脑的发展

原标题：孕 育 心 灵

J. Madeleine Nash, 《时代杂志》，1997，Vol. 149，No. 5

东南大学分子与生物分子电子学实验室 翻译

从出生开始，婴儿的脑细胞迅速地增殖，并且细胞之间产生了连接，而这种细胞之间连接的形成影响到一个人今后智力或技能的发展。生命的前三年是最关键的。

劈劈啪啪，劈劈啪啪。如果科学家们能够侦听10周或者12周胎儿脑中的声音，那么，他们将会听到脑内部惊人的喧闹。在子宫内，在光线照射到视网膜之前，发展中脑的神经细胞在进行着有目的的活动。就象年青人打电话一样，各个细胞不断地接通其临近的细胞朋友，而这些被接通的细胞又继续接通其它的细胞朋友，从而形成了一个复杂、畅通的联系网络。加州大学的神经生物学家Carla Shatz形容神经细胞之间的连接是“几乎全自动接通的”。

这些细长多须的细胞能够在神经系统里和脑内传递电信息，被称为神经元。神经元并非漫无目标地发送信息，这会产生噪音，就象调收音机旋纽时在各广播电台频段之间所听到的噪声。相反，越来越多的证据表明，产生劈劈啪啪响声的电突发的原因是神经活动的调偕波和脉冲波。电突发改变脑，构建一定模式的神经回路，而这种回路使得新生婴儿能够感觉到父亲的声音，感觉母亲到的抚摸，感觉到摇篮上方闪亮的风铃。

在神经科学所有最新发现中，发现脑细胞电活动改变脑的物质结构可能是一个最重要的突破。神经元的节律发放不再被认为是构建脑的副产品，而是脑处理功能的本质，在出生前就已存在。大脑不是一台计算机，大自然并不是事先将所有的元件组装成一个整体，然后再打开它，让它工作。不，决不是这样。脑在发育完成之前已经开始工作。脑神经网络也是在出生之前开始构建和发展的，这使得婴儿在出生后即可进行学习。

在婴儿出生时，其大脑含有1000亿（1011）个神经元，其数目就象银河系中的星星。同时还有1012个神经胶质细胞，它们保护和滋养着神经元细胞。但是当大脑形成所有的神经细胞时，它们之间的连接尚未稳定。关于这一点，Shatz说，“大脑所做的是建立了一个初步的回路，为视觉、听觉、语言或任何其它功能做好了准备”。这时候神经活动不再是自发的，而是被大量的感觉经验所触发。初步的回路成为一个蓝图，在出生后几年中被逐步地改进。

在生命的前几年中，脑超常飞速发展。婴儿刚刚出生以后，脑中产生出的神经元之间的连接大约为1013个，这比今后可能需要用到的连接数要多。然后，通过类似达尔文竞争的过程，脑逐步去掉那些很少用到或根本没有用到的连接或突触。幼儿大脑中这些额外的突触在10岁时或更早时期被削减掉，从而成为一个人独特的情感和思维模式。

剥夺脑发育的激发环境，幼儿脑成长将会受到严重的损害。例如，Baylor医学院的研究人员发现，对于很少活动或很少被关心的幼儿，他们的脑比正常同龄人小20%到30%。对于动物研究所得到的结论一样。Illinois大学的研究人员发现，在玩具笼子里成长的幼鼠比在贫瘠的、毫无兴趣的笼子里成长的幼鼠具有更复杂的行为，并且前者脑中每个神经元的突触数比后者多25%。丰富多彩的经历确实能够促进产生功能更强的脑。

对于脑发展的认识不仅仅是一门有趣的学问，它对家长、对政策制定者来说有着深奥的含义。现在的家长整天忙于工作，他们也许感到在孩子们身上所花的时间太少。从实验得到的结果已经表明将婴儿托给其他人照顾所带来的不良影响。大量的数据证实了以下各方面的重要性：化时间去拥抱婴儿，与婴儿说话、交谈，为他们提供良好的激发环境。

脑科学的发展也给幼儿早期教育政策性辩论注入了新的活力。幼儿教育专家们说：制定开发幼儿脑功能的学前教育计划十分迫急，特别是对于出生在边远地区农村的孩子。国家教育委员会主席Frank Newman说：“大脑发展发展有一个时间表，而最重要的是第一年”。到三岁时，那些被忽视、被虐待的幼儿的脑发展将会受到影响，留下难以抹去的痕迹。

当然，最新的研究结果也同时提供了希望。科学家发现在生命的最初几年中，脑的可塑性非常大，即使脑部受伤后去掉整个大脑半球的幼儿仍然可能成为一个具有高度脑功能的人。此外，合理的早期教育计划能够帮助幼儿克服由于不良生长环境（如家庭环境）所形成的缺陷。采用合适的治疗方案，即使严重受伤的人（如难语症）也可能被治愈。当然，有遗传缺陷的孩子将比正常人冒更大的风险。Wayne大学小儿神经科专家Harry Chugani博士说：“我们决不能忽视环境对脑发展的重要作用，我们可能还无法在婴儿出生前做些什么，但我们可以在婴儿出生后改变所发生的事。”

从1970年开始，已积累了许多关于活动可以改变大脑结构和功能的有力证据，但直到最近科学家才获得研究大脑发育精密机制的相关工具。神经活动引发一系列生化反应，其中一些生化反应发生在细胞核，发生在编码特别基因的DNA上。实际上，在果蝇胚胎中有两个受神经活动影响的基因，这是神经生物学家Corey Goodman及其同事的最新报道。而这两个基因和其它研究所发现的与学习和记忆有关的基因相同。这个结果令人兴奋，胚胎用于构造脑的DNA片段与促进人形成处理和贮存信息机制的物质是同一个东西。

当研究人员进一步探索脑活动和脑结构的关系时，他们开始在基因与环境之间建立起一个稳固而畅通的桥梁。专家们已认同婴儿并不是作为一个遗传编程好了的“自动机”或“一张白纸”来到人世间，而是作为一个可塑性非常大的“尤物”走进大千世界。由于这个原因，持续多少代关于“自然天成或后天形成”的哲学争论不再引起大多数科学家的兴趣，他们正忙于研究基因和环境相互作用的关系。“这（指基因和环境相互作用）不是竞争，而是一种节律”， George Washington大学的Stanley Greenspan博士说。

基因的重要性

这种节律在孕育的第三周就已经开始，这时发展中的胚胎内部的一个细胞薄层内褶形成一种柱状结构，即神经管。当神经管中细胞以每分钟250000个的惊人速度增殖时，大脑和脊髓按照紧凑的程序进行自主装配。大脑发育的自主性是这段时期的主要特征，但营养起着至关重要的作用。子宫环境的变化，不管是因为母亲的营养失调，还是由于滥用药物或其他影响，都可能严重破坏大脑发展的进程。一些癫痫症、心智迟缓发育、孤独症和精神分裂症等都是发展进程紊乱的结果。

但是，让脑科学研究者产生敬畏的不是在脑发展中偶尔出现的差错，而是在绝大多数情况下大脑都能够避免差错，并按照正确的方向发展。这一点是非常显著的。胚胎中的中心神经系统并非是成人系统的缩微版本，而是象蝌蚪演变成青蛙那样。由神经管产生出来的细胞必须迁移到其它地方，并且准确地与脑的其它部分相连接。胚胎中的脑必须建立临时的结构，包括神经管，就像是蝌蚪的尾巴，将最终消失。

这种难以置信的变化是由什么样的魔力所操纵的呢？答案就是基因中的指令。例如，科学家们最近发现一种被称为“Sonic Hedgehog”的基因，该基因决定脑和脊髓中神经元的命运。如同风吹过留下的气味，由该基因所编码的蛋白质从细胞内向外扩散，其浓度逐渐降低。Columbia大学的神经生物学家Thomas Jessell发现，在中等浓度的地方产生一个运动神经元，而在低浓度的地方产生中转信号的内部神经元（即一种向其它神经元而非肌肉纤维传递信号的细胞）。

科学家同时也在寻找那些引导神经元长程迁移的基因。对于注定要成为大脑皮层的神经元，由于它们在哺乳类动物脑发展方面出现相对比较迟，数十亿这样的细胞必须穿过先遣迁移者所形成的稠密区域，以达到它们最终所在的位置。“这就像东海岸的所有人口迁移到西海岸一样”， Yale大学神经科学家Pasko Rakic博士说。

在所有需要解决的神经系统生长问题中，最令人畏缩的是神经元连接问题。在婴儿出生后，神经元连接数急速增长，每一个神经元连接到数以千记的其它神经元。首先每个神经元必须产生轴突（用于发送信号）和树突（用于接受信号），以形成神经元相互连接的突触，即轴突和树突的连接，使得神经元可以通过轴突将信号传到另一个神经元的树突。形成突触时，较短的树突不需要移动太长的距离，而作为神经系统导线部分的轴突则必须移动较长的距离，以便和树突连接上。

引导轴突进行长程迁移的是一种称为“growth cone”的物质，类似变形虫。科学家们在本世纪初就已经认识“growth cone”，但他们直到最近才知道“growth cone”备有分子水平的声纳和雷达。正如潜水艇或飞机上的环境探测仪器一样，排列在“growth cone”表面的分子探测周围环境，寻找特定的蛋白质。其中的一些蛋白质具有吸引力，可将“growth cone”拉向自己，而另外一些蛋白质则排斥“growth cone”。

最激动人心的事

基因控制人脑的发展，当轴突建立起第一个连接，产生神经发放，由此开始了一个复杂的构造过程。然而，发展中的神经系统就像电话网系统一样，将邻近城市的电话干线捆绑在一起。必须知道哪一条线连接到哪一所房屋，这是一个不能仅由基因解决的问题。这可从数学上来解释。人脑神经元的连接总数可达到1015，然而在人类基因组中只有105个基因，即使其中的一半（50000）用于构造和维护神经系统，也仅能指导很少一部分连接。

例如，在成年的哺乳动物中，连接大脑视觉系统的轴突按层、按列进行组装，并体现左右眼的区别。但是，这些轴突在局部不规则发散，正如California大学生理学系主任Michael Stryker所形容的那样，“像意大利面条。究竟是什么在起作用的呢？科学家认为是神经活动。

但是目前没有比Corey Goodman等人最新报道的结果更吸引人。在研究果蝇中枢神经系统运动神经元如何与四肢肌肉细胞形成连接时，他们得到一个惊奇的发现。他们知道，存在着一个基因将到达肌肉细胞的轴突组合在一起，但他们发现轴突产生的电信号抑制该基因，从而大大地增加轴突形成的连接。更吸引人的是，该信号增强了另一个基因（CREB）的活性。

CREB放大器的发现，其重要的意义在于，将起始于出生之前的发展进程与后续的发展进程连接起来。Columbia大学神经生理学家Eric Kandel证实：对于成年动物学习和记忆这两个相关过程，依赖于CREB分子。当他阻断蜗牛CREB的活性时，它们的脑发生变化，它们虽然还能够进行学习，但是它们仅能够记住短时间内学习的内容。如果没有CREB，那么蜗牛（或推广至其他高等动物）将失去长时记忆，而如果失去长时记忆，则很难想象除了已有的技能外婴儿还能够掌握更多的技能。Kandel说：“教养是重要的，但是要有自然的基础。”

经历和经验的作用

一个婴儿出生后，他能看、能听、能闻，并且能够对触摸作出反应，但这些行为是朦胧的。这时，控制生命功能（如呼吸、心跳）的脑干已有比较健全的连接，而脑的其它部分的连接则相对很少、很弱。但在出生后的几个月中，脑部的突触急速增长，神经元的轴突和树突象春天的柳树，萌发出新芽和嫩枝。到2岁时，幼儿大脑突触数目是成人的两倍，其大脑耗能也是成人的两倍。

Chicago大学小儿神经学家Peter Huttenlocher博士通过解剖非意外死亡婴幼儿的脑发现这一段脑发展的非常时期。根据他的报道，一个视皮层上每个神经元所形成的突触数目，在婴儿出生时约2500个，到六个月后，达到18000个。其它皮层突触的增长速度也是相似的，但发展时期略有不同。虽然这些微观的连接在以后若干年内继续形成，但是在两岁时连接数达到最多，并一直维持到10至11岁。

如此多的连接给成长着的大脑带来特别的可塑性和恢复能力。有一个13岁的盲人，她因为患了非常严重的癫痫症，外科医生在她6岁时切除了大脑皮层的右半部分，因而她失去身体左半部分的运动控制。然而，通过多年的治疗（从抬腿练习到数学和音乐训练），现在她已经成为一所中学的学生，并且喜欢音乐、数学和艺术，而这些技能都是与大脑右半部分相关联的。虽然她没有100%地恢复，但显然已恢复了大部分。这表明存在着一种补偿机制，而发展中的脑能够找到它。

建立脑内的连接或在受伤后重建连接的使者就是重复的经历。每当婴儿试图触摸向往的物体，凝视一个亲人，或倾听一支摇篮曲，微小的电突发传遍大脑，促使神经元形成如同硅片上的线路，其结果是树立起一个行为的里程碑，并使父母愉悦。在婴儿两个月的时候，脑的运动控制中心发展到可以使婴儿迅速抓起身体附近的物体。在四个月的时候，大脑皮层开始优化双眼视觉和感知深度所需要的连接。在12个月时，大脑的语言中心发展到一个激动人心的时刻：婴儿说出第一句话，标志着语言的开始。

如果大脑不接受正确的信息，其结果将是灾难性的。例如，有些具有孤独症的儿童害怕接触世界，这是因为他们对感官刺激过分敏感，或者是他们的感官不够活跃，所获得的信息太少。为了有效地治疗，必须将目标对准他们所处的环境和条件，使一些幼儿他们避免接触不良的噪声和强光刺激，而对其他孩子加大激发强度，使他们集中注意力。当家长和医生们努力去关心受到伤害的幼儿时，这些幼儿可以被挽救回来。

事实上，家长是幼儿脑发育的第一个老师，并且也是最重要的老师。他们以和蔼的态度、用丰富的语调帮助婴儿学习。Standford大学心理学家Anne Fernald发现，具有不同文化背景的父母对婴儿说话时，会将说话方式改变成相同的特殊方式：他们将脸贴近婴儿，使用简短的语言，用丰富的语调。当婴儿倾听父母说话时，他们的心跳速率加快，即使他们的父母用外语说话。父母促进婴儿将单词与被指的物体联系起来。在12个月的时候，当父母说“注意球”时，婴儿在大部分情况下会将他们的眼光落在正确的地方。

面对危险

家长在帮助幼儿形成神经回路时所起的作用是最基本的。对于那些在生命早期受到损伤的幼儿来说，他们大脑将面临危险。最轻的症状就是心跳过速，荷尔蒙分泌过多。由于脑发展是有顺序的，首先是具有一个稳定的神经元初始结构，所以早期脑受伤的危害性特别大。经验是脑的主要设计师，早期反复的经验形成一类模板，而脑的组织就是围绕这些模板而进行的。经验所引发的脑结构变化是逐步蔓延的。

生命早期在感情方面的剥夺也具有同样的负面影响。Washington大学的心理学专家Geraldine Dawson及其同事6年来一直在监测母亲患有抑郁症的儿童的脑电波模式。在婴儿时，他们大脑左前叶的活动程度非常低，而该区域是产生热情、产生愉快心情的中心。实验结果还表明，这些儿童的脑活动模式是追踪其母亲的。在3岁时，那些母亲患有严重的抑郁症的幼儿依然不能正常地阅读，并且阅读时非常吃力。

令人惊奇的是，并非所有母亲患有抑郁症的幼儿的脑活动模式都是不正常的。其差别可能来自于幼儿与母亲交流的方式。通过录影带，可以仔细观察患有抑郁症的母亲与婴儿的相互作用。Dawson试图发现母亲的行为与幼儿脑发展的关系。她发现那些容易发怒的、急性子的母亲将使得她们孩子大脑发展不正常。相反，有些患有抑郁症的母亲，她们努力从忧郁中解脱出来，努力关心她们的孩子，并纵情地与孩子们做游戏，她们孩子的大脑将会是正常的。

对于因为身体遭到创伤或情感受到压抑而形成的缺陷，何时是恢复的最迟时间？就目前来说，至少是在幼儿脑发展的阶段。如果一个患有抑郁症的母亲在她孩子1岁之前治疗好，那么孩子能够恢复，其大脑左前叶的脑活动将会变得活跃。然而，恢复的能力随年龄迅速下降。许多科学家相信，在幼儿的最初几年有一系列的关键期或敏感期，在这些时期内，脑需要一定的外界输入，以建立或稳定脑结构。

例如，假设一个刚出世的婴儿左眼患白内障，如果不在视觉系统发展关键期之前迅速地将白内障去掉，那么这只眼睛将永远看不见东西。为什么？这是因为大脑的视觉中心在其发展关键期需要大量的外界光输入的激发。更具争论性的是，许多语言学家相信语言能力按照一个严格的、生物特性所决定的时间表展开。依据他们的观点，幼儿就像一些鸟类，除非它们在早期听到歌唱的声音，否则它们将不会歌唱。对于斑马鸟，学习歌唱的关键期在25-30天左右开放。

发展的机遇

当然，除了一些特殊的情况，大脑发展的关键期并不会立即结束。例如，就脑的语言功能发展来讲，似乎有一系列的发展时期，学习语法的关键时期在5岁或6岁结束，而学习新单词的时段可能伴随人的一生。学习第二语言的能力在1到6岁是最强，然后逐步下降。许多成人试图学习新语言，但通常要经过加倍的努力。

神经科学家断言，脑的快速发展时期将在10岁左右时结束，这时候，新突触建立和旧突触萎缩之间的平衡点迅速漂移。在后续的几年中，大脑将会无情地去掉弱的突触，仅保留那些根据经验形成并经过强化的突触。这种机制似乎也是由编码基因所决定的。穿过脑的短暂电突发创建了视觉图像和愉悦的感受，创建了黑暗中的空想，也创造了思想。短暂的电突发也激发了促进生长因子释放的基因，抑制了消除突触的基因，从而使得经过训练的突触保留下来。

在青春期结束时（约18岁），大脑的可塑性大大下降，但大脑的能力则不断加强，其潜能处于待发状态。那些激发神经活动的经验，就像雕刻家手中的凿子，像裁缝师手中的剪刀，从一块石头或一段布料制造出精美的物品。充足的材料扩大了制作的可能性和范围，然而艺术的本质就是精炼，就是去掉多余的附属物（比喻神经元连接的形成和萎缩）。Illinois 大学的神经科学家William Greenough 说，“正是由于首先产生过多的神经元连接，然后剪去多余的连接，从而形成脑的结构模式”。巨大的潜力被编码在基因之中，但是这种潜力是否能够实现，还依赖于脑在发展关键期内接受的外界输入信息的模式。

精神病专家和教育学专家早已认识到经历的作用，但是他们以前似乎没有得到突破性的实验观察结果。现代的科学技术迅速发展，为研究脑提供了有力的工具，如PET。由此，神经科学不断提出新的脑发展的事实和证据。

从这些新发现中，我们能够得到什么结论呢？显然，必须在小学就开始教外语；在3岁或4岁时治疗脑损伤的效果显然比10岁时好；对幼儿的关心和照料是其脑发展的精神粮食，而并非是简单的社会工作；即使成人也需要通过阅读和学习来刷新他们的心灵。

劈劈啪啪，劈劈啪啪。仅在美国，仅在前一个星期，就有77000个新生儿开始奇迹地构造为一生学习所用的脑神经网络。如果家长和政策制定者不关心这些精密构造活动所需要的条件，那么我们将在2016年承担其后果。

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