熟练带来的大脑变化
1．大脑的构造与熟练
2．大脑是怎样变化的
3．向他人学习时大脑的变化
4．直觉在哪里
至此，前文已经对熟练者所具备的认知特征进行了阐述。无须思考，仅仅靠身体的活动，就能够敏捷而精确地行动、准确地预测，还有敏锐的直觉、识别力、审美能力……以上这些认知功能，大脑是通过怎样的变化而实现的呢？
1．大脑的构造与熟练
大脑的分工
大脑是怎样实现在分担各项功能的同时进行工作的呢？下面进行简要的说明。大脑皮质区，大致可以分为额叶、顶叶、颞叶、枕叶四部分（图5-1）。枕叶，也被称为视觉区，负责视觉信息的前处理。颞叶，负责物体的认知、听觉的处理等。顶叶，与对于空间的视觉处理（物体之间的具体位置关系等）、感觉运动的处理、注意力的控制有着很深的关联。额叶，由于具备临时储存从外界获取的信息、对信息进行统合等高级认知功能，因而可以起到统领作用。
图5-1 大脑皮质区的基本结构与功能
思考的位置在哪里
我们经常会听到“思考的位置在额叶”“多用额叶进行思考的话，会变聪明”的说法。那么，这些说法是真实可信的吗？
真相是：这些说法无一不是简化了事实，甚至歪曲了事实。实际上，无论进行何种活动，都不可能只运用大脑的某个特定区域，而完全用不到其他区域。“左脑的颞叶对于语言活动很重要”这句话意味着：即使语言信息只输入到了左脑的颞叶中，但是，在理解语言以及说话的时候，用到的也不仅仅是这一部分。我们在运动的时候，用到的也不仅仅是运动区；解数学题的时候，用到的也不仅仅是额叶或顶叶。
控制行为的网状结构
当我们进行某个课题的时候，虽然大脑的不同区域分担着不同的处理任务，但同样需要进行协调、保持整体的和谐。承担统领功能的也并非只有额叶。为了保证能够顺利行动，需要留意那些值得关注的地方，并监视自己正在做的事情；对于自己正在做的事情，需要评价自己的感情，评价课题的目标与现状之间的差距，确定处理各项信息的优先顺序，根据需要进行注意力的转换，等等。上述这些需要同时进行的各项调整，不只是在额叶区域才能进行，还需要用到包括额叶、顶叶等大脑表面皮质部分和深层部分在内的大范围网状结构。
图5-2 影响一般性认知功能控制的脑内网状结构
图5-2展示的是：无论进行何种技能行为，都需要用到的共通大脑区域。主要包括：脑前额叶背侧、前扣带皮层／辅助运动前区、顶叶后部、岛叶皮质前部、大脑基底核、视丘、小脑等。大脑基底核位于大脑的中心部位，对于运动的调节发挥着重要作用。小脑作为控制运动和学习的重要区域而被人们熟知。但近些年来，人们了解到：除运动以外，大脑基底核和小脑也承担着各种各样的认知功能，在整体学习方面发挥着重要作用。虽然，前扣带皮层和岛叶皮质被认为是涉及感情信息处理的区域，但在执行某项任务时（尤其是在学习初期），除了是运动处理，涉及感情的部分也被包含在控制网状结构中。这意味着，无论做任何事，都不能忽视感情的作用。尽管我们并不需要记住大脑各部分的名称，但要记住，当我们做某件事情时，大脑的表层部分和深层部分，这两片区域中的大部分网状结构都在进行处理。
保证信息处理顺利进行的大脑变化
一言以蔽之，个别技能的学习，即为了保证高效而精确地执行各项技能，基于这些共通区域的控制系统的不断改良、优化的过程。“改良”具体指：对于实行各项技能所必要的信息处理，为了保证其能够迅速而顺利地进行，专门构建的一个神经网状系统。这一特定的网状系统，能够自动进行高速处理。然而，这并不意味着，不再使用原本用于执行各项共通技能的一般性控制系统。事实上，原来的系统是被保留下来的。
在短时间内记忆某项技能时，大部分信息处理都是在共通技能的控制网状结构中进行的。此时，由于还不清楚究竟需要注意哪些问题，因此不得不留意各项信息。同时，由于网状结构并没有单独针对该技能进行调整，因此，信息处理的负荷非常之大。
随着不断地重复，针对该技能的特定记忆，将会被存储在与之相关的大脑各个区域。之后，将会构建出一个专门针对该项技能的、经调整过的控制系统。在此基础上，当执行该项技能时，会根据之前学过的知识，自动而且迅速地调取储存在大脑各区域的记忆。
自动处理的缺陷
然而，对于所有信息都采用自动处理的方式，并不一定是好事。针对特定技能的自动处理，虽然速度快、认知负荷小，但处理系统一旦形成则不易修改。而共通技能的控制处理，虽然速度慢、能够同时处理的容量有限，但正因如此，信息处理更为灵活、能够进行修改。
为了能够迅速实施某项技能，很重要的一点是，针对外界信息排列出优先顺序，保证大脑能够不受干扰地选出最重要的信息，并进行学习。反过来讲，一旦大脑中形成了这种处理网络，那么除了已经学到的信息之外，其他任何信息都无法进入学习者的大脑。也就是说，对信息进行了筛选。那么，如果所有信息的处理都被自动化，处理将会变得完全规律化，也就只会注意那些完全相同的信息。这样一来，从根本上调整一项技能的操作方式就会变得很困难。比如，大幅度改变高尔夫或棒球的击球姿势等，这是因为，大脑已经不再注意原本很重要的信息。
在第2章 中曾提到，构建起高效学习母语的信息处理系统，对于婴儿时期的学习母语有着重要作用。此外，还讲述了婴儿从出生之时起，到8个月左右的这段时间内，是能够区分世界上的语言包含的所有音素的，但过了这段时期，就区分不出来了。这个例子恰如其分地说明：因为大脑中已经形成了自动化控制的网络，所以，便不再留意对于学习无用的信息了。
婴儿在刚开始学习语言的时候，就能够注意到人声中包含的声音信息中的所有声音特征，因此，他们能注意到那些很细微的差别。换言之，这也就意味着在母语的信息处理中进行效率低、但具有普遍性的信息处理。但是，为了掌握母语单词中包含的音素，婴儿会自动以母语音素的范畴为标准，来接收输入的声音信息，从而形成处理母语声音信息的专用神经网状系统，这样一来，将输入的声音按照单词进行划分的过程，也变得更加高效。
另外，上述的处理回路一旦形成，即使在学习音素范畴不同的语言时，大脑也会使用母语专用的信息处理系统。因此，想要将其修正为基于外语音素范畴的信息处理系统，就会变得很困难。日本的成年人之所以听不出英语中/r/和/l/的区别，正是因为大脑中已形成了专门用于提高日语声音处理效率的网状系统，对于处理日语声音无用的信息，会被全部过滤掉。
事实上，熟练者在实际操作时，需要进行十分复杂的工作，必须把多项技能的要素组合在一起。第4章 中讲到了关于流畅使用语言、读书、演奏音乐等事例。真正意义上的熟练，并不是对于所有信息都进行自动处理，而是适当协调自动处理与控制处理两者的平衡，在此基础上进行处理，这一点十分重要。而我们的大脑，必须学着如何协调好这两个系统。
学习会让大脑保持活跃吗
图5-3 随着逐渐熟练而不断减少的大脑活动
前面已经讲述过，认为随着学习的进步和熟练，大脑会一直保持活跃运转的想法，其实是一种误解。图5-3展示了学习某种运动并不断熟练时，大脑活动方式的变化。左图为刚开始学习时的状态，右图为熟练掌握课题技能时的状态，正中为中间状态。图中的白色部分，用来表示与开始学习时相比，大脑活动增多的区域。由此可以推断出，随着学习的不断进步，大脑的活动程度在整体上呈降低趋势。尤其是前头叶部分和头顶叶的后方部分，也就是控制注意力的部分，减少尤为明显。可以认为，这是由于随着运动技能的逐渐熟练，转变成为无须刻意去注意的自动处理方式。
另外，运动区域的活动量虽然没有随着学习阶段的提升而减少，但可以看到活动形式是发生了变化的。对比图5-3中的三个阶段可知，在运动区域，学习初期的活动，分布在整个大脑的广阔范围中；到了熟练阶段，则明显可以看出，活动集中在左右两端。关于这一变化产生的原因，可以认为是在逐渐熟练的过程中，与课题关系最密切的运动区域的细胞群集结起来，构成了新的组合方式。也就是说，在学习过程中，大脑的区域性变化将会以各种各样的形式呈现出来。其中一种形式便是神经细胞的活跃场所会发生变化，即对于某项技能所需的特定刺激起反应的细胞群增加，神经网络重组，神经细胞的活跃区域不断发生变化。
对于不熟悉大脑科学的读者朋友来说，即使读了以上描述，或许也很难在头脑中形成具体的印象。那么接下来，将会通过举例说明的方式，具体介绍在熟悉音乐的过程中，大脑发生了怎样的变化。
2．大脑是怎样变化的
声音的处理方式发生变化
专业音乐家在感觉区域中，左手所占部分的体积比业余音乐家和非音乐家要大；但右手对应的部分，则没有显现出增大。
图5-4 音乐家的大脑
因熟悉音乐而引起的变化，首先表现在处理声音的方式上。德国某研究小组进行了一项实验，将实验对象分为3组，分别是：专业音乐家、业余音乐爱好者、没有专门学习过音乐的初学者。研究这3组对象在听到纯音乐时，其初级听觉区的反应。观察图5-4可知，在音乐家的大脑中，无论视觉信息的处理，还是听觉信息的处理，都不仅仅是在一个地方、被处理一次，而是分阶段性地进行。声音的第一次处理，发生在对特定频率的声音（声音的高度）和大小起自动反应的神经细胞中。这一过程基本上无须经由对声音的高级认识即可处理，因此被称为低级处理。接下来，将会通过负责和音、旋律、节奏部分处理的细胞，再接下来，通过综合处理音乐的细胞，按照这样的顺序，在伴随认知的处理程度加深的同时，逐步进行处理。
通过该研究，可了解到低级处理的形式是如何随着对音乐的熟悉而发生变化的。实验的课题很简单，并不需要听出音乐的和音与节奏，只要听辨出健康诊断检查听觉时那一声“哔”音的高度即可。实验参加者，需要在听到例如500赫兹的持续声音后，如果声音的高度发生变化，则做出按下按钮的反应。
研究小组使用能够捕捉到非常微弱的磁场变化的脑磁图（MEG）装置，来测定初级听觉区当时发生的活动。此外，在测定大脑活动之前，对每位参加者进行了声音高度识别测试，即音乐适应性测试。专业的音乐家和初学者，在刺激的音高发生变化时，其初级听觉区的反应有着明显的区别。而专业音乐家与初学者相比，即使是听辨与音乐毫无关系的单纯的音高时，在刺激发生变化之后（19毫秒到30毫秒），也能观察到其初级听觉区的明显活动。
大脑的结构也会变化
专业音乐家与初学者之间的差异，不仅仅体现在反应的不同。大脑中用来处理这种信息的皮质部分的体积，专业音乐家比起初学者要大30%左右，而业余音乐爱好者的皮质体积处于专业音乐家与初学者的中间值。更有趣的是，大脑测试结果显示，对于音高的识别能力越强，大脑活动的变化就越大，而且，这部分的体积也越大。
其他研究小组针对专业音乐家、业余音乐爱好者、初学者这3组人群，其大脑中各区域的皮质体积进行了比较。结果显示，专业音乐家大脑中，以下区域的皮质体积比初学者的要大一些，而业余音乐爱好者的则处于二者中间：感觉运动区域、补充运动区域、小脑等在运动学习和技能学习中担任重要角色的部分，以及上头顶小叶、下侧头叶等将音乐符号转换成声音之后，再与运动相连接的部分。
熟练引起的大脑结构变化，有时也会反映在特定的乐器演奏中。例如，小提琴、大提琴等弦乐演奏者需要微微活动左手的手指。而针对专业弦乐演奏者的大脑进行的研究结果显示，其感觉区域中，左手所占部分的体积比业余音乐爱好者和初学者都要大一些。但在右手所对应的部分，却观察不到增大的现象。
成为专业音乐家需要历经长时间的练习，这会导致与音乐相关的各部分大脑细胞的增加，包括对声音的反应、由音乐符号向声音的转换、为了与演奏相连接而向运动的转换等，从而形成最适合音乐演奏实践与学习的神经网络。
3．向他人学习时大脑的变化
学习从模仿开始
无论乐器演奏、体育运动还是其他技能，在绝大多数情况下，我们都是先观察其他人（多数情况下是老师或教练），然后再开始模仿着去做。提到“模仿”也许有人会想到“依样画葫芦”。然而，即使是像抓东西这种极其普通自然的行为动作，实质上也是很抽象的。如果不能够理解行为的意图，在此基础上，理解达成意图的行为范畴的话，也是无法模仿他人行为的。在不断熟练的过程中，对于情况的看法会发生变化。同理，观察他人行为时的看法也会发生变化。所以，即便是观察相同的人、相同的动作，熟练者和初学者也会分别持有不同的观点和看法。
那么，在观察他人的行为时，大脑会进行怎样的活动呢？根据熟练程度的不同，大脑的运动方式又会有怎样的不同呢？
大脑中的“镜子”
应该有很多读者朋友听说过“镜像神经元”一词。镜像神经元细胞是意大利研究者里佐拉蒂发现的。研究发现，当看到实验人员拿取食物的动作时，猴子的神经细胞中也会出现自己拿取食物的活动。这意味着，猴子的大脑中似乎在进行着模仿他人行为，以替换自身行为的活动。
镜像神经元细胞的发现，对于研究、了解包括人类在内的生物，在学习他人行为时的大脑活动，具有里程碑式的意义。诸多研究结果显示，人类在观察他人的行为时，其大脑中的活动似乎是在模仿对方的行为，并在自己心中照着原样模仿一遍。研究同时发现，此时起作用的是由大脑运动前区、顶下小叶、颞上沟构成的网络，该网络被称为镜像神经元系统（图5-5）。
图5-5 人类的镜像神经元系统
通过自身经验才能完成学习
了解镜像神经元系统的运作方式以及大脑如何通过模仿进行学习，对于理解人类学习的方式具有非常重要的意义。曾有一项研究，以专业芭蕾舞演员、专业卡波耶拉舞（巴西战舞）竞技者、毫无舞蹈经验的初学者三种人群为研究对象，让他们观看芭蕾舞和卡波耶拉舞的视频。研究结果显示：芭蕾舞演员看到芭蕾舞视频时，以及卡波耶拉舞竞技者看到卡波耶拉舞视频时，他们的镜像神经元系统会变得非常活跃。但镜像神经元系统的活跃，仅限于看到自己所熟悉的动作时。芭蕾舞演员看到卡波耶拉舞视频，或者卡波耶拉舞竞技者看到芭蕾舞视频时，他们的大脑活动与初学者的大脑活动并没有什么不同。
还有一个很有趣的现象：即便是同一名芭蕾舞演员，在看到自己已经掌握的动作和尚未掌握的动作时，其大脑的活动方式也会呈现不同。在古典芭蕾舞中，男性和女性的动作、姿势有着很大的差异。在练习和演出时，男女双方共同进行，因此他们非常熟悉对方的动作。即便如此，当他们看到自己已经掌握的动作和自己没有掌握的，以及同伴的动作时，大脑的活动方式也会有所不同。
这意味着，如果不是通过亲自活动身体并掌握的动作，无论看多少遍，大脑的活动方式也不会与熟练掌握者的大脑活动方式相同。人类通过观察他人的行为，可以从他人那里学到很多东西。然而，想要通过模仿他人进行学习，就必须在观察他人行为时，同时进行分析、解释，并且在心中进行模仿，然后不断地进行身体重复。
不仅是运动，学习语言也是同样的道理。小孩通过模仿大人说话来学习母语，但这绝不是依样画葫芦。毫无疑问，他们在听到父母使用的语言时，会对听到的语音进行分析、理解，通过自己发现语言的结构，来重新创造语言。最终实现从模仿到理解，通过亲自使用，运用到实际当中。这一过程不仅限于语言和运动，学习并熟悉任何事物，都要经历一个这样的过程。
4．直觉在哪里
变为身体的一部分
自己也未必能够记住最初掌握的所有知识。学习物理公式的时候，只是死记硬背下来而已，一旦遇到实际问题，就会发现仍然不会运用。如果反复练习运用公式解答物理题，就能做到在看到问题的一瞬间，判断出该使用哪个公式以及怎样使用。通过反复使用，将最初死记硬背下来的公式融会贯通，变为自己真正掌握的知识，成为身体的一部分。
国际象棋、围棋等亦然。一般而言，都是由他人教授给自己游戏的规则和方法。换言之，并非无意识地学习，而是努力去记忆、去学习。最初，努力记住规则，之后，加上积累的经验，这些规则便成为身体的一部分，无须刻意去记忆了。
此时，成为自己身体一部分的不仅仅是规则，还包括学过的棋谱和过往的布局。虽然最初只是死记硬背的记忆，但经过重复使用，便有可能实现在必要时刻随意提取记忆，甚至无须下意识思考，就可以实现记忆的变形。即便是最初死记硬背下来的内容，经反复使用之后，也有可能变为在自身内部融会贯通的记忆。
直觉存在于“旧大脑”中
一流的熟练者都能做到随机应变，即具有准确而灵活的判断能力。那么，这种优秀的判断能力从何而来呢？通过以下研究可略知一二。
理化学研究所的团队针对专业将棋手做出判断时的大脑活动进行了研究。在将棋对决无路可走的关键一步时，棋手需要在最短的时间内，根据提示做出下一步棋的最优决策。该研究测量的是棋手此刻的大脑活动。此外，还要测量棋手在时间充分的情况下，判断下一步棋的最佳决策时的大脑活动，以及只“接收”棋局中各种视觉刺激不做出判断时的大脑活动。实验对象除了以羽生善治先生为代表的顶级专业将棋手，还包括两组水平有高低之分的业余将棋手。
上一章中提到，瞬间性判断的依据正是直觉。虽然有时候会花很长的时间进行深思熟虑，但在时间紧张的情况下，不得不迅速做出判断。此时，专业将棋手脑中并不会浮现出众多选项，最多三个左右。不同于专业将棋手有充足的时间判断下一步走法的情况，此时，不得不在瞬间做出决定，而大脑内高度运转的区域与直觉应有密切的关系。这片区域就是大脑基底核的组成部分——尾状核。
图5-6 支持专业将棋手的直觉的脑内网络
观察图5-6，可知大脑基底核位于大脑深处、靠近中心的位置，它与经过不断重复而形成的、无意识的学习和习惯性行动的记忆有着密切的关系。此外，这部分区域负责本能性行动，即爬虫类等进化学中的古老动物的“旧大脑”。做出瞬间判断，即凭直觉说出某事的时候，大脑中进行思考的区域并非额叶等“新大脑”（进行高级精神活动的区域），而是旧大脑（进行低级精神活动的区域）。在研究学习和熟练的过程时，这一点至关重要，因为这意味着，熟练者的直觉以及随机应变的判断能力，是经过多年的习惯性经验积累而形成的。
重估全局的直觉
在第4章 中讲到，熟练者能够通过直觉判断下一步棋的走法，到达终点。这一现象受到了脑科学研究的支持。
在另一项实验中，理化学研究所的团队先让实验对象依次浏览不同的将棋棋局，之后判断下一步棋的走法，并记录下此时棋手的大脑反应。在这次实验中，将大脑各个区域的电位变化（脑波）作为大脑活动的指标。大脑的信息处理以不断变化的指示灯的形式被展示出来。在大脑表面置满了间隔细小的电极，通过记录各个电极的指示灯变化，就可以沿时间轴推测大脑是如何反应的。
展示给实验对象看的棋局，包括有战略意义的棋局和随机摆放的棋局。研究人员观测到，专业将棋手在看到有战略意义的棋局后，其大脑前顶部和太阳穴处有明显的活动，之后又观测到其大脑前顶部和头顶部均有反应。而对于随机摆放的棋局，则不会发生类似反应。
研究团队认为，大脑的前顶部和头顶部只对有战略意义的棋局发生反应，说明这部分区域与大脑的整体理解有关；而大脑的太阳穴处无论棋局有无意义都发生反应，说明太阳穴处与构成整体的要素信息的理解相关。总而言之，大脑的前顶部和太阳穴处，分别对于整体和要素，同时进行迅速处理，之后，在头顶部完成信息的统一。换言之，此研究结果显示，专业将棋手在看到棋局的一瞬间，就迅速理解了棋局的意义，他们只需看一眼棋局，就能凭借直觉掌握全局的棋步。
活知识在大脑中的存在方式
熟练带来的认知变化，以及与之相伴的大脑功能与结构的变化显示，各个领域的学习会在大脑内部以多种形式呈现。可以认为，熟练过程所带来的影响并非大脑特定区域的变化，而是网状变化。活知识的定义为：大脑在学习到熟练的过程中发生的变化教给我们的东西。这种能够运用的知识并不是片段式记忆的叠加，而是以一种与关于知识使用方式的记忆密切联系的形式存在于脑中。
在达到熟练阶段之前，即使能把物理公式背下来，也无法运用公式来解决问题；即使能记住英语教科书上关于a/an和the的用法描述，也无法在实际运用中做到正确区分。我们能够实际运用的知识就是活知识，它不仅仅包含事实性的知识，还需要同时了解它的使用方法。而此类知识需要用大脑进行学习，是随着掌握知识所需的神经网络的构建而形成的。
熟练者能在一瞬间判断情况，看透事物的本质。他们的反应准确而迅速，能够准确预测将会发生的事情，并随机应变地进行创造性的行动。而最为重要的是，他们对于何为好的表现有着明确的认识，能够清晰地区分表现的好与坏。熟练者之所以能够做到，是因为他们拥有第4章 结尾处讲到的好的心的表象。正因为他们的大脑神经网络中，存在辨别优秀表现的心的表象以及运用的方式，才足以形成可以使用的活知识，而不是停留在仅知道事实本身的阶段。
在第6章 中，将会进一步探讨获得活知识的方法，并继续研究能够孕育活知识的知识观。
