形態的,比如說一顆黃球接一顆紅球,再一顆黃球,接著一顆紅球,那麼這時他們會推論是人在抓球而不是機器在抓。15

邏輯和推理是緊密相扣的,正如福爾摩斯說的「當你把不可能的都剔除掉時,剩下來的,不管看起來多麼不可能,那就是真相了」(When you have eliminated the impossible, whatever remains, however impossible, must be the truth)。換句話說,我們可以用推論方式去剔除一些可能性,這樣就把一個機率變成一個確定了。假如嬰兒可以操弄機率,他一定是個邏輯專家,因為邏輯推理是機率推理0和1唯一的限制。16這正是發展心理學家邦納替(Luca Bonatti)最近實驗的結果。他先給一個十個月大的嬰兒看兩個東西:一朵花和一隻恐龍。把它們藏在一個屏風的後面,然後他從屏風後面拿出一樣東西,放進罐子裡,但是寶寶不知道是什麼,因為它被罐子遮住了,只有頂部看得見。假如後來實驗者把恐龍從屏風的一端拿出來,這時寶寶就會做邏輯的推論:罐子裡藏的如果不是花就是恐龍,但是我剛剛看到恐龍從屏風一端拿出來了,那麼罐子裡的一定是花。假如罐子裡果真是花,嬰兒不會驚訝;但是假如罐子裡的是恐龍,他會很驚訝。此外,寶寶目光的凝視反映出他邏輯的推理:就像大人一樣,當他做推理時,他的瞳孔會放大,一個如假包換的包著尿片的福爾摩斯,他們先有一些假設(不是花就是恐龍),然後剔除一些假設(不可能是恐龍),這樣就把機率移到確定(那一定是花)。

「機率理論是科學的語言」,簡納士告訴我們,而嬰兒在可以說第一個字時,就已經有這個科學的語言了,他們操弄機率,並且用精密的三段論法組合它們。他們對機率的直覺使他們可以從觀察得出邏輯的結論。他們不停的在做實驗,而這個成長中的科學家大腦不停的為他們的研究累積結論。

□動物和人的知識

寶寶對不會動的物體有一個很好的行為模式,他們同時知道還有另外一個類別是完全不同的:會動的東西。寶寶從第一年起就了解動物和人有著特別的行為:他們是自主的、自動的,不必等另一個物體碰撞他們才會動,像撞球檯上的球一樣,他們動作的動力來自內在,不是從外而來的。

所以寶寶對動物自己在動不會驚奇,事實上,任何東西只要自己會動,不管它的形狀是三角形或正方形,都馬上被認定為「動物」。從這刻開始,每一件事都不一樣了,一個小小孩知道活的東西不必依物理定律而動,他們的動作是有意圖和信念的。

例如我們給寶寶看一顆順著直線移動的圓球,跳過一堵牆,朝右邊去,慢慢地他們會覺得無聊,他們是對這個動作感到無聊嗎?不是的,事實上他們的了解比這個深,他們推論出這是一個會動的東西,它的目的是要往右邊去!然後,他們也知道這個物體的動機很高,因為它跳過一堵高牆才能到右邊。現在,讓我們把牆移開,這時,寶寶看到這顆圓球順著直線一直往右邊去,不跳了,他們一點都不會感到奇怪,因為沒有了牆阻擋,這本來就是往右邊最好的路線。但是假如這個球在沒有牆的阻擋下,仍然高高跳起,他們會因為驚奇而瞪大眼睛,球沒有跳的必要,他們不了解這顆球的意圖是什麼。17其他的實驗也顯示,寶寶本來就會一直不停的推理人的意圖和喜好,尤其是他們了解,牆越高這個人的動機越強,因為只有越強的動機才跳得過去。從寶寶的觀察得知,他們不但可以推論身邊人的目標和意圖,同時還會推論他們的能力和喜好。18

嬰兒對活的東西的看法還不止於此。大約在十個月大時,寶寶開始把人格加到人的身上:假如他們看到一個人把孩子摔到地上,他們就會推理這個人不懷好意(ill–intentioned),不是好人,會避開他,他們會喜歡把孩子從地上扶起來的第二個人。19遠在他們可以說*壞*跟*好*之前,他們已經在思想的語言中形成這些概念了。這種判斷是很細微的,即使是九個月大的寶寶也可以區辨出一個人是故意還是不小心去傷害到別人,或是故意拒絕去幫助別人還是他沒有機會去幫助。20我們下面會看到,這種社交技巧在學習上扮演基礎的角色。的確,即使一個一歲的孩子也能了解別人是否在教導他,他知道普通的動作和一個有目的想教新東西的動作的差別。根據匈牙利心理學家葛杰利(György Gergely)的理論,一個一歲寶寶就已經擁有天生的教學法感覺(pedagogy sense)了。

□面孔辨識

嬰兒最早顯現出來的社交技巧便是人臉辨識,對成人來說,最少的一點暗示就足以啟動臉部的辨識:如卡通人像、一個笑容、一副面具…,有的人甚至可以在雪地或烤焦的麵包看到耶穌的臉。令人驚訝的是,這個對臉的超級敏感竟然是一出生就有的:一個出生才幾個小時的嬰兒會較快速的轉他的臉去看一個微笑的面孔,而不會去看一個微笑但是顛倒的面孔(實驗者確定了這個嬰兒不曾有看過臉的任何經驗)。有一個實驗團隊甚至用光點打到母親的肚皮上,使胎兒可以透過子宮壁看,21結果很驚訝的發現,胎兒比較喜歡看三點成一個臉的光影(∵),而不喜歡看三點呈現為三角形的光影(∴),面孔的辨識似乎在子宮裡就開始了!

很多研究者認為這個對臉的磁性吸引在寶寶的依附(attachment)發展上,扮演了重要的角色—尤其是自閉症的初期症狀就是避免眼神接觸。這個生來就有的偏好,吸引我們的眼睛去看臉—迫使我們學習如何去辨識他們。的確,出生才二個月的寶寶,他視覺皮質右邊的區塊就開始對臉起反應,臉孔的反應是遠大於他們對其他影像例如空間的反應。22這個大腦對面孔的特殊性是先天與後天合作最好的例子。在這個領域裡,寶寶顯示的是完全先天的技能(像臉的圖片的磁性吸引),但是它又有非常卓越的本能去學習特定臉的知覺,正是這兩者的組合使得寶寶在不到一年的時間內,從僅對兩個眼睛一個嘴巴的粗淺反應,進步到偏好人類的臉(相較於其他靈長類,如猴子和黑猩猩)。23