脑发育与认知发展

  自80年代末以来,脑发育方面的研究日新月异,但在许多研究结果还没有到下结论的时候,研究者在许多方面还都各持己见。比较一致的看法在于:(1)在生命的早期,神经联结(突触)在大脑中迅速地形成;(2)在心理发展过程中会出现关键期;(3)丰富的环境对大脑发育有明显的影响。
 早期突触的形
从脑发育的过程看,人类新生儿比成人的突触密度要低。然而,在出生后的几个月中,婴儿大脑中突触的形成超过了成人的水平。到4岁时突触密度在脑的所有领域已经达到顶峰,并超过成人水平的50%。到青春期左右,剪除过程(pruning process)使得突触在数量上减少,这种减少过程持续到成年期,达到成熟水平[1]。
但突触形成过程的时间在人脑各区域是不同的。在人脑的视觉区域,突触密度迅速增加开始于出生后的2个月,顶峰期在8~10个月,然后在10岁左右下降至成人水平。然而,在人脑的皮层前部,这个过程开始得较晚一些并持续更久的时间。由此,在生命的前20年里突触密度的变化是呈倒U型的[1,3]。
这种倒U型模式对于心理或行为发展的意义是什么?以动作、视觉及记忆等变化的观察为基础,神经学家们认为这些能力以最原始的形式首先出现时正是突触密度开始迅速增加时。以视觉为例,出生后6个月时,视觉的发展已经接近到成人水平;这一时期恰恰是视觉区域突触密度的迅速增大与达到顶峰期的时间。又如,出生后8个月突触开始在大脑前部区域迅速增加,而此时,婴儿开始表现出对位置与客体的短时记忆能力。
然而研究者对于突触密度与认知发展之间关系的了解只限于此。以学习为例,关于早期学习如何影响突触水平上的大脑功能目前还知道得很少。虽然实验证明早期通过丰富的环境刺激可以增加大脑中的神经联系,但是这种增加是否反过来导致儿童能力或智力上的提高,还没有任何实证性的证据可以证明。同样也没有神经科学的研究支持这样的观点:在儿童时期学习经历越多,从删除过程中“拯救”下来的突触也越多,儿童的智力也越高[3]。然而,这一两年来科学家在老化研究中确实发现70岁人的大脑仍会长出新的神经元(在海马状突起处),而且能够使大脑恢复部分功能。这不仅否定了过去关于成人脑细胞损伤后不能再生的定论,也为神经元与行为之间的关系找到了直接的证据。
     脑发育与认知发展

   然而神经科学中有关脑发育的研究结果至今为止并没能与人类的认知发展直接联系起来。而认知发展的大多数理论也较少求助于来自大脑的证据。在很长时间里,神经科学的研究与认知发展的研究一直是相对独立的,以至于两个领域的科学家在各自的领域内探讨同一个问题。例如,延迟―反应学习(delayed-response learning)是几十年中神经科学研究者用来探讨猴子中额叶皮层功能发展的范式,而它在本质上却是认知发展中皮亚杰Anot-B任务。但这种相似性一直到最近才被认识到[2]。
神经科学与认知发展间的联系开始于80年代后期。近十年来,神经科学的迅速进展导致了对一些简单行为的研究,这些研究吸引了认知发展心理学家们的兴趣。而发展的认知神经科学(developmental cognitive neuroscience)的出现似乎标志着探讨认知发展与大脑发育之间关系的成熟时期已经来临,她对于认知发展与神经科学的进步都有重要的意义。
     利用神经科学研究来解释认知发展中的一些基本理论问题
    自皮亚杰提出婴儿客体概念的获得年龄(约出生后8个月)后,客体概念的发生一直为认知发展研究者所关注。后来的研究者发现婴儿在更早的时候(如约2个半月时)就可能具备了客体的概念。由此研究者之间展开了客体概念是天生的或与大脑发育有关的争论。但在神经科学领域,Goldman-Rakic发现猕猴要避免A-not-B错误必须要等到大脑皮层中神经元间的联结产生时,并由此认为额叶前部皮层调节是作业能力提高的脑发育基础]。这个结果可以间接地解释人类婴儿在早期认知发展中所发生的转变。
另一个与理论有关的重要问题是在认知发展中的个体差异。在认知发展研究中,由于研究者都假定脑发育状况的个别差异非常小,因此认知上的个体差异主要来自遗传及出生前或后经验上的差异。但神经科学的研究却发现没有两个人的脑是相似的。Goldman-Ra-kic注意到大脑半球皮层的褶在猴子与猴子之间是有差异的,但其功能性还不清楚[2]。Nowakowski的研究也表明在动物中脑特殊区域内神经元迁移中的变化方式对其功能有特殊的影响,如诵读困难及精神分裂症的病人在脑的神经元迁移时有相似的异常情况[8]。Greenough等人的研究结果则更为直接,注意到与脑有关的经验效应在个体之间并不一致:男性和女性对相似的刺激作出不同的反应;盲的动物与看得见的动物在听觉刺激的运用上有差异,并由此导致听觉皮层的生长。这样个体间的差异持续下来,即使在面临相同的环境经历时也会出现[5]。
    脑发育与认知发展的特殊领域间的具体联系
尽管认知发展心理学家非常清楚脑发育与认知发展间的关系(如儿童在抑制功能、工作记忆、动作的精确性、言语等上的发展与髓鞘化、突触密度系统的变化等有关),但并没有直接的证据。今后的研究趋势将会是集中检验脑发育与特殊的认知能力/过程发展间的具体(或实质性)联系上。例如,对新的认知能力的发展与皮层许多领域中同时发生的一些变化有关的假设以及突触同时发生过程中剧烈的发展及继后的下降可能与婴儿中期出现的某些关键的认知能力有紧密关系的假设进行更为直接的检验。在这方面,将会借助某些已形成的动物研究模式来对婴幼儿的发展进行研究。
  脑发育水平与认知发展阶段间的特殊联系
从儿童至青少年期皮层周期性变化模式与认知发展周期相平行的研究结果不仅促使神经科学家从大脑结构变化的角度去探讨脑的发育,也使认知发展研究者认识到发展阶段就像是梯子的台阶一样的观点太过简单。现在一些研究者根据脑或神经发育的模式提出:发展是一种循环发生的生长周期的生物概念――无论是行为还是大脑都以一种重复性的模式变化着[9,10]。但科学家需要有足够的证据来证明这些。目前研究者们正在把神经科学的研究结果与认知发展研究者提出的一些假设对应起来。例如,研究者发现,从EEG观察到的神经系统突发性生长与认知发展最佳水平中的突发性进展相接近。