Wednesday, April 06, 2016

大腦的「關鍵期」


很多人應該都知道,大腦在成長和學習的過程中有許多「關鍵期」(critical period),例如孩童的「語言學習關鍵期」和「視覺發展關鍵期」。在關鍵期中,腦中的分子機制會依據外在世界的刺激來建立腦細胞間的重要連結。

如果關鍵期開始或關閉的時間來的太早或太晚,結果可能會非常嚴重。比方說,如果沒有在語言關鍵期接觸語言,可能就會出現語言障礙。如果沒有在視覺關鍵期接觸光線和足夠的視覺刺激,則可能會導致視覺異常或甚至失明。

先前的科學家普遍認為關鍵期稍縱即逝,而且一去不復返。但是最近的研究顯示,關鍵期似乎可以透過生物化學的方式被重新開啓。

這些發現的潛藏應用價值十分種驚人:有一天我們可能可以透過重新啓動關鍵期來強化學習能力,並治癒各種神經與心理疾病。

在這一期的科學人中,哈佛大學腦科學中心的大腦「關鍵期」研究專家韓施(Takao K. Hensch)就針對這個主題撰寫了一篇文獻回顧,以下就來幫大家稍微整理介紹一下。

神經修整

首先我們要問的是,關鍵期的腦細胞究竟發生了什麼事?我們現在知道,嬰兒剛出生時,腦細胞之間存在著過多的連結,必須在適當的修整後,它們才能正常的運作。而這種揀選剔除過多連結的過程,就是發生在關鍵期。

負責揀選剔除過多連結的關鍵角色,就是小清蛋白巨大籃狀細胞所分泌的神經傳遞物丁胺酪酸」(GABAgamma-aminobutyric acidGABA的主要功能,是負責抑制神經活動,那為什麼它會和孩童發展過程中的「關鍵期」有關呢?

原來,這種神經傳遞物可以彌平混亂,並帶來秩序。

打個比方來說,嬰兒剛出生時腦細胞間充滿過多連結的狀態,就宛如一堆人興奮的在七嘴八舌互相交談一樣。而GABA的角色,就是負責抑制那些不知為何而說、不知向誰而說的細胞,最後只讓言之有物、聽之者眾的關鍵細胞和其連結得以留下。

重啓關鍵期

在瞭解關鍵期的分子機制後,科學家就可以對其進行操控。比方說,韓施就曾經透過基因改造的方式降低小鼠腦中的GABA濃度。結果發現關鍵期的出現時間因此而出現異常。接下來,當它們加入煩寧(Valium)來增強GABA後,關鍵期就開始正常啓動。

科學家也在另一項實驗中發現,如果在老鼠身上植入一些特殊胚胎細胞,當這些胚胎細胞稍晚分化成可分泌GABA小清蛋白巨大籃狀細胞時,老鼠腦中就會出現另一個關鍵期。

另外一種操控關鍵期的方式,就是移除那些讓關鍵期會正常關閉的機制。一般來說,大腦會透過抑制小清蛋白巨大籃狀細胞來結束關鍵期。而抑制的方式,就是利用「周圍神經網」(一種由類似軟骨的格狀結構)來包覆住這些細胞。一旦小清蛋白巨大籃狀細胞被包覆,GABA就無法再調控其他細胞,關鍵期便隨之結束,神經連結也不會再出現進一步的結構變化。

在看透了這項分子機制的重要性之後,科學家便想試試看能否透過移除周圍神經網,來重新啓動關鍵期。在一項實驗中,科學家找來了弱視的老年大鼠,並在其腦中注入一種名叫軟骨素酶(chondroitinase,可以分解周圍神經網)的酵素,結果新的關鍵期果然又重新啓動。而只要在此時讓大鼠重新再接收到牠們幼時欠缺的必要視覺刺激,其視力就會出現好轉。

透過操縱「關鍵期」,科學家甚至還可以強化人類受試者的學習能力。比方說,韓施就曾經利用一種叫做「組織蛋白去乙抑制劑」藥物來重新開啓受試者的關鍵期,結果發現,健康男性服用藥物後學習辨識音頻的能力明顯比對照組優秀。

這些實驗顯示,原則上我們可以透過生化方式來控制關鍵期的起始、結束和持續時間,並讓大腦得以重新學習,並甚至治癒各種神經疾病。

潛在風險

如果關鍵期的學習力這麼強,為什麼人類和其他許多動物的大腦會演化出「關閉關鍵期」這種自我限制的機制呢?

原來,透過「關閉關鍵期」來限制大腦可塑性,有可能是演化出來保護腦細胞的一種機制。小清蛋白細胞的新陳代謝需求極高,並會在運作的過程中產生自由基分子破壞腦組織。周圍神經網,可能就是因此才演化出來與之對應的防禦性結構。

如果周圍神經網受損,小清蛋白細胞所產生的自由基可能就會不斷破壞大腦並導致精神疾病。我們目前已經知道,思覺失調症患者腦中的周圍神經網通常都有缺損,而這種周圍神經網缺損的狀態,或許就是導致該疾病的病因之一。

此外,人腦中的高階腦區為了應付各種複雜的認知功能,通常必須不斷的保持可塑性,而這些腦區也是阿茲海莫症這種神經退化疾病中最早出現細胞死亡的地方。由此可知,如果不關閉可塑性,大腦的確可能會受到損害。

改變人格?

在不久的將來,我們就能看到不少可以重新啓動關時期的藥物,這些藥物可以幫助我們學習,甚至可以治癒許多發展與神經疾病。但是在透過藥物急速改變大腦連結的同時,我們的個性、人格特質以及自我認知可能也會跟著出現一起變動,而且大腦也有可能因此受損而產生其他新的病變。

有得必有失,為了重新獲得可塑性和學習力,你願意作出多少犧牲?

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參考資料
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1.           Hensch, T.K. (2016) The power of the infant brain. Scientific American. 314(2):64-9


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