周加仙

(华东师范大学心理与认知科学学院,上海 200062)

敏感期的神经可塑性机制研究＊

周加仙

(华东师范大学心理与认知科学学院,上海 200062)

敏感期是指大脑的结构或者功能容易受到特定刺激影响的阶段。敏感期的可塑性机制有轴突的精化、突触的形成与消除、突触的巩固三种。敏感期的启动要达到三个条件:(1)必须提供精确可靠的信息。(2)神经回路必须有适当的兴奋与抑制连接。(3)必须激活神经回路的可塑性机制。敏感期的结束机制也与可塑性的机制有关。

敏感期;关键期;可塑性;神经机制;神经回路

敏感期和关键期是脑与行为发展中的一个重要现象①。敏感期是指大脑的结构或者功能对特定的外部刺激非常敏感的阶段。在这个阶段,大脑特别容易接受经验的影响以促进大脑结构与功能的发展。关键期是指大脑的结构或者功能需要特定的、适宜的经验才能得到持续的发展。如果特定的、适宜的经验没有发生,则大脑某个方面的结构或者功能的发展可能会受到永久的影响。②因此,敏感期强调发展中的某个阶段某些能力容易受到经验的影响与改变,因而敏感期的研究对教育研究者与教育实践者具有重要的价值。关键期强调的是脑功能的不可逆性变化,因此,关键期的研究对临床医生非常重要。本文从广义概念的角度来阐述敏感期,把关键期看作敏感期的一个特例③。在特定的关键期研究中,仍然用 “关键期”一词来表述。

一、敏感期的生理机制研究与新发现

早在 20世纪初,胚胎学、神经生物学就对关键期的生理机制进行了研究④。胚胎学家斯托克特(Charles Stockard)在鱼的胚胎研究中发现,在特定器官的形成期,正常发展受到过冷过热的温度或者有毒化学物质等的干扰后,鱼孵出后就会产生特定的缺陷。而在该阶段之前或之后,则不会对这一器官造成损害或只有很小的损害。发展中的这种特定时期就是关键期。⑤德国诺贝尔生理学 -医学奖获得者施佩曼(Hans Spem ann,1869-1941)等人(1938)考察了胚胎中相同细胞是如何成为神经系统、心脏和皮肤等不同细胞的。他们通过对胚胎中的细胞进行不同位置的迁移研究发现,决定迁移细胞发展的关键变量是迁移时胚胎发展的阶段。胚胎中周围细胞发出化学信息,诱使细胞采用一种特定的发展轨迹。如果细胞在接受这种诱发信号之前迁移,就能发展为其新位置的细胞;如果在它接受这种诱发信号之后迁移,就发展为原来位置的细胞。这种决定性的信息传递给该细胞后,它就不再接受其他信息的影响。施佩曼将胚胎细胞的这种受到环境的影响而采用特定发展轨迹的时间称为关键期。⑥在神经科学中,诺贝尔奖获得者休贝尔(David Hubel)等在小猫的视觉研究中发现,在小猫出生后的三个月里,将单侧或者双侧眼缝合一段时间会致盲,并导致神经回路的连接退化。⑦但是成年猫遭受相同时间的视觉剥夺,甚至更长时间,却对大脑的视觉系统没有产生这种影响,而且在重新睁开眼后,仍然能够运用自如。这些经典的研究不仅为关键期的存在提供了的证据,而且也揭示出它的关键特征:其一,关键期在发展中是短暂的,有明确的起讫时间;其二,关键期的影响是巨大的;其三,在关键期必须出现客观刺激。

但是最近几十年来,科学家对关键期所进行的大量研究改变了人们对关键期现象的这些看法。例如,宙(K.L.Chow)和斯图尔特(D.L.Stewart)关于视觉被剥夺猫的视力恢复试验说明视觉关键期产生的影响可以部分恢复⑧。该研究表明,短期单眼剥夺的猫恢复视觉之后,剥夺眼的感受野接近于正常,神经连接的模式也基本恢复正常。但是长期单眼剥夺则必须在关键期结束前打开剥夺眼才会有一定程度的恢复,而且恢复后的反应仍然是不正常的,双眼的感受野也不匹配。⑨目前的许多研究表明,在适当的条件下,印刻现象、视觉系统等在关键期产生的不良影响可以部分恢复,恢复的程度取决于剥夺的具体时间以及剥夺的情况;某些关键期在缺乏适当的刺激时还可以延长,而且,在某种学习条件下可以逆转。这些研究表明,关键期并不一定在时间上是短暂的,所造成的影响是不可逆的。因此,许多研究者倾向于运用“敏感期”这一术语,尤其在指大脑的高级认知功能时。

二、敏感期的神经可塑性机制

人与动物在行为方面表现出的敏感期现象实际上是神经回路的特征,因为行为是由不同层面的神经回路加工信息而产生的结果。近年来,由于研究技术手段与方法的进步,对敏感期或者关键期的神经机制有了更进一步的认识。敏感期的神经可塑性机制有三种:轴突分支的变化、突触的形成与消除、突触的巩固。

(一)轴突分支的变化

在敏感期,存在着轴突分支增多、新的连接形成的现象。敏感期经验的剥夺则会造成轴突分支减少、长度降低。例如,在敏感期,6到 7天的短期视觉剥夺就会对大脑的神经结构产生影响,使剥夺眼的输入细胞在轴突终端的复杂性方面减少,细胞连接数量减少,而非剥夺眼的轴突终端复杂程度提高,从而产生视觉优势的改变。

(二)突触的形成与删除

在敏感期,突触的形成与删除对神经回路的形成具有重要的作用。突触的形成与删除受到生物化学、营养、遗传以及经验的共同控制。在经验的作用下,特定脑区的突触保持经常而持续的激活可以形成稳定的连接网络,而从来不激活的突触则选择性地被删除⑩。突触的删除可能导致功能的丧失,也可能使信息传递的效率更高。关键期的这种可塑性与成熟脑皮层的可塑性不同,成熟脑的可塑性变化主要发生在树突棘的萌发与萎缩而形成的连接模式方面,而没有对神经突起进行大规模的重新组织。由于成熟脑皮层中的树突分支仍然存在,因此成熟脑皮层的可塑性是可逆的。⑪

(三)突触的巩固

细胞黏附分子对敏感期阶段突触的巩固具有重要的作用。细胞黏附分子是高度稳定的分子。不同类型的突触黏附分子可以嵌入突触,调控突触间隙大小,连接突触前膜与突触后膜,通过改变神经元与神经胶质细胞间的黏附力来调节突触周边胶质细胞(尤其是星型胶质细胞)介入突触作用的程度,从而影响突触传递的效能,增强突触的功能。在敏感期,突触黏附分子对突触结构的形成及维持、突触成熟的调控发挥着多种关键作用。突触黏附分子能通过细胞内信号的相互作用来调节与控制突触的可塑性。这种胞内信号的改变可反馈到突触后膜,通过突触黏附分子调控细胞与细胞的黏附以迅速改变突触的结构和信息传递的效率。

三、敏感期的启动、结束与延迟机制

(一)敏感期的启动机制

敏感期的启动要达到三个条件 :(1)提供给该神经回路的信息必须精确可靠。(2)神经回路必须包括兴奋与抑制等适当的连接。⑫(3)必须激活上述神经可塑性机制。没有达到这三个条件的经验则对神经回路不能发挥作用。

在敏感期初期建立的神经回路是一种初始的连接。敏感期的经验可以对神经回路的精确性与具体性产生重要的影响,形成的特定神经活动的空间与时间模式,导致神经回路的结构与功能产生变化,从而修饰与强化这种初始的模式。这些变化可能改变神经回路所形成的连接模式,形成一种更高程度的稳定,连接模式更精细。因此,敏感期启动之初的经验对形成神经回路的连接具有独特的价值。虽然初始的经验对连接的形成具有如此重要的影响,但是只要是在敏感期之内,后续的经验也可以通过增加或者抵消初始连接的模式而改变神经回路的结构与功能。这种在后续经验影响下而形成的新连接模式需要花费更多的能量来克服初始模式稳定性的影响。反复出现的经验可以修饰与稳定新的连接模式,使神经回路达到一种新的稳定状态。例如,在鸣禽不再向磁带学习鸣叫时,却仍然可以在同成年鸟的交往中学习鸣叫⑬。实验室笼中的经验不再诱发仓鸮的可塑性时,接触自然的条件则会诱发极大的可塑性。⑭

(二)敏感期的结束机制

敏感期的结束机制与可塑性的机制也有关。如果在敏感期内连接模式的变化主要是轴突或者树突的生长,那么丧失轴突或者树突等神经突起生长的各种机制后就会结束敏感期。如果在敏感期内的基本变化是突触的形成或者消除,那么支持这些过程的主要机制的丧失将会结束敏感期。如果敏感期内的基本变化是通过突触黏附分子而形成突触结构的稳定性,那么丧失产生这种分子的能力就会结束敏感期。或者敏感期的结束同时受到这三种因素的共同影响。此外,阻止突触连接发生变化的一些机制也可能导致敏感期的结束。例如,包围轴突的髓鞘效率的降低,在经验的影响下神经回路固定下来而无法改变,神经调质释放水平的降低,神经元对这些神经调质的反应性降低等因素都可能导致敏感期的结束。但是这些因素之间并不是相互排斥的,也可能同时发挥作用而限制敏感期启动后的可塑性,从而导致敏感期的迅速结束。有些敏感期似乎在动物达到性成熟阶段就结束了,如仓鸮声音定位回路的可塑性,某些鸣禽鸟的鸣唱学习,人类语言学习的某些方面等都随青少年向成年的过渡而下降。

敏感期的结束有快慢之分,如人类语言学习的敏感期是逐渐结束的,而有的敏感期则在为个体提供适当的经验后就迅速结束了。这种敏感期主要受内部机制的影响,对特定刺激作出反应。在神经回路对这种刺激有了选择性以后,后续经验的影响就不大了,如禽类脑中负责印刻的回路、鸣禽的鸣唱学习回路等。

不同功能的敏感期结束的时间不同。实验证据表明,执行低级计算功能的神经回路的敏感期比加工高级功能神经回路的敏感期结束的时间更早。⑮例如,负责双眼视像融合以及立体视觉的神经回路的敏感期比负责分析复杂物体的神经回路的敏感期结束时间更早。⑯⑰同样,语言、社会发展以及其他复杂行为的敏感期结束的时间也更晚。敏感期的这种发展顺序是符合逻辑的,因为高级功能需要低级功能提供精确而可靠的信息才能得到发展。

(三)敏感期的延迟机制

在极端非正常的条件下,如果个体没有接触到适于形成神经回路的刺激,敏感期则会延长。如青春期鸣禽鸟没有听过其他鸟的鸣叫,比起那些听过并记住非正常鸣叫的鸟,在发展的晚期阶段更能够记住同种属鸟的鸣叫。同样,在完全黑暗中生活的小猫,与生活在明亮环境中的单眼剥夺或者双眼剥夺的小猫相比,其初级视觉皮层的第四层在延后很久仍然能够转移其眼优势表征。在这两个系统中,完全剥夺延迟了关键期的结束时间。这是因为缺乏相关刺激使神经回路没有得到有效的激活,使得强化与巩固突触的细胞和分子没有迁移。但是即使在完全剥夺的情况下,敏感期最终也会随着发展而结束。在这种情况下,会形成不正常的连接模式,如在敏感期没有听过其他鸣禽鸣唱的鸟,成鸟的鸣唱声是不正常的。人在青少年阶段没有接触过语言,就无法获得语言的使用规则。在临床上,可以运用完全剥夺来延长关键期,从而延长矫正生理缺陷与障碍的时间,以促进脑的正常发展。但是需要注意的是,剥夺也会形成与巩固不正常的连接。

四、结 论

上述研究表明,在敏感期的神经机制方面已经积累了大量的数据,并得出了一些普遍性的规律。大脑中不同神经系统的敏感期具有独特的起讫时间与持续长度。敏感期的启动和持续时间不仅受到年龄的调节,而且也受到经验的调节⑱,是遗传与经验共同作用的结果。许多神经回路在特定环境的影响下形成,因而具有个体的特异性。正常环境经验对于神经系统的特化、精化以及维持神经元间的功能非常重要,而早期异常的经验会破坏神经元的连接,导致功能的永久性丧失。

注 释:

①M 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.

⑪ 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.

⑫ Fagiolini,M.,&Hensch,T.K.(2000) Inhibitory threshold for critical-period activation in p rimary visual cortex.Natu re,404,183–186.

⑬ 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.

⑭ 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.

⑮ 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.

⑯ 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.

⑰ 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.

⑱ Kurt,H.T.(2004)Critical Period Regulation.AnnualReview ofNeuroscience 27:549-79.

本研究得到第 41批中国博士后基金(一等)面上项目(项目编号 20070410041)以及北京市教育科学“十一五”规划重点项目(项目编号ABA 07015)的资助。