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Neuron:人类大脑的早期发育
发布者:admin 发布时间:2019/10/17

人类婴儿时期的大脑是目前已知的能掌握自然语言的系统;该系统能开发出明确的、具有象征性的、且可传播的知识体系来表达外界。随着无创脑成像技术的出现,我们现在可以接触到这些早期成就背后独特的神经机制。到目前为止,有大量的证据表明:神经和认知发展相关的研究对了解人类神经基础的真实面貌、人类与动物的根本差异是极为重要的。但我们发现,迄今为止,世界上没有一个大型的以大脑发育作为主题的脑研究项目。

针对这一问题,巴黎萨克雷大学和哈佛大学的两位研究者G.Dehaene-Lambertz.E.S. Spelke对婴儿大脑发育的相关研究成果进行了高度概括。在这篇文章中,作者先简述了婴儿在语言和数字领域的早期认知能力;然后回顾了最近的发现,这些发现强调了人类婴儿和成人的神经结构间的强连续性,尤其是早期的大脑半球不对称和额叶区域。最后,作者提出,探究早期学习的优势和局限性,以及与脑区成熟阶段相关的脑动力学研究,可以更好的理解人类认知成就的来源。 

 

正文

在人类身上观察到的显著而复杂的认知功能并不是在成年后突然出现的,而是经过20多年的发展形成的。几个世纪以来,人们一直认为婴儿的心灵状态是空虚的或困惑的。但认知发展相关研究一再表明,虽然婴儿的运动行为能力有限,但在出生后的前几个月中,婴儿的认知能力有大的提升。这种早期的能力反映了婴儿在学习通路上超过其他动物。并且,该通路已经具备了人类成年人学习和认知的一些特征。

在一些如语言的领域,婴儿甚至比成年人学得更好。在其他一些如数字认知的领域,婴儿虽然在数学知识的扩展发展过程中要落后于成年人,但他们已经开始建立起一条从与其他动物共享的核心能力到人类独有的抽象知识的道路。长期以来,这些早期能力背后的神经结构一直处于未知状态;但随着无创脑成像技术的发展,已能够对婴儿、成人和动物的大脑功能结构差异进行比较。 

婴儿期的语言

语言是人类认知复杂性的典型例子,在这个领域可以发现许多人类婴儿早期能力。因为婴儿口语发展缓慢:从能发声到无意识的咿呀学语,再到大约出生后的第一年结束才能说出第一句话,到大约两岁才能说出含有大量词汇的的话语。所以直到最近,这些婴儿早期语言能力才被发现。通过精心设计的实验表明,婴儿的接受能力远远好于他们的语言输出能力,并呈现出三个关键特征。

首先,早在任何有效的语言输出之前,婴儿就对他们的母语中用来创造单词和句子的特定声音和组合非常敏感。他们在出生时就能辨认出自己母语的韵律,并在出生后的第一年建立起自己母语的语音体系,从对母语元音的敏感开始,逐渐发展到辅音,再到母语单词中允许的音素组合。这些发现说明,婴儿能熟练和渐进的分析不同层次的语言,以此发现和学习熟悉的语音模式。

其次,婴儿推断抽象语言结构的能力。婴儿很快对词类变得敏感,在6个月大的时候就能记忆母语中出现频率最高的词,在7个月大的时候能使用已记忆的高频词来理解语流。到12个月大时,功能词和语法后缀在婴儿中的地位已不同于开放类词和语素。24个月大的幼儿在说出完全符合语法的句子之前,会分析句子的句法结构,并在句子不符合语法时显示与错误事件相关的反应。

最后,早期能力对语言习得至关重要。在说话之前,婴儿就开始把单词和他们所指的事物联系起来。大约6个月,婴儿开始理解一些表示人的实词(妈妈爸爸”)、物体(瓶子”)和动作动词(拥抱”)。当两个物体(例如一只脚和一个苹果)的图像并排显示在电脑屏幕上时,6个月大的婴儿更倾向于看着他们母亲说出的物体,如“ X在哪里,看X ” 这样的句子命名的物体,而不是另一个物体;在婴儿一岁左右时,他们能听懂大约50个单词。在实验室里,婴儿在4个月大的时候就会把单词和视觉形状联系起来(如,“bubu”和一个弯曲的形状;“kiki”和一个有棱角的形状)6个月大时,他们利用韵律和统计的线索从一个句子中提取一个不常见的单词,并将其映射到一个视觉参照物上。更常见的是,语言标记促进了婴儿对对象的分类 3 个月大的婴儿看几个类别(如:恐龙或鱼)后,如果给他们看一个不属于熟悉类别的新的恐龙或鱼,只要与类别中的每个熟悉成员有相同标签,那么婴儿会更关注这个新的恐龙或鱼。有趣的是,对于这些年幼的婴儿来说,语言标签在这项任务中比语调变化和顺序颠倒的语言表示更加有效。语言标记还有助于14个月大的婴儿在工作记忆中记忆物体的表征。因此,语言很早就开始培养人类婴儿对周围世界信息的处理能力。

在第 2年结束的时候,幼儿可以利用单词和事物之间的关系来学习他们语言的语法。在一个实验中,幼儿首先听来自个列表的 4 个不熟悉的单词(erd  deechushcoomo) 构成的 32个句子。其中一个列表由单音节名词组成,单词前总有音节( ongerd 例如ong  deech );第二组单词由双音节的名词组成,前面有altush ( ush coomo)。然后,展示了六张不同的动物或车辆图片,每个类别的单词都与一个列表关联(例如,动物与双音节单词)。这些幼儿较长时间看图片,随后会因为图片与单词列表匹配错误(如在例子中,车辆图片与一个双音节词对应)而表达出惊讶的情绪。而对照组的情况则不同,对他们来说,唯一的区别是,在句子最初出现时,音节与单音节或双音节单词之间的联系并不一致。因此,一旦婴儿学会了在名词之前的四个音节的应用条件,他们就能够将这两个互补的范畴与视觉范畴相匹配。这个例子说明了婴儿在不同概念领域的分布分析的通用性和单词到物体的快速映射能力。相似的机制可能是名词与宾语、动词与动作的匹配,因为宾语和动作在概念上是不同的,名词和动词与表示冠词和代词的特定音节则有互补的联系。 

 

早期语言学习的机制

所有这些实验室实验都是在几分钟内进行的,没有预先训练。因此,它们揭示了在语言学习和认知发展中很容易获得的能力。这些研究提出了两种主要的机制来解释婴儿的成功:语音输入的统计分析和对抽象模式的敏感性。在这方面的研究中,里程碑式的研究是萨弗兰(Saffran (1996)的研究,他的研究表明婴儿有很强的能力去发现语音的统计特性,从而发现其母语的语音库,将连续语音流分割成单词,在音节之间建立长距离关系,从而推断出单词的语法分类和词义。

其中一些能力也在动物身上得到验证(例如,绢毛猴和老鼠),从而表明了分布分析的普遍性。然而,对人类婴儿来说,值得注意的是这些分析在不同语言层次上的同时效率,以及幼儿使用的语言信息的特殊组合。例如,为了构建封闭类的词类别,婴儿必须注意具有特定声学特性(低强度、短持续时间、弱重音、特定音素分布)的音节的共同出现,以及它们在韵律域中的重复位置。儿童还能将视觉对象的统计结构与特定视觉信息的上下文中嵌入的高频语音事件的再次获得联系起来。

婴儿统计学习的优势和局限性揭示了语音输入是如何在婴儿大脑中被引导的,因为计算的可能性是由神经结构构成的。例如,婴儿只能在有限的韵律域范围内发现语音流中的单词,而且只能在统计结构根据其他语音线索进行加权时才能发现。因此,韵律层次结构的不同层次可能对应于不同的神经单元。颞上回可能是这种处理层次的基础。精确描述婴儿语音统计分析的特征,以及日益逼真的人类婴儿功能结构模型,可以为语言习得模型提供信息。

Marcus等人 (1999) 提出了另一种语言习得机制:7个月大的婴儿对三音节的抽象模式非常敏感。在这个实验中,婴儿在短时间内熟悉了具有相同结构的三音节单词后(aab,第一个音节的立即重复;或aba,第一个音节后的延迟重复,对这两类词的辨别超过了所呈现的特定音节的变化。因为婴儿将他们的学习推广到新的音节,这些发现表明了婴儿对代数模式的敏感性。随后的研究表明,婴儿的代数能力最初可能局限于对即时重复的检测,但他们对重复的敏感性可以应用于抽象表征。特别是,7个月大的婴儿可以学习重复结构的层次结构。在这个实验中,婴儿首先听三个三音节单词组成的句子,每个单词都是abaabb。这些词被组织成一个ABB结构的句子,如abaabbabb;这样句子末尾两个不同的词有相同的重复结构。随后,当婴儿们看到的句子中,单词被组织成AAB结构(abbabbaba)时,他们发现重复结构中出现了二阶变化,当说出新类型句子时,他们看说话人的时间更长了。虽然他们只在重复词语中包含相邻的重复时才检测到二阶的规律性(abbabaaba句式中失败了),但这项研究表明,婴儿在出生的第一年就可以理解嵌入结构。这再一次体现,语言似乎具有特殊的地位。因为5个月大的婴儿无法在非语言材料中检测到代数模式(例如,声调和视觉图形),除非该材料之前有相同结构的单词。

检测与使用类别标签相关的代数模式的能力表明,人类婴儿可能能够获得符号表征和递归规则。成年人通常使用符号系统(例如,语言、数字、编码、代数公式)来表示外部世界的各个方面,我们可以轻松灵活地将符号映射到对象,反之亦然。我们的象征性思维可能依赖于人类神经结构中物种特有方面,尤其是联合皮层区域的扩大和新的长距离纤维束的发展,如弧形束。与额叶之间更有效的连接和更长的记忆缓冲可能导致更抽象的结构的发现,使人类能够用一个符号系统来代表外部世界。这种可能性为人类大脑和认知发展的研究提出了问题。什么时候这种体系结构的成熟足以支持婴儿的符号表征?婴儿在多大的时候能自然而有效地使用符号来获得抽象概念?在回答婴儿的大脑是否支持以及如何支持这些符号功能之前,先看看人类婴儿表现出的另一种天赋:数字认知。这种天赋与更大年龄阶段的语言和符号有着密切的联系。 

数字认知

自然数概念系统是人类独有的,在人类文化中可能是普遍存在的;但在对不同文化中的儿童进行测试的研究中,发现直到童年中期(4-10岁)它才被表达出来。然而,这个系统的根源可以在新生的人类婴儿和不同物种的动物中找到。婴儿和动物都抽象地表示数字,尽管不精确。例如,给新生儿看一组412个不同的音节的序列(ba-ba-ba-bati-ti-ti-ti),他们在412形式的视觉数组之间表现出可靠的视觉偏好:就像成年人倾向于看我们听到的事件新生婴儿会更长时间地注视与听觉序列在数量上对应的视觉数组。因为这些视觉和听觉序列在模态、格式和许多低级感知变量上是不同的,所以这种视觉偏好为婴儿对抽象数字的敏感性提供了证据。

虽然数字表征的准确性和稳健性随着年龄的增长而提高,但在人类婴儿中发现的数字表征在所有年龄阶段都具有相同的五种属性。

首先,它们是近似的并且比例有限:只有当数值矩阵的差异在32之间时,新生儿的数值敏感性才明显;随着婴儿期及以后的发展,临界比率逐渐降低。

其次,支持近似加减运算、数值排列、比较运算、比例推理。

第三,这些表示法与空间量的表示法相联系,特别是长度,其形式可以支持数轴的普遍发现和使用。例如,新生婴儿倾向于将数组中对象数量的增加与相应行的长度的增加联系起来。

第四,近似数表示形式形成缓慢,并随着发展而加速。

第五,当婴儿看到一组物体时,近似数字的表象与该物体中个别成员的表象抢夺注意力;当展示少量的物体时,个体的表象通常会获得注意力,尽管他们并不总是这样做。

所有这些特征都在年龄较大的儿童和成年人以及非人灵长类动物、啮齿动物、鸟类和鱼类身上发现过。因此,在整个人类发展过程中,近似数字的表达是存在的,而且是起作用的,它们依赖于一种机制,这种机制的进化可能远远早于我们人类物种的出现。

从第或第年开始,孩子们开始学习数词。尽管进行了深入的研究,数字词的学习过程仍未被很好地理解;但很明显,这一过程涉及了在婴儿期出现的近似数字表示系统。虽然成年人用数字词来指定确切的基数值,但儿童的第一个数字词可以引出近似数字意义的表示。此外,六个月大的婴儿在非象征性数字辨别测试中的表现可以预测他们在三岁时对数字的掌握程度。无论成人还是儿童,如果他们首先被要求对非符号数列进行运算的任务启动,他们就能更快地、更准确地解决符号数学问题。这些发现有力地表明,人类独特的数学天赋是建立在漫长的系统发育和个体发育历史的系统之上的。

在四五岁的时候,大多数工业化国家的孩子已经掌握了数数的技巧和数字单词的确切含义。大约在这个年纪,孩子们形成了精确的数值平等的概念;他们可以在没有任何数字的情况下使用:当数组中有5个或6个对象时,这些孩子能作出如下判断:如果添加或删除一个对象,数组在数量上会发生变化;但在添加一个对象的同时删除另一个对象,数组的数量不会改变。相反,年龄较小的孩子能进行如下判断:删除相同的单个元素并将其返回到数组中,则这个数组的大小不会改变;但他们无法判断,如果删除一个元素并添加另一个不同的元素,则该数组的大小保持不变。这种对比证明了儿童数字概念的质变,一些研究者认为这种质变标志着自然数系统的出现。

精确数字平等的抽象概念与儿童对精确数字词汇的发展密切相关,这表明对人类独有的自然数概念系统的掌握在某种程度上与人类对自然语言的独特掌握有关。为了支持这一观点,在世界上的每一种文化中都发现了自然数系统,包括在一些限制数字词汇的文化中。此外,尽管生活在听力环境中却很少接触传统语言的失聪人群接触过以金钱和测量设备形式出现的阿拉伯符号,但他们缺乏自然数系统的关键方面。但是,截止目前为止,这些研究没有揭示出语言在自然数概念的出现过程中所起的作用,也没有揭示这些概念的发展过程

婴儿在不同领域获得知识的能力非常突出。从出生开始,他们就学习物体及其机械相互作用、生物运动、人及其行动和目标,以及抽象的实体,包括数字、几何形式和关系、概率、交流和精神状态。在所有这些领域,知识的发展从婴儿期早期就开始了,并在此后以一种集中于人类特有的明确的、象征性的、可传达给他人的知识体系有规律的模式展开。 

婴儿神经结构研究的前景

综上所述,人类婴儿能够处理不同的语音水平,并自然地将单词与概念联系起来。他们还能够形成一些在学龄前发展成人类特有的抽象知识系统的概念。最后,婴儿的语言和知识系统是同步发展的,在许多情况下,它们是紧密交织在一起的。是什么让人类走上了这条发展之路呢?

虽然行为研究为婴儿早期能力带来了重要的发现,但对于为什么只有人类才发展出表达抽象概念的系统这一问题提供的答案是有限的。几乎所有在人类幼儿身上所描述的能力都曾在动物身上出现过,这引发了关于人类独特成就来源的持久争议。这些争论忽略了:人类婴儿的大脑是唯一已知的能够有效地掌握一门自然语言,并在任何正式指令之前,在短短四五年的生命中发展出像自然数这样的知识体系的生物基础。仔细研究人类婴儿认知成就的神经基础,有望揭示支持这些能力和发展的特定神经结构,为这个老问题提供新的解决方案。

我们刚刚开始这项研究获得的信息也很有限,因为很难把婴儿想象成从事认知任务的人。造成这些困难的部分原因是年轻受试者的依从性低,涉及对婴儿进行大量训练的研究是不切实际的,并且无法对婴儿进行口头指示。进一步的困难来自于婴儿大脑的体积小和不成熟,这影响了MRI图像和脑电活动的特征。今天,我们能够通过脑磁图和功能磁共振成像技术获得大脑的结构像和功能像,从而对处于认知最初阶段的早产儿甚至活体胎儿进行探究。在功能性脑成像研究提供描述性观点之前,先快速描述妊娠最后几周中人类大脑的结构性发育,以便首次了解婴儿认知能力背后的可用神经资源。 

人类大脑发展简史

正常妊娠期是经后282(±13),即孕周(wGA40周。但是早产婴儿可能只有28个孕周,甚至23个孕周;他们将面临神经和认知损伤的风险增加。在妊娠的最后三个月,典型人类大脑的复杂皮质褶皱 (1A) 与神经元的最终迁移平行发展。在32 孕周后,皮层的六层分层变得完全可见,所有神经元在足月时就位。与其他灵长类动物一样,人类的产前发育的特征是亚板神经元区域的扩张,迁移的神经元和等待传入的纤维在此建立起无数短暂的连接。第一个突触出现在23-26 孕周的皮层板周围;在28-32 (孕周)wGA时,大量的传入神经纤维从亚板到皮层板大规模移位。在这段时间里,我们观察到一种对皮层组织至关重要的瞬态电路:丘脑传入神经将留在亚板上的先产生的神经元和皮层板上的目标锥体细胞连接起来,以放大输入信号。中间神经元在它们控制锥体细胞之后到达相应位置。小清蛋白抑制性中间神经元是学习所必需的,在26(孕周)wGA前还未分化,并且在至少10个月的后期才由内到外缓慢发育.

在妊娠的最后三个月,除了从妊娠的第二个月三个月开始发展的长程连接途径外,还快速出现了短程连接,并在29-34孕周期间通过弥散张量成像( DTI )/弥散谱成像( DSI )被清楚识别了。在灵长类动物中,主要来源于上颗粒层的前馈的皮质-皮质连接在出生前就开始发育,其特异性已经很明显,因此在出生后轴突分支已经基本形成。相比之下,来自下颗粒层的反馈连接则相对缺乏特异性,长期的重构阶段通过大量消除轴突分支来改善连接模式。通过测量来自上皮层和下皮层的连接比例,可以将大脑区域划分成一个处理层次。尽管反馈连接在长期阶段内发育改变,但与猫和啮齿类动物相比,灵长类动物的这种层次结构在产前就已明确。

分娩后(1),大脑体积在出生后的前两年的增长速度持续加快 (在前个月每周大约0.4 cm的颅径);在出生后的前三个月中,在整个大脑中观察到与强烈的代谢变化相关的突触形成和轴突生长。突触形成扩大了皮质柱,纤维髓鞘形成扩大了白质。随后,在人类中以较慢的速度持续20多年,这种变化在区域和系统之间有很大的异质性。例如,初级视觉皮层在生命的前三个月与光辐射的髓鞘化同时迅速成熟(4A),而初级听觉皮层和声辐射(acoustic radiations)的成熟则延伸到生命的前三年。额叶区域和皮质-皮质连接在青春期之前持续发育成熟,但所有相关区域在出生后第一年均已观察到髓鞘形成(1C)

这些证据说明,大脑成熟不是一个线性过程,不同区域成熟模式的实现速率不同。将成熟限制在突触形成和髓鞘形成显然过于简单,因为它忽略了神经元分化、神经递质调节和神经胶质的作用。

1所示人类大脑发育的图像

(A)皮质折叠。主要发生在妊娠的最后三个月(皮质内表面由MR图像获得)

(B)灰质成熟。将归一化的T2加权信号投影到颅内表面的三维重构中。主要脑区(中央沟、颞回和枕极)是最成熟的区域(黄色)。值得注意的是,在生命的最初几个月里,额下区域相对比颞中区域更成熟。

(C)白质成熟。在死后的大脑中,髓磷脂染色显示了在妊娠早期前(三个月)脊髓束的形成过程(上图)。左下:不同年龄段的轴向扩散张量图像(DTI)。弥散张量成像提供了几个对髓鞘形成敏感的参数。髓鞘形成降低了弥散性,特别是横向弥散性(在图像中,白质变得更暗和更蓝),并增加了部分各向异性(FA;白质变白)。主张量特征向量的方向用颜色表示(红色,右-;绿色,-;蓝色,-)。右图:一个6周大的婴儿和一个成年人的长期联合束的图示显示了相似的结构。

 

正在发育的大脑的功能结构

成熟的认知依赖于一套专门的模块,这些模块大量地并行和层次化,以越来越复杂和抽象的表现形式逐步地整合并细化环境特征,这种模式从初级皮质内的低级别的处理器到联合皮层内的不同模式处理器都有所体现。在额叶、顶叶和扣带回之间的第二个长程连接系统形成了一个更高层次的空间或全局神经元工作空间,将这些模块连接起来,并在几秒钟内保持对它们提供的信息的访问。

关于人类大脑成熟的普遍观点强调,初级区域的髓鞘形成和突触形成的速度相对于高级区域更快。这种观点支持自下而上的认知发展观点,即单纯的感觉和反射性使得婴儿逐渐获得越来越多的抽象思维。与此形成对比的是,过去十年的研究使用不同年龄的健康婴儿的大脑功能成像技术,揭示了一个更复杂的神经发育模式。这项研究挑战了传统教条的几个方面,为人类学习和认知发展提供了新的视角。

作者概述了三组研究发现,提供了以下证据:

(1)复杂的功能性组织是在妊娠的最后3个月开始形成的;

(2)额叶区域的活动有助于婴儿的认知加工;

(3)左右半球不对称现象在人类大脑发育过程中出现的较早、较显著。 

 

早期的功能性组织

在妊娠早期6个月时,脑电图(EEG)记录了婴儿脑中高低电压交替出现的活动状况,这称为“迹交替”(‘‘trace alternant ’’)。从35孕周开 始,随着脑功能回路的建立和丘脑对皮层的影响,脑电图变得更加连续和左右同步。血氧水平依赖 (BOLD)响应的缓慢振荡已经可以划分出不同的区域,并且在26-43孕周之间的婴儿中已经分离出一组与成人相似的功能网络。这些静息态网络并不局限于主要脑区,而是包括默认网络和执行控制网络。这两个网络,虽然一开始是分散的,但到目前为止已经是成人脑网络了。值得注意的是,当脑电图左右同步度很差时,这些网络中有许多是由强烈的半球间相关性组成的。未来的研究应该探索在这个年龄的BOLD 响应和神经活动之间的关系。无论如何,这些研究证实,人类成年功能性血流动力学系统在妊娠最后三个月就已有其根源。这些网络中的自发活动可以利用这个功能架构进行早期学习。此外,婴儿在妊娠末期和出生后第一年的大部分时间( 40%-60% 的睡眠时间)都处于活跃的睡眠状态,这可能会被用来探索这种功能性架构所提供的可能性。

对婴儿大脑进行刺激反应的跟踪研究揭示了信息在特定路径上的早期通路。不匹配/启动范式是研究这一体系结构的强大工具;在这种范式中,一个新的刺激是在一系列重复刺激之后引入的。通过操作哪些特性被重复或更改,从而检测受试者在何时何地注意到这种更改,这种方法可以针对不同级别的表示。使用这种带有事件相关电位(ERPs) 的范式,研究表明,婴儿和成人一样可以独立于无关的声学特征来计算语音表征。

独特的功能反应从早期就可以观察到(2)。妊娠30周的早产儿对辅音变化(/ba/ vs /ga/)有反应,使用近红外光谱(NIRS)可以记录到在大脑两侧的颞上回和额下回的大量区域有明显反应。声音变化(男性到女性)的反应仅限于右下额叶区域。这些结果在脑电图中得到了证实:语音变化引起的不匹配反应比音素变化引起的失配反应更弱,也更不成熟。因此,从第一次接触外部世界开始,外部刺激的不同特征就通过不同的网络进行处理。这种通道依赖于脑区的局部计算特性以及它们与感觉系统和上部区域的连接,研究者需要更好地理解这些特性。人类听觉联想脑区中有利于时间特征的听觉处理的特殊形态可能在30wGA(孕周)中就已经被指定。

2早产儿大脑组织

注:上图中中间的部分是近红外研究的结果脑地形图,ch12ch5是指近红外的通道所在的位置,上面是音素变化的激活状况,下面是声音变化的激活状况,左边的图是左侧额下回的激活变化,右图是右侧额下回的激活变化。这个实验中,音节以20秒为一组(即一个block)block之间为40秒的间隔呈现。在标准组(ST)中,重复相同的音节,在偏离组(D)中,音节发生三次变化(DP组是音素变化:baga;DV块中的声音是从男性到女性的声音变化)。左侧额下回区域只对音素的变化作出反应,而右侧区域对这两种变化都有反应。响应稳定在年龄范围(28-32孕周),可以看到在相似的响应最年轻(平均年龄:29 孕周)和最大的婴儿(平均年龄:31 孕周,)



额叶区域在婴儿认知中的参与

那些认为随着大脑的成熟,大脑从低级到高级区域的发展是渐进的组织化和专门化的研究者,经常指出额叶区域的发展是长期的,而额叶区域通常被认为是不成熟的,对婴儿来说没有功能。脑功能成像最重要的结果之一就是证明了这种观点是错误的。关于髓鞘形成,尸检数据早就显示,在颞极之前,额极已形成髓鞘。Leroy等利用MRI T2加权像(T2w) 信号作为成熟指标,最近报道了额下区比颞上沟边缘区域更成熟,与颞面一样成熟(1B)。静息态网络包括了从胎儿时期开始的额叶组成部分,使用刺激的研究也报告了额叶的强烈激活,甚至在早产儿中也是如此。

此外,不是整个额叶都有反应,而是根据任务涉及到不同脑区 (3):如,在前额叶正中和眶额额叶中可以观察到对母亲声音和一个未知的女性声音的不同反应,类似于成人对熟悉或不熟悉的刺激激活。母语韵律轮廓的长期记忆伴随着背外侧前额叶脑区相对于顶叶下脑区的激活,而顶叶下脑区是成年人语音存储的位置。而当工作记忆被激发时,显著的反应是在额下脑区中观察到的。因此,这个巨大的脑叶被分成不同的功能区域,在婴儿的认知中扮演不同的角色。

额叶区域的早期参与可能是解释人类学习的关键。正如Tenenbaum等人提出的,如果学习者具有多个嵌入的假设空间,层次预测模型可以同时在不同的层次上学习。这样的模型在从稀疏数据中学习抽象时特别快,在更高层次上的学习曲线更快。这是因为它们在较低层次上汇集了来自多个子系统的证据。这些知识紧接着限制了较低级别的过程。但是,一个重要且悬而未决的问题是,分层的、平行的、多层次的学习是否在婴儿期就已经开始了?

尽管目前对婴儿大脑成像的研究发现中描述了额叶的激活,但这些激活可能只发生在处理层次的顶端。然而,这个观点与在灵长类动物出生前观察到的先天结构层次是一致的,而Emberson等人发表的一项研究表明,对刺激的预期会产生自上而下的激活,向下延伸至57个月大的婴儿的感觉皮质。在这项研究中,婴儿习惯视听刺激对的刺激,试验中随机小概率的省略声音后的视觉刺激。在这些特殊情况中,近红外光谱成像记录了枕部的激活,这与有视觉刺激时记录的激活类似;而在没有接收任何视听对,只接收视觉或听觉刺激的对照组中没有观察到这种激活。在本研究中,额叶区域没有被监测到,但这项研究提供了一个初步的测试,在婴儿阶段,层次模型的有效性和自顶向下的调制在早期学习中的作用。

3 2- 3个月大的婴儿额叶的激活取决于不同的任务。

(A)当婴儿醒着而不是睡着时,他们的右脑背外侧前额叶区域会被记录到一个更强的激活。

(B)听短句激活了颞上区和额下区。当相同的句子(图上的蓝色矩形)重复14次时,Broca's area 活动增加,表明这是一种有效的短时记忆。

(C)功能磁共振成像对婴儿自己母亲的声音(图中的绿线)或另一位母亲的声音(蓝线)的反应。前额正中区和眶额区在声音上有显著差异,与成年人对熟悉/不熟悉刺激的反应一致。

 

最后一个感兴趣的问题是:在多大年龄的人有可能有意识地接触刺激,以及接触刺激有哪些好处。这个问题的一个可行的实验方法是:定义成人意识通路下神经反应的功能特性,然后测试婴儿是否具有相同的功能特性。在使用事件相关电位的成年人中,一些实验范例已经将P300的激发与有意识注意到刺激的口头报告联系起来。相比之下,早期的一些因素,如听觉Odd ball范式中的失配负波,在睡眠中甚至在某些昏迷状态中仍被记录下来。因此,在成人中产生P300的实验条件可以用来测试婴儿的神经反应,而P300的功能等价物可以作为评估婴儿意识的符号标志。使用这种方法,一个有层次的神经反应已经可以在生命的最初几个月被证明,但是具有明显的延迟反应,大约延迟1秒。这些迟来的慢波可能与成年人的P300相对应。例如,Kouider 等人记录了婴儿在观察高于或低于其视觉阈值的面孔时的事件相关电位(ERP),报告了两种类型的反应(4B)。首先,婴儿面部典型的ERP反应P400,其振幅和持续时间随面部呈现时间呈线性增加。第二,只观察到阈上面部表现的迟发性慢波,表现出一种全有或全无的效应,这类似于成年人感知到掩蔽刺激时P300振幅的非线性增加。该反应表现较弱,在5个月时开始约为900 ms,但在第一年末为750 ms时更为持久和明显。这些发现表明,意识通路的大脑基础在生命的第一年就已经有了一个清晰的额叶组成部分。可以推测,这种有意识的通路对婴儿的作用和对成人的是一样的,只是速度比成人慢很多。

年龄对事件相关电位延迟的影响

 

大脑结构的新维度:左右半球不对称

人类成熟大脑的一个重要特征是其结构和功能组织的不对称其语言主要依赖于左半球,社会认知主要依赖于右半球。在胎儿和婴儿时期,结构不对称是沿着两个维度观察的,即解剖学层面和成熟进程层面:将扭曲上颞区的推动右半球在左半球上方和前部的Yakovlean torque 是在胎儿大脑中被观察到的(图5)。即人类大脑右半部分相对于左侧略微向前弯曲,而左侧相对于右侧略微向后弯曲的倾向。

由于白质纤维束的结构改变了水分子的运动,弥散张量成像序列可用于研究大脑纤维束(1C)。维持不对称人体功能的两个主要纤维束,即皮质脊髓束(偏手性)和弓状脊髓束(语言),在成人和在婴儿的前个月研究中,左侧具有更高的各向异性 (5C)。因为这个年龄段的婴儿的运动和语言能力非常差,这些发现表明这些不对称是先天存在的,并不是由功能发展引起的。

大脑半球不对称的第二个维度与发育脑区进程有关:相较于左半球,脑沟通常早1-2周出现在右半球。 这种结构特征结合右半球休息时大脑血流更大和刺激时右半球血流动力学反应更大,被解释为右半球发育的一个进步。T2加权MRI信号对体素中的游离水敏感。T2像在生命的第一年变暗,因为髓鞘形成和突触形成导致膜的增殖减少了灰质体素中游离水的比例。Leroyet等人通过这个特性可以在体素层面量化成熟的灰质,结果表明:在出生后的第一个月,右侧颞上回比左侧颞上回成熟得更快(5B),但额下回呈现相反的趋势(左额先于右额)

在白质中,髓鞘化使轴突增厚,从而限制水分子对纤维追随,导致横向扩散率降低,最终增加了用弥散张量成像MRI序列测量的两个参数的分数各向异性。一旦这些指标被成人的值标准化,就有可能在发育过程中比较左右器官的发育速度。除了上一段所强调的结构差异外,左弓状束比右弓状束成熟得更快(5C)此外,Leroy等人发现弧形束的成熟与额下回和颞上沟后部的44区成熟相关。因为这三个结构是成人语音循环的关键通路,这些发现补充了fMRI的发现,即婴儿3个月大时的功能性语言工作记忆。因此,人类婴儿受益于几秒钟的记忆缓冲来处理语音和其他环境事件。

这些大脑半球差异是否有对应的功能(5D)?处理言语或类似言语刺激的颞平面的左侧优势从出生开始就存在,而右颞区对光谱维度更敏感。左后颞区对快速时间转变的这种特殊敏感性在妊娠6个月时就已经被观察到,这表明大脑半球功能偏差受到了强烈的遗传影响。基因转录分析表明,在19 wAG(孕周)之前,外侧裂周区的基因表达存在短暂的不对称。在成年人中,神经元表达的基因也不对称,尤其是在颞上区。恒河猴的基因表达的脑区模式是在出生时建立的,因此人类身上可能也是如此。

早期的不对称

(A)人类大脑典型的宏观结构不对称,特别是较大的左侧颞面和较深的右侧颞沟(称为STAP),在胎儿时期就开始观察到。STAP在人类的任何年龄都可以观察到,但在黑猩猩中几乎看不到(右栏)

(B)由于Yakovlean torque将右半球推到左半球的上方和前方(蓝色箭头),因此右侧大脑外侧和右侧颞上沟的背侧和前部比左侧对侧部分多(蓝色箭头)。这一特征可以从两个婴儿大脑的轴向图上看到。在生命的前3个月,右半球的成熟通常比左半球快,这可以从颞上沟和相同结构的成熟平均指数()中看出。这些测量是基于归一化的T2加权像的信号,它随着自由水的减少而变暗。STS,(颞上沟).

(C)各向异性分数(FA)随纤维束的髓鞘化/致密程度的增加而增加。在妊娠早期,皮质-脊髓束的左下部分和弓状束的顶叶部分相对于右侧较高。.

(D)语音讲话激活的左颞平面高于右颞平面,而音乐激活的是对称的。用近红外光谱(NIRS)测量的一组物体的数量变化只在6个月大的婴儿的右顶叶区域观察到。

其他的功能不对称也被描述了,特别是在数值认知方面。顶叶内沟是在成人操作数量概念时观察到的主要激活区域,该区域的损伤损害了成人和缺氧损伤的早产儿的数字能力。有趣的是,当使用非象征性刺激和涉及数量操作时,成年人的顶叶反应偏向于右半球,而当数字的象征性方面被强调时,则偏向于左半球。在3.5个月大的婴儿中,头皮脑电对数字变化的反应源模型也揭示了右额顶叶网络。在6个月大的婴儿中,近红外光谱成像的一项研究进一步证实了一组视觉对象中,右顶叶对数字变化的敏感性

要理解这些功能不对称的作用,为什么它们在人类物种中被强调,为什么它们在生命中表现得如此之早,现在还为时过早。已发表的相关研究只检查了几个系统,所描述的只有少数的功能结构和功能开发,但这些例子已经突显出一个有趣的人类大脑的功能:在其他哺乳动物大脑中的观察增加了一个新的左右维度(即左右发育不对称)。这第三个维度,加上发展的延长期,提供了以不同速度发展的脑区之间以及这些脑区与外界之间相互作用的更高的复杂性。它强调了人类大脑相对于其他动物是如何被分割的,这一观察结果在大脑发育过程中的基因表达研究中也得到了类似的强调。

 

结论

关于构成早期认知功能基础的复杂回路,以及它对成熟/遗传和环境因素的依赖,还有许多需要了解的地方。未来的研究将需要两个方法的发展,以获得健康婴儿大脑活动的更好图像以及精心设计的认知加工的范式。

最后,作者强调了五个方面。

首先,人类是唯一掌握明确符号系统的物种,从他们的语言文字开始。婴儿和成人的大脑结构之间的连续性表明,婴儿有大脑资源来发展各种不同领域的符号表征。

其次,我们需要更好地理解成年人认知的核心特征,同时还需要结合一套独特的行为和大脑特征来探索非语言生物的认知过程。

第三,由于婴儿的大脑较小、受教育程度较低、具有不同的物理特性(如,弱髓鞘形成)等特征,因此婴儿是动物和成人研究之间的重要桥梁。可将人类大脑的真正特殊性与同大脑尺寸、教育和文化相关的外来特征区分开来。

第四,作者已经强调了成人认知和大脑功能研究在阐明这些功能的早期发展中的作用,但反过来的关系也同样重要;即通过对早期发展的研究来阐明成人认知能力和大脑功能。更有积极意义的是,对婴儿期出现的认知功能以及这些认知功能对后来的认知成就的贡献的研究,揭示了这些成就的本质、辅助它们的机制和它们产生的途径。

第五,改善教育仍然是一个挑战,要让健康的人充分利用他们的潜能,帮助10%-20%患有发育性认知障碍的儿童。我们的社会不能把这么大比例的儿童抛在身后,因为在这个世界上,成年人的职业和家庭未来受到他们学业成就的强烈影响。

 

原文: 

The infancy of the human brain

G Dehaene-Lambertz, ES Spelke - Neuron

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