新生儿天生拥有……早期生活必备的独特技能。
丽丝·艾略特博士(Dr.Lise Eliot)
在我们的想象中,胎儿的生活一定是黑暗和安静的,周围环境几乎没有变化。但最近的研究表明,这种猜想是错误的:子宫里会产生大量刺激性活动,用以塑造胎儿的大脑。随着胎儿大脑的发育,胎儿的认知能力及感知能力也在不断提高。
当男性的生殖细胞(精子)与女性的生殖细胞(卵子)结合后,人就诞生了。这一过程被称为受精。受精卵(或卵细胞)将继续发育成胚胎,在平安地度过大约38周的孕期后成为新生儿。
我们从生命伊始就获得了认知能力。研究表明,胚胎在子宫中生长时,就已经发育出在出生后即将用到的大部分感官。
受精约3周后,受精卵中有三分之一的部分开始发育,迅速形成由脊髓和大脑构成的中枢神经系统(central nervous system),这部分也被称作外胚层。外胚层会发育为表皮(皮肤的外层)和其他结构,如头发、指甲、大脑和神经系统等。一部分外胚层向内折叠,形成一个中空的圆柱体,被称作神经管。
这条神经管将分化出中枢神经系统中的主要部分:后端分化出脊髓,前端分化出前脑和中脑。脊髓的末端分裂成一系列节段,前端形成一系列凸起。到了第5周,这些凸起就会形成大脑雏形。神经管周围形成感觉系统和运动系统,同时,在神经管前端首次能够检测到大脑不同区域间的神经通路。同样在前端,神经管沿径向发育出大脑极为复杂的表层,即皮层。
受精约25天后,随着神经管的出现,大脑雏形形成。5周左右,脑干出现,并进一步发育为延髓、脑桥和前脑。5~6个月时,脑干可以支持宫外呼吸。5个月后,中脑就无法作为独立结构被观测到了。延髓的主要结构在7~8周形成。第8周后,脑桥出现。大脑皮层发育最晚,第一道脑沟(皱纹)在20周左右出现。
在神经管形成(受精后的第25天)后的几天里,神经管上的凸起,特别是径向的凸起迅速增大,分裂成新细胞。神经管形成14天后,即受精后的5~6周,部分细胞进入大脑发育的下一阶段。这些细胞迁移至神经管外周,在管壁堆积,之后发育成中枢神经系统的主要组成部分。
随着越来越多的细胞堆积,神经管外壁不断加厚,新细胞从内向外的迁移变得愈发困难。为了帮助细胞顺利迁移,部分新细胞发育成另一类细胞,并迁移到旁边,为其他细胞提供通路。这些“自我牺牲”的细胞被称为放射状胶质细胞,而通过它们制造“通路”的细胞被称为神经母细胞,即日后发育为神经元的原始细胞。
成熟的人类神经系统主要由神经元和胶质细胞构成,两类细胞的功能不同。神经元是以单个或数百万、数十亿为单位交流信息的神经细胞。
胶质细胞为神经元提供能量。在胎儿的大脑中,胶质细胞的数量是神经元数量的数十倍。
到了第16周,胚胎中的大部分神经元已经形成。神经元一边形成一边迁移到需要更多细胞的大脑其他区域,科学家们仍在努力了解这一过程。
在大脑发育过程中,增殖区不断生成新细胞。增殖区位于充满液体的室管系统(脑室)。在这里,尚未分化为神经元或胶质细胞的细胞通过神经系统发育过程被赋予特殊性。到第18周时,神经系统发育基本完成,大多数细胞都已经迁移至大脑的固定区域,不再移动。已经形成的神经元会持续工作直到人体死亡,而身体其他部位的细胞则会再生以修复由疾病或其他有害环境造成的损伤,两者形成了鲜明的对比。不幸的是,这意味着如果神经系统受到损伤,神经元将无法增殖再生,损伤也就无法逆转。此外,胶质细胞作为神经元的能量来源,也会因脑损伤而受损,从而导致大脑受损区域的神经元缺乏营养而死亡。
尽管从出生到成年,人类的脑容量翻了两番,但这是由纤维束、树突、髓鞘化的增加所导致的,而不是神经元的增加。
——马克 · 约翰逊教授(Professor Mark Johnson)
除了增殖和迁移,神经元还必须学会如何相互交流,形成相应的交流工具。一旦神经元迁移至固定位置,细胞体就开始向其他神经元延伸出“触角”,这些延伸被称为树突和轴突。
图为星形胶质细胞的扫描图。星形胶质细胞呈星形,为神经元输送营养,并固定神经元。星形胶质细胞还参与死神经元的代谢。
细胞迁移分为两种形式:细胞位移和细胞运动。细胞位移相对简单,即首先形成的细胞被之后形成的细胞向外推。最先形成的细胞被推到正在发育的大脑的表面,新细胞构成下丘脑等深层内部结构。
而在细胞运动中,新细胞会穿过旧细胞,并停在其上层。细胞运动常见于大脑皮层和具有分层结构的皮层下区。这些大脑区域更为复杂,细胞高度分化。当新细胞出现后,旧细胞就会给它们让路。这样,新细胞总是在上层,旧细胞总是在下层。
新的神经胶质细胞总是沿着相同的路径移动。为了保持路径通畅,旧细胞必须为新细胞的自由移动让路。但如果旧细胞出于某些原因没能让路,新细胞的移动就会受阻,这种堆积可能会导致神经细胞间的错误连接,进而可能影响人的行为。
每个神经元都会长出一个轴突。轴突负责传递信号,长度不一。轴突向外延伸,与邻近的神经元或距离较远的神经元(如脊髓底部的神经元)相连,有时远达几英尺
。树突短,有分支,沿着神经元的细胞体生长,接收其他神经元发出的信号。
神经元上突触的生长过程被称作突触发生。突触连接树突和轴突,使得神经元之间可以相互交流。这种交流的媒介,或者说将信息从一个神经单位传递到另一个神经单位的“信使”被称作神经递质。神经递质是通过突触从一个神经单位释放给另一个神经单位的少量化学物质。一个神经元可能有多达数万条突触,一个人体内总的突触数量可能会达到数万亿,突触之间可能也会有上百种神经递质。突触发生的速度快得惊人。丽丝·艾略特在《小脑袋里的秘密》( What's Going on There? )一书中指出,在受精后的两个月到出生后的两年间,人体每秒都会生长出180万个新突触。
但从另一方面来看,胎儿大脑建立的连接比最终需要的多得多。之后,突触会被修剪。神经科学家发现,突触的使用情况决定其是否会被修剪。突触的使用取决于个人经历,因此,经历的确会塑造大脑。突触参与的电活动越多,存活下来的概率就越高,因为电活动使突触稳定下来,留在固定位置。
突触的形成和修剪解释了人类发育过程中的两个关键因素。第一,强大的人脑几乎能够做任何事。如果你使用多种语言跟婴儿讲话,婴儿便能轻易掌握你说的所有语言,因为婴儿形成了许多与语言相关的突触连接。第二,随着年龄的增长,成年人会发现自己形成新的认知愈发困难,因为之前不需要这些突触,它们从未被使用过,所以可能被修剪了。
令研究人员仍然感到困惑的一个问题是,神经元如何知道要和哪些神经元建立连接?直到现在,人们仍然认为这个问题无解。然而,神经科学家发现人的经历的确会影响人脑的形成。每个神经元都向周围的神经元延伸出树突,但只有那些使用过的树突才会被保留下来。当神经元迁移到特定的大脑部位后,会延伸出一根细细的分支,即生长锥,用于“嗅”出应该与之“交谈”的细胞。
生长锥朝各个方向延伸出分支,试图探测目标神经元。为了找到目标,这些分支依赖脑电活动引起的磁场向其他神经元移动(神经元会释放特定化学信号)。一旦接触,树突便会形成突触,细胞开始相互交流。这种连接在日后不断地使用中得到强化。例如,研究成年人抑郁症的心理学家发现,轻度抑郁症患者之所以病情会加重,实际上是由于他们倾向于把中性事件——如火车晚点等了几分钟——都当作重大灾难。记录消极情绪的脑细胞经过频繁使用不断强化,使得轻度抑郁恶化成临床抑郁。认知心理学家大卫·O.安东努乔(David O.Antonuccio)、威廉·G.丹顿(William G.Danton)及加兰·Y.德内尔斯基(Garland Y.DeNelsky)利用这一发现论证了抑郁症应该接受心理治疗而不是药物治疗。抑郁症患者想要痊愈必须改变思考方式,强化记录积极情绪的脑细胞。
抑郁症可能与大脑强化思维的方式有关。研究胎儿大脑的研究人员提出了这一想法。
受精8周以后,胚胎就被称为胎儿,胎儿是一个希腊词,意思是“小人儿”。到这时,胎儿的四肢清晰可辨,面部结构与出生时无二。胎儿开始出现独立的神经活动,能够控制自己的运动——头部和腹部有小幅运动。当母亲有压力时,胎儿的心率会增加,这表明胎儿会对环境做出反应。
从怀孕第8周到第12周,再到婴儿出生,胎儿不再长出新的身体部分,已有部分及功能会得到进一步发育和完善。
孩子出生前,从肾脏到大脑结构的各种基本情况就已经固定好了。
大脑中负责人类特有行为的部分被称为大脑皮层,即位于成年人脑表面的褶皱。这些褶皱(也就是脑沟)由折叠形成,增加了皮层的表面积。毫无疑问,大脑皮层是胎儿大脑较晚发育的部分之一,也是人类最后进化出来的部分。
我们生来就有各种可能会用到的神经元,之后不再形成新神经元。然而,现有的神经元会长出新的树突,从而形成新的突触。上面左图是艺术家描绘的3个月大的婴儿前额叶树突的生长情况,右图为2岁儿童前额叶树突的生长情况。
5~6个月时,胎儿的脑干足以支持宫外呼吸。但即使到了这一阶段,大脑皮层的功能还不完善,仍然缺乏成年人脑的褶皱脑沟。
脑沟的出现分为三个阶段。所有人都有的一级脑沟大约在20周时能清晰地显示出来。相比之下,第三阶段(即三级脑沟)的发展因人而异,一直到婴儿出生后一年才能发育完全。人们对二级脑沟的了解较少,尽管这方面的研究不断增加。婴儿在出生后的一年中,大脑重量几乎会增加到之前的两倍。
为什么成年人思考得比婴儿快?成年人脑中有更多突触经过修剪,因此他们的神经回路比婴儿的更加精简。还有一个更为简单的解释,你可以将神经元想象成很多导线,轴突是其中一根导线,在婴儿体内这根导线的导电性不佳。而成年人的轴突被一种脂肪物质(髓鞘)覆盖,使之与其他神经元隔绝开来,这就像塑料外壳对电线起到了绝缘的作用。
髓鞘化始于妊娠期第5个月的脊髓神经纤维,止于9个月临产时的脑部。
——丽丝 · 艾略特博士
髓鞘的发展过程被称作髓鞘化(myelination),是大脑发育较缓慢的过程之一。妊娠期第5个月时,髓鞘化从脊髓开始,但直到第7个月以后,大脑才开始出现髓鞘化,一直持续到出生。髓鞘化贯穿整个婴儿期,作用十分关键,大脑中与认知功能相关的部位在形成髓鞘之前,都无法形成某些完整的认知功能。认知功能是由大脑皮层驱动的所有行为,属于高级处理,如记忆、语言或推理。
学习语言需要实践。但这种实践始于何时呢?1986年,北卡罗来纳大学(University of North Carolina)的安东尼·德卡斯帕(Anthony DeCasper)和梅拉妮·J.斯彭斯(Melanie J.Spence)进行了一项著名研究,研究结果表明,婴儿从出生前就开始学习语言。在他们的研究中,一些母亲为胎儿反复大声朗读苏斯博士(Dr.Seuss)写的故事《戴帽子的猫》(The Cat in the Hat),而另一些母亲也朗读同样的故事,但改了几个关键名词,故事就变成了《大雾中的狗》(The Dog in the Fog)。
在新生儿出生后的第1周,研究人员给他们橡胶奶嘴,这种奶嘴与记录吮吸速度的仪器相连。当婴儿听到他们曾在子宫里听过的故事时,吮吸速度会加快。当听到原版故事而不是改编故事时,婴儿的反应更为明显。令人惊讶的是,与听到父母或其他熟悉的声音朗读改编故事相比,婴儿听到陌生声音朗读原版故事时的反应更明显。
这项惊人的研究表明,胎儿已经在关注语言,学习构成语言的声音的特征,但这对我们了解婴儿的大脑有什么启示呢?宠物一生都能听到语言,但它们永远学不会说话,也只能理解最简单的那几个单词。人类大脑有学习语言的设定。在子宫内的前6个月,颞平面(大脑中与语言产生和理解相关的区域)在左脑发育得比右脑更好,因为大多数人的语言功能区位于左脑。对早产儿的研究表明,到6个月末,胎儿左半脑就会形成专门的语言区:右耳听词更清楚,这意味着信息传送到了左半脑(大脑将身体一侧接收到的信息传递给另一侧的大脑)。
还有两个因素表明,婴儿在出生前大脑就开始学习语言的各个方面。其一,成年人只能注意到熟悉的语言中的音素(语言里语音的最小单位)。然而,胎儿和新生儿甚至能察觉出不熟悉的语言中的音素,这使得他们能够专注学习更复杂的语言规则。研究表明,当新生儿察觉到新音素时,吮吸橡胶奶嘴的速度会加快,这表明他们认出了这些音素是新的。其二,有证据显示,到第5个月末,胎儿能识别发音相似的音素间的差别,这表明大脑在形成过程中就具备了这种能力。