周加仙

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

敏感期的神經(jīng)可塑性機制研究＊

周加仙

(華東師范大學(xué)心理與認知科學(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。敏感期的啟動要達到三個條件:(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)回路的可塑性機制。敏感期的結(jié)束機制也與可塑性的機制有關(guān)。

敏感期;關(guān)鍵期;可塑性;神經(jīng)機制;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。在這個階段,大腦特別容易接受經(jīng)驗的影響以促進大腦結(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)驗才能得到持續(xù)的發(fā)展。如果特定的、適宜的經(jīng)驗沒有發(fā)生,則大腦某個方面的結(jié)構(gòu)或者功能的發(fā)展可能會受到永久的影響。②因此,敏感期強調(diào)發(fā)展中的某個階段某些能力容易受到經(jīng)驗的影響與改變,因而敏感期的研究對教育研究者與教育實踐者具有重要的價值。關(guān)鍵期強調(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)鍵期的生理機制進行了研究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,魚孵出后就會產(chǎn)生特定的缺陷。而在該階段之前或之后,則不會對這一器官造成損害或只有很小的損害。發(fā)展中的這種特定時期就是關(guān)鍵期。⑤德國諾貝爾生理學(xué) -醫(yī)學(xué)獎獲得者施佩曼(Hans Spem ann,1869-1941)等人(1938)考察了胚胎中相同細胞是如何成為神經(jīng)系統(tǒng)、心臟和皮膚等不同細胞的。他們通過對胚胎中的細胞進行不同位置的遷移研究發(fā)現(xiàn),決定遷移細胞發(fā)展的關(guān)鍵變量是遷移時胚胎發(fā)展的階段。胚胎中周圍細胞發(fā)出化學(xué)信息,誘使細胞采用一種特定的發(fā)展軌跡。如果細胞在接受這種誘發(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)展為原來位置的細胞。這種決定性的信息傳遞給該細胞后,它就不再接受其他信息的影響。施佩曼將胚胎細胞的這種受到環(huán)境的影響而采用特定發(fā)展軌跡的時間稱為關(guān)鍵期。⑥在神經(jīng)科學(xué)中,諾貝爾獎獲得者休貝爾(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月里,將單側(cè)或者雙側(cè)眼縫合一段時間會致盲,并導(dǎo)致神經(jīng)回路的連接退化。⑦但是成年貓遭受相同時間的視覺剝奪,甚至更長時間,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間以及剝奪的情況;某些關(guān)鍵期在缺乏適當(dāng)?shù)拇碳r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用“敏感期”這一術(shù)語,尤其在指大腦的高級認知功能時。

二、敏感期的神經(jīng)可塑性機制

人與動物在行為方面表現(xiàn)出的敏感期現(xiàn)象實際上是神經(jīng)回路的特征,因為行為是由不同層面的神經(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)手段與方法的進步,對敏感期或者關(guān)鍵期的神經(jīng)機制有了更進一步的認識。敏感期的神經(jīng)可塑性機制有三種: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)驗的剝奪則會造成軸突分支減少、長度降低。例如,在敏感期,6到 7天的短期視覺剝奪就會對大腦的神經(jīng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,使剝奪眼的輸入細胞在軸突終端的復(fù)雜性方面減少,細胞連接數(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)驗的共同控制。在經(jīng)驗的作用下,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

細胞黏附分子對敏感期階段突觸的鞏固具有重要的作用。細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)細胞間的黏附力來調(diào)節(jié)突觸周邊膠質(zhì)細胞(尤其是星型膠質(zhì)細胞)介入突觸作用的程度,從而影響突觸傳遞的效能,增強突觸的功能。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)控細胞與細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、結(jié)束與延遲機制

(一)敏感期的啟動機制

敏感期的啟動要達到三個條件 :(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)可塑性機制。沒有達到這三個條件的經(jīng)驗則對神經(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)活動的空間與時間模式,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。因此,敏感期啟動之初的經(jīng)驗對形成神經(jīng)回路的連接具有獨特的價值。雖然初始的經(jīng)驗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)驗影響下而形成的新連接模式需要花費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)驗可以修飾與穩(wěn)定新的連接模式,使神經(jīng)回路達到一種新的穩(wěn)定狀態(tài)。例如,在鳴禽不再向磁帶學(xué)習(xí)鳴叫時,卻仍然可以在同成年鳥的交往中學(xué)習(xí)鳴叫?。實驗室籠中的經(jīng)驗不再誘發(fā)倉鸮的可塑性時,接觸自然的條件則會誘發(fā)極大的可塑性。?

(二)敏感期的結(jié)束機制

敏感期的結(jié)束機制與可塑性的機制也有關(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)突起生長的各種機制后就會結(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制的喪失將會結(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結(jié)束敏感期?；蛘呙舾衅诘慕Y(jié)束同時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,也可能同時發(fā)揮作用而限制敏感期啟動后的可塑性,從而導(dǎo)致敏感期的迅速結(jié)束。有些敏感期似乎在動物達到性成熟階段就結(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體提供適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗后就迅速結(jié)束了。這種敏感期主要受內(nèi)部機制的影響,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)驗的影響就不大了,如禽類腦中負責(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)束的時間不同。實驗證據(jù)表明,執(zhí)行低級計算功能的神經(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)束的時間更早。?例如,負責(zé)雙眼視像融合以及立體視覺的神經(jīng)回路的敏感期比負責(zé)分析復(fù)雜物體的神經(jīng)回路的敏感期結(jié)束時間更早。??同樣,語言、社會發(fā)展以及其他復(fù)雜行為的敏感期結(jié)束的時間也更晚。敏感期的這種發(fā)展順序是符合邏輯的,因為高級功能需要低級功能提供精確而可靠的信息才能得到發(fā)展。

(三)敏感期的延遲機制

在極端非正常的條件下,如果個體沒有接觸到適于形成神經(jīng)回路的刺激,敏感期則會延長。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。在這兩個系統(tǒng)中,完全剝奪延遲了關(guān)鍵期的結(jié)束時間。這是因為缺乏相關(guān)刺激使神經(jīng)回路沒有得到有效的激活,使得強化與鞏固突觸的細胞和分子沒有遷移。但是即使在完全剝奪的情況下,敏感期最終也會隨著發(fā)展而結(jié)束。在這種情況下,會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間,以促進腦的正常發(fā)展。但是需要注意的是,剝奪也會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)的敏感期具有獨特的起訖時間與持續(xù)長度。敏感期的啟動和持續(xù)時間不僅受到年齡的調(diào)節(jié),而且也受到經(jīng)驗的調(diào)節(jié)?,是遺傳與經(jīng)驗共同作用的結(jié)果。許多神經(jīng)回路在特定環(huán)境的影響下形成,因而具有個體的特異性。正常環(huán)境經(jīng)驗對于神經(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)驗會破壞神經(jīng)元的連接,導(dǎo)致功能的永久性喪失。

注 釋:

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.

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