大脑什么时候发育成熟_儿童期大脑成熟与行为发展的关联

　　[摘要]日新月异的脑科学研究，为建立基于大脑发育的个体发展模型和学习理论提供了光明的前景。发展认知神经科学家与教育家、教育政策制定者之间的对话，必将为早期教育提供坚实的实践指导依据，并带来变革性的影响。本文简介探索儿童认知发展和脑发育之间关联的研究，并重点介绍人类个体在出生到青春期的发育过程中，大脑成熟与心理能力发展的一致性特点。最后，探讨大脑成熟与儿童行为发展关联研究对教育的启示。
　　[关键词]大脑成熟；儿童发展；发展认知神经科学
　　[中图分类号]G610　[文献标识码]A　[文章编号]1004－4604(2008)07/08－0064－06
　　
　　随着认知神经科学研究手段的不断发展，越来越多的科学家相信探索人类个体认知发展和脑发育之间关系的时机已经成熟。整合生物学和认知发展理论两方面的信息，诞生了一门全新的学科一发展认知神经科学。我们可以预期21世纪的发展认知神经科学将逐渐成为发展心理学研究的主流。发展认知神经科学的出现，开创了透彻理解个体发展的心理学和生物学基础的全新时期。
　　众所周知，大脑新皮层是人类心理活动过程的中心和主要器官。每个个体新皮层的表面积，特殊脑回、脑沟的形状及其结构就像个体的指纹那样各具特色。神经元之间突触的发生、发展与修剪，神经回路的不断整合，不同的分子及细胞生物机制都在神经系统的发育过程中发挥着重要作用。然而，脑的发育并非仅是基因图谱的简单展开，个体经验与环境因素也参与调节神经系统的发育，并对神经结构的优化与精细化提供指引。发展认知神经科学家指出，在皮层、突触快速发生的早期，经验预期效应(experience－expectant)占主导地位，此时外来信息对专门进行信息处理的皮层回路进行调整；在突触生成的后期，经验依赖效应(expenence－dependent)逐渐占主导地位，此时外来信息主要调节皮层的成熟。个体的学习和经验在个体发展过程中通过对大脑功能与结构的再组织机制――“神经可塑性(neural plasticity)”来影响儿童知觉和认知能力的发展。
　　在儿童从出生到青春期的发育过程中，其大脑成熟与心理能力的发展表现出明显的协调性与一致性。但这一认知能力与脑发育协同发展的速度并非平稳恒定，而是在某些时间窗口内表现出明显的跳跃式发展特点。研究表明，最重要的成熟转折点主要发生在出生后2－3个月、7－12个月、12－24个月、4－8岁及青春期。儿童的抚养者与教育者如能重视这些成熟的关键转折期，并给儿童以适宜的环境刺激与认知训练，必能收到最佳的教育效果。当然，这些令人振奋的新发现主要得益于自20世纪90年代以来有关认知发展与脑发育关联研究手段的伟大革新。
　　
　　一、认知发展与脑发育关联研究方法简介
　　
　　一系列伟大的技术和方法革新使我们能够更直接地探索儿童认知发展的神经基础。某一种研究方法所提供的信息往往仅是科学家想要了解的整个图画中的一部分。事实上，通过传统心理学方法和新的生理学方法来研究同一个结构所得出的结论可能是不同的。例如，向10岁儿童呈现3－6岁前玩伴的照片和他们不熟悉儿童的照片后，问他们是否见过照片中的孩子，大部分儿童很难识别他们以往玩伴的面孔。然而，这些被试中的大部分，在看到他们曾经熟悉的孩子的照片时会有皮肤电的特殊反应，但对于陌生者的照片没有这种反应。因此，关于“10岁的儿童在六年后是否仍能记得他们的玩伴”这一问题的答案取决于研究方法的差异。这也部分地解释了为什么我们要将各种先进的神经科学技术应用于儿童发展的研究中。
　　目前，应用于儿童发展与脑发育关联研究的方法主要有脑功能成像、标记任务、分子遗传学与动物模型等。其中，已广泛运用于儿童发展研究的技术是功能性磁共振成像(fMRI)与事件相关脑电位(EILP)。Picton指出，EIKP的高时间分辨率、非侵入性和操作的相对简便性已使其成为目前国际上幼儿脑功能研究的最有效工具。近红外光谱技术(NIRS)可以被用来探测脑内血氧浓度的变化，是在儿童发展研究中代替fMRI的最佳方法，但这一技术尚处于完善过程中。标记任务是一种通过综合应用神经心理学及脑成像技术来研究与特定行为任务相关的脑区的方法。分子遗传学技术主要通过将动物基因组中特定的基因敲除来观察其成年后执行各种特定学习任务的缺陷，其结论也可以为儿童认知发展的研究提供启示。
　　
　　二、大脑成熟与儿童心理、行为发展的关联
　　
　　儿童发展的过程是渐进而非突变的，因此更适合于用状态(phase)而不是阶段(stage)来形容这一过程。研究发现，在儿童发展的历程中，心理特征和大脑解剖结构及功能变化在时间上表现出高度的一致性。然而，大脑成熟状态和儿童心理特征之间的时间相关性也并非是完全确定的，因为不能忽略经验这一重要影响因素。例如，在12－24个月期间大脑的变化对于语言能力的产生是必要的，但如果儿童没有受到任何语言的影响，他们还是不会说话。因此，下面的基本前提假设是大脑成熟制约了儿童心理特征出现的时间，这是心理现象发生的必要条件但不是充分条件。
　　1、婴儿期
　　在儿童出生后的第一年，大脑的发育和心理发展呈现高度的一致性，大脑的变化有助于婴儿心理的变化，其中第2-3个月和7-12个月时期发生的转变尤为重要。
　　(1)在2－3个月间的转变
　　首先，许多新生儿反射消失，包括手掌的抓握反射和巴宾斯基反射(Babinski reflex)，这是第一次转变的可靠标记。大多数科学家相信这种现象是由于脑干神经元受到皮层抑制，即从辅助运动皮层到脑干和脊髓的投射抑制了脑干神经元的活动。虽然这些轴突在出生前已到达脑干和脊髓，但真正的突触接触在2－3个月后才出现。
　　其次，第一次转变也以啼哭明显减少和社会性微笑增加为标记。前一现象可能是由于调节啼哭的脑干核团(特别是网状结构、中央灰质、孤束核和臂旁核)受到皮层抑制的结果。
　　第三，该转变的另一个特征是用以募集和维持对刺激物注意的心理基础在增加。7－8周龄的婴儿对于一个可视事件的注意持久度主要受该事件的物理特性，尤其是大小、轮廓密度和运动情状影响。而在此之后，注意的持久度更多地受事件与婴儿已习得的该事件图式之间的关系所调控。图式(schema)是由事件诱发的大脑活动所产生的心理形式，它的心理学定义是事件的物理特征模式。婴儿从出生到2个月内对于差异事件的注意募集不是自动的，因为他将事件和已习得图式关联起来的能力比较脆弱。而且，注意的持久度和差异的相关函数不是线性的，而是倒U型的，即适度差异事件比非常熟悉或非常新奇事件需要更长的注意时间。例如，4月龄的婴儿对于不熟悉的面孔比对一张熟悉的面孔或完全新奇的事件(比如一片 不规则的泡沫塑料)所注视的时间更长。
　　海马发育的最快速度出现于2－3个月间，特别是海马齿状回的苔状细胞经历着一种快速的分化，上述注意模式的变化与婴儿海马发育密切相关。海马的成熟有助于2月龄的婴儿在一段时间延迟后再认事物能力的提高。海马的发育也为3月龄的婴儿建立视觉期待提供了可能性：实验者令婴儿仰卧着，向上看两个监视器。每一个监视器上交替呈现一张彩色的面孔或其他图片，延时700毫秒；然后有1100毫秒的间隔，两个监视器都黑屏；随后在第二个监视器上出现另一刺激。这个交替过程共持续1.5分钟。结果有20％的3.5月龄的婴儿在间隔的黑屏期将他们的头转向另一监视器期待刺激的出现，而2月龄的婴儿未出现该现象。
　　(2)在7－12个月的转变
　　大多数健康的婴儿在7－12个月间，开始发展出从不存在于当前感知场的过去事件中提取图式，并将它们和当前的知觉一同放在工作记忆回路中的能力。他们试图把新的知觉同化于旧有的图式。而4月龄的婴儿只能识别过去曾经在感知场中经历过的事件，但要他们从不再呈现的过去事件中获取图式并对此加以认知加工很困难。在一个对6－14个月的婴儿每两周进行一次评估的纵向研究中，测试员在两个相同圆柱体中的一个下面藏了一件颇具吸引力的物体，然后在婴儿和圆柱体之间放置一块不透明的屏幕，时间间隔分别为1或3或7秒。移走屏幕后，允许婴儿去抓其中一个圆柱体。随着时间间隔的增加，抓向隐藏有物体的圆柱体的可能性与年龄呈线性相关。在时间间隔为7秒时，几乎没有一个7月龄的婴儿去抓隐藏有物体的圆柱体；而12月龄的婴儿能够轻松地解决这个问题。
　　7－12个月的婴儿工作记忆能力的提高，伴随着前额叶皮层中锥体神经元和抑制性中间神经元的迅猛发育和分化。如PET检测发现，这一发育伴随着外侧和背外侧前额叶皮层中葡萄糖摄取量的增加。此外，在10－12个月间海马体积已经接近成人的大小。这些7－12个月间大脑解剖学上的变化伴随着更快的脑电α频率(6－9Hz)。海马结构的完整性对于在短时记忆中保持一个表征(＜10秒)是必需的。然而，前额叶的完整性对于皮亚杰的A－not－B任务的成功执行是必需的，即使其时间间隔很短。为此，有些科学家将短时记忆存储和工作记忆的概念区分开来，因为后者隐含着对信息的某种认知加工。
　　总之，7－12个月的婴儿行为变化的中心特征是，能够提取图式并与当前处境一同保持于工作记忆回路中20－30秒，并对它们作出比较或执行其他认知操作。这一进步的生物学基础主要依赖于前额叶皮层中神经细胞的生长和分化，以及前额叶皮层与杏仁核、海马及颞叶皮层连通性的增强。
　　2、出生后第二年
　　儿童出生后第二年的发展以四个心理能力出现为典型特征，它们都依赖于大脑的一系列特定变化。典型特征包括：(1)理解和表达有意义言语的能力，(2)推断特定心理和感受他人情感状态的能力，(3)对被成人禁止行为的表征，(4)对自我感情和自我意图有意识地知觉。
　　(1)语言
　　新语言能力的大脑基础根植于广泛的大脑皮层网络中，这个网络连接了听觉通道和对时间序列表征所涉及的从颞叶到顶叶、额叶和小脑的区域。大多数婴儿在12－15个月间第一次说话并非巧合，因为这段时间Broca区的左口面部分发生快速的树突发育(研究已证实大脑Wernicke区在言语理解的知觉方面起重要作用，而Broca区在言语的运动成分中起重要作用)；同时由于小脑齿状核树突的广泛生长，使得小脑容量也增加，到1周岁时其葡萄糖摄入量已达成人的175％。
　　此外，有研究者认为大脑皮层第三层神经元的发育也促进了言语能力的发生，因为其轴突构成了胼胝体(连接大脑左右半球的神经通道)。基于表征物体的知觉图式存储于大脑右半球，而词汇结构表征位于大脑左半球的假设，胼胝体的功能性成熟将大大提高大脑左右半球的信息传输效率，使大脑能够将知觉图式与词汇表征相整合，从而帮助儿童在看见物体时正确地构音发声。例如，如果胼胝体传递更加有效，当幼儿看见桌子上的一个杯子时所激活的知觉图式(存储在大脑右半球)就能更快地与物体的词汇表征(存储在大脑左半球)相整合，使孩子能够很快地说出“杯子”。
　　(2)推理
　　推测他人思想和感受的能力，是2岁时发展出来的另一种能力。常用来观察这种能力的一个实验是成人在障碍物后将一个玩具藏在三个盖子中的一个下面，而孩子不能看见玩具藏在哪里。移开障碍物后，如果成人注视玩具放置的地方，2岁的孩子――而非1岁的孩子，会根据成人注视的方向去获取玩具，表明他们能够推测成人正在看向正确的位置。当8－19个月的婴儿看到成人把头转向一个有趣的景象时，只有18－19个月的婴儿能可靠地利用成人注视的方向引导自己找到目标定位。能够对他人感知的悲伤有移情行为的表现，也揭示了幼儿具有推测他人思想的能力。皮层第Ⅲ层神经细胞的发育使得沮丧时躯体感觉的图式表征(主要存储在大脑右半球)与他人状态的语义表征(主要存储在大脑左半球)更快地整合。结果，移情就发生了。
　　(3)禁止行为的表征
　　幼儿首次获得禁止行为的图式概念是在出生后的第二年。如果家长让2岁的孩子执行一种违反家庭规范的行为，大多数孩子会表现得犹豫，如在一张干净的桌布上倒果汁。住在斐济群岛孤立环礁的家长们也认可这种发展，他们相信他们的孩子在2周岁后获得了vakayala，意即通情达理能力。
　　大脑两半球间信息的有效协调促进了孩子该行为的发展，因为由父母亲批评或惩罚所带来的不确定感的心理图式(主要存储在大脑右半球)，能够更好地与禁止行为的语义表征(主要存储在大脑左半球)相整合。
　　(4)自我意识
　　儿童在出生后的第二年出现了自我意识的起始迹象。如，能够识别镜子里自己的映像；指导成人以特定方式来行动；当自己不能模仿他人行为时会表现出沮丧，能模仿时表现出自豪；能够用语言来表述自己正在干什么，等等。大脑两半球连通性的增强有助于这些行为的出现。孩子对瞬息万变的情调(feeling tone)的表征，是自我意识形成的重要基础，主要存在于大脑右半球。当这种信息与自己的名字、思想和意图等相关语义信息(主要存储在大脑左半球)相整合，自我意识就产生了。1岁婴儿的行为和认知功能与黑猩猩相似，两者都表现出工作记忆的增强和对不能被同化的差异事件的恐惧。然而到了第二年末，两者有了非常明显的差异，因为有了语言、推理、禁止行为的意识和自我表征的出现，没有一个观察者会混淆一个2岁的幼儿和黑猩猩之间能力的差异。
　　3、2－8岁
　　几世纪以前的文献就认为儿童2岁以后，一系列普遍的心理特征就已出现了，且在5－8岁之间加速发展，从8岁以后到青春期则进入一个平 稳阶段。即使没有读写能力的家长也在孩子6岁或7岁时开始给他们分派家务。此时的家长都期望他们的孩子能够照顾比他们更幼小的孩子，照料动物，在地里干活和遵守社区的风俗，因为他们注意到孩子变得善学，有责任感，有理解他人需要的能力，并能够明白合理的解释。这个较长时期的成熟能力包括：(1)对于过去与现在的积极整合，(2)对于语义网络的依赖增强，(3)种类间共同关系的探究。
　　(1)过去与现在的整合
　　这一发展状态的标志是，儿童能够自动且更为可靠地通过激活过去的表征来理解当前的情境。这种能力被皮亚杰称作守恒(conservation)。研究这种能力的一个经典实验是，测试员向孩子出示两团相同的球状橡皮泥，问这两个球是不是有一样多的橡皮泥。所有的孩子都认为两个球的橡皮泥一样多。然后测试员把其中一个球搓成香肠的形状，再次问孩子：“哪个橡皮泥多?”4岁的儿童通常会认为这个问题与前一个问题无关，他们觉得香肠状的橡皮泥似乎更大，于是会回答说香肠状的那个橡皮泥更多。而7岁的儿童能把香肠状橡皮泥看作是最初形状变化后时间序列中的一部分，因此7岁的儿童能够把测试员的问题理解为“根据刚才1－2分钟内你们看到的过程来判断哪个橡皮泥更多”，换句话说，年长的孩子都会把第二个问题看作是连贯时间序列的一部分。
　　(2)语义网络
　　2－8岁儿童第二个显著的特征是对经验的分类更多地依赖于语义网络。造成童年期遗忘现象的一个重要原因是，年幼的孩子不能规则地使用语义结构来编码他们的经验，所以他们无法叙述过去经历过的事件。使用语义来为经验分类影响了儿童组织和提取知识的方式。例如，让4岁或7岁的儿童阅读一份有12个单词的列表，其中包含两种语义种类(如动物和食物)，只有7岁的儿童在回忆时会按语义种类来归组。这一现象暗示年长的孩子有一种把相同种类的词语归为一类的自动倾向。在2－8岁期间儿童记忆功能的显著提高，也与其使用语言来组织经验有关。
　　(3)共同关系
　　对多种事件间共同关系的探究是2－8岁时期的第三种典型能力，一般出现于4岁或5岁后。6岁以下的儿童能够探究两个或两个以上事件间的共同物理特性或功能。年幼的孩子不能探究属于不同种类事件间的共同语义关系(例如，6种喧哗的噪音和6种甜美的味道在数量上具有共同的语义关系)。这种能力之所以出现晚，是因为共同关系并非直接呈现于知觉中――如形状或动作那么直观，而是必须用语义的形式进行推理。
　　上述各种心理能力的发展都有赖于许多脑区的协调合作。在2－8岁阶段大脑发育的主要特征有：①4－8岁期间儿童大脑的重量已达到其成人之后脑重的90％，大脑皮层表面积增长的速度在2－6岁间最快。这种发育也伴随着皮层和皮层下结构对葡萄糖摄取量的增加。②5岁或6岁后突触的生成数量和删减数量以后者的比率逐渐占优势。冗余突触数量的删减，反映了活跃的具有学习功能的突触网络的巩固。突触密度在大脑皮层第Ⅳ层达到峰值的时间比第Ⅱ层和第Ⅲ层早(第Ⅱ层和第Ⅲ层大脑皮层的主要功能是调节关联活动)。③大脑连通性增加――该时期发展的最核心特征，可从髓鞘化的增强和脑电(EEG)相干性提高中显示。在3－6岁间，胼胝体前部轴突上的髓磷脂发育速度最快，且连接大脑半球内非邻近部位的较长纤维束在3岁后出现髓鞘化的高潮。在生命前3年，皮层第Ⅱ层和第Ⅲ层的灰质比白质更多，而3－6岁间反转过来，白质第一次超过了灰质。总之，2－7岁间大脑最基本的变化是，大脑两半球之间、大脑前后皮层区域之间以及皮层和皮层下结构之间的大量相互连接被建立起来。
　　4、青春期
　　皮亚杰指出，尽管大部分的认知过程在8－10岁期间都已功能化，但抽象思维、逻辑推理、计划和认知的灵活性等在青春期开始和发展过程中仍在不断提高。青春期的典型特征之一是具有探究信念之间或感觉和信念之间的逻辑矛盾或语义矛盾的能力。例如，识别对朋友不忠诚的思想(“我是一个好人，但我希望我的朋友考试失败”)，会引起片刻的不和谐感或内疚感，尽管朋友并没有真实地被那些思想所伤害。年幼的孩子则很少能够识别这类矛盾。对于相关信念之间矛盾的探究，会激发青少年将他们过去的知识与目前的经历相整合，从而帮助他们全面理解自己目前的处境。儿童早期不经过思考就表现出来的行为，到了青春期会更多地被置于有意识思考的控制之下。例如，年幼的孩子虽能区分不同的面部表情，但很难抽象地领会人类的情感。而青春期的孩子能够根据人的面部表情或姿态来作复杂的推理，以了解他人的情绪状态。
　　上述认知能力的发展主要归功于额叶的发育。内侧颞叶结构(包括海马)功能在发育早期已经成熟，但额叶功能要到青春期过后才能达到完全成熟，且前额叶比后部区域成熟更晚。突触修剪也一直从青春期延续到20岁以后。此外，调节情绪、注意和认知功能的前扣带回脑区髓鞘化的增加，也带来皮层和皮层下结构之间连通性的提高。从皮层和皮层下区域到扣带回的投射提高了对心理过程的协调与控制能力。虽然我们目前对这一过程还知之甚少，但有关啮齿类动物的研究为我们提供了一些参考，如大鼠从杏仁核到扣带区的投射就出现于青春期。而且，青春期母鼠的皮层下结构(尤其是杏仁核和海马)的体积接近成年时的体积。但青春期公鼠的皮层下结构体积却大于成年时的体积。这表明不同性激素对上述脑区的突触修剪有着显著不同的影响。
　　总之，青春期所发生的心理变化不但与前额叶皮层的突触修剪有关，也与连接前额叶皮层和大脑其他部分的轴突的髓鞘化有关，并且依赖于扣带回皮层、杏仁核和前额叶皮层之间稳固回路的建立。
　　
　　三、认知发展与脑发育关联研究的教育启示
　　
　　发展认知神经科学试图关联大脑发育与儿童发展，以此探究儿童心理与行为发展的神经基础，这对于学前教育具有重要启示。
　　首先，它为建立基于大脑发育的个体发展模型和学习理论带来了曙光，从而为学前教育理论和实践提供坚实的科学依据。北京师范大学“认知神经科学与学习”国家重点实验室提出的建立“基于脑、适于脑、促进脑的教育”的主张，正反映了当前国际教育界对脑科学研究日益关注的趋势。“适于脑的学习”理念已有初步的实践成果，如美国加州的教育学家Eric Iensen开展了一系列的“超级营地”教学活动，试图利用最新的脑科学研究成果来帮助儿童提高生活技能和学习技巧。他们追踪数年的研究显示，学生的成绩、出勤率和自信心都得到了提高。目前，该项目已成为有2万名学生参与的国际性固定活动。
　　其次，教育学家、教育政策制定者、教师、抚养者以及发展认知神经科学家之间的对话，有助于我们将抚养方法、教育政策、实践标准和课程设置建基于最优秀的科学研究证据之上。例如，ERP研究发现，婴儿在出生后6－12个月内建构起高效的母语语音加工回路，因此在此期间抚养者要让婴儿多接受标准母语的刺激，尽量避免外语或方言的干扰。脑科学家已经证实听觉通路是人类习得语言最重要的早期路径，这提醒我们在开展幼儿外语教学活动时要尊重儿童的认知发展模式，多从听说训练人手。
　　第三，对特殊障碍或学习困难儿童的发展认知神经科学研究，有助于教育机构制定出有效的教学或干预策略。例如，脑成像研究发现，阅读障碍儿童大脑左半球颞顶枕交界处的脑区存在功能异常。表现为对快速变化的语音序列的加工障碍。而有关改善快速听觉处理能力的训练，可使阅读障碍儿童的行为表现与脑成像结果都得到显著改善。
　　第四，根据儿童发展与脑发育各个阶段的典型特征，创设环境，施以适宜刺激，可为儿童提供发展所需的经验。大量证据显示，儿童大脑成熟与心理能力发展呈高度的一致性。但我们既不能将一切人类心理与行为现象都还原为神经元的各种生化反应或电活动，也不能认同遗传决定论的观点，以为儿童发展只是基因图谱展开的简单过程。应该说，神经元的变化和人类经验的交互作用共同构成了儿童整个发展过程的主旋律。因此，教育者要为儿童不断发育的大脑提供丰富的“经验营养”，以帮助儿童积极地建构认知结构、塑造其充满学习潜能的大脑。
　　第五，重视艺术教育的大脑开发价值。教育学家Eric Iensen指出，艺术与所谓“学术性学科(包括科学、语言、数学等)”的地位是相当的，我们不能再把艺术称为“文化的附加物”或“大脑右半球的装饰品”。新近的脑科学研究证明，艺术不但具有右脑开发的功能，并且能促进大脑皮层对边缘系统的调节，提升人的情商。“莫扎特效应”引发了运用音乐开发大脑潜能的研究热潮，已有实验研究证实，音乐的确可以增强儿童的认知系统、感知运动系统和应激――反应系统，提高儿童的记忆力与情绪智力。在片面追求学业成绩和幼儿园教育小学化的倾向中，学前教育者更需要重视艺术教育的大脑塑造功能，积极地把对音乐艺术、视觉艺术、戏剧艺术、工业艺术和运动艺术的欣赏和创作融入幼儿园课程设置和日常教学活动中。

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