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再不动脑, 真的会傻

2018-12-19

中学科技 2018年9期
关键词:脑区皮层神经元

一点都不想动脑

我们不妨假设一种非常极端的情况——如果大脑完全不工作,它会退化吗?

当然,这只能是理想化的思想实验,没有实践的可能。因为心跳、呼吸、消化等维持生命的生理行为都受大脑调控,如果大脑完全不工作,人就不能维持正常的生理功能,更别说动不动脑了。

于是,我们假设不那么极端的情况——在保证人体正常存活的条件下,如果大脑不工作,它会退化吗?答案是“YES”!

根据赫布理论,所谓“学习”指的是大脑中的神经元按照一定的方式相互连接形成特定的网络。如图1就是神经元在学习香蕉概念时的表现。换句话说,学习的过程,就是帮助神经元互相形成特定连接的过程。神经元之间主要通过一种叫作突触的结构来相互连接。大量的研究表明,突触的强度是动态的,它会随着神经元之间通信强度的增减而变强或减弱。如果一个突触经常被用到,说明这是一条重要的“信息公路”,那么这个突触就会变强;反之,如果一个突触很久都不活动,往往说明这条“信息公路”可有可无,这个突触就会自然而然地被修剪掉。

猜猜看,人一生中什么时期的突触数目最多?不是在脑力巅峰的22岁,而是在出生后大约3个月——婴儿的突触数目会在出生后的3个月内暴增20倍!但此时婴儿大脑中的神经元几乎都是随机彼此连接的。你看一张纸写满了字,虽然字数或许远超一本书的字,但它们排列随机,杂乱无章,因此根本不会包含任何有意义的信息。之后,在婴儿发育和学习的过程中,大部分突触会被修剪掉,只留下有用的突触。这就像是用橡皮擦将纸上冗余的字都擦去,只让有用的字有序地留下来,真正有意义的信息就凸显出来了。由此我们可以推断,如果一个大脑不工作(不活动)的话,神经元的突触就会因为久不使用而被统统修剪干净。

大脑偷个懒

我们进一步假设——如果大脑有些部分偷个懒、不工作,会有影响吗?

科学家确实研究过这个问题。在人或猴的大脑的感觉皮层中,接收五根手指信息的脑区按照对应手指的顺序排列。用手术切断猴中指的神经以后,感觉皮层就接收不到中指的输入信息,对应的神经元也就不再活动。过一段时间后再去检测,科学家发现,原本负责接收中指信息的脑区改为接收食指和无名指输入的信息,仿佛这个脑区被旁边的两个脑区侵占了(图2)。这个研究结果表明,“寸土寸金”的大脑是不会允许“空地”存在的。

科学家还做了相反的实验:如果反复刺激猴手指上的一块皮肤,其对应的感觉皮层就会在若干天后变大(图3)。

综上所述,如果一个脑区不工作的话,它就会衰退;如果一个脑区被反复使用的话,它就会得到加强。

等等,让我们再仔细想一想,刚才探讨的是大脑中一小部分不工作的情况,如果有很大的一块不工作,也会被其他脑区侵占吗?

脑区不工作

我们再来假设一种情况——如果人失明或是失聪,大脑的视觉皮层或听觉皮层就得不到刺激而处于失活状态。在这种情况下,大脑会发生怎样的变化呢?

科学家用功能性磁共振成像仪(fMRI)观察失聪者的大脑,以研究这个问题。人的血红蛋白中含铁,而铁离子在磁场中是有反应的,因此通过核磁共振的手段可以了解脑中的血流分布,从而得知大脑的活动情况。

如果给普通人看某些东西(给予一系列视觉刺激),他們的听觉皮层是不会被激活的。但在看唇语以及文字时,因为被试者会在大脑中思考唇语者在说什么,或者默读看到的文字,他们的听觉皮层会被激活。

如果给失聪者看某些东西(给予一系列视觉刺激),他们的听觉皮层会有不同程度的激活,甚至黑白变换的闪烁网格影像这样简单的视觉刺激都能激活他们的听觉皮层。更有趣的是,失聪的时间越长,被试者听觉皮层被视觉刺激所激活的反应就越强。这也暗示听觉皮层被弃置的时间越长,被侵占的程度也就越高。

让“聪明”脑区变大?

既然不活动的脑区可以“让位”给其他脑区,那如果把与思考无关的脑区(比如对应手、脚的)抑制了,剩下的与思考相关的脑区是不是会扩大自己的地盘,人是不是就会变聪明?哎呀,看到这里,你可千万别冲动,去搞什么砍手砍脚的可怕试验……因为大脑分配工作不会这么粗暴简单!

首先,不同脑区所实现的功能不同。用功能性磁共振成像仪等工具来测量你的大脑,当你活动手脚,就会看到运动相关的脑区有反应;当你静下来思考,就会看到另外一部分脑区十分活跃。

其次,这些不同脑区所包含的神经元种类也不同。如果对大脑切片进行染色,可以通过细胞形态、密集程度等特征来找到这些脑区的边界。

在本文图2所示的实验中,无名指和食指的脑区,之所以能侵占中指的脑区,是因为控制手指的脑区都属于运动皮层,其细胞种类相同,功能也类似。控制不同手指的脑区彼此侵占,是有生理基础的。

而具有高级功能(如语言、数学运算等)的脑区,不太可能与控制运动的脑区彼此侵占,因为这两部分脑区的物理距离比较远,神经元很难移动到达。另外,控制这些功能的神经元也可能不同。

所以,想变聪明的同学,还是别想歪门邪道,老老实实多读书、多动脑吧!

脑区之间串个线?

脑区是相对独立的功能单位。例如,视觉皮层主要处理视觉信息;运动皮层则控制运动。这些脑区相互连接,共同工作。比如,当你伸手打蚊子的时候,你就需要通过视觉、听觉的信息来确定蚊子的位置,并实时地调整手的运动轨迹,以最终打中蚊子。人类捕猎的时候,注意力的机制会让和猎物相关的视觉信息更加突出,而其他视觉信息就被相对忽略了。

有意思的是,有一些脑区之间原本没有连接,但由于物理位置接近,会发生信息“泄漏”,就像电话串线。亚里士多德就观察到这样的现象:当从暗室中走到太阳下的时候,他经常会打喷嚏。他认为这是因为他站在太阳下时鼻子被加热了,这个温度差导致鼻腔有异物感,从而让他打喷嚏。

现在科学实验证明,这其实是因为视觉神经从控制面部的三叉神经周围经过,突然出现的亮光刺激的信息会从视神经“泄漏”到三叉神经,从而引起鼻子的异物感,让人打喷嚏,这个过程与温度毫无关系。这种具有遗传性的症状被取了个超级长的名字,叫作“强迫性常染色体显性遗传性光眼激发综合征”(Autosomal-dominant Compelling Helio-Ophthalmic Outburst syndrome),缩写是ACHOO——大声念出来吧,“阿嚏”!

还有一些人身上会发生“看到”气味、“听到”数字等通感现象,这其实都和脑区之间的信息交流有关。

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