儿童青少年认知能力发展与脑发育_李艳玮.doc

摘 要 自发展认知神经科学兴起以来, 研究者就开始借助 MRI 等脑成像技术探讨儿童青少年认知能力发展与大脑结构发育和功能特点等之间的关系, 这为揭示行为发展与生理成熟之间的关系、儿童认知发展的神经活动规律、正常和障碍群体的独特大脑神经结构及活动特点等提供了重要启示。通过对有关儿童青少年智力、工作记忆、反应抑制等认知能力发展与大脑结构发育、大脑功能发育之间关系, 以及认知能力训练与大脑可塑性等研究的介绍, 指出发展认知神经科学的未来研究应重视采用纵向设计, 关注自然成熟和经验对正常或障碍儿童青少年认知发展与脑发育关系的交互影响, 同时从练习和训练的角度对大脑可塑性的特点进行探讨。关键词 儿童青少年; 认知发展; 脑结构; 脑功能; 大脑可塑性 分类号 B844 随着发展认知神经科学的出现, 研究者已开始借助先进的脑成像技术从新的角度探讨认知发展的基本问题、发展变化的神经机制、发展障碍的诊断和治疗, 以及脑发育与认知行为发展之间的关系(Johnson, 2005; 王益文, 林崇德, 陆祖宏, 2006; 刘俊升, 桑标, 2007)。自 Casey 等(1995)首次采用 f MRI 技术研究儿童与成人工作记忆对应大脑活动模式的差异以来, 国外就兴起了儿童青少年认知能力发展与脑发育的研究热潮, 比如, 美国国立健康研究所(National Institutes of Health, NIH)自 2001 年就开始在全美选取数百名 618 岁的儿童青少年进行追踪研究, 每两年测查一次被试的智力、加工速度、工作记忆等基本认知能力, 并进行大脑磁共振扫描, 以探讨认知能力发展与脑发育的关系(Waber, 2007), 此外, 美国俄亥俄州辛辛那提市成像研究中心(Imaging Research Center)、康奈尔大学萨克勒发展心理生理学研究所 (Sackler Institute for Developmental Psychobiology)等研究机构也已开始探求儿童青少年认知发展与脑发育的关系。这些问题的探讨对于揭示儿童青少年感觉信息加工、语言文字理解、执行功能控制、学习、记忆、推理和决策等认知能力的大脑神经发展机制, 以及脑发育与认知行为发展之间的关系具有十分重要的意义。本文主要对正常儿童青少年智力、记忆、反应抑制等能力与脑结构发育、功能特点的关系和年龄、认知水平对这种关系的调节作用, 以及大脑可塑性等的研究进行回顾和介绍。 1 认知能力发展与大脑结构发育的关系 在儿童青少年阶段, 个体心理特征发生着显著变化, 大脑神经元也在不断进行突触修剪和髓鞘化(Casey, Giedd, & Thomas, 2000)。比如, 出生两年后, 婴儿的感知觉能力得到了迅速发展, 其脑 的 重 量 也 已 达 到 成 人 脑 重 量 的 80% (Kretschmann, Kammradt, Krauthausen, Sauer, & Wingert, 1986)。综合国内外有关大脑结构发育的研究结果发现, 儿童青少年时期的大脑发育呈现以下趋势：总脑体积随年龄增长基本没有显著变化; 皮层灰质体积随年龄增长呈倒“U”趋势, 具体表现为在青春期前随年龄增长而增加, 青春期后随年龄增长而减少; 而全部白质体积随年龄增长线性增加, 灰质/白质绝对体积的比率随年龄增长线性下降(Giedd et al., 1999)。那么, 在儿童青少年大脑结构形态发生巨大变化的同时, 其认知 能 力 发 展 与 大 脑 发 育 之 间 存 在 怎 样 的 关 系呢？发展认知神经科学家对这一问题进行了大量研究, 并且获得了许多重要发现。1.1 认知能力发展与大脑皮层发育成熟顺序的先后一致性 已有研究表明, 婴儿在 1 岁以前就已经具备视觉、听觉等感知能力并基本达到成人水平, 而一些高级认知能力, 比如问题解决能力, 却要到5 岁左右才开始获得(陈英和, 2002)。那么, 与这些不同认知能力发展的先后顺序相对应, 大脑结构发育表现出什么样的规律呢？研究发现, 不同认知能力的发展顺序与其对应的大脑皮层发育成熟的顺序具有一致性。比如, Sowell 等(2003)绘制了 176 名健康被试各脑区皮层灰质密度随年龄的变化图, 结果发现, 从 7 岁到 60 岁的个体脑区灰质密度发生了明显变化, 尤其是外侧和大脑两半球之间的背侧额叶和顶叶皮层联合区, 其中视觉、听觉和边缘皮层等与个体基本感知觉功能对应的大脑皮层在个体早期就开始出现髓鞘化, 而与语言能力对应的颞叶皮层后部开始髓鞘化的时间则相对较晚。Gogtay 等(2004)也对个体认知能力发展与皮层发育成熟的关系进行了分析, 他们采用结构磁共振扫描技术对 13 名年龄在421 岁个体的皮层发育进行了长达 810 年的追踪研究, 并且每两年对被试扫描一次, 结果发现, 主要的感觉皮层先成熟, 然后才是顶叶外侧及其他区域, 也即与基本功能(比如感觉、运动)相关的脑区(感觉和运动皮层成熟)最早成熟, 然后是与空间导向、语言发展和注意相关的颞顶叶联合皮层, 最后才是与执行功能、注意以及协调动作相关的前额叶和外侧颞叶皮层; 同时, 并不是单一脑区完全成熟后其他脑区才开始发育, 研究表明前额叶中与味觉和嗅觉加工相关的脑区以及枕叶中与主要视觉功能相关的脑区也很早成熟。这些研究表明, 个体认知能力发展与其对应大脑结构的发育成熟确实存在先后顺序的一致性, 与感觉、知觉等基本生活技能相关的脑区发育成熟较早, 而与决策、推理等高级认知活动相关的脑区发育成熟较晚。1.2 认知能力发展与大脑结构的关系受到年龄和认知水平的调节 儿童青少年时期, 个体经历着生理上的成熟发展, 同时, 随着学习和经验的积累, 儿童青少年的认知水平也不断出现高低分化。因此, 研究这一时期个体认知能力发展与其对应大脑结构发育的关系就必须重视分析年龄和认知水平在其中的调节作用。首先, 研究者认为个体生理成熟与大脑发育都是一个动态变化的过程, 了解年龄在个体认知能力发展与大脑结构发育关系中的调节作用具有重要意义。智力作为各种认知能力的基础, 其对应脑区结构的异常很可能会导致各种认知活动的异常, 所以, 研究者对儿童青少年尤其是正常儿童青少年智力和脑结构的关系随年龄的变化趋势进行了大量研究, 分别探讨了不同年龄组被 试 智 力 与 其 总 脑 体 积 和 皮 层 厚 度 等 的 相 关(Wilke, Sohn, Byars, & Holland, 2003; Shaw et al., 2006; Karama et al., 2009)。比如, Wilke 等(2003)基于 146 名正常儿童青少年的智力与全脑灰质体积的分析结果发现, 智力与全脑灰质体积的相关为 0.28, 但是该相关在 13.617.3 岁被试中最显著, 而在 10.111.9 岁和 6.48.8 岁组被试中并不明显, 这表明, 随着年龄的增长, 智力与全脑体积的相关会增强。另外, 在大脑其他结构指标上, 研究者也发现不同年龄阶段认知能力发展与大脑结构的关系不同, 例如, Shaw 等(2006)对 307名儿童青少年智力与皮层厚度的关系进行了研究, 结果发现在儿童早期(3.88.4 岁), IQ 与皮层厚度呈负相关, 而到了儿童晚期(8.611.7 岁), IQ 与皮层厚度则呈现正相关, 并且两个年龄段IQ 和皮层厚度的相关系数差异显著, 特别是与额叶、左侧颞上和颞中回皮层厚度的相关。Karama等(2009)也对儿童青少年一般智力 g 因素与皮层厚度的关系进行了探讨, 虽然他们发现皮层厚度与一般智力 g 因素的相关系数在儿童组和青少年组不存在显著差异, 但 611.9 岁儿童组被试 g 因素与皮层厚度的相关为 0.20.33, 而 1218.3 岁青春期组被试两者之间的相关为 0.250.44, 这同样也证明了随着年龄的增长, 智力与皮层厚度的相关略有增强。其次, 认知能力发展与大脑结构发育的关系还受到个体认知水平的调节。已有研究表明个体认知水平与其大脑结构形态也存在相关, 比如个体智力水平越高, 其总脑体积越大, 总脑灰质体积越多(Mc Daniel, 2005; Frangou, Chitins, Chitins, & Williams, 2004)。事实上, 年龄和认知水平在认知能力和大脑结构发育的关系中存在交互作用, 比如, Shaw 等(2006)基于 NIH 脑发育项目数据的分析表明, 个体年龄和智力水平共同影响智力与大脑皮层厚度的关系, 他们利用聚类分析法将307 名儿童和青少年分为一般 (IQ=83108)、高(IQ=109120) 和超高 (IQ=121149)智力三组 , 结果发现, 三组被试的皮层厚度随年龄增长都有显著下降, 但是下降的时间点和速度不同：首先, 一般智力组儿童在 5.6 岁左右皮层厚度就一直下降, 高智力水平组被试在儿童后期约 8.5 岁时皮层厚度显著下降, 而超高智力水平组被试在青少年早期约 11.2 岁时皮层厚度才显著下降; 另外, 超高智力组皮层厚度下降的速度最快, 高智力和一般智力组皮层厚度下降速度相对较慢, 三种智力水平儿童在 13 岁左右时皮层厚度下降速率相等, 之后高智力水平组皮层厚度下降又快于其他两组。也就是说, 超高智力水平组既表现出了皮层厚度的快速增加, 也伴随着皮层厚度的迅速降低; 而一般智力和高智力组被试在整个儿童青少年时期皮层厚度并未出现显著的增加, 同时下降速度较之超高智力水平组被试要慢。综合以上研究, 可以发现个体认知能力发展与大脑结构发育的关系受到年龄和认知水平的交互影响。所以, 在研究认知发展与脑发育关系的过程中, 应该重视分析自然成熟和学习经验对大脑结构发育的交互作用, 辨别个体认知发展与脑发育的关系与年龄和认知水平的相关。这对于揭示个体自然成熟、学习经验对大脑结构发育的重要作用, 以及通过创设丰富环境来促进大脑结构发育等具有重要启示。2 认知能力发展与大脑功能特点的关系 已有关于认知能力发展与大脑结构的研究以探讨认知能力与大脑体积、皮层厚度等脑结构指标之间的关系为主。而实际上, 大脑结构与其功能是联系在一起的, 结构是功能的基础, 功能是结构的体现。近年来, 研究者采用 f MRI 技术从个体发展的角度对不同年龄阶段儿童青少年在各种认知活动(如工作记忆、反应抑制等)中的脑区激活模式进行了大量对比研究, 并发现不同认知能力对应脑区活动表现出较为一致的规律, 即认知能力发展和其对应脑区的活动与年龄和认知水平存在相关; 随着年龄的增长, 认知能力对应的关键脑区逐渐专门化, 与其发展密切相关的脑区激活增强, 而与其发展无关的脑区激活 减弱。2.1 认知能力发展对应大脑活动模式受到年龄、认知水平的调节 研究者发现, 随着年龄的增长, 认知能力发展对应的关键脑区不断发生变化, 这与个体认知水平和大脑加工效率的提高有关, 比如, 与记忆信息编码、贮存和提取相关的海马和齿状回的髓鞘化与成熟会随年龄增长而发生变化(Pennington, Snyder, & Roberts, 2007), 并且儿童青少年在完成工作记忆任务时对应额叶和顶叶皮层的激活程 度 和 神 经 效 能 会 随 其 年 龄 的 增 长 而 提 高(Dowker, 2006)。Ciesielski 等(2006)对 27 名年龄在 610 岁的儿童与 2028 岁的成人进行的对比研究表明, 在复杂客体工作记忆成绩上, 6 岁儿童相对成人较差; 进一步分析 f MRI 结果发现, 在该任务中, 儿童组被试与成人组被试的激活脑区也存在差异, 成人组被试的腹内侧前额叶、两侧梭状回、带状后回和楔前叶存在激活, 而儿童组被试的激活脑区却是运动前区、顶叶、前脑岛、尾状核和小脑。这表明, 随着年龄的增长, 个体认知水平提高的同时, 该认知能力对应的脑区激活模式也发生了变化。Klingberg, Forssberg 和Wessterberg (2002) 对 918 岁儿童青少年在工作记忆任务中对应脑区激活特点的研究也表明额上回和顶叶皮层的激活会随着年龄的增长而增强, 同时这些脑区的激活与个体在工作记忆任务中的行为表现成绩显著相关。但是 Ciesielski 等(2006)、Klingberg 等(2002)的研究并未成功剥离个体年龄和认知水平对其大脑活动模式的独立预测作用, 因而无法解释造成儿童和成人被试在工作记忆任务中大脑活动差异的根本原因。 Casey 等一直倡导在研究个体认知发展与脑发育关系时, 要区分年龄和认知水平对其调节作用, 他们在 2005 年就提出分析认知能力对应大脑活动模式时应该分别控制年龄和认知能力水平, 准确辨别个体脑区激活是由自然成熟导致还是与个体学习经验的积累相关(Casey, Tottenham, Liston, & Durston, 2005)。那么, 如何来区分大脑活 动 是 与 年 龄 相 关 还 是 与 认 知 水 平 相 关 呢 ？Schlaggar 等早在 2002 年就通过分别控制年龄和行为成绩的方法对 710 岁儿童和成人组被试在词汇加工任务中的脑区激活特点进行对比, 来探讨与任务对应的脑区激活到底是与年龄相关还是与认知水平相关, 他们分别获取词汇加工成绩相等与不等的儿童组和成人组被试, 选择侧前额叶、纹状区等 6 个脑区作为感兴趣脑区(Regions of interest, ROIs), 分别对完成词汇加工任务时这些脑区的活动特点及与年龄和认知水平的关系进行分析, 结果发现所关注的 6 个脑区中, 既有与年龄相关的脑区(BA 44/6 区), 也有仅受到认知水平调节的脑区(BA 45/47 区), 从而成功剥离出了年龄、认知水平各自的相关脑区。此外, 他们还发现了与年龄和认知水平都相关的脑区(BA 18区), 以及与年龄和认知水平都不相关的脑区(BA 9、BA 44 区) (Schlaggar et al., 2002), 这种弥漫性的、与年龄、认知水平都不相关脑区的激活在也得到了其他研究的验证, 比如, Thomas 等(1999)发现, 即使儿童在脑发育并未完全成熟的情况下, 也会出现类似成人的脑区激活模式, 他们采用功能核磁共振成像技术对 6 名 810 岁的儿童和 6名 1926 岁的成人完成空间工作记忆任务时的大脑功能特点进行了对比, 结果表明, 虽然在空间工作记忆任务中, 儿童行为表现成绩显著低于成人, 但是两组被试在左侧前额叶、中央后回、右小脑、右侧中央上回、右侧背外侧前额叶、右侧顶上皮层、两侧顶下皮层中都有激活, 也即在年龄和行为表现成绩都不相同的情况下, 被试脑区激活仍然相同, 即出现了与年龄和认知水平都无关的脑区。2.2 认知功能发展对应脑区随年龄增长逐渐专门化 大脑神经解剖的研究结果表明左侧大脑, 尤其是左侧颞叶脑区与个体言语能力密切相关, 而右侧大脑多与空间知觉和音乐等认知能力相关, 即存在认知能力发展对应脑区专门化的现象。随着先进的脑成像技术的出现与完善, 研究者借助f MRI 等技术为认知能力发展对应脑区逐渐专门化的现象提供了新的证据, 他们发现, 在个体年龄增长和认知能力发展对应关键脑区不断变化的同时, 与某一认知活动密切相关的脑区激活逐渐增强, 或者与其不甚密切的脑区激活逐渐减弱, 也即高级认知活动对应脑区激活逐渐集中, 出现专门化的现象。比如, Tamm, Menon 和 Reiss (2002)采用反应抑制任务的经典范式(Go/No-go Task)对19 名年龄在 820 岁的儿童和成人进行测查, 观察他们在完成任务时对应脑区的激活差异, 结果表明随着年龄的增长, 被试的反应速度显著提高, 并且所有被试在与反应抑制相关的脑区, 如左侧额下回、脑岛和眶额皮层的激活随年龄增强, 而左侧额中/上回激活随年龄减弱, 也即出现反应抑制对应脑区活动专门化的现象。庞高峰等(2009)有关正常儿童与成人在反应抑制的持续性作业任务(Continuous performance task, CPT)对应脑区激活的对比研究中也发现了认知能力对应脑区专门化的现象, 他们发现, 随着年龄的增长, 中央前额叶和扣带回激活的强度和区域明显提高, 而小脑、右侧腹外侧前额叶皮层和左侧岛叶激活明显减弱。工作记忆对应脑区激活随年龄的变化模式也为认知能力对应脑区专门化现象提供了支持, 例如, Know, Reiss 和 Menon (2002) 采用2-back 任务对 34 名年龄在 722 岁的健康成人和儿童在视觉空间工作记忆中脑区激活模式的个体差异进行了分析, 发现左右背外侧前额叶、左侧外侧前额叶、左侧前运动区和两侧顶后叶皮层等与工作记忆能力相关的脑区的激活随年龄增长而增强。另外, 也有研究证明与认知能力发展不甚密切的脑区激活随年龄增长而减弱, 例如, Casey 等(1997)对反应抑制任务下儿童和成人被试的脑 区激活对 比分析 发现 , 712 岁儿 童和2124 岁成人被试在反应抑制任务中从背外侧前额叶到眶额皮层都有激活, 但是随着年龄的增长, 背外侧前额叶脑区的激活减弱。可见, 随着年龄的增长, 认知活动对某些脑区的依赖性增强, 激活增强, 而相对对于其他脑区的依赖性降低, 激活减弱, 即出现认知能力对应大脑区域专门化的现象(Park et al., 2003)。3 认知能力训练与大脑结构、功能可塑性 受学习、训练以及经验等因素的影响, 大脑皮层会出现结构的变化以及功能的重组, 即出现所谓的可塑性, 在儿童青少年时期, 个体认知能力迅速提高, 其中枢神经系统的可塑性也最强。近年来脑功能成像技术的出现与发展, 使大脑可塑性研究由微观的突触可塑性层面转向宏观的皮层等大脑结构可塑性层面, 并且借助脑功能成像中 BOLD 信号的变化, 很好地探索了学习前后大脑激活区域的变化趋势。研究者已通过各种途径对儿童青少年进行认知能力训练, 以此来探讨认知能力集中训练带来的经验积累对大脑结构、功能可塑性的影响作用。 练习和训练可以改变大脑皮层厚度等结构形态, 也即出现大脑结构上的可塑性。Haier, Karama, Leyba和Jung (2009) 对处在青春期的女生进行为期三个月的视觉空间问题解决的计算机任务训练, 并分别在练习前后对被试进行MRI扫描, 结果发现, 这些被试在BA6和 BA22/38 区皮层厚度显著增加。音乐训练的实验研究也为大脑结构可塑性变化提供了证据, Schlaug, Norton, Overy和Winner (2005)对 57 岁儿童进行了长达四年的追踪研究, 发现接受音乐训练的儿童大脑感觉运动皮层和两侧枕叶皮层部分脑区的灰质体积显著大于没有接受音乐训练的控制组儿童。同样, 功能磁共振成像结果也表明练习和训练可以促使大脑活动模式发生变化, 也即出现大脑功能的可塑性。比如, Koelsch, Fritz, Schulze, Alsop和Schlaug (2005) 对10名接受不同强度音乐训练的儿童在不规则弦音刺激下的大脑活动模式进行研究, 他们将儿童分为没有接受过音乐训练的儿童组、接受中等强度音乐训练的儿童组和接受过度音乐训练的儿童组, 结果发现, 音乐训练与额叶岛盖和颞上回前部的脑区激活增强相关, 也即接受音乐训练的时间越长, 对应额叶岛盖和颞上回前部的脑区激活越强。另外, Koelsch等(2005)还选取10 名成人音乐家与10名成人非音乐家被试, 分析他们在不规则弦音刺激下大脑活动模式的差异, 发现音乐家在外侧额叶下部和右侧颞上回前部激活较之非音乐家要强, 并且在儿童组被试也发现类似的结果, 表明音乐训练确实造成了大脑活动模式的可塑性。但是, 学习和训练并不一定总是带来脑区激活的增强,比如, Schmithorst和Holland (2004) 对两组音乐背景不同的健康成人被试在行为任务中的脑区激活进行分析, 结果发现, 幼时就开始接受音乐训练的被试在数学任务中对应左侧梭状回和前额叶皮层的激活增强, 视觉联合皮层和顶下小叶激活减弱。由此可见, 接受学习和训练后, 认知能力对应脑区激活不是呈现简单的增强模式, 也有可能出现激活强度减弱的现象, 但是该激活改变究竟呈现一种怎样的模式(增强或是减弱), 甚至是否与大脑结构的改变相关至今还未有很好的说明。4 小结与展望 从以上儿童青少年认知能力发展与大脑发育的研究中可看出, 尽管发展认知神经科学出现时间较短, 但研究者已从多角度、多层次探讨了个体认知能力发展与大脑发育的相关, 并已取得了丰硕成果, 这对于丰富传统的发展心理学理论和研究发现, 了解个体认知发展的大脑神经机制, 为教育教学、临床研究提供建议具有十分重要的意义。综合前人研究, 我们发现已有研究表现出以下几个特点和趋势： 第一, 在研究对象上, 研究者从最初关注正常儿童青少年个体到近年来开始探讨障碍群体认知能力发展与大脑发育的关系。比如, Spencer等(2006)对年龄在 1322 岁携带自闭症性征的智力发育迟滞个体大脑结构特征进行了研究, 发现智力发育迟滞组被试的大脑结构形态特征较之正常人存在异常, 并且携带自闭症性征的智力发育迟滞患者的左侧颞上回白质密度要高于无自闭症性征的智力发育迟滞患者。有关障碍患者的认知发展与大脑结构和功能的关系研究, 有利于了解特殊人群认知与脑发育规律, 进而为促进儿童青少年认知能力发展异常的诊断、分类、干预、治疗和预防等提供科学依据, 也从另一个角度验证、丰富和支持了有关儿童青少年认知发展与脑发育关系的研究结果和发现。 第二, 在研究设计上, 研究者最初只是通过设置不同的年龄阶段, 也即运用横向研究范式来对比分析个体认知能力发展与大脑结构和功能的关系, 这为揭示个体发展过程中行为活动与大脑结构和功能的关系提供了一定启示, 但是无法从生态学角度真实再现个体认知能力发展与脑发育关系的动态变化及规律。目前, 也有研究机构, 比如, 美国国立健康研究所通过采用较大样本、纵向设计的方法来追踪分析和描绘个体发展与脑发育的动态关系, 这种设计为从自然发展的角度真实再现个体认知发展与脑发育的关系及变化曲线提供了更直接、更科学的依据。 第三, 在研究角度上, 研究者最初关注大脑结构本身随年龄增长的变化, 或者从静态角度分析认知能力与大脑结构和功能的相关, 尽管这为分别了解大脑本身的发育规律,