人類的大腦可「塑造」

編者按

綜合性學術報告是每次院士大會的重頭戲，這些報告的主題都是經過學部精心選擇、結合社會廣泛關注的國家經濟社會發展中的重大問題和學科發展前沿後確定的。6月14日，在中科院第十六次院士大會上，費維揚院士作了「關於發展低碳技術的幾點思考」報告、蒲慕明院士（外籍）作了「大腦的可塑性」報告、徐建中院士作了「航空發動機的發展和科學問題的一些分析」、歐陽自遠院士作了「中國月球探測的初步成果與太陽系探測的初步設想」。報告內容豐富，在報紙有限的版面內，我們難以全面呈現，僅擷取部分觀點加以報道，供廣大讀者參考。

蒲慕明院士(中科院神經科學研究所、美國加州大學伯克利分校)

聰明才智是天生,還是後天能夠培養?嬰幼兒教育有沒有科學依據?中樞神經系統損傷還能不能康復?要想弄清這些問題,必須先了解大腦的構造和功能。蒲慕明院士說,大腦具有「可塑性」,這是指大腦的結構域功能會因不斷的使用而改變,「可塑性是大腦所有高等功能的基礎」。

我們的神經系統如何工作?

要了解大腦,先弄明白幾個有點拗口的名詞:神經元、突觸、樹突、軸突。大腦有數百種不同類型,總數為1012的神經元通過由1015個突觸形成的各種神經網路。神經元是構成神經系統結構和功能的基本單位,由細胞體和細胞突起構成,細胞突起又分為樹突和軸突,每個神經元都有一個或多個樹突,但只有一個軸突。

簡單地說,神經系統是這樣傳遞信息的——樹突接受刺激信號,傳導到軸突,軸突再通過突觸把興奮傳送到其他神經元和組織。

蒲慕明介紹說,研究發現,神經元集群間有方向性的突觸強化或弱化,能夠儲存時序信息。研究人員用多電極記錄了大鼠視皮層神經元的變化——他們讓大鼠看屏幕上光點的運動,訓練前,在起始點閃光引起了大鼠視皮層神經元的集群的無序發放;訓練中,神經元集群實現依序發放;訓練後,只要在起始點閃光,就能喚起神經元集群的依序發放。

蒲慕明總結說,與感覺、運動、認知行為相關的電活動,會修飾神經元與突觸功能和構造,也就是重塑了大腦,帶來了學習與記憶、認知行為的改變。

嬰幼兒時期是大腦發育關鍵期

「樹突上的樹突棘是神經元接受興奮性突觸的位點,形成了神經元突觸的連接。」蒲慕明說,研究發現,在大腦發育的頭幾年,樹突棘大量產生,之後,經過學習的不斷「修剪」,最終形成了神經網路。「也就是說,嬰幼兒時期是神經系統形成的重要時期,開頭幾年是大腦發育最關鍵的時期!」

「神經網路的形成在出生後特定一段時期容易被腦內電活動影響,不正常的電活動會造成異常的神經網路的長期存在。」蒲慕明說。

蒲慕明說,出生後,具有不同功能的網路都有一個關鍵的形成期,關鍵期內電活動可以穩固或「修剪」神經突觸連接,對網路成形有巨大的影響。「一定不能錯過。成年腦的可塑性遠小於幼年腦,大規模的網路連接變化只在創傷後或病態時出現。」

聰明才智絕不是與生俱來的,出生後的環境和經驗引起的電活動是塑造網路的主要因素。蒲慕明說:「因此,嬰幼兒時期的教育，需要後天環境的配合和父母的培養。」

成人中樞神經損傷或許也能治癒

脊椎損傷、腦中風……目前醫學發展水平對這些中樞神經損傷的病患還無能為力。如果大腦具有可塑性,這些疾病有沒有可能治癒呢?蒲慕明說,大幅度的網路可塑性在成年期是可以用藥物和生理電刺激來「喚醒」的,基於網路可塑性的治療方法將是未來研發神經系統損傷和疾病治療手段的方向。

蒲慕明說,成年中樞神經系統受損造成軸突損傷,而軸突很難再生——疤組織和胞囊阻止軸突再生,而且成熟神經系統的神經元也不會再生軸突,「外在的原因,是缺少神經元生長的營養性因子,細胞環境也是抑制性的;內在原因是神經元的生長能力下降。」

在「大腦有可塑性」這一理論基礎上,科學家們正在探索治癒的方法，比如視頻療法已經應用到治療語言障礙、老年痴呆症和弱視等疾病中。深度腦刺激的方法則被視為更有前景的療法。蒲慕明說,科學家們已經嘗試將深度腦刺激的方法用於治療慢性痛、帕金森症等。(本報北京6月14日電本報記者齊芳詹媛)