儿童青少年认知能力发展与脑发育_李艳玮

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6~18 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4~21 岁个体的皮层发育进行了长达8~10 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13.6~17.3 岁被试中最显著, 而在10.1~11.9 岁和6.4~8.8 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(3.8~8.4 岁), IQ 与皮层厚度呈负相关, 而到了儿童晚期(8.6~11.7 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6~11.9 岁儿童组被试

g 因素与皮层厚度的相关为0.2~0.33, 而12~18.3 岁青春期组被试两者之间的相关为

0.25~0.44, 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=83~108)、高(IQ=109~120) 和超高(IQ=121~149)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