敏感期的神經(jīng)可塑性機(jī)制研究＊

周加仙

(華東師范大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院,上海 200062)

敏感期的神經(jīng)可塑性機(jī)制研究＊

周加仙

(華東師范大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院,上海 200062)

敏感期是指大腦的結(jié)構(gòu)或者功能容易受到特定刺激影響的階段。敏感期的可塑性機(jī)制有軸突的精化、突觸的形成與消除、突觸的鞏固三種。敏感期的啟動(dòng)要達(dá)到三個(gè)條件:(1)必須提供精確可靠的信息。(2)神經(jīng)回路必須有適當(dāng)?shù)呐d奮與抑制連接。(3)必須激活神經(jīng)回路的可塑性機(jī)制。敏感期的結(jié)束機(jī)制也與可塑性的機(jī)制有關(guān)。

敏感期;關(guān)鍵期;可塑性;神經(jīng)機(jī)制;神經(jīng)回路

敏感期和關(guān)鍵期是腦與行為發(fā)展中的一個(gè)重要現(xiàn)象①。敏感期是指大腦的結(jié)構(gòu)或者功能對特定的外部刺激非常敏感的階段。在這個(gè)階段,大腦特別容易接受經(jīng)驗(yàn)的影響以促進(jìn)大腦結(jié)構(gòu)與功能的發(fā)展。關(guān)鍵期是指大腦的結(jié)構(gòu)或者功能需要特定的、適宜的經(jīng)驗(yàn)才能得到持續(xù)的發(fā)展。如果特定的、適宜的經(jīng)驗(yàn)沒有發(fā)生,則大腦某個(gè)方面的結(jié)構(gòu)或者功能的發(fā)展可能會(huì)受到永久的影響。②因此,敏感期強(qiáng)調(diào)發(fā)展中的某個(gè)階段某些能力容易受到經(jīng)驗(yàn)的影響與改變,因而敏感期的研究對教育研究者與教育實(shí)踐者具有重要的價(jià)值。關(guān)鍵期強(qiáng)調(diào)的是腦功能的不可逆性變化,因此,關(guān)鍵期的研究對臨床醫(yī)生非常重要。本文從廣義概念的角度來闡述敏感期,把關(guān)鍵期看作敏感期的一個(gè)特例③。在特定的關(guān)鍵期研究中,仍然用 “關(guān)鍵期”一詞來表述。

一、敏感期的生理機(jī)制研究與新發(fā)現(xiàn)

早在 20世紀(jì)初,胚胎學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)就對關(guān)鍵期的生理機(jī)制進(jìn)行了研究④。胚胎學(xué)家斯托克特(Charles Stockard)在魚的胚胎研究中發(fā)現(xiàn),在特定器官的形成期,正常發(fā)展受到過冷過熱的溫度或者有毒化學(xué)物質(zhì)等的干擾后,魚孵出后就會(huì)產(chǎn)生特定的缺陷。而在該階段之前或之后,則不會(huì)對這一器官造成損害或只有很小的損害。發(fā)展中的這種特定時(shí)期就是關(guān)鍵期。⑤德國諾貝爾生理學(xué) -醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者施佩曼(Hans Spem ann,1869-1941)等人(1938)考察了胚胎中相同細(xì)胞是如何成為神經(jīng)系統(tǒng)、心臟和皮膚等不同細(xì)胞的。他們通過對胚胎中的細(xì)胞進(jìn)行不同位置的遷移研究發(fā)現(xiàn),決定遷移細(xì)胞發(fā)展的關(guān)鍵變量是遷移時(shí)胚胎發(fā)展的階段。胚胎中周圍細(xì)胞發(fā)出化學(xué)信息,誘使細(xì)胞采用一種特定的發(fā)展軌跡。如果細(xì)胞在接受這種誘發(fā)信號之前遷移,就能發(fā)展為其新位置的細(xì)胞;如果在它接受這種誘發(fā)信號之后遷移,就發(fā)展為原來位置的細(xì)胞。這種決定性的信息傳遞給該細(xì)胞后,它就不再接受其他信息的影響。施佩曼將胚胎細(xì)胞的這種受到環(huán)境的影響而采用特定發(fā)展軌跡的時(shí)間稱為關(guān)鍵期。⑥在神經(jīng)科學(xué)中,諾貝爾獎(jiǎng)獲得者休貝爾(David Hubel)等在小貓的視覺研究中發(fā)現(xiàn),在小貓出生后的三個(gè)月里,將單側(cè)或者雙側(cè)眼縫合一段時(shí)間會(huì)致盲,并導(dǎo)致神經(jīng)回路的連接退化。⑦但是成年貓?jiān)馐芟嗤瑫r(shí)間的視覺剝奪,甚至更長時(shí)間,卻對大腦的視覺系統(tǒng)沒有產(chǎn)生這種影響,而且在重新睜開眼后,仍然能夠運(yùn)用自如。這些經(jīng)典的研究不僅為關(guān)鍵期的存在提供了的證據(jù),而且也揭示出它的關(guān)鍵特征:其一,關(guān)鍵期在發(fā)展中是短暫的,有明確的起訖時(shí)間;其二,關(guān)鍵期的影響是巨大的;其三,在關(guān)鍵期必須出現(xiàn)客觀刺激。

但是最近幾十年來,科學(xué)家對關(guān)鍵期所進(jìn)行的大量研究改變了人們對關(guān)鍵期現(xiàn)象的這些看法。例如,宙(K.L.Chow)和斯圖爾特(D.L.Stewart)關(guān)于視覺被剝奪貓的視力恢復(fù)試驗(yàn)說明視覺關(guān)鍵期產(chǎn)生的影響可以部分恢復(fù)⑧。該研究表明,短期單眼剝奪的貓恢復(fù)視覺之后,剝奪眼的感受野接近于正常,神經(jīng)連接的模式也基本恢復(fù)正常。但是長期單眼剝奪則必須在關(guān)鍵期結(jié)束前打開剝奪眼才會(huì)有一定程度的恢復(fù),而且恢復(fù)后的反應(yīng)仍然是不正常的,雙眼的感受野也不匹配。⑨目前的許多研究表明,在適當(dāng)?shù)臈l件下,印刻現(xiàn)象、視覺系統(tǒng)等在關(guān)鍵期產(chǎn)生的不良影響可以部分恢復(fù),恢復(fù)的程度取決于剝奪的具體時(shí)間以及剝奪的情況;某些關(guān)鍵期在缺乏適當(dāng)?shù)拇碳r(shí)還可以延長,而且,在某種學(xué)習(xí)條件下可以逆轉(zhuǎn)。這些研究表明,關(guān)鍵期并不一定在時(shí)間上是短暫的,所造成的影響是不可逆的。因此,許多研究者傾向于運(yùn)用“敏感期”這一術(shù)語,尤其在指大腦的高級認(rèn)知功能時(shí)。

二、敏感期的神經(jīng)可塑性機(jī)制

人與動(dòng)物在行為方面表現(xiàn)出的敏感期現(xiàn)象實(shí)際上是神經(jīng)回路的特征,因?yàn)樾袨槭怯刹煌瑢用娴纳窠?jīng)回路加工信息而產(chǎn)生的結(jié)果。近年來,由于研究技術(shù)手段與方法的進(jìn)步,對敏感期或者關(guān)鍵期的神經(jīng)機(jī)制有了更進(jìn)一步的認(rèn)識。敏感期的神經(jīng)可塑性機(jī)制有三種:軸突分支的變化、突觸的形成與消除、突觸的鞏固。

(一)軸突分支的變化

在敏感期,存在著軸突分支增多、新的連接形成的現(xiàn)象。敏感期經(jīng)驗(yàn)的剝奪則會(huì)造成軸突分支減少、長度降低。例如,在敏感期,6到 7天的短期視覺剝奪就會(huì)對大腦的神經(jīng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,使剝奪眼的輸入細(xì)胞在軸突終端的復(fù)雜性方面減少,細(xì)胞連接數(shù)量減少,而非剝奪眼的軸突終端復(fù)雜程度提高,從而產(chǎn)生視覺優(yōu)勢的改變。

(二)突觸的形成與刪除

在敏感期,突觸的形成與刪除對神經(jīng)回路的形成具有重要的作用。突觸的形成與刪除受到生物化學(xué)、營養(yǎng)、遺傳以及經(jīng)驗(yàn)的共同控制。在經(jīng)驗(yàn)的作用下,特定腦區(qū)的突觸保持經(jīng)常而持續(xù)的激活可以形成穩(wěn)定的連接網(wǎng)絡(luò),而從來不激活的突觸則選擇性地被刪除⑩。突觸的刪除可能導(dǎo)致功能的喪失,也可能使信息傳遞的效率更高。關(guān)鍵期的這種可塑性與成熟腦皮層的可塑性不同,成熟腦的可塑性變化主要發(fā)生在樹突棘的萌發(fā)與萎縮而形成的連接模式方面,而沒有對神經(jīng)突起進(jìn)行大規(guī)模的重新組織。由于成熟腦皮層中的樹突分支仍然存在,因此成熟腦皮層的可塑性是可逆的。?

(三)突觸的鞏固

細(xì)胞黏附分子對敏感期階段突觸的鞏固具有重要的作用。細(xì)胞黏附分子是高度穩(wěn)定的分子。不同類型的突觸黏附分子可以嵌入突觸,調(diào)控突觸間隙大小,連接突觸前膜與突觸后膜,通過改變神經(jīng)元與神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞間的黏附力來調(diào)節(jié)突觸周邊膠質(zhì)細(xì)胞(尤其是星型膠質(zhì)細(xì)胞)介入突觸作用的程度,從而影響突觸傳遞的效能,增強(qiáng)突觸的功能。在敏感期,突觸黏附分子對突觸結(jié)構(gòu)的形成及維持、突觸成熟的調(diào)控發(fā)揮著多種關(guān)鍵作用。突觸黏附分子能通過細(xì)胞內(nèi)信號的相互作用來調(diào)節(jié)與控制突觸的可塑性。這種胞內(nèi)信號的改變可反饋到突觸后膜,通過突觸黏附分子調(diào)控細(xì)胞與細(xì)胞的黏附以迅速改變突觸的結(jié)構(gòu)和信息傳遞的效率。

三、敏感期的啟動(dòng)、結(jié)束與延遲機(jī)制

(一)敏感期的啟動(dòng)機(jī)制

敏感期的啟動(dòng)要達(dá)到三個(gè)條件 :(1)提供給該神經(jīng)回路的信息必須精確可靠。(2)神經(jīng)回路必須包括興奮與抑制等適當(dāng)?shù)倪B接。?(3)必須激活上述神經(jīng)可塑性機(jī)制。沒有達(dá)到這三個(gè)條件的經(jīng)驗(yàn)則對神經(jīng)回路不能發(fā)揮作用。

在敏感期初期建立的神經(jīng)回路是一種初始的連接。敏感期的經(jīng)驗(yàn)可以對神經(jīng)回路的精確性與具體性產(chǎn)生重要的影響,形成的特定神經(jīng)活動(dòng)的空間與時(shí)間模式,導(dǎo)致神經(jīng)回路的結(jié)構(gòu)與功能產(chǎn)生變化,從而修飾與強(qiáng)化這種初始的模式。這些變化可能改變神經(jīng)回路所形成的連接模式,形成一種更高程度的穩(wěn)定,連接模式更精細(xì)。因此,敏感期啟動(dòng)之初的經(jīng)驗(yàn)對形成神經(jīng)回路的連接具有獨(dú)特的價(jià)值。雖然初始的經(jīng)驗(yàn)對連接的形成具有如此重要的影響,但是只要是在敏感期之內(nèi),后續(xù)的經(jīng)驗(yàn)也可以通過增加或者抵消初始連接的模式而改變神經(jīng)回路的結(jié)構(gòu)與功能。這種在后續(xù)經(jīng)驗(yàn)影響下而形成的新連接模式需要花費(fèi)更多的能量來克服初始模式穩(wěn)定性的影響。反復(fù)出現(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)可以修飾與穩(wěn)定新的連接模式,使神經(jīng)回路達(dá)到一種新的穩(wěn)定狀態(tài)。例如,在鳴禽不再向磁帶學(xué)習(xí)鳴叫時(shí),卻仍然可以在同成年鳥的交往中學(xué)習(xí)鳴叫?。實(shí)驗(yàn)室籠中的經(jīng)驗(yàn)不再誘發(fā)倉鸮的可塑性時(shí),接觸自然的條件則會(huì)誘發(fā)極大的可塑性。?

(二)敏感期的結(jié)束機(jī)制

敏感期的結(jié)束機(jī)制與可塑性的機(jī)制也有關(guān)。如果在敏感期內(nèi)連接模式的變化主要是軸突或者樹突的生長,那么喪失軸突或者樹突等神經(jīng)突起生長的各種機(jī)制后就會(huì)結(jié)束敏感期。如果在敏感期內(nèi)的基本變化是突觸的形成或者消除,那么支持這些過程的主要機(jī)制的喪失將會(huì)結(jié)束敏感期。如果敏感期內(nèi)的基本變化是通過突觸黏附分子而形成突觸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,那么喪失產(chǎn)生這種分子的能力就會(huì)結(jié)束敏感期?；蛘呙舾衅诘慕Y(jié)束同時(shí)受到這三種因素的共同影響。此外,阻止突觸連接發(fā)生變化的一些機(jī)制也可能導(dǎo)致敏感期的結(jié)束。例如,包圍軸突的髓鞘效率的降低,在經(jīng)驗(yàn)的影響下神經(jīng)回路固定下來而無法改變,神經(jīng)調(diào)質(zhì)釋放水平的降低,神經(jīng)元對這些神經(jīng)調(diào)質(zhì)的反應(yīng)性降低等因素都可能導(dǎo)致敏感期的結(jié)束。但是這些因素之間并不是相互排斥的,也可能同時(shí)發(fā)揮作用而限制敏感期啟動(dòng)后的可塑性,從而導(dǎo)致敏感期的迅速結(jié)束。有些敏感期似乎在動(dòng)物達(dá)到性成熟階段就結(jié)束了,如倉鸮聲音定位回路的可塑性,某些鳴禽鳥的鳴唱學(xué)習(xí),人類語言學(xué)習(xí)的某些方面等都隨青少年向成年的過渡而下降。

敏感期的結(jié)束有快慢之分,如人類語言學(xué)習(xí)的敏感期是逐漸結(jié)束的,而有的敏感期則在為個(gè)體提供適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)后就迅速結(jié)束了。這種敏感期主要受內(nèi)部機(jī)制的影響,對特定刺激作出反應(yīng)。在神經(jīng)回路對這種刺激有了選擇性以后,后續(xù)經(jīng)驗(yàn)的影響就不大了,如禽類腦中負(fù)責(zé)印刻的回路、鳴禽的鳴唱學(xué)習(xí)回路等。

不同功能的敏感期結(jié)束的時(shí)間不同。實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明,執(zhí)行低級計(jì)算功能的神經(jīng)回路的敏感期比加工高級功能神經(jīng)回路的敏感期結(jié)束的時(shí)間更早。?例如,負(fù)責(zé)雙眼視像融合以及立體視覺的神經(jīng)回路的敏感期比負(fù)責(zé)分析復(fù)雜物體的神經(jīng)回路的敏感期結(jié)束時(shí)間更早。??同樣,語言、社會(huì)發(fā)展以及其他復(fù)雜行為的敏感期結(jié)束的時(shí)間也更晚。敏感期的這種發(fā)展順序是符合邏輯的,因?yàn)楦呒壒δ苄枰图壒δ芴峁┚_而可靠的信息才能得到發(fā)展。

(三)敏感期的延遲機(jī)制

在極端非正常的條件下,如果個(gè)體沒有接觸到適于形成神經(jīng)回路的刺激,敏感期則會(huì)延長。如青春期鳴禽鳥沒有聽過其他鳥的鳴叫,比起那些聽過并記住非正常鳴叫的鳥,在發(fā)展的晚期階段更能夠記住同種屬鳥的鳴叫。同樣,在完全黑暗中生活的小貓,與生活在明亮環(huán)境中的單眼剝奪或者雙眼剝奪的小貓相比,其初級視覺皮層的第四層在延后很久仍然能夠轉(zhuǎn)移其眼優(yōu)勢表征。在這兩個(gè)系統(tǒng)中,完全剝奪延遲了關(guān)鍵期的結(jié)束時(shí)間。這是因?yàn)槿狈ο嚓P(guān)刺激使神經(jīng)回路沒有得到有效的激活,使得強(qiáng)化與鞏固突觸的細(xì)胞和分子沒有遷移。但是即使在完全剝奪的情況下,敏感期最終也會(huì)隨著發(fā)展而結(jié)束。在這種情況下,會(huì)形成不正常的連接模式,如在敏感期沒有聽過其他鳴禽鳴唱的鳥,成鳥的鳴唱聲是不正常的。人在青少年階段沒有接觸過語言,就無法獲得語言的使用規(guī)則。在臨床上,可以運(yùn)用完全剝奪來延長關(guān)鍵期,從而延長矯正生理缺陷與障礙的時(shí)間,以促進(jìn)腦的正常發(fā)展。但是需要注意的是,剝奪也會(huì)形成與鞏固不正常的連接。

四、結(jié) 論

上述研究表明,在敏感期的神經(jīng)機(jī)制方面已經(jīng)積累了大量的數(shù)據(jù),并得出了一些普遍性的規(guī)律。大腦中不同神經(jīng)系統(tǒng)的敏感期具有獨(dú)特的起訖時(shí)間與持續(xù)長度。敏感期的啟動(dòng)和持續(xù)時(shí)間不僅受到年齡的調(diào)節(jié),而且也受到經(jīng)驗(yàn)的調(diào)節(jié)?,是遺傳與經(jīng)驗(yàn)共同作用的結(jié)果。許多神經(jīng)回路在特定環(huán)境的影響下形成,因而具有個(gè)體的特異性。正常環(huán)境經(jīng)驗(yàn)對于神經(jīng)系統(tǒng)的特化、精化以及維持神經(jīng)元間的功能非常重要,而早期異常的經(jīng)驗(yàn)會(huì)破壞神經(jīng)元的連接,導(dǎo)致功能的永久性喪失。

注 釋:

①M(fèi) ichel,G.F.,&Tayler,A.M.(2005)Critical period:A history of the transition from questions ofwhen,to what,to how.Developmentalpsychobiology.46,156-162.

②Thom as,M.S.C.,&Johnson,M.H.(2008)New advances in understanding sensitive periods in brain development.CurrentD irections in Psychological Sciences,17.1-5.

③Knusden,E.I.(2004)Sensitive Periods in the Developm entof B rain and Behavior.Journal of Cognitive Neuroscience,16(8),1412-1425.

④Bailey,D.B.&B ruer,J.T.et al.(2001)Critical Thinking About C ritical Periods.Baltimore,M aryland:Paul H.B rookes Publishing Co.P.9.

⑤Stockard,C.R.(1921)Developmental rate and structural exp ression:An exp ression study of tw ins,“doublemonsters,”and single deform ities and their interaction among embryonic organsduring theiroriginsand developm ent.Am erican JournalofAnatom y,28:115-275.

⑥Sperm ann,H.,(1938)Em bryonic developm ent and induction.New Haven,CT:Yale University Press.

⑦W iesel,T.N.,&Hubel,D.H.(1965)Extentof recovery from the effec tsof visual dep rivation in kittens.JournalofNeurophysiology,28,1060-1072.

⑧Chow,K.L.,&Stewart,D.L.(1972)Reversal of structural and functional effects of long-term visual dep rivation in cats.ExperimentalNeuro logy,34,409-433.

⑨Antonini,A.&Stryker,M.P.(1993)Rap id Remodeling of Axonal A rbors in the V isual Cortex.Science 260,1819-1821.

⑩Kolb,B.(1999)Neuroanatom y and Developm entOverview.in N.A.,Fox,L.A.Leavitt,J.G.W arho l,(ed.)The Ro le of Early Experience in InfantDevelopment.Johnson&Johnson ConsumerCompanies,Inc.p.12.

? Le Grand,R.,M ond loch,C.J.,M aurer,D.,&B rent,H.P.(2003).Expert face p rocessing requires visual input to the righ them isphere during infancy.Nature Neu roscience,6,1108-1112.

? Fagiolini,M.,&Hensch,T.K.(2000) Inhibitory threshold for critical-period activation in p rimary visual cortex.Natu re,404,183–186.

? Bap tista,L.,&Petrinovich,L.(1986)Song developm ent in the white-crowned sparrow:social facto rs and sex d ifferences.AnimalBehavior,34,1359–1371.

? B rainard,M.S.,&Knudsen,E.I.(1998)Sensitive periods for visual calibration of the auditory spacemap in the barn ow lop tic tectum.JournalofNeuroscience,18,3929–3942.

? Jones,K.R.,Spear,P.D.&Tong,L.(1984)Criticalperiods for effectsofmonocu lar dep rivation:d ifferences betw een striate and extrastriate cortex.The JournalofNeuroscience.4,2543–2552.

? Pascalis,O.,Scott,L.S.,Kelly,D.J.,Shannon,R.W.,N icholson,E.,Coleman,M.&Nelson,C.A.(2005)Plasticity of face p rocessing in infancy.Proceedingsof the NationalA cadem y of SciencesofUSA,102,5297-5300.

? LeVay,S.,W iesel,T.N.,&Hubel,D.H.(1980)The developm entofocu lar dom inance co lum ns in norm aland visually dep rivedmonkeys.Journalof ComparativeNeurology,191,1–51.

? Kurt,H.T.(2004)Critical Period Regulation.AnnualReview ofNeuroscience 27:549-79.

本研究得到第 41批中國博士后基金(一等)面上項(xiàng)目(項(xiàng)目編號 20070410041)以及北京市教育科學(xué)“十一五”規(guī)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號ABA 07015)的資助。