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人的腦只有三磅重,但是它卻是我們靈魂與意志的主宰,對於腦的功能以前是莫測高深、無人知曉,因為沒有好的儀器可以來即時(on-line)的探測它內在工作的情形。雖然死後的解剖可以帶給我們結構上的知識,它卻不能帶給我們功能上的瞭解,我們只能從腦傷病人行為上的缺失去推測受損部位的功能,常有以管窺天,以釐測海的遺憾。現在因為科技的進步,實驗方法的精進,使我們對這個二十世紀最後一塊蠻荒之地(The last frontier)有非常不同的看法,大腦神秘的面紗正透過正子放射斷層掃瞄(Positron Emission Tomography, PET)以及功能性核磁共振(function Magnetic Resonance Imaging, fMRI)的造影技術,一層層的褪去。我們對大腦的形成以及神經的發展,知道的越來越多,也累積越來越多的知識。現在就對目前可搜集到的文獻,腦神經發展與嬰幼兒語言發展作一番介紹。因為本次研討會的主題是在○到三歲,因此,本文的探討也限於三歲之前的神經與語言發展。
人的腦是由一萬億(100 billion, 1012)個神經細胞所組成的,神經細胞又叫神經元,它可分成三個部分:樹狀突,細胞體及軸突(圖一),軸突是傳出單位,它將神經衝動傳到另外一個神經細胞或肌肉、器官去,它也可以延伸的很長,甚至可以跨越腦半球與另一邊的神經細胞相聯結。樹狀突是接收單位,專門接收別的神經元傳來的訊息,軸突的末端跟另一個細胞的樹狀突相連接之間有個很小的空隙叫作突觸,一個刺激必須要通過這個空隙才能到達另一個細胞(電傳導在此要先轉換成化學傳導,訊息才可以繼續往前送)。通常一個神經細胞可以接受及傳達一千個到一萬個其他神經細胞所傳送來的訊息,也就是說一個神經細胞可以有一萬個樹狀突。不同的神經細胞掌管不同的訊息,有的跟特殊的感受體細胞(receptor cells)連在一起,專管外界的刺激,如聲、光、壓力的變化。這些感受體會把外界的物理能量轉換成電的刺激,從而觸發神經元的神經衝動,把訊息傳送出去。感受體就好像機場換錢的地方,不管是那一個國家來的人,進入本國就必須兌換本國的錢幣才可以使用,所以電衝動是神經的語言,是它們之間彼此溝通交流的工具,不管是那一種神經元都必須用它們共同的語言,才能達到溝通的目的。不過因為在突觸的地方有一個小空隙,電流無法直接跳過,必須要靠化學物質來傳導,所以神經傳導物質也是大腦溝通的工具,對大腦的功能也有很大的影響,但是因為篇幅有限,此處只談大腦神經的發展,不談神經傳導物質對大腦的影響。
其實,人在出生時就已經有所有的神經細胞,但是初生嬰兒的腦又只有成人的四分之一大,那麼,這四分之三增加的究竟是什麼?這的確是一個好問題,因為它讓我們看到影響神經發展的後天因素可以在那個層面作用。
一、神經細胞的再生
人腦的這一萬億個細胞其實在懷孕七個月時就都存在(Rakic, 1995)。出生以後長的主要是突觸,樹狀突和神經維束。剛出生時嬰兒的神經維外面是沒有包著髓鞘的,隨著嬰兒的成長它逐漸完成絕緣的工作。在大腦的成長中,長的最多的是樹狀突,樹狀突不但變得茂密濃厚,還變得更特定,甚至可以說更專業化,在電子顯微鏡下可以看到突觸的密度大量增加。圖二是人類視覺皮質從出生到六個月大時細胞生長的情形,人類的視覺皮質可分成六層,其中第四層是接受視丘投射來的視覺刺激,所以第四層又細分為a,b,c。從圖中可以清楚看到樹狀突的縱橫交錯。接受外界刺激的越多,神經間的聯結越密集,訊息也傳達的越快。以前認為神經細胞一旦死去便不會再生,不過最近的一個研究顯示海馬迴的幹細胞有增新細胞的能力,有一種藥物bromodeoxyuridine是追蹤舌癌或喉癌腫瘤的藥物但是它同時是一個標記物(marker),如果大腦中有可以分裂增殖的幹細胞的話,那麼在注入標記物一段時間之後,我們應該可以在腦部的組織切片中找到具有標記物的神經元或神經膠,因為在注入標記物前就已經存在的神經元無法與標記物結合,所以有標記物的神經元一定是在注入標記物之後產生的。結果在五位因舌癌或喉癌死亡病人的大腦海馬迴切片上都看到有標記的細胞,證明大腦有新生細胞的能力。(Kempermann & Gage, 1999)。
事實上,早在1987年,Nottebohm就發現鳴禽(如白冠麻雀White-Crown sparrow)在春天交配季節到臨時,左腦會增大使它能唱歌,冬天不唱歌時左腦會萎縮。(鳥類是惟一和人類一樣有腦部側化作用(lateralization)的動物,它的左腦是負責學習唱歌的區域)。另外,耶魯大學的Ratic在恆河猴身上也看到同樣神經再生的現象。因此,目前最新的看法是認為神經元是有再生的能力,這對阿滋海默症(Alzheimer Disease, AD)的患者或是巴金森病的患者是一個福音,對任何因神經萎縮(neural atrophy)而生病的人都是一個希望。
大腦各區域的成長速度
大腦各個區域生長的速度和到達高峰的時期各不相同,例如掌管視覺的枕葉(occipital lobe)在嬰兒三個月到四個月大時,到達高峰,在四到十二個月大之間,神經的密度到達成人的一倍半,聽覺皮質也是一樣(Huttenlocher, 1990,1994),但是額前葉(prefrontal)皮質神經的密度就增加的比較慢,一直要到一歲才達到高峰,在中央神經系統中感覺區的髓鞘比運動區的早完成,聯結區的最後完成,因為髓鞘的完成可以加速神經的傳導,所以嬰兒在感覺方面的能力是先於運動方面的表現,這個髓鞘一直到二十五歲左右才最後完成,這是為什麼美國曾經有醫學院的老教授反對把投票年齡降低,因為他覺得大腦還沒有長好的人怎麼有能力去管政治呢?
密西根州Wayne State University的Chugani是第一個用正子放射斷層掃瞄來研究嬰兒的人,他發現一歲以後嬰兒大腦對葡萄糖的攝取急速增加,(葡萄糖的攝取代表著新陳代謝的速度),一直增加到四、五歲時到達成人的一倍半,到九歲左右才降下來到成人的程度一樣,這個高峰跟前面所說神經細胞突觸(synaptic)的密度很相似,PET的造影顯示一歲嬰兒在休息靜止時整個活動的情形就已經跟成人的腦很相似(Chugani et al, 1987)。
在神經細胞快速成長到頂點後,有些突觸、樹狀突就開始消失。這個減少的速度也是每個區域不一樣,例如視覺皮質就在二歲到四歲之間降到跟成人的密度一樣。但是額前葉卻要等到十歲到二十歲之間才降到跟大人的密度一樣,為什麼要先長很多再來削減呢?從演化的觀點來看,這是非常不合理的,先長出來,再來丟棄,但是這個現象在嬰兒語音的辨認能力上也可看到,MIT的Pinker(Pinker, 1994)對這個現象有個有趣的解釋,在本文的第二部分會談到,現在先就Huttenlocher的說法來看。Huttenlocher認為這跟大腦的可塑性有關,可塑性是神經心理學最重要的一個議題,要談大腦的可塑性我們必須從大腦的發育開始談起。
三、大腦的可塑性
人自受精開始細胞就快速的分裂發展,一分鐘生長二十五個神經元,在一週之內,神經管(neural tube)便已形成,這個中空的神經管後來分化成中央神經系統,一端變成前腦和中腦,另一端變成脊椎,腦幹最先形成,這是我們生命的中樞,掌管我們心跳與呼吸,然後小腦開始出現,掌管我們的動作與運動,在受孕五週時,大腦皮質開始出現,皮質是思維和知覺運作的地方,神經細胞在neural tube中空的地方所形成,所謂的"分裂增殖區"(proliferative Zone),神經管中間的這個空洞以後就變成腦窒。這些細胞形成後需要遷移到它們特定的終點站去。遷移的方式有兩種,一種是被動的細胞替代,新生的細胞把舊的細胞逐漸擠出分裂增殖區,所以舊的細胞在外面,新生的細胞在裡面,視丘、海馬迴及腦幹很多地方都是用這種方式形成的。另外一種是比較主動的遷移方式,年輕的細胞越過老細胞的頭往上面爬,大腦皮質和一些層次分明的皮質下組織就是用這種方法形成的。這些神經細胞要走到它們的目的地後才長出軸突來,軸突是神經元聯絡的工具,這些軸突的聯絡網構成大腦神經的迴路(circuits)。我們的基因決定這些主要的神經高速公路(pathway)該怎麼走,該應該去和誰聯接,但是後天的環境刺激決定誰被留下誰被淘汰。軸突尖端有一個很特殊的生長錐細胞(growth cones)它會認識路,會跟隨著神經通道上的化學物質而達到他應該到的終點。目標細胞也會釋放出化學分子來路,假如用基因工程的方式把這些作為線索的分子(molecular cones)去除掉的話,軸突就會漫無目標的到處遊走,不知該去那裡。一般來說,懷孕五個月時,大部分的軸突都已到達它的終點,不過雖然到達終點,在各就各位時仍需一段摸索,這需要非常多的嘗試錯誤才能最後拍板定案,這就是可塑性,或是說後天環境最能著墨的地方。
那麼,這些神經細胞怎麼知道誰和誰是一起的呢?加州大學的柏克萊校區的Carla Shatz認為這些還在胎兒時期初生的神經元一開始是隨機發射,好像自動撥電話機。假如一些細胞一起發射,那麼這些細胞就一起作響,這時目標細胞就會釋放出一種化學物質叫作trophic factors來強化這群一起作響、一起發射神經元之間的聯接。一個活動的神經元對trophic factors的反應比一個不活動的神經元來的強,因此,當別的細胞很努力在與目標細胞作聯接時,一個安靜、不活動的神經元就會失去它「關愛的眼神」。沒有與目標細胞搭上線的話,後來的神經修剪就會把它修剪掉。因為我們出生時大腦的細胞遠比它實際需要的多,所以神經細胞的死亡並不會影響我們大腦的功能。有人估計大腦每天死亡5000個神經細胞,在這麼多的神經細胞中究竟誰應該被淘汰誰應該留下來呢?這是一個很有趣的問題。一般是認為一個活躍的神經會被留下來,而一個尸位素餐,從來沒有跟別人聯絡的神經細胞是會被淘汰掉的,好像公司中,一個下來不出聲,老板不知道他在做什麼的人,裁員時,第一個被裁的就是他,「用進退廢」在此非常的恰當。
在嬰兒出生以後神經元不再隨機發射,外界感官的刺激決定它的發射次數與途徑。從老鼠的實驗我們知道,一個有豐富環境刺激的老鼠他的突觸比環境貧乏沒有刺激的老鼠多百分之二十五,但是這個結果曾被誤用,許多商人成立各種嬰兒成長班或設計各種各樣彩色圖案的視覺刺激及各種聲音的錄音帶來賣給父母,宣稱這會幫助刺激嬰兒大腦的成長,其實這是完全不必要的。這個實驗的控制組是生長在完全沒有環境刺激,空無一物的實驗室中的老鼠,如果一個在正常環境長大的嬰兒,他的聽覺、視覺就已足夠,不需要再特別去加強,目前所看到的報告是孤兒院中長大的嬰兒,在機械式的餵奶、換尿片,幾乎沒有人類的接觸時才會產生發展遲緩的現象如成天躺在搖籃看天花板的嬰兒也有到21個月還不會坐或是到三歲還不會走的情形,不過這是極罕見的。雖然嬰兒需要各種鳥聲、光、肌膚的接觸刺激才會發展正常,但是一般家庭中的照顧就足以提供嬰兒正常發展的刺激。有關大腦皮質可塑性的證據,目前已累積很多,這裡就幾個最有名的實驗作一些介紹。
四、支持大腦可塑性的實驗
我們的左右眼視神經在視覺皮質第四層上各有各的領域,這第四層上的每一個神經都已經分工好,只負責一個眼睛,不管另一個眼睛,但是這情形在剛出生時,並非如此。那時第四層上的神經元對左、右眼的刺激是一視同仁,作同等的反應的。圖三為一隻剛出生的小貓的左右眼神經從側膝核(lateral geniculate nucleus)投射到視覺皮質第四層上的情形,可以看見兩者在空間上是重疊的,出生後的視覺經驗,視覺刺激會使這些軸突自行分化,形成各自的領域,假如注射一種藥物,河豚魚毒素(tetrodotoxin)使視網膜上的節細胞(ganglion cell)不能產生運動電位(action potential)時,視覺皮質第四層上就不會分化出像正常時那種左右眼神經的各自專門領域。
假如把小貓的一隻眼睛縫起來,使它不能接受外界的刺激,這時,睜開的那隻眼睛的神經細胞就會佔去大部分的皮質空間,侵佔另外一隻眼睛的地盤,如果眼睛縫的太久,即使拆去線,小貓也看不見,Hubel和Wiesel發現即使只縫住一星期,視覺皮質第四層的ocular dominance-collumn就已經改變,沒有刺激進來的神經,他的疆土就已經大大的縮小。這是為什麼一個天生就有白內障的孩子,如果拖到二歲以後才開刀的話,雖然取出白內障,這個孩子也看不見。例如把小貓的眼皮輪流縫起來,使大腦視覺皮質從來沒有同時接到兩個眼睛所傳送進來的訊息而產生雙眼像差的話,這隻小貓就不會有立體知覺(stereoscopic vision),因為大腦必須要同時接受到二個稍微不同的影像刺激的經驗才會形成立體知覺。
雖然神經元沒有運動電位就無法分化領域,但是只有運動電位也不足以使視覺皮質分化。神經元的發射就好像我們撥電話一樣其實都有一定的形態的,不是隨機的,它必須是在某些特殊突觸中的某些時間上和空間上一定形態的發射才行。有一個實驗用人工的方法同時去刺激視神經上所有的神經元,使它們同時發射,結果軸突從側膝核投射到視覺皮質第四層去時也不能分化成各自特定的領域Stryker & Strickland, 1996)。所以雖然有運動電位,但是大家都同時發射,沒有時間和空間上的不同時,視覺皮質也不能分化成專門特定的管轄區,因此神經發射的時間和形態就變得非常的重要,它決定那一些突觸之間的聯結被強化,那一些被削弱,強化的通路會被保留而減弱的迴路會被剔除。通常,神經元會與鄰近的細胞去作自我調適使不會一起發射,因為鄰近的細胞常是與它接受一樣的刺激,作一樣的工作,所以他們會自我調適,我們可以舉一個例子來說明這個情形:對成人來說,每一個肌肉維(muscle fiber)都有一個運動神經元在管,但是在一開始時,當一個運動神經元走到肌肉維,與它作第一次接觸之後,這個肌肉維會接受到許多其他運動神經元送來的指令,但是逐漸地其它的聯結會消失,最後只剩下一個神經元,而來自運動神經元的運動電位形態是這些剔除或聯結消失的主要原因,就好像一位及笄小姐可以有許多人追求,但是最後她只能從中挑一個人嫁,而她挑選的條件便是電位形態,所以自胚胎期開始,神經元本身的經驗能夠修改及精進我們的神經系統,增加我們的適應力。
這個現象在彌猴身上也可看到,假如把一隻剛出生的彌猴從視丘通往視覺皮質的通道剪斷一半,使視覺皮質區17號(在腦解部圖上(brodman)大腦的每一個地區都用數字標出來以利研究者溝通,如圖四)的地方接受的訊息只剩原來的一半時,17和18之間的邊界就改變,17變的比較小,18變大,不過皮質層的發展仍屬正常。因此,減少感官刺激的輸入並不會造成皮質結構上的改變(Rakic, 1988; O'Leary, 1989),但是分到18區去的原來17區的神經細胞卻變的跟18區一樣,它們輸出的特性也不一樣,例如17區原來沒有越過胼胝體投射到另一個腦半球去的,現在分過去的17也有,跟原來18的投射型態一模一樣。因此,外在的因素或後天的經驗是可以改變先天的結構的。
曾志朗
陽明大學校長
壹、前 言
人的腦只有三磅重,但是它卻是我們靈魂與意志的主宰,對於腦的功能以前是莫測高深、無人知曉,因為沒有好的儀器可以來即時(on-line)的探測它內在工作的情形。雖然死後的解剖可以帶給我們結構上的知識,它卻不能帶給我們功能上的瞭解,我們只能從腦傷病人行為上的缺失去推測受損部位的功能,常有以管窺天,以釐測海的遺憾。現在因為科技的進步,實驗方法的精進,使我們對這個二十世紀最後一塊蠻荒之地(The last frontier)有非常不同的看法,大腦神秘的面紗正透過正子放射斷層掃瞄(Positron Emission Tomography, PET)以及功能性核磁共振(function Magnetic Resonance Imaging, fMRI)的造影技術,一層層的褪去。我們對大腦的形成以及神經的發展,知道的越來越多,也累積越來越多的知識。現在就對目前可搜集到的文獻,腦神經發展與嬰幼兒語言發展作一番介紹。因為本次研討會的主題是在○到三歲,因此,本文的探討也限於三歲之前的神經與語言發展。
貳、大腦與神經的發展
人的腦是由一萬億(100 billion, 1012)個神經細胞所組成的,神經細胞又叫神經元,它可分成三個部分:樹狀突,細胞體及軸突(圖一),軸突是傳出單位,它將神經衝動傳到另外一個神經細胞或肌肉、器官去,它也可以延伸的很長,甚至可以跨越腦半球與另一邊的神經細胞相聯結。樹狀突是接收單位,專門接收別的神經元傳來的訊息,軸突的末端跟另一個細胞的樹狀突相連接之間有個很小的空隙叫作突觸,一個刺激必須要通過這個空隙才能到達另一個細胞(電傳導在此要先轉換成化學傳導,訊息才可以繼續往前送)。通常一個神經細胞可以接受及傳達一千個到一萬個其他神經細胞所傳送來的訊息,也就是說一個神經細胞可以有一萬個樹狀突。不同的神經細胞掌管不同的訊息,有的跟特殊的感受體細胞(receptor cells)連在一起,專管外界的刺激,如聲、光、壓力的變化。這些感受體會把外界的物理能量轉換成電的刺激,從而觸發神經元的神經衝動,把訊息傳送出去。感受體就好像機場換錢的地方,不管是那一個國家來的人,進入本國就必須兌換本國的錢幣才可以使用,所以電衝動是神經的語言,是它們之間彼此溝通交流的工具,不管是那一種神經元都必須用它們共同的語言,才能達到溝通的目的。不過因為在突觸的地方有一個小空隙,電流無法直接跳過,必須要靠化學物質來傳導,所以神經傳導物質也是大腦溝通的工具,對大腦的功能也有很大的影響,但是因為篇幅有限,此處只談大腦神經的發展,不談神經傳導物質對大腦的影響。
其實,人在出生時就已經有所有的神經細胞,但是初生嬰兒的腦又只有成人的四分之一大,那麼,這四分之三增加的究竟是什麼?這的確是一個好問題,因為它讓我們看到影響神經發展的後天因素可以在那個層面作用。
一、神經細胞的再生
人腦的這一萬億個細胞其實在懷孕七個月時就都存在(Rakic, 1995)。出生以後長的主要是突觸,樹狀突和神經維束。剛出生時嬰兒的神經維外面是沒有包著髓鞘的,隨著嬰兒的成長它逐漸完成絕緣的工作。在大腦的成長中,長的最多的是樹狀突,樹狀突不但變得茂密濃厚,還變得更特定,甚至可以說更專業化,在電子顯微鏡下可以看到突觸的密度大量增加。圖二是人類視覺皮質從出生到六個月大時細胞生長的情形,人類的視覺皮質可分成六層,其中第四層是接受視丘投射來的視覺刺激,所以第四層又細分為a,b,c。從圖中可以清楚看到樹狀突的縱橫交錯。接受外界刺激的越多,神經間的聯結越密集,訊息也傳達的越快。以前認為神經細胞一旦死去便不會再生,不過最近的一個研究顯示海馬迴的幹細胞有增新細胞的能力,有一種藥物bromodeoxyuridine是追蹤舌癌或喉癌腫瘤的藥物但是它同時是一個標記物(marker),如果大腦中有可以分裂增殖的幹細胞的話,那麼在注入標記物一段時間之後,我們應該可以在腦部的組織切片中找到具有標記物的神經元或神經膠,因為在注入標記物前就已經存在的神經元無法與標記物結合,所以有標記物的神經元一定是在注入標記物之後產生的。結果在五位因舌癌或喉癌死亡病人的大腦海馬迴切片上都看到有標記的細胞,證明大腦有新生細胞的能力。(Kempermann & Gage, 1999)。
事實上,早在1987年,Nottebohm就發現鳴禽(如白冠麻雀White-Crown sparrow)在春天交配季節到臨時,左腦會增大使它能唱歌,冬天不唱歌時左腦會萎縮。(鳥類是惟一和人類一樣有腦部側化作用(lateralization)的動物,它的左腦是負責學習唱歌的區域)。另外,耶魯大學的Ratic在恆河猴身上也看到同樣神經再生的現象。因此,目前最新的看法是認為神經元是有再生的能力,這對阿滋海默症(Alzheimer Disease, AD)的患者或是巴金森病的患者是一個福音,對任何因神經萎縮(neural atrophy)而生病的人都是一個希望。
大腦各區域的成長速度
大腦各個區域生長的速度和到達高峰的時期各不相同,例如掌管視覺的枕葉(occipital lobe)在嬰兒三個月到四個月大時,到達高峰,在四到十二個月大之間,神經的密度到達成人的一倍半,聽覺皮質也是一樣(Huttenlocher, 1990,1994),但是額前葉(prefrontal)皮質神經的密度就增加的比較慢,一直要到一歲才達到高峰,在中央神經系統中感覺區的髓鞘比運動區的早完成,聯結區的最後完成,因為髓鞘的完成可以加速神經的傳導,所以嬰兒在感覺方面的能力是先於運動方面的表現,這個髓鞘一直到二十五歲左右才最後完成,這是為什麼美國曾經有醫學院的老教授反對把投票年齡降低,因為他覺得大腦還沒有長好的人怎麼有能力去管政治呢?
密西根州Wayne State University的Chugani是第一個用正子放射斷層掃瞄來研究嬰兒的人,他發現一歲以後嬰兒大腦對葡萄糖的攝取急速增加,(葡萄糖的攝取代表著新陳代謝的速度),一直增加到四、五歲時到達成人的一倍半,到九歲左右才降下來到成人的程度一樣,這個高峰跟前面所說神經細胞突觸(synaptic)的密度很相似,PET的造影顯示一歲嬰兒在休息靜止時整個活動的情形就已經跟成人的腦很相似(Chugani et al, 1987)。
在神經細胞快速成長到頂點後,有些突觸、樹狀突就開始消失。這個減少的速度也是每個區域不一樣,例如視覺皮質就在二歲到四歲之間降到跟成人的密度一樣。但是額前葉卻要等到十歲到二十歲之間才降到跟大人的密度一樣,為什麼要先長很多再來削減呢?從演化的觀點來看,這是非常不合理的,先長出來,再來丟棄,但是這個現象在嬰兒語音的辨認能力上也可看到,MIT的Pinker(Pinker, 1994)對這個現象有個有趣的解釋,在本文的第二部分會談到,現在先就Huttenlocher的說法來看。Huttenlocher認為這跟大腦的可塑性有關,可塑性是神經心理學最重要的一個議題,要談大腦的可塑性我們必須從大腦的發育開始談起。
三、大腦的可塑性
人自受精開始細胞就快速的分裂發展,一分鐘生長二十五個神經元,在一週之內,神經管(neural tube)便已形成,這個中空的神經管後來分化成中央神經系統,一端變成前腦和中腦,另一端變成脊椎,腦幹最先形成,這是我們生命的中樞,掌管我們心跳與呼吸,然後小腦開始出現,掌管我們的動作與運動,在受孕五週時,大腦皮質開始出現,皮質是思維和知覺運作的地方,神經細胞在neural tube中空的地方所形成,所謂的"分裂增殖區"(proliferative Zone),神經管中間的這個空洞以後就變成腦窒。這些細胞形成後需要遷移到它們特定的終點站去。遷移的方式有兩種,一種是被動的細胞替代,新生的細胞把舊的細胞逐漸擠出分裂增殖區,所以舊的細胞在外面,新生的細胞在裡面,視丘、海馬迴及腦幹很多地方都是用這種方式形成的。另外一種是比較主動的遷移方式,年輕的細胞越過老細胞的頭往上面爬,大腦皮質和一些層次分明的皮質下組織就是用這種方法形成的。這些神經細胞要走到它們的目的地後才長出軸突來,軸突是神經元聯絡的工具,這些軸突的聯絡網構成大腦神經的迴路(circuits)。我們的基因決定這些主要的神經高速公路(pathway)該怎麼走,該應該去和誰聯接,但是後天的環境刺激決定誰被留下誰被淘汰。軸突尖端有一個很特殊的生長錐細胞(growth cones)它會認識路,會跟隨著神經通道上的化學物質而達到他應該到的終點。目標細胞也會釋放出化學分子來路,假如用基因工程的方式把這些作為線索的分子(molecular cones)去除掉的話,軸突就會漫無目標的到處遊走,不知該去那裡。一般來說,懷孕五個月時,大部分的軸突都已到達它的終點,不過雖然到達終點,在各就各位時仍需一段摸索,這需要非常多的嘗試錯誤才能最後拍板定案,這就是可塑性,或是說後天環境最能著墨的地方。
那麼,這些神經細胞怎麼知道誰和誰是一起的呢?加州大學的柏克萊校區的Carla Shatz認為這些還在胎兒時期初生的神經元一開始是隨機發射,好像自動撥電話機。假如一些細胞一起發射,那麼這些細胞就一起作響,這時目標細胞就會釋放出一種化學物質叫作trophic factors來強化這群一起作響、一起發射神經元之間的聯接。一個活動的神經元對trophic factors的反應比一個不活動的神經元來的強,因此,當別的細胞很努力在與目標細胞作聯接時,一個安靜、不活動的神經元就會失去它「關愛的眼神」。沒有與目標細胞搭上線的話,後來的神經修剪就會把它修剪掉。因為我們出生時大腦的細胞遠比它實際需要的多,所以神經細胞的死亡並不會影響我們大腦的功能。有人估計大腦每天死亡5000個神經細胞,在這麼多的神經細胞中究竟誰應該被淘汰誰應該留下來呢?這是一個很有趣的問題。一般是認為一個活躍的神經會被留下來,而一個尸位素餐,從來沒有跟別人聯絡的神經細胞是會被淘汰掉的,好像公司中,一個下來不出聲,老板不知道他在做什麼的人,裁員時,第一個被裁的就是他,「用進退廢」在此非常的恰當。
在嬰兒出生以後神經元不再隨機發射,外界感官的刺激決定它的發射次數與途徑。從老鼠的實驗我們知道,一個有豐富環境刺激的老鼠他的突觸比環境貧乏沒有刺激的老鼠多百分之二十五,但是這個結果曾被誤用,許多商人成立各種嬰兒成長班或設計各種各樣彩色圖案的視覺刺激及各種聲音的錄音帶來賣給父母,宣稱這會幫助刺激嬰兒大腦的成長,其實這是完全不必要的。這個實驗的控制組是生長在完全沒有環境刺激,空無一物的實驗室中的老鼠,如果一個在正常環境長大的嬰兒,他的聽覺、視覺就已足夠,不需要再特別去加強,目前所看到的報告是孤兒院中長大的嬰兒,在機械式的餵奶、換尿片,幾乎沒有人類的接觸時才會產生發展遲緩的現象如成天躺在搖籃看天花板的嬰兒也有到21個月還不會坐或是到三歲還不會走的情形,不過這是極罕見的。雖然嬰兒需要各種鳥聲、光、肌膚的接觸刺激才會發展正常,但是一般家庭中的照顧就足以提供嬰兒正常發展的刺激。有關大腦皮質可塑性的證據,目前已累積很多,這裡就幾個最有名的實驗作一些介紹。
四、支持大腦可塑性的實驗
我們的左右眼視神經在視覺皮質第四層上各有各的領域,這第四層上的每一個神經都已經分工好,只負責一個眼睛,不管另一個眼睛,但是這情形在剛出生時,並非如此。那時第四層上的神經元對左、右眼的刺激是一視同仁,作同等的反應的。圖三為一隻剛出生的小貓的左右眼神經從側膝核(lateral geniculate nucleus)投射到視覺皮質第四層上的情形,可以看見兩者在空間上是重疊的,出生後的視覺經驗,視覺刺激會使這些軸突自行分化,形成各自的領域,假如注射一種藥物,河豚魚毒素(tetrodotoxin)使視網膜上的節細胞(ganglion cell)不能產生運動電位(action potential)時,視覺皮質第四層上就不會分化出像正常時那種左右眼神經的各自專門領域。
假如把小貓的一隻眼睛縫起來,使它不能接受外界的刺激,這時,睜開的那隻眼睛的神經細胞就會佔去大部分的皮質空間,侵佔另外一隻眼睛的地盤,如果眼睛縫的太久,即使拆去線,小貓也看不見,Hubel和Wiesel發現即使只縫住一星期,視覺皮質第四層的ocular dominance-collumn就已經改變,沒有刺激進來的神經,他的疆土就已經大大的縮小。這是為什麼一個天生就有白內障的孩子,如果拖到二歲以後才開刀的話,雖然取出白內障,這個孩子也看不見。例如把小貓的眼皮輪流縫起來,使大腦視覺皮質從來沒有同時接到兩個眼睛所傳送進來的訊息而產生雙眼像差的話,這隻小貓就不會有立體知覺(stereoscopic vision),因為大腦必須要同時接受到二個稍微不同的影像刺激的經驗才會形成立體知覺。
雖然神經元沒有運動電位就無法分化領域,但是只有運動電位也不足以使視覺皮質分化。神經元的發射就好像我們撥電話一樣其實都有一定的形態的,不是隨機的,它必須是在某些特殊突觸中的某些時間上和空間上一定形態的發射才行。有一個實驗用人工的方法同時去刺激視神經上所有的神經元,使它們同時發射,結果軸突從側膝核投射到視覺皮質第四層去時也不能分化成各自特定的領域Stryker & Strickland, 1996)。所以雖然有運動電位,但是大家都同時發射,沒有時間和空間上的不同時,視覺皮質也不能分化成專門特定的管轄區,因此神經發射的時間和形態就變得非常的重要,它決定那一些突觸之間的聯結被強化,那一些被削弱,強化的通路會被保留而減弱的迴路會被剔除。通常,神經元會與鄰近的細胞去作自我調適使不會一起發射,因為鄰近的細胞常是與它接受一樣的刺激,作一樣的工作,所以他們會自我調適,我們可以舉一個例子來說明這個情形:對成人來說,每一個肌肉維(muscle fiber)都有一個運動神經元在管,但是在一開始時,當一個運動神經元走到肌肉維,與它作第一次接觸之後,這個肌肉維會接受到許多其他運動神經元送來的指令,但是逐漸地其它的聯結會消失,最後只剩下一個神經元,而來自運動神經元的運動電位形態是這些剔除或聯結消失的主要原因,就好像一位及笄小姐可以有許多人追求,但是最後她只能從中挑一個人嫁,而她挑選的條件便是電位形態,所以自胚胎期開始,神經元本身的經驗能夠修改及精進我們的神經系統,增加我們的適應力。
這個現象在彌猴身上也可看到,假如把一隻剛出生的彌猴從視丘通往視覺皮質的通道剪斷一半,使視覺皮質區17號(在腦解部圖上(brodman)大腦的每一個地區都用數字標出來以利研究者溝通,如圖四)的地方接受的訊息只剩原來的一半時,17和18之間的邊界就改變,17變的比較小,18變大,不過皮質層的發展仍屬正常。因此,減少感官刺激的輸入並不會造成皮質結構上的改變(Rakic, 1988; O'Leary, 1989),但是分到18區去的原來17區的神經細胞卻變的跟18區一樣,它們輸出的特性也不一樣,例如17區原來沒有越過胼胝體投射到另一個腦半球去的,現在分過去的17也有,跟原來18的投射型態一模一樣。因此,外在的因素或後天的經驗是可以改變先天的結構的。