《最强大脑》背后的心理学、认知科学和脑科学

《最强大脑》是江苏卫视播出的一档真人秀节目，节目中几乎每一个挑战项目都是心理学经典实验范式的变体，《中国科学：生命科学》2016年第10期发表由魏坤琳、方方担任通讯作者撰写的点评文章，选取《最强大脑》节目中的四个项目进行了解读。

　　

《最强大脑》是江苏卫视播出的一档真人秀节目，从2014~2016年已播出三季，收视率一直位于同时段节目的前列，在中国被誉为现象级的节目。该档节目的口号是“让科学流行起来”。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，《中国科学：生命科学》2016年第10期发表由魏坤琳、方方担任通讯作者撰写的点评文章，选取《最强大脑》节目中的四个项目进行了解读--

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。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。

为什么数笔画这种看上去平淡无奇的能力却能让人感到惊讶呢? 在日常学习和使用汉字的过程中,人们一般并不会对笔画数量的信息进行加工和记忆。需要数笔画的时候，往往需要一笔一画地重现汉字书写过程，而这一过程也就需要较长的时间才能完成。

那么，“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? 有两种可能的假设: (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。研究显示，自闭症谱系患者中有一些人就具有这种超乎常人的视觉加工与数量辨别能力。

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。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的激活就越强，存在显著的负相关。这一结果为前面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。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.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”们并不是一笔一画数出来笔画数目，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。

除了对常见汉字笔画的学习与记忆外，实验结果表明被试也会采取一些策略来帮助计算汉字的笔画数目。值得注意的是，在实验中发现被试计算加法的心算速度明显高于控制组，而这一心算能力一方面能帮助他们在使用策略时更快地得到汉字部件的笔画数之和，另一方面也可以帮助他们更快地完成多个汉字的数笔画任务。

在确认了记忆在“看字知笔画”这一能力中的重要作用后，不禁要问，为什么他们会在日常生活中加工和记忆这些看似无用的汉字笔画数目信息呢? 我们猜测这一能力的产生可能与自闭症和强迫症的相关特质有关。除了参加行为与脑成像实验外，被试也被要求填写了自闭谱系量表和强迫行为量表评定被试可能存在的自闭和强迫倾向。量表的分析结果表明，尽管这些被试者都没有达到自闭症和强迫症的诊断标准，但是他们在这两个量表上的得分与数笔画所需要的时间均存在显著的负相关。即倾向越强，数笔画的速度越快。前人研究发现，一些自闭症患者往往会倾向于对客体的局部细节特征进行加工[4]，而在本实验中，被试虽然没有被诊断为自闭症，但是这种认知加工风格的倾向使得被试能够更加容易地从高度结构化的信息中获得有关单个元素的知识并进行精确记忆，有利于他们关注汉字的笔画数目。类似地，尽管这些被试也没有被诊断为强迫症，但强迫性行为的特点和倾向仍然会使得他们在有限的范围内表现出强烈兴趣和重复性行为，例如学习和记忆汉字的笔画数目，这种兴趣也很可能会作为动机来提高被试加工和记忆笔画数量信息的积极性。总而言之，这些认知行为的倾向可以在一定程度上解释“扒鸡大妈”“看字知笔画”能力的根源。

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。一般人(如在场嘉宾)在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。

在知觉学习的经典实验范式中，由Karni和Sagi[8]最早使用的纹理辨别任务(TDT)与曹全全的挑战最为相似，同样都是在极短的时间内呈现刺激然后进行视觉辨别和判断。， 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，实验结果证明通过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[9~12]。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[13]以及听觉系统对声音时长的辨别能力[14]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.此外，研究知觉学习对于感觉训练和感觉系统神经性疾病的康复也有着重要的指导作用，给成年弱视患者的治疗带来了曙光.

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。 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。

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密切相关。人脑的注意资源是有限的，如果将注意比作一盏聚光灯，那么我们的聚光灯在同一时刻只能照亮视野中的一小块区域。然而多客体追踪的研究暗示，人类的注意可能是多盏聚光灯并行工作，照亮视野中的不同区域，这一假说被称为多焦点注意，有部分科学家支持该假说。另一部分研究者[24]认为，人脑注意的焦点只有一个，但是可以在不同物体之间切换;。以上两种学说均有充分的实验证据支持，多客体追踪的机制尚无定论。

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。2006年，Green和Bavelier发现电子游戏玩家的追踪容量比非玩家多2项，这可能和玩家在游戏中需主动分配注意资源有关[26]。随后他们让非游戏玩家进行一个月的“第一人称”射击游戏训练，结果发现长时间的注意训练显著提高了多客体追踪容量.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、额叶眼区、顶内沟和颞中回运动区。

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。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.研究发现，人类对于生物运动信息极为敏感，很擅长识别光点运动刺激[37]。另外，在鸽子和鸡等动物上也发现了对生物运动信息的偏好[38,39]，说明这可能是一种跨种系存在的普遍现象。
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，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. 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，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。

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。

通过对以上四个挑战项目的分析，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。