随着脑科学的发展，人们对于脑结构与功能的了解也越来越深入，其中，脑可塑性是近年来广受关注的话题。揭示脑可塑性内涵及其对教育实践的启示，可为教育工作者及家庭提供有益参考。
动物学习与脑可塑性的研究
人类关于学习与复杂环境经验对脑结构与功能影响的研究有一段历史了。20世纪60年代，美国加利福尼亚大学伯克利分校的科学家Diamond研究组发现，学习与丰富环境的经验对大鼠脑的重量、皮层的厚度、乙酰胆碱水平与树突结构都有影响。70年代，美国伊利诺斯大学Greenough研究组则从多学科的角度研究丰富环境对大鼠脑的影响，发现树突结构的变化与突触数量增加之间的关系。这些研究工作和相关研究为我们了解学习与环境经验对神经结构与功能的影响积累了大量科学事实。
学习或经验改变脑皮层的厚度与树突的结构
复杂环境诱发的经验依赖性神经可塑性是探索学习与经验对脑结构与功能影响的经典研究，这类实验一般都是以老鼠为研究对象，设计三种类型的实验环境：丰富环境组、单调环境组和对照组。丰富环境组笼子里饲养多只大鼠，笼子中有各种玩具，如训练的轮子、转台和爬梯等，并定期更换。单调环境组笼子中仅养一只大鼠，没有玩具。对照组介于两者之间。实验表明：丰富环境中成长的大鼠比单调环境中成长的大鼠脑皮层要厚6%。小于28天的幼鼠在丰富环境中生活 8天，其皮层比其他组幼鼠增厚7%到11%；2周后，丰富环境组幼鼠的脑皮层整合感觉信息的区域增厚16%，是所有年龄段中增厚最多的脑区。实验证明了学习与丰富环境的经验可以增加脑皮层的厚度，而年龄是影响脑皮层可塑性的一个重要因素。脑皮层厚度的增加可能与神经细胞的胞核面积和胞体增大、树突野扩大、突触数量增多、突触终端变大等有关。丰富环境的实验研究表明，在大鼠的视觉皮层上，每个神经元的突触比单调环境中的大鼠多20%-25%，其他脑区的突触也有增长的现象。
学习与练习对脑的结构产生不同的影响
从神经科学的角度来说，学习是神经元之间形成新连接的过程，而练习是巩固与强化已有连接的过程，因此，学习和练习是两种不同的神经活动，对脑的结构会产生不同的影响。Black等人的实验证明了这一点，他们研究小脑在运动学习中的作用，研究对象为38个10月龄的成年鼠，实验分为特技组、强制练习组、自愿练习组、不活动组。30天的实验中，特技组大鼠逐步学会通过如铅笔粗细的平衡木、松散的绳桥、链条、跷跷板等7个障碍物， 总共通过了0.9公里的路程；强制练习组以每分钟10米的速度在踏车上奔跑，总共通过了10.8公里的路程；自愿练习组自由地在笼中的转轮上练习，练习简单的平衡与协调能力，总共通过了19±4公里的路程；不活动组作为对照组被关在标准的笼中，学习或者练习的机会很少。研究表明，强制练习组与自愿练习组的毛细血管密度比另两个组显著增加；练习组和不活动组在突触密度上没有显著差异；而特技组大鼠每一个浦肯野细胞突触数量比其他组大约增加25%，血管密度保持不变。这说明运动学习而不是重复训练在小脑皮层产生了新的突触。这一研究支持了过去迷宫学习与练习的一些研究结果，即学习可以改变突触的密度， 而练习则不能。1997年，Kleim等人的研究从不同角度验证了上述研究。他们同样将大鼠分为特技组与练习组，但是研究的是不同训练时间对于突触的影响：连续训练10天、连续训练10天后28天不训练、连续训练38天。研究表明，三种不同训练条件下，特技组每一个浦肯野细胞的突触都显著多于练习组；而同一组大鼠的突触数量在三种不同时间的训练条件下没有产生差异。研究表明，运动技能的学习使突触数量增多、保持时间更长，其原因可能是，运动技能的学习中，缓慢而渐进形成的技能引起了小脑神经回路的细微变化以及突触的数量增加，而新增突触的保持时间可能取决于大鼠在停止训练前所接受的训练量。
学习与经验改变人脑树突的数量与树突棘的形状
由于伦理道德的原因，对人类脑结构可塑性的研究数据还非常匮乏，直接研究一般局限于尸体解剖、脑疾病患者以及极少数自愿者，目前更多的是间接研究。儿童青少年接受的正规教育活动也会对大脑的结构产生影响。Jacobs等的研究证明了这一点。他们研究了韦尼克区(Wernicke’s area)锥体细胞树突长度、树突分枝等结构与教育因素之间的关系。研究对象是20名正常人，男女各10名。教育条件分为三类：低于中学层次、中学层次、大学层次。研究发现，随着教育层次的提高，第三和第四层树突分枝的总长度增加。受教育程度高、喜欢挑战性思维活动的个体，脑中总的树突分枝长度比中学层次以下的人要长。他们推测可能是研究对象的教育程度和经常性、挑战性的学习经验造成了脑的这种变化。该研究表明，教育对脑的结构具有显著的一致性影响。
学习改变人脑的功能代表区
外语学习的研究 。 感觉、运动、语言等在大脑皮层都有各自的功能代表区。经验或者学习可以重组或者改变皮层功能代表区的精细结构。因此，许多研究人员运用不同的技术与手段来研究技能的获得与脑功能代表区结构之间的关系，以期查明特定技能的功能代表区和结构以及年龄、学习的掌握程度等因素对功能代表区的影响。例如，Kim等人的研究表明，第二语言学习在布罗卡(Broca)区和韦尼克区的表征与第二语言学习的起始时间可能存在着密切的关系。研究发现第二语言习得晚的6个被试，母语和第二语言在布罗卡区的两个激活部位中心分离，平均相距6.43(±1. 83)mm，而早学第二语言的6个被试两种语言的激活部位中心几乎重叠，平均相距1.53(±0.78)mm。该研究表明，第二语言习得的年龄可能是影响人脑语言区功能重组的一个重要因素，第二语言学习起始时间的早晚可能导致形成不同类型的语言加工系统。虽然这一结论还有待于进一步的研究证明，但是学习经验对大脑功能区的影响已经得到众多实验的验证。Mechelli等人的进一步研究不仅证实了年龄对脑功能代表区的影响，而且还阐明了双语学习者的年龄、掌握程度与脑功能区之间的关系。研究表明，双语学习者大脑左侧下顶叶的灰质密度随第二语言掌握水平的提高而增加，随第二语言习得年龄的增长而降低，而且脑结构重组的程度与第二语言的掌握水平具有相关性。
乐器学习的研究。在技能学习中也观察到学习改变脑功能代表区的现象。乐器演奏是一种复杂技能的学习，涉及到将音乐符号的视觉信号转变为序列化的手指运动，同时还要监听演奏的声音等过程，这些都需要将多通道的感觉和运动信息与多通道的感觉反馈机制整合起来。因此，有研究者关注乐器演奏技能与脑结构的关系，Gaser研究了持续性学习与技能重复能否导致脑结构的改变或者增大。他们研究的对象是18～40岁的20名男性专业音乐家、20名业余音乐爱好者与40名非音乐家。研究结果表明，三者之间在运动、听觉和视觉区域的灰质分布模式不同，中央前回、左侧颞横回、右上顶叶皮层灰质体积的增加与音乐专业化程度的提高有显著正相关，表明专业技能与脑的结构之间具有密切的联系。这种技能学习与练习过程中所发生的脑区增大，灰质结构由于外界环境刺激的影响而产生适应性的变化现象，说明人脑在学习与练习的作用下可以产生可塑性变化。
学习与脑可塑性研究的教育意义
学习是极其复杂的社会文化与生物现象，不仅涉及到社会、文化、心理等方面，而且也与神经结构与功能之间存在着相互的作用与影响。学习与脑可塑性的研究对理解学习的本质与规律，揭示脑学习的奥秘具有重要的意义，并将影响到教育决策与课程教学设计。上述研究提示我们：
第一，学习与环境经验对脑的结构与功能区会产生影响。环境中输入的触觉、味觉、声音、视觉、感觉运动经验以及语言、乐器演奏、运动等技能的习得都会在神经系统产生生物性变化。学习经验不仅可以形成不同的突触连接，增加树突密度，增多树突分枝层次，改变树突棘的形状，而且还可以增大脑的功能区。
第二，特定的学习与经验影响大脑特定的区域。空间学习主要改变海马区的结构，而运动技能的习得主要影响小脑的结构。第二语言学习增加了左侧下顶叶的灰质密度，音乐演奏技能则导致中央前回、左侧颞横回、右上顶叶皮层灰质体积的增加。这些研究提示我们，设计有针对性的教与学活动可以对大脑特定的区域进行训练，从而改善大脑特定区域的功能。这种针对性教学不仅有助于提高正常学习者的学习水平，而且对恢复学习障碍儿童的认知功能具有积极的作用。
第三，不同类型的学习与经验以不同的方式改变大脑的结构。同样是脑的活动，但是学习与练习可能对脑产生不同的影响，学习增加突触的密度，而练习增加的是血管的密度，这表明突触和血管由不同的生理机制和不同的行为事件所驱动。
第四，受教育的程度、挑战性的学习经历、学习技能的掌握水平以及学习的起始年龄等是影响脑结构重组的因素。
第五，突触连接的细微结构与功能区的大小受到整个生命过程中的经验包括教育的影响。
因此，脑的可塑性并不仅仅局限于幼年、童年和青年期，而是持续终身的过程。这些研究对于理解终身学习的脑机制、确立终身学习体系具有重要的意义。
总之，学习与脑可塑性的研究表明，学习与大脑之间存在着密切的关系。大脑是学习的物质基础，而学习为大脑形成适应性的行为创造了条件。
