業力與大腦神經編碼記憶 腦可塑性-大腦皮層增大-記憶學習經歷固化 大腦重構 關鍵期MeCP2蛋白 中風大腦修復

Nature：死後大腦會泄露你的秘密？

Nature：死後大腦會泄露你的秘密？_神經科學Nature_生物產品通

標籤：大鼠 大腦編碼機制

摘要 : 從死後的大腦切片中提取生前的信息，這似乎是科幻小說才會有的情節。然而，這種「讀心術」已經成為了現實。3月2日，冷泉港實驗室(CSHL)的研究團隊在Nature上發表文章指出，「讀取」大腦切片可以準確判斷大鼠生前接受的行為訓練。這項工作有助於人們進一步理解，大腦學習和記憶的編碼機制。

從死後的大腦切片中提取生前的信息，這似乎是科幻小說才會有的情節。然而，這種「讀心術」已經成為了現實。3月2日，冷泉港實驗室(CSHL)的研究團隊在Nature上發表文章指出，「讀取」大腦切片可以準確判斷大鼠生前接受的行為訓練。這項工作有助於人們進一步理解，大腦學習和記憶的編碼機制。

「神經科學家們之前鑒定了與學習有關的大腦區域，」領導這項研究的Anthony Zador教授說。「我們希望更進一步，探索神經連接改變是如何編碼行為應答的。」

研究人員決定在大鼠中研究聲音線索轉化為行動的過程。他們首先對大鼠進行訓練，使其將特定聲音與獎勵關聯起來。大鼠根據聲音改變(比如大號變為長笛)，在盒子的左邊或右邊尋找獎勵物品。

研究人員在之前的工作中發現，特定的神經元群體對於這種訓練非常關鍵。這個神經元群體在大腦聽覺區域傳輸信息，從聽覺皮層到聽覺紋狀體。現在，他們在大鼠接受訓練的時候，檢測了上述神經連接的強度。「我們發現，對應動物接受訓練的情況，聽覺紋狀體存在一個活性梯度，」Zador解釋道。

研究人員在此基礎上推測，也許能夠通過死後的大腦切片，判斷大鼠經歷過怎樣的訓練。「我們驚訝的發現這種判斷是完全正確的。這說明我們破解了一個動物編碼記憶的神經密碼。從本質上來看，我們讀到了這些大鼠的思想。」

「幾十年來，科學家們一直在嘗試理解大腦的記憶，」NIH的項目主管James Gnadt博士說。「這項研究表明，科學家們能夠精確找到代表特定記憶的突觸。」

Zador認為，這項研究的結果可以推廣到其他感覺系統和大腦部分。「我們迫不及待地要把這一方法應用到更複雜的學習形式和感覺系統中，比如說視覺。」

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Nature子刊:狙擊發育「關鍵期」，探秘大腦可塑性Nature子刊:狙擊發育「關鍵期」，探秘大腦可塑性_神經科學Nature_生物產品通

標籤：神經 大腦 發育

摘要 : 我們之所以能產生記憶、進行學習、將經歷固化成經驗，跟大腦的可塑性是分不開的。神經學家們一直試圖探索大腦可塑性的具體機制。前陣子，《Nature Communications》上一項來自北京師範大學認知神經科學與學習國家重點實驗室章曉輝課題組的研究，便揭示了一種參與調控在發育「關鍵期」大腦可塑性的基因。

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我們之所以能產生記憶、進行學習、將經歷固化成經驗，跟大腦的可塑性是分不開的。神經學家們一直試圖探索大腦可塑性的具體機制。前陣子，《Nature Communications》上一項來自北京師範大學認知神經科學與學習國家重點實驗室章曉輝課題組的研究，便揭示了一種參與調控在發育「關鍵期」大腦可塑性的基因。

在所謂的「關鍵期」，生物體的各個感官系統會敏感又靈活地根據外界的信息來調整自己的功能，許多改變在關鍵期過去後都不再可逆。以眼優勢(Ocular Dominance)為例，若人類小朋友在7歲之前用眼姿勢不正確，兩隻眼睛接受的光照等信息長期不搭調，各自的視力就會產生顯著差異(即「屈光參差」)：視力好的眼睛(優勢眼，Dominant Eye)越變越好，視力差的則每況愈下，若不及時矯正，差距就會伴隨終生。類似地，與語音的辨認、絕對音感和一些社會行為等相關的發育也有這樣的發展時期，只是時間段稍有出入。

不僅人類，大部分哺乳動物都有關鍵期。生物出生後這樣一段可塑性大增的時期，無疑是神經科學家一探究竟的好時機。「我們想以『關鍵期』眼優勢的可塑性為模型，研究大腦可塑性的分子和神經環路基礎。」章曉輝在接受科學人採訪時說。研究者發現，如果大腦里的抑制性PV神經元失去了一種叫「編碼甲基化CpG結合蛋白」(即MeCP2蛋白)的蛋白質，小鼠視皮層在眼優勢發育的關鍵期內將不再具有可塑性，關鍵期過後也不會恢復。

Mecp2基因位於X染色體上，能影響許多發育過程中關鍵因子的表達。如果Mecp2基因由於突變而失去功能，便會引發瑞特綜合症(Rett syndrome)：儘管患者在出生後6-18個月內腦部發育能基本保持正常，但不久後發育便會開始停滯，並逐漸出現語言和認知功能的退化、運動功能開始發生異常，並出現自閉行為。「我們起初關注到Mecp2蛋白，是因為它不但是單基因遺傳病瑞特綜合症的禍首，同時在大腦發育過程中也很重要。」章曉輝告訴科學人，「一直以來，人們認為這樣的發育性神經疾病是腦內突觸連接異常所導致，但MeCP2的缺失具體如何導致這種異常仍不清楚。」

神經元在大腦皮層中分層分布，其中既有能「跨層」通訊的椎體神經元，也有主要在每一層「內部溝通」的中間神經元。後者往往能彼此形成複雜的反饋迴路，並從中發揮調控作用。為了弄清MeCP2蛋白缺乏會怎樣影響主要的神經元，研究小組培育出了能分別在PV中間神經元、SST中間神經元和NEX椎體神經元中特異性敲除Mecp2基因的小鼠，並對它們進行了一系列行為和電生理測試。

「Mecp2基因功能的特異性給我留下深刻印象。」論文的作者之一何靈傑向科學人介紹道，「令人意外的是，相比其它類型的神經元，只有在PV神經元中敲除Mecp2才會對眼優勢『關鍵期』可塑性產生顯著影響。而且，Mecp2在PV神經元中的缺失並不會影響小鼠正常的視覺功能。」

缺了Mecp2基因的PV神經元中到底發生了什麼?研究者測定了這些神經元的電生理特性，並與正常神經元進行了對比。結果表明，這群抑制性的神經元對上遊興奮性信號的「反應」遠遜於正常情況。此外，這些神經元中，與抑制性遞質GABA相關的基因都在不同程度上降低了表達水平——這意味著，MeCP2的缺失讓整個抑制性的神經網路不再能夠正常工作。「這項研究闡釋了Mecp2蛋白一個新的重要功能：它能維持大腦抑制性突觸環路在功能上的完整性，進而調控視皮層在眼優勢『關鍵期』的可塑性。」章曉輝說。

研究結果示意圖。左圖的紅色部分表示興奮性的椎體神經元，綠色部分表示PV神經元。右側綠色細胞的空心則代表Mecp2基因的缺失。缺失Mecp2的PV神經元對椎體神經元傳來的信號反應力減弱(如圖中紅色標記所示)，整個GABA抑制性神經環路的功能因而減弱，小鼠眼優勢「關鍵期」的可塑性隨之消失。圖片來源：論文作者

「對於正常行使功能的大腦而言，腦內的興奮和抑制處於一個微妙的平衡，任何打破這個平衡的因素，都可能讓大腦功能產生異常。」論文作者劉楠指出，「我們發現，小鼠『關鍵期』可塑性的缺失是由於神經元微環路層面興奮和抑制的失衡所導致的。」

更有意思的是，如果給這些小鼠注射臨床上常用來增強GABA作用效果的地西泮(diazepam)，它們眼優勢的可塑性不久又會恢復到正常狀態。這提示，我們也許能用類似的藥物干預，改善Mecp2基因異常病人相關癥狀。何靈傑對科學人說：「我們很希望這個工作能幫助我們更深入地了解導致自閉症患者大腦功能異常的機理，進而為自閉症以及其它由神經微環路功能異常所導致的精神疾病提供干預和治療的新思路。」

章曉輝透露：「接下來，我們會嘗試在更多的神經發育疾病模型中尋找類似的現象和環路機制，從而驗證『關鍵期』可塑性的異常是否廣泛地參與到了這些疾病的發生與發展過程中。」

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大腦能否「返老還童」？大腦重構或影響自我意識

2016年06月17日 11:08 新浪科技 微博微博微信空間分享添加喜愛27

　　該患者兩隻眼睛的視覺敏感度不同，通過特別版本的俄羅斯方塊遊戲，可以用來治療弱視——利用大腦可塑性，通過令雙眼協同視物，來提高弱視患者的視覺。

　　童年是人一生中學習能力最強的階段，在這一階段，大腦的可塑性極強。如果大腦發育回到童年，或可為治療成年神經疾病提供新思路。

文章來源：環球科學

　　早在2000多年前，亞里士多德就說過：「我們從小養成的習慣，造成的不是細微的差別，而是迥然不同的差異。」

　　腦科學方面的最新發現為這句諺語注入了新的內容，我們可以從一個全新的角度來理解這句諺語。過去15年間，科學家對嬰幼兒大腦迴路的形成，有了更清楚的認識，並由此開始探索，如何利用這些認識，來「修補」大腦迴路，以治療那些最嚴重的神經和精神疾病。

最強大腦與世界親密「共舞」

　　在大腦發育過程中，存在一些特殊的階段——有些持續數月，有些持續數年——在這些階段，大腦會迅速構建出大量的正確連接，這就是眾所周知的關鍵期。關鍵期大多數發生在嬰兒時期，但也有些一直到十幾歲才到來。神經科學家已經確認了對視覺、聽覺、語言發育及對各種社會功能的形成至關重要的關鍵期。在關鍵期，孩子的大腦就像與外部世界來了一場親密的雙人舞，大腦中的分子根據來自外部世界的光子和聲波提供的線索，在腦細胞間構建並修整出新的神經連接，這些新的連接會不斷強化，並一直保持，直到成年和老年。

　　如果關鍵期發生得太早或太晚，或是在該開始時沒開始，該結束時沒結束，後果都將非常可怕。兒童可能會部分失明，或者容易患上像自閉症這樣的疾病。比方說，如果嬰兒一隻眼睛患有先天性白內障，看不到周圍的事物，那麼她這隻眼睛將可能永久失去視力，因為在視覺發育的關鍵期結束後，腦細胞將無法正確地搭建連接。視覺關鍵期從嬰兒期開始，到8歲時結束，錯過這個階段，這個孩子眼睛發育出正常視覺的機會將極其渺茫。

觸動關鍵期的分子開關

　　其實，大腦無時無刻不在變化，而不僅僅是在嬰兒時期。神經科學家將大腦的這種特性稱為可塑性。當你學習如何變戲法，或者使用一個新的手機應用時，微妙的改變就在突觸部位(神經元傳遞神經信號的位置)上發生了。掌握一項新技能會引起神經元中神經化學物質發生改變，進而導致跨突觸的神經連接變強或變弱。這種簡單的可塑性貫穿人的一生，使得人們能夠活到老學到老。

　　在童年的某些關鍵時刻，大腦會發生一些特別重大的變化。嬰兒出生時伴隨著密集生長的突觸，它們的數量必須消減才能發揮正確的作用，而這種突觸的修剪就發生在關鍵期。

　　早在50多年前，科學家就發現了這些對大腦發育至關重要的形成階段。在之後的許多年中，傳統觀念都認為，關鍵期轉瞬即逝，並且一旦結束就不再復返。不過，近來科學家利用精確到分子水平的先進技術對關鍵期所進行的一些研究，已經顛覆了很多主流觀點。一些動物試驗，甚至是對人體的研究已經表明，關鍵期或許能夠被重新開啟，並用於修復受到損傷的成年大腦。

　　這些啟示指向了一個驚人的可能性：也許有一天，我們能調整大腦中的化學開關，恢復關鍵期，讓大腦重新搭建自己的神經連接，以治療從弱視到精神病方面的神經和精神疾患。

　　實際上，科學家已經找到了一系列分子開關，即觸發物與阻礙物，能夠標記這些關鍵期的開始與結束。科學家已經檢測到了大腦中控制關鍵期的一個重要的信號分子——GABA(γ-氨基丁酸，一種重要的抑制性神經遞質)。我們實驗室初步發現，GABA和其他分子一道，能在關鍵期的啟動和中止過程中發揮關鍵作用。特別是，我們發現了一種能產生GABA的神經元——小清蛋白陽性大型籃細胞，很有可能統籌著這一過程。

讓大腦回到童年

　　將那些在實驗動物身上測試過的、雄心勃勃的技術應用到病人身上，可能還需要數年，也許是幾十年的時間。不過目前，對關鍵期的研究已經給神經類疾病的治療帶來了一些靈感，比如使用已經上市的藥物，來部分恢復成人大腦的可塑性。

　　研究人員希望達到的長期目標是，能夠讓生物鐘倒流，並且重啟關鍵期。在加利福尼亞大學舊金山分校的一個實驗室內，研究人員試圖將胚胎細胞移植到嚙齒類動物中，從而令出生後逐漸老化的成年嚙齒類動物的大腦，重新產生能釋放GABA的小清蛋白神經元。移植之後，新的關鍵期重新開啟，但值得注意的是，只有在細胞移植一個月後，新關鍵期才會開始，這表明關鍵期的設定是由一組特異的基因控制的。當我們的實驗室刪除這些定時基因後，甚至是正常的關鍵期的啟動都會被延遲。

　　另一個恢復可塑性的方法同樣具有挑戰性，那就是去除阻礙關鍵期重新開啟的阻礙物。調控可塑性的一個靶點位於圍神經網路(perineuronal net)中，這個網路是由一些類似軟骨分子的分子構成的網格。圍神經網路環繞在成熟的小清蛋白神經元周圍，促使關鍵期結束，並由此防止突觸發生進一步的結構性變化。

　　圍神經網路主要由硫酸軟骨素蛋白聚糖——一種鑲嵌著糖的蛋白分子複合物(糖蛋白)組成。當硫酸軟骨素酶侵蝕掉這些分子後，可塑性的制動器就消失了。一個由英國和義大利科學家組成的研究團隊，通過向弱視的老年大鼠的大腦中注射硫酸軟骨素酶，溶解圍神經網路，幫助這些大鼠重新獲得了「新生」——新的關鍵期打開了。這些大鼠接收到了在它們幼崽時期缺失的視覺刺激，恢復了良好的視力。

　　出於安全性考慮，把酶注射到大腦深部，需要接受美國食品及藥品管理局的嚴格審查，所以不可能很快得到批准。然而，現有的很多藥物，都有可能在某種程度上提高大腦的可塑性。在我們實驗室參與的一項合作研究中，通過小規模試驗，我們發現，一種抗癲癇和雙相情感障礙的通用藥物，能使成年人變得像孩子一樣，善於學習新事物。

大腦重構或影響自我意識

　　從事大腦關鍵期研究的科學家經常問自己，人為什麼會在自己的生命早期設置關鍵期，為自己的學習生涯設定限制。另外，如果我們因為想學習一項新技能，而重新開啟關鍵期，會不會有危險呢？

　　動物進化出關鍵期，並限制大腦可塑性，可能是為了保護腦細胞。小清蛋白細胞在高水平代謝過程中產生的自由基分子，會損害大腦組織——這可能也是大腦進化出圍神經網路的原因。精神分裂症和其他精神疾病患者的大腦屍檢報告顯示，圍神經網路和阻礙大腦可塑性的阻礙物，總體上都處於低水平。

　　大腦可塑性不受限制可能造成的風險，在阿爾茨海默病患者身上可見一斑。負責複雜認知的高級腦區，如聯合皮層，已經進化成可終身保持可塑性。在這些腦區中，能關閉關鍵期的硫酸軟骨蛋白聚糖含量較少，而在神經退行性疾病發生時，它們也是最早發生細胞凋亡的地方。

　　按需開啟和關閉關鍵期，或許將有助於神經系統疾病的治療。不過，隨著關鍵期的開啟，人的某些基本特性也可能會發生改變。未來，人類可能會開發出更加天才的方法來改變世界，因此也很可能需要一種新方法，來增強自己大腦的可塑性，以適應高速變化的外部世界。對此，我們需要高度注意，因為成年期的大腦重構，可能會威脅到人的自我意識。

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《自然》:人類大腦靈活性和可塑性遠超想像

2012-03-07 12:10:05　來源: 網易探索舉報

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核心提示：近日來自加州大學伯克利分校和葡萄牙未知技術研究中心的神經科學家們在新研究中證實大腦遠比我們原先想像的更具靈活性和可訓練性。經過一個稱為可塑性的過程，大腦的部分區域可被訓練完成正常情況下無法執行的任務。

近日來自加州大學伯克利分校和葡萄牙未知技術研究中心（Champalimaud Centre for the Unknown）的神經科學家們在新研究中證實大腦遠比我們原先想像的更具靈活性和可訓練性。經過一個稱為可塑性的過程，大腦的部分區域可被訓練完成正常情況下無法執行的任務。這一研究發現為研發出思維控制的假肢裝置幫助脊髓損傷、截肢和其他病損的患者開啟了大門。相關研究論文於3月4日在線發表在Nature雜誌上。

在過去的十年里，利用腦電波來控制無形的物質已經走出了特技表演和通靈學的範疇，進入到新興的神經修復學領域。來自加州大學伯克利分校的研究人員長期從事自然運動中的大腦迴路研究，希望能通過模擬這些運動過程來開發出假肢器官裝置。

加州大學伯克利分校電子工程學、認知科學和神經科學副教授Jose Carmena說：「我們希望我們對於大腦線路的新見解將能夠推動開發出在感知上儘可能接近我們四肢的更好的具有更廣泛用途的假肢設備。新發現藉助學習控制BMI（腦機介面）揭示了抽象技能學習過程中利用的一種大腦固有環路。」

在過去的研究中，研究人員在學習使用假肢設備時無法將身體運動作用排除在外。Carmena說：「大部分腦機介面研究均在健康的、四肢健全的動物中開展。我們的研究表明即便不涉及身體運動，也可以進行神經修復控制。」

為了澄清這些問題，科學家們設計了一個巧妙的實驗，在沒有明顯身體運動情況下讓大鼠完成一種完全抽象的任務。研究人員藉助於大鼠鬍鬚抽動與食物獎賞實驗解析了這一過程中靶向運動神經的作用。

研究人員給大鼠裝上了可將腦電波轉化為聽覺音的腦機介面。為了得到食物獎勵，小鼠不得不調節它們的特異腦環路內思維模式以提高或降低信號強度。聽覺反饋被給予大鼠讓它們學習將特異的思維模式與特定的聽覺音聯繫起來。在短短的兩周內，小鼠很快就學會要得到食物球，它們就要創造出一個高聽覺音，要得到糖水，它們就必須創造出一個低聽覺音。如果任務中的一組神經元參與調控了它們的標準功能——鬍鬚抽動——那麼就不會有音調改變，因此也不會有食物獎賞。

研究人員發現這種聽覺音的調控是通過大鼠通過調節初級運動皮層活性實現的。研究證實皮質紋狀體可塑性是抽象技能學習的必要條件，神經修復性運動利用了自然運動學習中的神經迴路。研究結果還表明這些學習性的神經修復行為並非是習慣性行為，而是一種帶有意圖性和直接目的性的行為。Costa說，大鼠會根據它們自身的飢餓或口渴程度調節音量從而控制攝入食物顆粒或糖水的量、行動時間，以及如何在缺乏身體運動的情況下去完成它。

研究人員希望上述研究發現將推動研發出能夠感受自然的新一代假肢裝置。「我們希望讓人們覺得用大腦來移動他們的機械手臂並非是件辛苦的事情。」Carmena說。（來源：生物通 何嬙）

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大腦的重要問題--關鍵期與可塑性大腦的重要問題--關鍵期與可塑性 - 好大夫在線

發表者：邱曉榮 1435人已讀

【摘要】英國學者David Hubel 等人在60 年代提出, 腦的不同功能的發展有不同的關鍵期, 某些能力在大腦發展的某一敏感期最容易獲得, 此時相應的神經系統可塑性大, 發展速度特別快, 過了這段時期, 則可塑性與發展速度都要受到很大影響。對不同的人來說, 腦的不同的功能發展的關鍵期也並不完全一致, 存在著一定的個體差異。文中從早期洞悉、複雜的外界條件在大腦發展中的影響、學習的窗口以及大腦的基本原理等角度闡述了大腦的重要問題之一關鍵期與可塑性。

【關鍵詞】大腦發育 關鍵期 可塑性 豐富環境

關鍵期決定我們能學什麼和何時學習嗎? 神經科學家和社會科學家正探測著兒童的大腦以回答這些重要問題。

走進玩具城, 你會看到提供給嬰幼兒的各系列教育玩具琳琅滿目: 精美的小卡片以提高尚未發展的數學能力、視頻玩具以指導寶寶閱讀、色彩繽紛的柔軟玩具使人眼花繚亂。通常, 這些產品的出現來自一些「不很精確」的信息: 如果你在寶寶三歲前不用「學習」來填滿他的大腦, 他的潛能就不能盡情發揮。

生命第一個三年是學習的關鍵期, 這一說法在1997 年白宮「早期兒童發展」會議後在公眾意識里爆炸性擴散。會議根據神經生物學證據, 即嬰幼兒的大腦在出生後仍不斷發展,確定了一系列項目的必要, 以保證貧困兒童在整個孩童期間,包括第一個三年, 有正常、健康的學習經歷。

波士頓哈佛醫學院的發展神經生物學家、神經生物學部門教授Carla Shaz 說: 「並沒有任何一個神經生物學家說0~3歲是最重要的學習時間, 這裡發生了邏輯上的斷章取義」。

雖然會議的信息可能被誤解或誤用, 但它真正強調了對關鍵期在學習和社交發展中的作用的科學理解是有必要的。它們被定義為「時間的窗口」, 這時大腦不僅善於接收某方面的信息, 而且確實需要這些信息來繼續其正常發展。關鍵期詳細闡明了大腦里感官系統的發展, 特別是視覺方面的。但很多神經科學家也相信至少某些潛在於複雜學習和思維能力的大腦功能也有自己的關鍵期。對於關鍵期, 有多如牛毛的證據, 比如在語言學習上就有很明確的關鍵期。但有人認為這些觀念被泛濫使用於太多種類的學習上, 也沒有證據充分證明在這些方面真的有此「窗口」。Urbana Champaign, Illinois大學的William Greenough 說: 「在人類發展中確實有關鍵期, 但沒什麼證據支持有很多關鍵期這一觀念。」

科學家們都同意的是關鍵期, 它們確實存在, 但不像傳媒報道的那麼清晰, 也不像教育玩具製造者那樣定位。沒有一個關鍵期會突然關閉, 它們會逐漸停止。關鍵期只限於第一個三年的說法也不對, 那些有關鍵期的學習種類都有不同的關鍵時段。在很多情況下, 窗口似乎從來都不完全關閉,學習雖然更困難, 但會一直延續到成人。基於此原因, 研究人員寧願用「敏感期」 這個詞。基線是雖然作為一個小孩,更容易學習一門語言或音樂, 成人也能做到。芝加哥大學的小兒神經學家Peter Huttenlocher 說: 「 通常科學就是這樣,真理是在兩者之間( 兩個極端觀點) 的某個地方。」

早期洞悉

無庸置疑, 對於某些大腦發展, 確實有一個關鍵期。最有名的例子來自1960 年哈佛大學的David Hubel 和Torsten Wiesel。他們顯示如果小貓咪早期某隻眼睛被縫合, 那麼那隻眼睛就永久失明, 因為大腦視覺系統在大腦的主要發展階段錯過了視覺輸入。眼睛有先天斜視或白內障兒童也顯示人類視覺發展中確實有關鍵期。

在這幾十年間, 幾個不同種類的研究也顯示對於不同種類學習大腦都有敏感期, 某些證據來自神經科學家, 他們用腦成像和其他技術來研究大腦的改變並把它跟行為和學習相關聯。其它證據完全是行為的, 源自精神病和教育研究。

在這一領域的研究也強調第一個三年的重要性。如1950年的精神病學研究發現兒童在首一年裡對母親或主要照料者有情感依附。此後很多研究人員顯示被安全和精心照料的寶寶很相信其照料者能保護和養育他們, 這些寶寶對比起次級照料的寶寶在以後生活里能與別人形成更好的關係。更有甚者, 這種良好關係要在3 歲前建立才有以上所說的好處。Nebraska, Lincoln 大學的發展心理學家Ross Thompson 認為在人類進化的過程中, 「依附」關係對嬰兒生存至關重要, 以至它所形成的關鍵期可能已經被編好在大腦發展里。

在0~3 歲小孩情感發展關鍵期的研究上, 「依附」是一個重要的基本原理。但Thompson 留意了幾個研究, 內容是小孩的早期階段是在羅馬尼亞孤兒院渡過, 他們沒有能使形成依附的正常人類接觸, 這暗示了「依附」的窗口比我們想像的更大。在4、5、6 歲被「營救」的孩子也能形成依附。但很多那些依附是微弱或不健康的, 可能是敏感期逐漸關閉的跡象。但沒有真正關閉時間的證據, Thompson 認為它不能被稱作「真實」敏感期。從羅馬尼亞孤兒院研究進行總結的另一考慮是: 這些孩子在很多方面都被剝奪, 可能有很多其它實質原因影響他們的「依附」。

另一社會科學研究提出首3 年重要性的是加州大學的Frances Campbell 和Alabama 大學的Craig 和Sharon Ramey。在對超過1000 個來自相對貧困家庭兒童的特殊設計教育課程的分析中, 他們發現從出生到學前都就讀這些課程的兒童的IQ 和學校表現都有很大進步( 對比起上小學後才讀相似課程的兒童) 。Ramey 說: 「這就證明在3- 5 歲錯過的機會在以後日子裡是不能彌補的。」

複雜的外界條件對大腦發展的影響

沒有人能夠定義一個關鍵期, 在這個期間如果大腦發生變化需要什麼樣的豐富環境。這個時期是引人注目的, 因為它與兒童發展有關, 可能給早期缺乏足夠教育的兒童帶來希望。有關兒童發展領域的工作者發現文化上匱乏的兒童發展比文化豐富的兒童慢, 另外有人指出了一些案例, 在這些案例中早期貧瘠環境的有害影響在後來的豐富環境中被逆轉過來。然而, 美國國家兒童健康和人類發展研究所的JamesPrescott 認為, 迅速積累的證據表明, 動物中飼養環境在大腦發展中的這些影響可能和兒童是相似的, 這是需要認真考慮的問題。他認為發現在不同飼養環境條件下大腦的不同變化的這項研究是驚人的, 它改變了目前人們普遍認為的只有貧瘠的環境才可能影響兒童的大腦發育。

無論哪一種豐富環境引起的影響都是個體特異的, 這些影響無疑與其它一些因素相互作用, 比如人個體的性別, 遺傳組成, 營養狀況等。例如, 將同一窩的小鼠分配到各個飼養環境中的工作就是為了控制最小程度的遺傳差異在大腦發展中的影響, 這些遺傳差異總是干擾飼養環境的影響。另外,有證據顯示, 豐富的環境可以在一定程度上消除小鼠由大腦損傷、營養不良或甲狀腺功能減退等引起的有害影響。Sackett指出, 一些在貧瘠環境中飼養的小鼠並沒有表現出反常的行為, 這表明了存在一些未知的因素與動物的飼養條件相互作用並在一定程度上使動物不受影響。對這些未知因素的研究可能提供怎樣減少貧瘠影響和加強豐富影響的線索。

我們已經明確豐富的環境對大腦有確切的影響, 但這些影響的意義我們還不清楚。是否這些「非常小鼠」由於擁有更多的神經連接和從一般上講更複雜的大腦而具有高級的能力?大多數的研究者認可豐富飼養之後的大腦變化對大腦器官有一定益處的, 但是在行為改變上的研究卻有反駁的觀點,到目前為止還不能確定大腦的變化是實驗所紀錄的行為變化的原因。因此儘管研究表明生命早期「豐富多彩」的環境對大腦有好處, 但Bruer 認為結果被誤用了, 特別是某些產品如專門給中等家庭的教育音像。他認為對於大部分兒童, 超出正常環境的「額外豐富」能提供很多好處是沒有科學證據的。不但中等家庭父母被誤導關於提供什麼給孩子, 社會的注意力也從真正貧困家庭的需要中轉移了, 這些都不是在3歲就結束的。為了支持這一觀點, 他引用廣泛使用的動物實驗, 即促進教育幫助以豐富嬰兒的環境。

在前20 年的研究中, Greenough 顯示在所謂「複雜環境」下飼養的小鼠跟其它老鼠一起生活、有很多玩具玩在它們大腦里形成更多的突觸的神經連接( 對比起標準實驗室籠子里單獨長大的老鼠) 。但Greenough 說他的研究是剝奪實驗多於豐富實驗, 因為所謂的複雜環境其實是接近小鼠的正常生長環境。他說, 他的發現暗示了極端的剝奪是決定性的, 但他沒有強調是否在正常環境中的額外刺激是真的更好。

Greenough 同時指出他的研究跟人類兒童首3 年的豐富環境沒什麼直接關係, 因為他的小鼠直到斷奶後才進入複雜環境, 大概相等於人類的2.5～5 歲, 並那些小鼠停留在那裡一直到青春期。另外, 當研究人員把成年鼠暴露在相似環境時,他們的神經連接也增生擴散。Greenough 說: 「 對於年輕動物, 改變發生得更快, 量級更大, 效應不會輕易丟失。看到這些實驗, 就會意識到它完全破壞了3 歲前什麼都結束的觀念。」

總之, 在回答為什麼豐富的環境可以影響大腦和這些影響對動物來說意味著什麼之前, 還有一大批關於大腦是如何行使功能的問題有待發現, 但是大腦發育與動物生長環境的豐富性有關聯這是毋庸置疑的。

學習的窗口

在Ramey- Campbell, 還有Greenough 的研究集中於大腦為學習作準備時, 其他研究人員檢測對於某些技能是否都有關鍵期, 如音樂和語言。如, 在1995 年對音樂家進行大腦成像研究時, 德國Konstanz 大學的Thomas Elbert 和伯明翰Alabama大學的Edward Taub 發現弦樂家的左手被大腦的觸覺區域更大限度表現出來( 對比起左撇子非音樂家) 。

研究人員的主要結論是大腦對音樂訓練的反應的改變能力一直延伸到成人。但他們也發現12 歲前就開始訓練的弦樂家投入到左手感覺的大腦區域最大, 這可能表明在生命更早期對音樂訓練有接受性。Elbert 和Taub 的數據可能被訓練效應解釋: 早期訓練的人操作時間更長。Taub 指出他和Elbert並無系統性排除此可能性, 但他說兩組人之間總訓練時間的差異小得不能解釋大腦組織里的量級差異。

觀察大腦對語言學習接收情況的研究人員控制著訓練效應, 他們相信他們有更清晰證據表明年輕的大腦可以學習一門語言流利得象極少大齡學習者所能達到得水平。換句話說,對於語言的獲取確實有一個敏感期。

一些更有力的行為證據來自紐約的Newport 和Universityof Rochester 的認知科學家Elissa 及其同事。在1980s 末, 他們研究46 名移民到美國的中國和韓國人, 這些人融入英語環境的年齡從3~39 歲。為了排除訓練效應, 研究人員把他們使用英語的時間跟受試相匹配, 然後回放他們的口語記錄,一些有語法上的錯誤, 如詞排序錯誤或動詞時態錯誤, 研究人員向他們發問, 是否他們所說的句子正確。

對於本地人, 這種測試就沒什麼難度, 但對於移民, 研究人員發現「作為人們第一次到美國時年齡的一種功能, 正確反應系統地衰退了。」在5 歲左右前到達美國的那些人做得和本地人一樣好, Newport 說, 但是「那之後的每一組都系統地減弱了, 」對於十幾歲後才移民過來的人, 曲線又轉為平滑。「這就是人們所期待的關鍵期的形狀。」

Newport 說, 你可能會爭辯, 後來才學習英語的人學得不好不是因為學習語言的關鍵期已經過了, 而是因為他們多年用母語的經驗嚴重地干擾了對另一門語言的學習。為確定這一點, Newport 和她的丈夫Ted Supalla 致力於研究一群特殊的人, 他們在幼年時沒有學習任何語言, 他們是聾子, 他們有聽覺的父母不用美國手語( ASL) , 而他們在5 歲或12 歲進入專為聾人開設的寄宿學校時才學ASL。Newport 和Supalla,他自己也是聾子, 他們把後來才開始學ASL 的學習者和一出生就學ASL 手語的聾子作了比較。為了排除訓練的影響, 他們選擇那些在測試時已經50 到70 歲的人, 而對ASL他們最少都用了48 年。

研究員測試ASL 的造句和句子的理解, 他們發現與第二語言學習過程中同一種類的圖畫。那些5 歲才開始用ASL 的人平均得分稍低於那些一出生就在ASL 環境中的人, 然而那些直到12 歲才開始學習的人得分更低。

有關語言發展的行為研究結果是被神經生物學支持的。神經科學家, Oregon Eugene 大學的Helen Neville, 已經觀察了中國和西班牙移民的大腦組織, 他們開始學習英語的年齡範圍是2 歲到16 歲。她和她的同事利用大腦成象觀察到那些人在聽到有語法錯誤時, 就像Newport 也用到的那些句子時他們的大腦活動模式。「在那些後來才學英語的人中, 即使是4 歲就開始學的, 我們發現在對「新奇」的語法作出反應時, 他們的大腦組織有所差異。」Neville 說。在那些4 歲以前就學第二語言的人中, 反應全部發生在左腦, 這是正常的語言區域, 而這之後才學習的人, 顯示出更多的右半腦活動。這暗示了晚學習語言和早學習語言在大腦上的具體物理表現是不同的。

這些結果與Newport 和她的同事觀察語法能力時的所得相符。但語法只是語言學習的一個元素, 其他元素包括語音( 語言的發音) 、語義( 詞的意思) , 而它們沒必要有敏感期。比如, Neville 說, 當她和她的同事觀察人們對「 新奇語義」作出的大腦和行為反應時, 即一句話中其中一個詞是意思不符的, 較遲學習語言的人的反應和較早學習語言的人一樣。好像並不存在嚴格意義上的關鍵期或敏感期。

即使只是語言的一個方面, 比如語音, 就可能有不同的學習窗口。一部分語音必須很早就去學習, 而另一部分可以

在漫長學習過程中逐步提高。這也就是說, 語言不是一個單純的單片電路, 類似那些一部分有關鍵期一部分沒有的系統。

大腦的基本原理

大腦在孩童時期慢慢成熟。Neville 和其他人都提出成熟過程中的步幅會影響敏感期的時間選擇。比如說, Chicago』sHuttenlocher 和他的同事已經研究了不同年齡孩子的postmortem大腦神經連接。他們發現在第一個一年裡大部分大腦區域的神經連接都增生擴散, 這之後, 有一段神經連接密度很高的時期, 從6 個月到12 個月一直到5 年、15 年不等,根據區域不同而不同。之後神經連接水平開始下降, 而視覺區域最先失去它們的神經連線, 隨後較高的認知區域也降到成人水平。底特律Wayne 州大學的Harry Chugani 和他的同事已經把正電子發射的X 線斷層攝影( PET) 成像用來測量嬰兒和小孩大腦的新陳代謝作用, 把這作為觀察神經連接的增生和消失的間接方法, 並得出了同樣的結論。

Huttenlocher 注釋道, 當他看到神經連接開始增生擴散時, 大腦區域的基本功能在這時候就形成了。比如說, 當視覺皮層里的神經連接開始增生時, 小孩開始有雙眼視覺功能。神經連接的修剪, 好像與「 輕鬆學習某個任務的時間上限」相關連, 至少也極其近似。比如說, 儘管語言學習的不同方面有不同的敏感期, 12 到14 歲大概就是語言學習的輕鬆程度開始普遍下降的時候, 這也大概是大腦語言區域的神經連接密度和數量下降的時候。

儘管有這些相互關係, 一些神經科學家和心理學家還是提出, 一些明顯的敏感期可能更多是有累積學習本身的作用而非大腦物理髮展的作用。加利福尼亞大學的心理學家AlisonGopnik 已經發現, 孩子們四歲的時候就認識到別人有著和他們自己不同的思想和觀點。她的研究暗示了這認識是在它該發生的時候發生的, 因為孩子們已經積聚足夠多的經驗來得出此結論。比如說, 她能加速這些概念的學習, 所用的方法是通過給學生特別的訓練, 即強調他人有不同思想。她說, 這暗示了大腦中並不存在「某些成熟事件」以證明某個時段會出現某個技能, 而你所學到的新東西又能讓你去學更新的東西。

現在的問題是, 至少對於某些種類的複雜學習, 是否學習驅使逐漸成熟的大腦在改變, 或成熟過程式控制制著學習的輕鬆程度。這些問題可被強調為大腦結構與不同種類學習相關。比如說, 當前她正在用小孩做實驗以觀察加速他們語言學習的訓練是否導致大腦組織可測量的改變, 而幾個研究小組開始用大腦成象去研究那些包括有「依附」形成的大腦區域的組織改變。她預測, 任何答案都不會模稜兩可。我們知道大腦系統的全套裝備。答案可能是任何一個人的系統都不同。

小結

因為研究者們把他們的資源都彙集起來以明確關鍵期在學習中所起的作用, 於是這樣的主題就出現了: 儘管較年輕的大腦可能更容易改變, 年長的大腦也沒喪失改變的能力。儘管孩童時期很明顯是特佳的學習時間, 我們也沒理由在任何一個年齡放棄學習的希望。確實, Newport 說, 研究或許能讓我們明白遲學習的機制是否與孩童時期的機制不同。更好地理解了這些差異後, 人們可以想出不同的方法和策略來改善成人的教學計劃。而這對任何一個年齡段里渴望學習的人都會是個好消息。

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大腦皮層的可塑性讓人成為人

大腦皮層的可塑性讓人成為人_教育_騰訊網

　　原標題：大腦皮層的可塑性讓人成為人

　　孫學軍

　　黑猩猩比其他動物聰明許多，這些靈長類動物能使用工具，使用複雜的語音進行交流，也是解決問題的高手。但是和人類相比，黑猩猩這些能力顯得微不足道。研究發現，影響人類大腦超過黑猩猩的因素很多，最近科學家又發現了一種新的因素，是人類大腦發育受遺傳因素控制相對比較小，這種特徵讓人類在適應環境中擁有更大的靈活性，這可能是人類超過其他靈長類動物成為人類的重要原因。看來要成為人類，首先不要死腦筋。

大腦皮層是大腦最外層的薄皮狀結構。這一層灰色組織的厚度僅有2毫米，它有著錯綜複雜的褶皺，活像一塊揉成一團的紙。褶皺大大增加了皮層的表面積。皺褶的大腦皮層是靈長類動物擁有更高智力的重要基礎。人類和靈長類動物出生後幾年大腦皮層皺褶會繼續增大和形成，這讓我們能學習和發展社會能力。大腦根據環境因素進行重新組織的能力就是大腦的可塑性，大腦可塑性是學習未知知識的重要基礎，例如如何系鞋帶，如何計算等。黑猩猩在學習搬運重物和相互打扮時顯示出可塑性。但是最新發表的研究發現，遺傳學信息提示，黑猩猩的大腦發育在出生後受環境影響的比例非常小，而人類正好相反。

　　華盛頓大學科學家為比較人類和黑猩猩大腦發育的遺傳學差異，對218個人和206個黑猩猩大腦進行了磁共振成像（MRI）掃描。

　　研究人員已經獲得了黑猩猩的詳細家庭樹，能夠對遺傳相關個體比較大腦的相似性。同樣，對包括雙胞胎和遺傳背景相關性的人類大腦核磁共振掃描也進行了類似分析。研究測量了大腦體積和溝形狀位置等信息，比較這些大腦皮層結構的差異。

　　在大腦體積上，不同家庭成員之間沒有明顯差別，但大腦溝回存在明顯差異。更重要的是，人類溝回差異的變異程度顯著超過黑猩猩。黑猩猩兄弟之間的大腦溝回幾乎一樣，但人類兄弟之間的大腦溝回相差懸殊。這說明黑猩猩在出生後大腦的發育出現的變化不如人類那麼明顯，可能是人類更聰明的原因。

　　本研究責任作者人類學家拉貝爾說，在遺傳因素的影響下，人類大腦更容易受到外界環境的影響，這一特點讓人類祖先在積累經驗和社會交往等方面擁有更大優勢，大腦的這種後天可塑性可能是人類在進化過程中超越其他靈長類動物脫穎而出的根本原因。

　　該研究小組猜測，人類大腦出生時發育不充分導致了大腦可塑性更大的可能。相對於黑猩猩，人類嬰兒的大腦發育程度更低，也更無助，但是這可以讓我們用更大能力向環境和他人學習。

科學家提出，從進化角度看，人類產生這一過程可能是緩慢發生的，我們的祖先擁有逐漸變大、可塑性逐漸增強的大腦，這些相關證據來自考古學的發現，證據顯示，人類祖先大腦新皮層逐漸增大，可塑性逐漸提高。

　　新的研究結果表明，人類大腦越來越大。人類來到這個世界上，越是處於發育不徹底程度，來自遺傳的內在控制因素的影響越小，可塑性就越大，就好像一張白紙，適應和學習的潛力很大，當然出錯的幾率也大。這一研究對研究人類的生物進化和文化進化關係提供了重要資料。

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受傷的大腦還可以重生？讓科學研究告訴你何謂大腦可塑性

受傷的大腦還可以重生？讓科學研究告訴你何謂大腦可塑性

來源： OPPO歐活康研中心

中風是神經康復科常見的疾病之一，近年來中風趨向年輕化，壯年期即面臨中風失能的人不在少數，因此中風後身體動作機能是否能夠恢復，恢復的程度有多少，都是病患迫切想得到的信息和解答。康復治療是目前中風後動作功能恢復的最佳治療，經過各種康復運動的訓練與治療，病患能夠逐漸拾回功能性的動作，並且重回日常生活的軌道。

中風病患如何恢復身體動作機能呢?

有很長的一段時間，人們堅信中風將造成永久性的大腦損傷和功能喪失，並且無法修復。隨著醫學科技的進步與發達，經由動物實驗、人體實驗，配合影像學分析與腦部檢測發現，中風後的動作功能至所以能夠恢復，是因為大腦具有可塑性(plasticity)，讓損傷的區域有修復的能力。

大腦可塑性 Brain Plasticity

大腦可塑性可以涵蓋大腦的任何變化，包括生物化學上的受體變化、神經新生和區域性的功能重劃(remapping)等等現象。

大腦是人體中相當神秘的組織構造，他就像是個龐大的電路，由許多的腦神經元與突觸連結所組成。大腦迴路有個特點，當你愈頻繁使用某個迴路，迴路中的神經元彼此之間的連結會強化；越不使用的迴路，它的神經元之間的連結就會弱化。這樣的特點造就了大腦的可塑性，使大腦能夠因應內部或外部所造成的損傷，並且從其修復某些功能。

動物實驗

Van Meer 等學者(Van Meer, 2012)希望深入探討大腦重組感覺動作神經網路(sensorimotor neuronal network)是否會影響功能性操作表現的。學者們使用了中風大鼠模型進行大腦結構上與操作表現之連結性的研究，利用功能性磁振造影(functional MRI)和擴散張量影像(Diffusion Tensor Imaging, DTI)與操作表現測試(behavioraltesting)分析其相關性(下圖)。

關於中風後大腦可塑性，學者們歸納出四個重點：

1.感覺動作功能的增進與左右半球之感覺動作皮質間的網路連結修復有關。

2.中風後感覺動作功能的逐漸修復與損傷側腦皮質脊髓路徑結構完整性的提升有關。

3.左右半球之感覺動作皮質間的網路連結修復與損傷側(單側)腦皮質脊髓路徑結構完整性的提升有關。

4.是否有好的功能性操作表現結果取決於損傷側(單側)腦皮質脊髓路徑結構的修復情況。

人體實驗

經由影像學(PET、EEG、fMRI)分析中風病患在執行基本的手部及上肢動作時大腦的活化情形(Zemke A, 2003)，學者們發現隨著康復訓練的進行，病患操作表現上的增進，腦部活化的情況也有所不同。中風後大腦的神經可塑與重整很早就開始展開，持續進行數周的時間，反映出大腦逐漸恢復感覺動作系統功能的情況，主要分為三個時期(圖)

1.急性修復期(Acute recovery phase)：中風的急性反應，出現血流改變、水腫和發炎的現象，發生於中風後的數小時內。

→急性期復原的主要因素為健側大腦的動作相關皮質區之活化(Calautti C, 2003)

2.亞急性期(A half ~ one year after onset)：從中風後的第一天開始，進行數周，這個時期大腦開始自行修復(spontaneous recovery)，內部重整的相關作業將達到最高效能。

→亞急性期時，健側大腦的動作相關皮質區之活化會逐漸降低(Ward NS, 2003)

3.慢性期(Chronic phase)：從中風數周后到幾個月之後，大腦自行修復情況已經達到穩定的平台期，但仍需些微調整。

→慢性期的主要修復因素為患側大腦的動作相關皮質區之活化

大腦的生理性修復機轉(M1：主要動作皮質區；SMA：運動輔助皮質區；PM：前動作皮質區)

臨床應用

目前臨床上中風病患執行康復訓練時使用的治療儀器包括功能性電刺激(Functional electrical stimulation, FES)、穿顱磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation, TMS)和腦部之紅外光譜光學檢測(Near-Infrared Spectroscopy, NIRS)。

功能性電刺激FES

功能性電刺激能夠改變軸突傳導速率(axonal conduction velocities)、軸突生長(axonal growth)以及周邊神經髓鞘化(myelination)(Al-Majed A, 2000)；不過對於中樞神經系統的影響機制目前仍未被釐清。但是學者們認為功能性電刺激治療會產生患側肢體動作輸出與感覺回饋的暫時性連結，反覆的將突觸前與突觸後的神經元同步活化，促使突觸重塑，強化網路路徑的鏈接與操作表現的恢復(Cecatto RB, 2014)。

穿顱磁刺激TMS

當中風病患執行動作學習的訓練時，進行大腦皮質的刺激，可以增進病患的患側上肢操作表現。利用穿顱磁刺激活化患側大腦的主要動作皮質區(M1)能夠強化此區域與運動輔助皮質區的連結性，並且抑制對側的主要運動皮質區(M1)－是提升中風病患操作表現的主要治療方式。(Ward NS, 2003)

腦部之紅外光譜光學檢測NIRS

由於NIRS的非侵略性與方便攜帶性，檢測腦部組織的血流含氧量和灌注指數，能夠更準確地反映出腦部組織的活化情況，因此成為預測腦損傷之功能性恢復程度的新主流(DaviesDJ, 2015)。在臨床上NIRS多半使用於中風病患執行四肢功能性動作或步態訓練，以及在給予功能性電刺激的狀態下執行動作時，監測腦部活化的情況(HaraY, 2013)(圖)。

NIRS呈現的70歲中風病患(左側腦為中風側)的腦部地圖與NIRS波形。a)手指執行伸直動作：顯示主要活化區為健側的運動輔助皮質區。b)進行患側功能性電刺激治療並且進行手指伸直動作：顯示主要活化區轉換成為患側的運動輔助皮質區

結論

隨著醫學技術快速的發展，大腦損傷之修復不再是不可能的任務，甚至結合不同的高科技醫療儀器能夠更精準地刺激或抑制腦部區域、監測腦部組織的活動情況，協助治療師在康復治療中訓練中風病患並且掌握訓練中的表現和恢復程度，同時也能夠讓病患了解自身的恢復情形，對於提升病患的動機性和自信心，以及降低治療期間造成二次中風的風險有相當大的幫助。