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神经科学∣成人大脑还具有可塑性吗?

 代彬中医养生 2019-08-19

长久以来所达成的共识是,与年幼的孩子不同,人们一旦成人,大脑便不再会产生新的细胞。过去的科学家们也认可该说法:成人大脑的连接方式是不会发生改变的。虽然令人沮丧,但这似乎已成定论。

现代神经科学之父、诺贝尔医学奖获得者Cajal 就曾写道:「某种意义上,成年人的中枢神经通路是固定了的,不再发展,一成不变。所有的细胞都会衰亡,不会再生。如有可能,要靠未来的科学来改变这一情况。」

换句话说,Cajal认为成人的大脑已经定型,只会逐步失去神经元,而不可能再生新的神经元。

但是近年来,越来越多的研究发现,大脑的可塑性(Brain Plasticity)或许可以贯穿人的一生。

其中最具开创性的研究,来自美国神经学家Merzenich所做的一系列动物实验。

在一项实验中,Merzenich及其同事在成年猴子大脑皮层的某一区域(该区域主要负责猴子右手感觉信号的传递)植入了一块电极,随后依次敲击猴子右手的各个部位。每次只要敲猴子的大拇指指尖,植入的电极就会产生电信号。通过这种方式,研究人员明确了该位置的大脑皮层神经元与猴子大拇指指尖的感觉接收有关。

之后,研究人员又在刚刚插入电极的邻近位置植入一块电极,再依次敲击猴子的手,看看这个地方又对应哪个部位。这样重复了上千次,最后研究人员绘制出了一幅猴子的脑谱图。该脑谱图将猴子大脑皮层某个地方的神经元对应手上某个部位的感觉信号一一标记了出来。

根据此脑普图,Merzenich等人又进行了一项后续实验。

研究人员在猴子的手上割开一个口子,用以切断猴子手部的感觉神经,他们想看看这个时候再敲击其右手的不同部位,猴子会做出什么反应。结果让人大吃一惊:猴子手上的神经像藤蔓一样杂乱无章地长了出来,大脑的对应区域也出现了混乱。触摸猴子的小拇指关节,大脑却告诉其被摸的是大拇指指尖。

之前一一对应的脑谱图全乱了。

但是更神奇的是,几个月以后,还是这只猴子,之前出现的所有混乱又都消失了。猴子的大脑皮层与其手部感觉信息重新对应起来,但这并不是由于被切断的神经重新连了起来,而是猴子大脑的神经网络又“绘制”出了一幅新的地图,新的神经路径经过不断调整,重新回到了正确的轨道上。

这个实验结束后的30多年里,研究人员又在很多猴子身上做了大量的重复实验,所有实验结果都表明,成年灵长类动物的大脑都具有高度的可塑性

我们当然不可能在人类身上做同样的实验,但是研究人员通过利用大脑扫描技术,间接证明了成年人大脑的可塑性。

1995年,神经心理学家Thomas Elbert对弦乐演奏家们的研究显示,大脑图谱中代表演奏所用左手的每根手指的那些部分,要比常人的发达(也比右手对应的部分更发达)。这表明,弦乐演奏家们的大脑在经过无数个小时的练习后已经重新组织了内部的网络。

2000年,伦敦大学学院神经学系的Maguire进行了一项针对伦敦出租车司大脑的功能磁共振(fMRI)研究。Maguire发现,出租车司机大脑中负责位置空间记忆的海马体的体积与驾龄成正比,即出租车司机驾龄越长,海马体的体积越大。通过在伦敦弯曲复杂的街道穿行,老司机的大脑发生了结构上的变化。

2010年,Maguire的另一项研究对出租车司机和巴士司机的海马体进行了比较。大脑扫描图发现,比起巴士司机,出租车司机大脑中的海马区包含更多灰质,这可能是因为出租车司机对迷宫般的伦敦道路有着更强的空间认知。

越来越多神经科学领域的证据都表明,大脑可塑性不止发生于童年期,大脑的可塑性可以贯穿人的一生

临床心理学家和认知神经科学家Ian Robertson说,「我们所做的事情、所有行为、思想以及情绪,都可能在生理上给我们的大脑带来基于化学成分或者功能上的改变。」「神经(大脑)可塑性是人类行为本质特征的一个常数。」

那么,究竟什么是大脑可塑性,或者神经可塑性呢?

从Ian Robertson的描述可以看出,神经可塑性可以是一种大脑结构上的变化,比如,神经元出现、死亡,又或者突触连接产生、加强、削弱等等;也可以是大脑功能性的重组。伦敦大学认知脑神经科学副主任Sarah-Jayne Blakemore说,「总而言之,这是大脑对周围环境变化的适应力。

大脑是人类最重要的器官,也是最复杂的器官。大脑可塑性理论的出现,为改变大脑、塑造大脑提供了新的方向:学习和经验可以改变大脑的结构和工作方式

References:

  1.  Elbert, T., Pantev, C., Wienbruch, C., Rockstroh, B., & Taub, E. (1995). Increased cortical representation of the fingers of the left hand in string players. Science, 270(5234), 305-307.

  2.  Maguire, E. A. , Gadian, D. G. , Johnsrude, I. S. , Good, C. D. , Ashburner, J. , & Frackowiak, R. S. J., et al. (2000). Navigation-related structural change in the hippocampi of taxi drivers. Proceedings of the National Academy of Sciences, 97(8), 4398-4403. 

  3. Maguire, E. A., Woollett, K., & Spiers, H. J. (2010). London taxi drivers and bus drivers: a structural mri and neuropsychological analysis. Hippocampus, 16(12), 1091-1101.

  4. Merzenich, M.M., et al. (1984). Somatosensory cortical map changes following digit amputation in adult monkeys. Journal of Comparative Neurology, 224(4), 591-605.

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