大脑的重要问题--关键期与可塑性
1,2孙秀伟 1,2翁强
1国家医疗保健器具工程技术研究中心 2广东省医疗器械研究所
摘要：英国学者David Hubel等人在60年代提出，脑的不同功能的发展有不同的关键期，某些能力在大脑发展的某一敏感期最容易获得，此时相应的神经系统可塑性大，发展速度特别快，过了这段时期，则可塑性与发展速度都要受到很大影响。对不同的人来说，脑的不同的功能发展的关键期也并不完全一致，存在着一定的个体差异。文中从早期洞悉、复杂的外界条件在大脑发展中的影响、学习的窗口以及大脑的基本原理等角度阐述了大脑的重要问题之一关键期与可塑性。
关键词：大脑发育 关键期 可塑性 丰富环境
关键期决定我们能学什么和何时学习吗？神经科学家和社会科学家正探测着小孩的大脑以回答这些重要问题。
走进玩具城，你会看到提供给婴幼儿的各系列教育玩具琳琅满目：精美的小卡片以提高尚未发展的数学能力、视频玩具以指导宝宝阅读、色彩缤纷的柔软玩具使人眼花缭乱。通常，这些产品的出现来自一些“不很精确”的信息：如果你在你宝宝三岁前不用“学习”来填满他的大脑，他的潜能就不能尽情发挥。
生命第一个三年是学习的关键期这一说法在1997年白宫“早期儿童发展”会议后在公众意识里爆炸性扩散。会议根据神经生物学证据，即婴幼儿的大脑在出生后仍不断发展，确定了一系列项目的必要，以保证贫困儿童在整个孩童期间，包括第一个三年，有正常、健康的学习经历。
波士顿哈佛医学院的发展神经生物学家、神经生物学部门教授Carla Shaz说：“并没有任何一个神经生物学家说0－3岁是最重要的学习时间，这里发生了逻辑上的断章取义”。
虽然会议的信息可能被误解或误用，但它真正强调了对关键期在学习和社交发展中的作用的科学理解是有必要的。它们被定义为“时间的窗口”，这时大脑不仅善于接收某方面的信息，而且确实需要这些信息来继续其正常发展。关键期详细阐明了大脑里感官系统的发展，特别是视觉方面的。但很多神经科学家也相信至少某些潜在于复杂学习和思维能力的大脑功能也有自己的关键期。对于关键期，有多如牛毛的证据，比如在语言学习上就有很明确的关键期。但有人认为这些观念被泛滥使用于太多种类的学习上，也没有证据充分证明在这些方面真的有此“窗口”。Urbana Champaign,Illinois大学的William Greenough说：“在人类发展中确实有关键期，但没什么证据支持有很多关键期这一观念。”
科学家们都同意的是关键期，它们确实存在，但不像传媒报道的那么清晰，也不像教育玩具制造者那样定位。没有一个关键期会突然关闭，它们会逐渐停止。关键期只限于第一个三年的说法也不对，那些有关键期的学习种类都有不同的关键时段。在很多情况下，窗口似乎从来都不完全关闭，学习虽然更困难，但会一直延续到成人。基于此原因，研究人员宁愿用“敏感期”这个词。基线是虽然作为一个小孩，更容易学习一门语言或音乐，成人也能做到。芝加哥大学的小儿神经学家Peter Huttenlocher说：“通常科学就是这样，真理是在两者之间（两个极端观点）的某个地方。”
1早期洞悉
无庸置疑，对于某些大脑发展，确实有一个关键期。最有名的例子来自1960年哈佛大学的David Hubel和Torsten Wiesel。他们显示如果小猫咪早期某只眼睛被缝合，那么那只眼睛就永久失明，因为大脑视觉系统在大脑的主要发展阶段错过了视觉输入。眼睛有先天斜视或白内障儿童也显示人类视觉发展中确实有关键期。
在这几十年间，几个不同种类的研究也显示对于不同种类学习大脑都有敏感期，某些证据来自神经科学家，他们用脑成像和其他技术来研究大脑的改变并把它跟行为和学习相关联。其它证据完全是行为的，源自精神病和教育研究。
在这一领域的研究也强调第一个三年的重要性。如1950年的精神病学研究发现儿童在首一年里对母亲或主要照料者有情感依附。此后很多研究人员显示被安全和精心照料的宝宝很相信其照料者能保护和养育他们，这些宝宝对比起次级照料的宝宝在以后生活里能与别人形成更好的关系。更有甚者，这种良好关系要在3岁前建立才有以上所说的好处。Nebraska，Lincoln大学的发展心理学家Ross Thompson认为在人类进化的过程中，“依附”关系对婴儿生存至关重要，以至它所形成的关键期可能已经被编好在大脑发展里。
在0－3岁小孩情感发展关键期的研究上，“依附”是一个重要的基本原理。但Thompson留意了几个研究，内容是小孩的早期阶段是在罗马尼亚孤儿院渡过，他们没有能使形成依附的正常人类接触，这暗示了“依附”的窗口比我们想象的更大。在4、5、6岁被“营救”的孩子也能形成依附。但很多那些依附是微弱或不健康的，可能是敏感期逐渐关闭的迹象。但没有真正关闭时间的证据，Thompson认为它不能被称作“真实”敏感期。从罗马尼亚孤儿院研究进行总结的另一考虑是：这些孩子在很多方面都被剥夺，可能有很多其它实质原因影响他们的“依附”。
另一社会科学研究提出首3年重要性的是加州大学的Frances Campbell和Alabama大学的Craig和Sharon Ramey。在对超过1000个来自相对贫困家庭儿童的特殊设计教育课程的分析中，他们发现从出生到学前都就读这些课程的儿童的IQ和学校表现都有很大进步（对比起上小学后才读相似课程的儿童）。Ramey说：“这就证明在3－5岁错过的机会在以后日子里是不能补足的。”
2 复杂的外界条件在大脑发展中的影响
没有人能够定义一个关键期，在这个期间如果大脑发生变化需要什么样的丰富环境。这个时期是引人注目的，因为它与儿童发展有关，可能给早期缺乏足够教育的儿童带来希望。有关儿童发展领域的工作者发现文化上匮乏的儿童发展比文化丰富的儿童慢，另外有人指出了一些案例，在这些案例中早期贫瘠环境的有害影响在后来的丰富环境中被逆转过来。然而，美国国家儿童健康和人类发展研究所的James Prescott认为，迅速积累的证据表明，动物中饲养环境在大脑发展中的这些影响可能和儿童是相似的，这是需要认真考虑的问题。他认为发现在不同饲养环境条件下大脑的不同变化的这项研究是惊人的，它改变了目前人们普遍认为的只有贫瘠的环境才可能影响儿童的大脑发育。
无论哪一种丰富环境引起的影响都是个体特异的，这些影响无疑与其它一些因素相互作用，比如人个体的性别，遗传组成，营养状况等。例如，将同一窝的小鼠分配到各个饲养环境中的工作就是为了控制最小程度的遗传差异在大脑发展中的影响，这些遗传差异总是干扰饲养环境的影响。另外，有证据显示，丰富的环境可以在一定程度上消除小鼠由大脑损伤、营养不良或甲状腺功能减退等引起的有害影响。Sackett指出，一些在贫瘠环境中饲养的小鼠并没有表现出反常的行为，这表明了存在一些未知的因素与动物的饲养条件相互作用并在一定程度上使动物不受影响。对这些未知因素的研究可能提供怎样减少贫瘠影响和加强丰富影响的线索。
我们已经明确丰富的环境对大脑有确切的影响，但这些影响的意义我们还不清楚。是否这些“非常小鼠”由于拥有更多的神经连接和从一般上讲更复杂的大脑而具有高级的能力大多数的研究者认可丰富饲养之后的大脑变化对大脑器官有一定益处的，但是在行为改变上的研究却有反驳的观点，到目前为止还不能确定大脑的变化是实验所纪录的行为变化的原因。因此尽管研究表明生命早期“丰富多彩”的环境对大脑有好处，但Bruer认为结果被误用了，特别是某些产品如专门给中等家庭的教育音像。他认为对于大部分儿童，超出正常环境的“额外丰富”能提供很多好处是没有科学证据的。不但中等家庭父母被误导关于提供什么给孩子，社会的注意力也从真正贫困家庭的需要中转移了，这些都不是在3岁就结束的。为了支持这一观点，他引用广泛使用的动物实验，即促进教育帮助以丰富婴儿的环境。
在前20年的研究中，Greenough显示在所谓“复杂环境”下饲养的小鼠――跟其它老鼠一起生活、有很多玩具玩――在它们大脑里形成更多的突触的神经连接（对比起标准实验室笼子里单独长大的老鼠）。但Greenough说他的研究是剥夺实验多于丰富实验，因为所谓的复杂环境其实是接近小鼠的正常生长环境。他说，他的发现暗示了极端的剥夺是决定性的，但他没有强调是否在正常环境中的额外刺激是真的更好。
Greenough同时指出他的研究跟人类儿童首3年的丰富环境没什么直接关系，因为他的小鼠直到断奶后才进入复杂环境，大概相等于人类的2.5－5岁，并那些小鼠停留在那里一直到青春期。另外，当研究人员把成年鼠暴露在相似环境时，他们的神经连接也增生扩散。Greenough说：“对于年轻动物，改变发生得更快，量级更大，效应不会轻易丢失。看到这些实验，就会意识到它完全破坏了3岁前什么都结束的观念。”
总之，在回答为什么丰富的环境可以影响大脑和这些影响对动物来说意味着什么之前，还有一大批关于大脑是如何行使功能的问题有待发现，但是大脑发育与动物生长环境的丰富性有关联这是毋庸置疑的。
3 学习的窗口
在Ramey－Campbell，还有Greenough的研究集中于大脑为学习作准备时，其他研究人员检测对于某些技能是否都有关键期，如音乐和语言。如，在1995年对音乐家进行大脑成像研究时，德国Konstanz大学的Thomas Elbert和伯明翰Alabama大学的Edward Taub发现弦乐家的左手被大脑的触觉区域更大限度表现出来（对比起左撇子非音乐家）。
研究人员的主要结论是大脑对音乐训练的反应的改变能力一直延伸到成人。但他们也发现12岁前就开始训练的弦乐家投入到左手感觉的大脑区域最大，这可能表明在生命更早期对音乐训练有接受性。Elbert和Taub的数据可能被训练效应解释：早期训练的人操作时间更长。Taub指出他和Elbert并无系统性排除此可能性，但他说两组人之间总训练时间的差异小得不能解释大脑组织里的量级差异。
观察大脑对语言学习接收情况的研究人员控制着训练效应，他们相信他们有更清晰证据表明年轻的大脑可以学习一门语言流利得象极少大龄学习者所能达到得水平。换句话说，对于语言的获取确实有一个敏感期。
一些更有力的行为证据来自纽约的Newport 和University of Rochester的认知科学家Elissa及其同事。在1980s末，他们研究46名移民到美国的中国和韩国人，这些人融入英语环境的年龄从3－39岁。为了排除训练效应，研究人员把他们使用英语的时间跟受试相匹配，然后回放他们的口语记录，一些有语法上的错误，如词排序错误或动词时态错误，研究人员向他们发问，是否他们所说的句子正确。
对于本地人，这种测试就没什么难度，但对于移民，研究人员发现“作为人们第一次到美国时年龄的一种功能，正确反应系统地衰退了。”在5岁左右前到达美国的那些人做得和本地人一样好，Newport说，但是“那之后的每一组都系统地减弱了，”对于十几岁后才移民过来的人，曲线又转为平滑。“这就是人们所期待的关键期的形状。”
Newport说，你可能会争辩，后来才学习英语的人学得不好不是因为学习语言的关键期已经过了，而是因为他们多年用母语的经验严重地干扰了对另一门语言的学习。为确定这一点，Newport和她的丈夫Ted Supalla致力于研究一群特殊的人，他们在幼年时没有学习任何语言，他们是聋子，他们有听觉的父母不用美国手语（ASL），而他们在5岁或12岁进入专为聋人开设的寄宿学校时才学ASL。Newport和Supalla，他自己也是聋子，他们把后来才开始学ASL的学习者和一出生就学ASL手语的聋子作了比较。为了排除训练的影响，他们选择那些在测试时已经50到70岁的人，而对ASL他们最少都用了48年。
研究员测试ASL的造句和句子的理解，他们发现与第二语言学习过程中同一种类的图画。那些5岁才开始用ASL的人平均得分稍低于那些一出生就在ASL环境中的人，然而那些直到12岁才开始学习的人得分更低。
有关语言发展的行为研究结果是被神经生物学支持的。神经科学家，Oregon Eugene大学的Helen Neville，已经观察了中国和西班牙移民的大脑组织，他们开始学习英语的年龄范围是2岁到16岁。她和她的同事利用大脑成象观察到那些人在听到有语法错误时，就像Newport也用到的那些句子时他们的大脑活动模式。“在那些后来才学英语的人中，即使是4岁就开始学的，我们发现在对“新奇”的语法作出反应时，他们的大脑组织有所差异。”Neville说。在那些4岁以前就学第二语言的人中，反应全部发生在左脑，这是正常的语言区域，而这之后才学习的人，显示出更多的右半脑活动。这暗示了晚学习语言和早学习语言在大脑上的具体物理表现是不同的。
这些结果与Newport和她的同事观察语法能力时的所得相符。但语法只是语言学习的一个元素，其他元素包括语音（语言的发音）、语义（词的意思），而它们没必要有敏感期。比如，Neville说，当她和她的同事观察人们对“新奇语义”作出的大脑和行为反应时，即一句话中其中一个词是意思不符的，较迟学习语言的人的反应和较早学习语言的人一样。好像并不存在严格意义上的关键期或敏感期。
即使只是语言的一个方面，比如语音，就可能有不同的学习窗口。一部分语音必须很早就去学习，而另一部分可以在漫长学习过程中逐步提高。这也就是说，语言不是一个单纯的单片电路，类似那些一部分有关键期一部分没有的系统。
4大脑的基本原理
大脑在孩童时期慢慢成熟。Neville和其他人都提出成熟过程中的步幅会影响敏感期的时间选择。比如说，Chicago’s Huttenlocher和他的同事已经研究了不同年龄孩子的postmortem大脑神经连接。他们发现在第一个一年里大部分大脑区域的神经连接都增生扩散，这之后，有一段神经连接密度很高的时期，从6个月到12个月一直到5年、15年不等，根据区域不同而不同。之后神经连接水平开始下降，而视觉区域最先失去它们的神经连线，随后较高的认知区域也降到成人水平。底特律Wayne州大学的Harry Chugani和他的同事已经把正电子发射的X线断层摄影（PET）成像用来测量婴儿和小孩大脑的新陈代谢作用，把这作为观察神经连接的增生和消失的间接方法，并得出了同样的结论。
Huttenlocher注释道，当他看到神经连接开始增生扩散时，大脑区域的基本功能在这时候就形成了。比如说，当视觉皮层里的神经连接开始增生时，小孩开始有双眼视觉功能。神经连接的修剪，好像与“轻松学习某个任务的时间上限”相关连，至少也极其近似。比如说，尽管语言学习的不同方面有不同的敏感期，12到14岁大概就是语言学习的轻松程度开始普遍下降的时候，这也大概是大脑语言区域的神经连接密度和数量下降的时候。
尽管有这些相互关系，一些神经科学家和心理学家还是提出，一些明显的敏感期可能更多是有累积学习本身的作用而非大脑物理发展的作用。加利福尼亚大学的心理学家Alison Gopnik已经发现，孩子们四岁的时候就认识到别人有着和他们自己不同的思想和观点。她的研究暗示了这认识是在它该发生的时候发生的，因为孩子们已经积聚足够多的经验来得出此结论。比如说，她能加速这些概念的学习，所用的方法是通过给学生特别的训练，即强调他人有不同思想。她说，这暗示了大脑中并不存在“某些成熟事件”以证明某个时段会出现某个技能，而你所学到的新东西又能让你去学更新的东西。
现在的问题是，至少对于某些种类的复杂学习，是否学习驱使逐渐成熟的大脑在改变，或成熟过程控制着学习的轻松程度。这些问题可被强调为大脑结构与不同种类学习相关。比如说，当前她正在用小孩做实验以观察加速他们语言学习的训练是否导致大脑组织可测量的改变，而几个研究小组开始用大脑成象去研究那些包括有“依附”形成的大脑区域的组织改变。她预测，任何答案都不会模棱两可。我们知道大脑系统的全套装备。答案可能是任何一个人的系统都不同。
5小结
因为研究者们把他们的资源都汇集起来以明确关键期在学习中所起的作用，于是这样的主题就出现了：尽管较年轻的大脑可能更容易改变，年长的大脑也没丧失改变的能力。尽管孩童时期很明显是特佳的学习时间，我们也没理由在任何一个年龄放弃学习的希望。确实，Newport说，研究或许能让我们明白迟学习的机制是否与孩童时期的机制不同。更好地理解了这些差异后，人们可以想出不同的方法和策略来改善成人的教学计划。而这对任何一个年龄段里渴望学习的人都会是个好消息。