脑的发育与可塑性

脑的发育与可塑性

苏州大学医学院生理学教研室医学心理学教研室

徐斌

“脑科学与认知科学主要研究方向:

……脑发育、可塑性与人类智力的关系，…… ”

脑的进化

●单细胞动物(无神经)

●腔肠动物(神经网) 多细胞动物(无脊椎动物)

●环节动物(神经节)[神经系统中轴化]

●昆虫(头节发育)

●鱼类(脑的形成) [神经系统脑化](脊椎动物)

●两栖类

●爬行类脑的发展

●鸟类

●哺乳类

●灵长类

●人类

●脑重/体重比增大;前脑扩展;[机能皮质化]

不同动物进化中皮质%的变化

●种类新皮质旧皮质古皮质间皮质

●刺猬32.4 29.8 20.2 17.6

●兔56.0 14.0 23.0 6.2

●低等猴85.3 2.8 8.7 3.2

●黑猩猩93.3 1.3 3.3 2.1

●人95.9 0.6 2.2 1.3

不同动物进化中皮质%的变化

新皮质中联合皮质的增加

灵长类大脑皮质各区表面与整个皮质的比例变化

边缘区中央前区枕区颞区下顶区额区

●长尾猴 4.2 8.3 17.0 17.0 0.9 12.4

●

●类人猿

及猩猩 3.1 7.0 21.5 18.6 2.6 14.5

●人 2.1 8.4 12.0 23.0 7.7 24.5

灵长类大脑皮质各区的比例变化

脑的发育(一)神经管的形成

●约在胚胎第18天,神经系统开始形成,由神经板→神经沟(两侧为神经褶)→约第22天开始融合,在第23-24天成神经管。

●人的神经系统早期发生(上:纵切面;下:横切面)

脑的发育(二)脑的形成

脑的发育

4周时为3脑泡(前、中、菱);6周时发育成5脑泡;随后前脑泡分为两个端脑泡,位于其间的前脑形成间脑;菱脑泡向两侧扩张,形成小脑,中间为脑桥。

脑的发育(三)神经元的生长与发育

神经元发育过程

●增殖

●迁移

●分化

●髓鞘化

●突触形成

神经元存活的决定因素:靶细胞信号的调节

● 1. Detmiler,S .& Hamberger,V.于20世纪20-30年代发现:移植两栖类肢芽可使背根神经节内感觉神经元数增加,除去肢芽,神经元数明显减少;当时认为是靶细胞影响感觉神经细胞增殖与分化;40年代后,Levi-Montalcini,R. & Hamberger,V.发现,去肢芽使本来要长到肢芽的感觉神经元死亡; 由此而发现靶细胞的调节影响和神经生长因子(nerve growth factor,NGF) 。

● 2. 神经营养素(neurotrophins,NTS)是一组促神经元存活作用的分泌因子。除NGF外,目前在哺乳动物还分离出脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factors,BDNF), NT3和NT4/5 。

神经营养素主要的信号受体是酪氨酸激酶家族受体trkA, trkB, trkC 。NGF与trkA 作用; BDNF和NT4/5与trkB作用;NT3与trkC作用。

3.其它促神经元存活的蛋白质有TGFβ家族成员,白介素6相关细胞因子,成纤维细胞生长因子等。

4.去除NGF及其受体导致神经元死亡

脑的可塑性(plasticity)

一、生活经历的影响

1.用脑成像技术研究,比较音乐工作者(演奏小提琴)与对照(不练习乐器者)的左、右手的拇指及小指皮质代表区。结果:

●(1)乐手的右手手指及左手拇指的皮质代表区与对照者相等;

●(2)乐手的左小指皮质代表区明显较大;

●(3)自幼练琴者，其左小指代表区明显大于练琴较晚者。(T.Elbert et al, 1995)

2. 盲人以一根手指摸读盲文，则该指的皮质代表区就扩展。(Barinaga，1992)

3.在工作日测量盲文出版社校对员食指的代表区要大于假日。(Pascual-Leome，1995)

4. 音乐家对纯音刺激的脑磁图反应是不从事音乐者的一倍。随后的MRI检查发现专业音乐家的右侧颞叶皮质的一个区比对照大30% 。(Schneider等2002)

5. Maquire等（1997,1998）用脑成像技术研究出租车司机与驾驶导航(navigation)相关的脑区（海马）发现，海马后部大于对照，右后海马的容积与驾龄呈正相关。说明，出租车司机的脑结构改变是获得性的，而不是天生的。

6.手术离断猴前臂的传入通路，则相应皮质代表区逐渐发生功能转移，对触摸动物的面部起反应。(Pons等，1991)

7.用激光束点状毁损猫视网膜，受损眼的视皮质区对周边的视觉信息起反应。

以上研究提示:健康成人(及动物)的脑具有因环境需求引起局部可塑性变化的能力。

二、年龄影响脑的可塑性

●“Kennard原则”(1938)是:“年轻脑受损后的恢复要优于年老脑”。

1. 10天龄大鼠的杏仁核受损,恢复良好; 而40天龄大鼠受损时,恢复就较差。

2. 2岁幼儿左半球皮质全部丧失以后，随着右半球的发育，可以发展某些语言功能,而成年人有类似损伤则语言难以恢复。

年轻脑的可塑性虽然优于年老的脑; 但是,它对外界干扰有易感性。

二、脑损伤恢复中的几个可塑性问题

(一)神经功能联系不能(diaschisis)

“神经功能联系不能”是指一些神经元受损后，另一些相关神经元活动降低的现象。如大脑皮质运动受损,可引起小脑的活动减低; 下丘脑受损可使大脑皮质活动减退。

临床实践发现，如果脑损伤后的行为缺陷属于“神经功能联系不能”引起,则“感觉通路助力催醒作用” 将有助于促进功能恢复。

（二）感觉通路助力催醒作用

媒体报道,我国“每年新增10万植物人”;有的医疗机构报道,使用感觉通路助力催醒作用,促醒率超过60%。

但处于“持续性植物状态” (persi stent v.s.) 的真正的“植物人” 难以催醒;哪些被催醒的其实不属于“植物人”而是“植物状态”(vegetative status)的患者(可持续3、6、12个月)。

(江基尧：《文汇报》2005,03,13) 感觉通路“助力催醒治疗”(包括频繁、高强度的多种感觉刺激、肢体力量训练等)

理论基础:昏迷患者的大脑可以接受经感觉通路传入的外界刺激信息,有助处于“休眠”状态的功能恢复。

治疗的感觉通路及作为〝助力〞的刺激:

(1)视觉:取坐位以加宽视野，用明亮的图画、照片或伤前喜好的电视节目。

(2)听觉:为防止感觉的适应,因此,声音剌激要强、不规则。音乐治疗是特护病房的常规。

(3)味觉:用醋、柠檬汁、芥末、酱油、辣椒、盐作刺激物;可通对面部表情来辨别。

(4)嗅觉:用薄荷油、桉叶油、蒜、强烈香水。

(5)触觉:洗头、洗澡、磁性衣服、沙鞋。

(6)运动觉:对身体状况许可者改变体位、活动肢体。

(二)侧支芽生(sprouting)

(三)去神经超敏性(supersensitivity)

切断神经，突触后靶细胞对该神经递质的敏感性增加,称为“去神经超敏性” 。超敏的原因包括受体数的增加以及受体效能的增加(可能是第二信使系统的改变)。

典型的实验是用6-OHDA毁损DA能神经元制造的“旋转模型” 。

(四)重组感觉代表区(reorganized sensory representations)

●前述生活经历能改变大脑皮质的连接表明:

●1. 经常使用可使感觉皮质扩大。

●2.缺乏传入信息的皮质代表区可被邻接部位的信息接管。

●3.截肢患者的幻肢感是皮质代表区对CNS不同部位变化的反应。

在截肢后，脑可以发生更为广泛的重组

●幻肢(phantom limb)现象，是指截除肢体(或器官)后引起的被截除肢体(或肠、乳房、阴茎等器官)的感觉(临床上关注的是剧烈疼痛)，这种幻肢感觉有时只存在数天或数周，但是也可能持续存在。在20世纪90年代前，无人知道其原因，大多数人认为，这是肢体残端引起，甚至于再度作截肢术来企图消除幻肢感觉。但现代科技证明，脑的躯体感觉区的重组愈大则幻肢感觉愈明显。(Flor等，1995)

●Aglioti等(1997) 在一例手截除患者发现, 刺激面部引起1, 2, (3、4), 5指的幻觉;刺激肩部引起1, 2,3, 5指的幻觉。在研究人员指出这是由于面、肩部皮质区的神经伸向幻肢的皮质区(重组) 之前,患者弄不明白,为何接触面部会引起幻肢觉。

●Ramachandran & Blakeslee ( 1998 )报导:两名截肢患者在性唤起时,有脚的幻肢感。其中一例报告,在体验快感时,不仅在生殖器,也在幻肢。这说明,生殖器的皮质代表区的神经元延伸到