大脑的发育与可塑性

你有过买家具需要自己组装的经历吗？看着那句令人头疼的“需要组装”，有时候只需要装几个零件，但有时候却面临着厚厚一叠令人费解的说明书。人类神经系统的组装过程更加复杂，而且它的组装说明书完全不同于我们熟悉的家具说明书。大脑的组装指令并不是“把这个零件放在这里，把那个零件放在那里”，而是“把这些轴突放在这里，把那些树突放在那里，然后等着看会发生什么。保留那些运作良好的连接，丢弃其他的连接。继续建立新的连接，只保留成功的那些”。 大脑的结构具有惊人的可塑性，它在早期发育时变化迅速，并在整个生命过程中持续变化。

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大脑的成熟历程

当一个婴儿呱呱坠地时，他的大脑已经完成了惊人的发育工作。到一岁时，一个人已经完成了大脑发育的大部分工作，这就好比一座摩天大楼在短短一年内完成了主体结构的建设。

从神经管到大脑的神奇变化

人类中枢神经系统的形成始于胚胎发育的第二周。在这个阶段，胚胎背部的表面开始增厚，然后长出薄薄的边缘，这些边缘卷曲并融合，形成一个包围着充满液体腔室的神经管。就像制作春卷一样，这个神经管逐渐沉入皮肤表面之下。

新生儿的大脑平均重量约为350克，到第一年结束时就达到了1000克，接近成年人1200到1400克的重量。这种增长速度堪比火箭般的飞跃。

神经元的生长与发育奥秘

神经科学家将神经元发育过程分为五个关键阶段：增殖、迁移、分化、髓鞘化和突触形成。

增殖阶段就像是细胞工厂的生产线。在发育早期，大脑脑室周围的细胞开始分裂。有些细胞留在原地继续作为干细胞分裂，而其他的则成为原始的神经元和胶质细胞，开始向其他位置迁移。

人类大脑与黑猩猩大脑的主要差异在于人类神经元的增殖时间更长。这就解释了为什么人类能够进行统计分析、学习外语、写出精彩的文学作品——这些都是我们在成长过程中逐步掌握的高级技能。

成年人获得这些新技能是否因为大脑的增长呢？事实上，成年人的许多树突确实长出了新的分支，但大脑的整体大小保持不变。

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神经元的迁移与分化

细胞分化为神经元或胶质细胞后，它们就开始了一场惊人的旅程——迁移。有些神经元移动得非常快，而有些最慢的直到成年才到达最终目的地。这就像是一场超级马拉松，有些选手冲刺，有些选手慢慢走，但都朝着自己的终点前进。

起初，原始神经元看起来就像任何其他细胞一样平凡无奇。但逐渐地，神经元开始分化，形成轴突和树突。轴突首先生长，在许多情况下，迁移中的神经元会拖着正在生长的轴突，就像拖着一条尾巴，这使其尖端能够保持在目标处或附近。

髓鞘化与神经系统高速公路

神经元发育的一个较晚且较慢的阶段是髓鞘化，这是胶质细胞产生绝缘脂肪鞘的过程，可以加速许多脊椎动物轴突中的传导。这个过程就像给电线包上绝缘层，让信号传递更快更准确。

髓鞘首先在脊髓中形成，然后是后脑、中脑和前脑。与神经元的快速增殖和迁移不同，髓鞘化缓慢持续数十年——这就像城市基础设施建设，需要持续不断地完善。

古人云：“十年树木，百年树人。”大脑的发育也是如此，需要漫长的时间来精雕细琢。

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成年后的新神经元

传统观念认为，脊椎动物的大脑在胚胎发育或婴儿期早期就形成了所有神经元，之后就不再产生新的神经元。就像一座完工的建筑，结构已经固定。但研究发现，这个观念并不完全正确。

嗅觉系统的“永动机”

第一个例外是嗅觉感受器。由于它们暴露在外界有毒化学物质中，这些细胞的寿命只有90天。鼻子里的干细胞终生保持未成熟状态，定期分裂，其中一个细胞保持未成熟，另一个分化并取代死亡的嗅觉感受器。这就像是一个自动更新的保安队伍，老的保安退休了，新的保安立刻顶上。

海马体中的记忆新生力量

更令人惊讶的是，成年哺乳动物的海马体也会形成新的神经元。海马体是记忆形成的重要区域，如果阻止新神经元的形成（比如用X射线照射海马体），就会损害新记忆的形成。

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轴突的寻路之旅

从北京拉一根电缆到上海某个具体办公桌，需要给出详细的路线指示。发育中的神经系统面临着类似的挑战，因为它需要将轴突送到很远的距离。那么，轴突是如何找到路的呢？

化学路标的指引

早期的神经生物学研究中有一个著名实验：科学家给蝾螈移植了一条额外的腿，然后等待轴突长入其中。当轴突到达肌肉后，这条额外的腿与旁边的正常腿同步运动。

起初，研究者认为这是因为神经随机附着到肌肉上，然后发送各种调谐到不同肌肉的信号。肌肉就像调谐到不同电台的收音机：每块肌肉接收许多信号，但只对一个有反应。但后来的证据表明：蝾螈的额外腿与邻居腿同步运动，是因为每个轴突都精确地找到了正确的肌肉。

视神经再生的精确性

一个经典的神经再生实验展示了感觉轴突如何找到正确目标。科学家切断了蝾螈的视神经，然后将眼睛旋转180度。当轴突重新长回到视觉中枢（顶盖）时，会连接到哪个区域呢？

结果发现，来自原本是眼睛背侧部分（现在是腹侧）的轴突重新长回到负责背侧视网膜视觉的区域。来自视网膜其他部分的轴突也长回到它们原来的目标。现在蝾螈看世界是颠倒和左右相反的，对天空中的刺激反应就像它们在地面上，对左边的刺激反应就像它们在右边。这个实验证明，每个轴突都是按照化学踪迹重新生长到原来所在的地方。

化学梯度的精密导航

接下来的问题是：轴突的瞄准有多精确？目前的估计是，人类总共只有约30000个基因——远远不足以为大脑数十亿个神经元中的每一个提供特定的目标。那么轴突如何以如此惊人的精度找到正确的目标呢？

生长中的轴突沿着细胞表面分子的路径前进，被一些化学物质吸引，被另一些排斥，这个过程将轴突引导到正确的方向。最终，轴突通过跟随化学物质的梯度在目标区域表面进行自我排序。

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神经元的生存竞争

获得神经系统每个区域恰当数量的神经元比我们想的更复杂。交感神经系统需要将轴突发送到肌肉和腺体，每个神经节都有足够的轴突供应其区域的肌肉和腺体，没有多余的轴突。这种精确匹配是如何实现的？

神经生长因子的关键发现

科学家们经过艰苦研究，最终发现了一个重要事实：肌肉不是决定轴突形成数量的因素，而是决定轴突存活数量的因素。这项发现对理解大脑发育具有划时代的意义。

这就像每个神经元一开始都背着“自杀程序”：如果它的轴突在特定年龄之前没有与合适的突触后细胞建立联系，神经元就会通过一种叫做凋亡的程序化细胞死亡机制自我毁灭。神经生长因子取消这个自杀程序，这是突触后细胞向传入轴突说“我愿意成为你的伙伴，不要自杀”的方式。

大脑建设与精细调节

大脑过度生产神经元然后应用凋亡的系统，使中枢神经系统能够将传入轴突的数量与接收细胞的数量相匹配。当交感神经系统开始向肌肉和腺体发送轴突时，它并不知道肌肉或腺体的确切大小。它产生比必要更多的神经元，然后丢弃多余的。

实际上，发育中的神经系统的所有区域产生的神经元数量都远超过成年后的存活数量。每个大脑区域都有一个大规模细胞死亡期，到处是死亡和垂死的细胞。这种细胞丢失是发育的自然组成部分。

脆弱的发育大脑

有研究者指出：“真正决定性的时刻不是出生、结婚或死亡，而是胚胎发育早期的原肠胚形成。”这个观点揭示了一个重要事实：如果在早期发育中出现问题，后果将影响终生。实际上，如果在原肠胚形成期间出现严重问题，胚胎将无法存活。

大脑发育的早期阶段至关重要。发育中的大脑对营养不良、有毒化学物质和感染高度敏感，这些因素在成年后只会产生轻微问题。

发育中的大脑对各种因素极其敏感：甲状腺功能受损在成年人中只会产生嗜睡，但在婴儿中会导致智力发育迟滞；发烧对成年人来说只是小麻烦，但会损害胎儿的神经元增殖；低血糖会降低成年人的精力，但在出生前会损害大脑发育。

胎儿酒精综合征是一个典型例子。孕期大量饮酒的母亲所生的孩子会出现胎儿酒精综合征，其特征是多动、冲动、难以保持注意力、不同程度的智力发育迟滞、运动问题、心脏缺陷和面部异常。

酒精抑制谷氨酸（大脑主要兴奋性神经递质）的释放，增强伽马氨基丁酸（主要抑制性神经递质）的活性。因此，许多神经元接收到的兴奋和神经营养因子比正常情况少，它们就会凋亡。

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大脑皮层的分化奇迹

不同大脑区域的神经元在形状和化学成分上各不相同。神经元何时以及如何“决定”要成为什么样的神经元？这不是一个突然的决定，而是一个渐进的过程。

从发育中皮层的一个部分实验性移植到另一个部分的未成熟神经元，会发展出新位置特有的性质。然而，在稍晚阶段移植的神经元在获得一些新性质的同时保留了一些旧性质。这就像移民儿童的语音：很年轻就进入一个国家的人掌握了正确的发音，而年龄较大的孩子保留了口音。

视觉输入重塑听觉皮层

在一个令人惊叹的实验中，研究人员探索了如果大脑的未成熟听觉部分接收来自眼睛而不是耳朵的输入会发生什么。研究人员选择了雪貂——鼬鼠科的哺乳动物，因为它们出生时非常不成熟，视神经还没有到达丘脑。

实验过程是这样的：在大脑一侧，研究人员损坏了上丘和枕叶皮层（视神经的两个主要目标），同时损坏该侧的听觉输入。结果，视神经无法附着到通常的目标，听觉丘脑区域失去了通常的输入，视神经就附着到了通常属于丘脑听觉区域的地方。

结果令许多人惊讶：本来应该是听觉的丘脑和皮层重新组织，发展出视觉区域的一些（但不是全部）特征外观。更重要的是，当重新连接的一侧看到光线时，雪貂转向它们在正常一侧学会在看到光线时转向的方向。简而言之，重新连接的颞叶皮层接收来自视神经的输入，产生了视觉反应。

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经验塑造大脑

房屋的蓝图决定了它的整体规划，但由于建筑师无法预测每个细节，建筑工人经常需要即兴发挥。我们的神经系统也是如此。由于生活的不可预测性，我们的大脑进化出了在一定限度内根据经验重新塑造自己的能力。

丰富环境的神奇力量

几十年前，研究人员怀疑成年神经元会大幅改变其形状。现在我们知道轴突和树突在整个生命过程中持续修改其结构。研究人员开发了一种注射染料的方法，能够在不同时间观察活体神经元的结构变化。他们发现，一些树突分支会延长，另一些则收缩或消失。约6%的树突棘在一个月内出现或消失，这种突触更替与学习过程密切相关。

早期，实验室大鼠通常单独生活在小灰笼中。相比之下，研究人员在较大的笼子里养了一群大鼠，里面有几个物体可供探索。这被称为丰富环境，但它只是相对于典型大鼠笼子的贫乏经验而言的丰富。

处于更刺激环境中的大鼠表现出显著的大脑变化：发育出更厚的皮层、更多的树突分支，以及改善的学习能力。

丰富环境可以增强许多其他物种的轴突和树突萌发。我们可能认为丰富环境中神经元变化的原因是新奇有趣的经历，其中许多确实如此。但是，丰富环境产生的大部分增强是由于体力活动。

盲人的超凡能力

人们经常说盲人在触觉和听觉方面变得比常人更好，或者聋人发展出更敏锐的触觉和视觉感觉。这些说法在某种程度上是正确的，但我们需要更具体。失明不会改变手指中的触觉感受器或耳朵中的感受器，但它会增加对触觉和声音的注意力，大脑也会适应这种注意力。

在几项研究中，研究人员要求有视力的人和自幼失明的人感觉盲文字母或其他物体，并说出两个物体是否相同。平均而言，盲人比有视力的人表现得更准确。更令人惊讶的是，正电子发射断层扫描和功能性磁共振成像扫描显示，盲人在执行这些任务时，枕叶皮质出现大量活动——这个区域通常专门用于视觉。

为了再次确认这个结论，研究人员要求盲人和有视力的人在暂时使枕叶皮质失活期间执行同样的任务。将强烈的磁刺激应用于枕叶皮质会暂时使磁铁下方的神经元失活。将此程序应用于盲人的枕叶皮质会干扰他们识别盲文符号的能力，而不会损害有视力的人的触觉感知。简而言之，盲人与有视力的人不同，他们使用枕叶皮质来帮助识别他们所感觉到的东西。

音乐训练的大脑重塑

在各种专业技能中，研究人员最喜欢研究的是音乐家，原因有两个。

1. 我们很清楚在大脑中寻找变化的地方——负责听觉和手指控制的大脑区域。

2. 严肃的音乐家很多且容易找到。几乎每个大城市都有管弦乐团，大多数大学也有。大多数管弦乐团成员每天练习数小时，持续多年。

一项使用脑磁图记录纯音对听觉皮层反应的研究发现，职业音乐家的反应大约是非音乐家的两倍。对他们大脑的磁共振成像检查发现，职业音乐家右半球颞叶皮质的一个区域比非音乐家大约30%。

对弦乐器演奏者的一项相关研究发现，右半球中央后回的一个比正常大的区域专门用于表示左手的手指，他们用左手控制琴弦。专门用于左手手指的区域在早期开始音乐练习并因此持续更多年的人中最大。

但是，还有一个问题：这些结果表明，练习技能会重新组织大脑以最大化该技能的表现。然而，另一种假设是，人们天生的大脑特征吸引他们从事某个职业或另一个职业。

为了解决这个问题，研究人员进行了纵向研究。他们检查了15名开始学习钢琴的6岁儿童和16名未学音乐课程的其他儿童。在训练开始时，大脑扫描或认知测试均未显示两组之间有任何显著差异。15个月后，训练组在节奏和旋律辨别测量上表现更好，并且显示了负责听觉和手部运动的大脑区域的扩大，类似于成年音乐家所见的。

这些结果表明，大脑差异是音乐训练的结果，而不是原因。

过度训练的不良后果

如果演奏音乐——或者练习其他任何东西——扩大了相关的大脑区域，这种变化是好事，对吧？通常是的，但并不总是如此。正如前面提到的，当人们每天多小时演奏钢琴或弦乐器多年时，手部在体感皮层中的表示增加。

在某些情况下，手指表示的扩展会重叠，使得刺激一个手指主要激发与另一个手指相同的皮层区域。如果你不能清楚地感觉到一个手指与另一个手指的差别，就很难独立移动它们。此外，运动皮层也发生变化。中指的表示扩展，重叠并取代食指和小指的表示。

以前，医生认为音乐家抽筋或作家抽筋在手部本身，在这种情况下，治疗方法是手部手术或向手部注射某种药物。现在我们已经确定了大脑重组是问题所在，方法是找到合适的再训练类型。

一个有希望的可能性是：研究人员对各种手部肌肉给予周期性的振动刺激，以随机顺序，指示患有音乐家抽筋的人仔细关注刺激和振动频率的任何变化。仅仅15分钟的治疗就产生了手指感觉和使用的改善，持续长达24小时。

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大脑损伤后的重生之路

几乎所有脑损伤的幸存者都会在某种程度上表现出行为恢复。有些机制依赖于轴突和树突新分支的生长，类似于前面讨论的大脑发育机制。理解这个过程有助于为脑损伤患者提供更好的治疗，并有助于我们理解大脑功能。

中风对大脑的危害

脑损伤的常见原因，特别是在老年人中，是中风期间正常血流对脑区域的暂时中断，也称为脑血管意外。更常见的中风类型是缺血，这是血栓或动脉中其他阻塞的结果。较不常见的类型是出血，这是动脉破裂的结果。

中风分为两种主要类型：缺血性中风（血管堵塞，大脑缺血缺氧）和出血性中风（血管破裂，血液涌入大脑组织）。无论哪种类型，最终都会导致神经元死亡和功能障碍。

在缺血中，被剥夺血液的神经元失去大部分氧气和葡萄糖供应。在出血中，它们被血液和过量的氧气、钙和其他化学物质淹没。缺血和出血都导致许多相同的问题，包括水肿（液体的积聚），这增加了对大脑的压力和额外中风的可能性。

紧急治疗的重要性

最近，医院对中风患者有了更好的治疗选择。对于缺血性中风，如果医生行动迅速，前景很好。一种叫做组织纤维蛋白溶酶激活剂的药物可以分解血栓。为了获得显著效果，患者应该在中风后3小时内接受这种药物，尽管在接下来的几个小时内仍有轻微的效果可能。

但是确定某人是否患有缺血性或出血性中风是困难的。考虑到这种药物对缺血有用，但可能使出血情况更糟，医生该怎么办？磁共振成像扫描可以区分两种中风，但磁共振需要时间，而时间有限。通常的决定是给药。出血不太常见，通常无论如何都是致命的，所以使出血恶化的风险与缓解缺血的希望相比很小。

大脑的自我修复机制

在脑损伤后的最初几天后，许多幸存的脑区域增加或重新组织其活动。在某些情况下，一个区域或多或少地接管另一个受损区域的功能。例如，从一个脑半球到身体对侧腿部的连接受损后，同侧半球增加了与该腿的连接。

侧支萌发是一个重要的恢复机制。通常，树突和细胞体的表面被突触覆盖，空位不会长时间空着。细胞失去轴突的输入后，它分泌神经营养因子，诱导其他轴突形成新的分支或侧支萌发，接管空的突触。

幻肢现象的神经机制

多年来，医生注意到许多截肢者经历幻肢，这是对被截肢身体部位的持续感觉。这种体验可以从偶尔的刺痛到剧烈的疼痛。直到1990年代，没有人知道幻痛的原因，大多数人认为感觉来自截肢肢体的残端。

现代方法表明，只有在体感皮层的相关部分重新组织并对替代输入产生反应时，幻肢才会发展。例如，假设代表面部的轴突来激活先前专门用于截肢手的皮层区域。现在触摸面部会产生面部感觉，但它也会在幻手中产生感觉。

幻肢现象的形成机制可以这样理解：当手部区域失去正常输入后，面部区域的轴突重新连接到手部皮层区域。这样，触摸面部时会同时产生面部和幻手感觉，大脑将这种感觉解释为来自原来的手部位置。

有趣的是，学会使用人工手臂的截肢者报告他们的幻觉逐渐消失。他们开始将感觉归因于人工手臂，这样做，他们取代了来自面部的异常连接。

青春期大脑的特殊之处

青少年被广泛认为是冲动的，容易寻求即时快乐。这些特征都不是青少年独有的，因为儿童甚至更加冲动，更渴望即时快乐。尽管如此，平均而言，青少年在这些方面与成年人不同。

执行抗跳视任务的能力在7到11岁之间急剧改善，然后在青少年时期逐渐改善，这取决于缓慢成熟的前额皮层区域。不出所料，患有注意力缺陷多动障碍的儿童，他们在其他方面往往也很冲动，在抗跳视任务上同样有困难。

许多研究发现，青少年的大脑在预期奖励时表现出比老年人更强的反应，而在负责抑制行为的前额皮层区域反应较弱。但我们应该得出青少年因为前额皮层不太活跃而冲动的结论吗？也许，但不一定。

老年大脑的变化与适应

许多研究证实，平均而言，人们的记忆和推理能力在60岁以后开始衰退。在老年时，神经元改变突触的速度更慢。颞叶皮层的厚度平均每年收缩大约0.5%。海马体的体积也逐渐下降，记忆的某些方面按照海马体丢失的比例下降。

尽管如此，大多数大公司的首席执行官、世界政治领导人、大学校长等都超过60岁。这是问题吗？我们应该解雇他们并用25岁的人替换他们吗？

在一项研究中，某项记忆任务在年轻成年人和在任务上表现不佳的老年成年人中激活了右前额皮层。对于表现良好的老年人，该任务激活了两个半球的前额皮层。也就是说，高表现的老年成年人激活更多的大脑区域来弥补效率较低的活动。

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大脑发育的奇迹与希望

考虑到异常基因和化学物质可以破坏大脑发育的多种方式，再加上异常经验的可能影响，我们每个人能正常发育都是一个奇迹。这个系统有足够的误差容限，即使我们的连接不完美，依然能正常运作。发育过程可能出现各种问题，但神经系统通常能找到解决方案。

从大脑发育到损伤恢复，从经验塑造到年龄变化，我们见证了大脑惊人的适应能力和可塑性。这给了我们希望：无论面对发育障碍、脑损伤还是衰老挑战，大脑总是在努力寻找新的道路和可能性。

正如庄子所言：“物无非彼，物无非是。”大脑的可塑性提醒我们，没有什么是绝对固定不变的，总有新的可能性等待我们去发现和开发。