生命科學

【腦專輯】適當訓練可強化大腦功能

腦子越用越靈光,不用就生鏽。

撰文/霍洛韋(Marguerite Holloway)
翻譯/王道還(中央研究院歷史語言研究所助理研究員、本刊編譯委員)

生命科學

【腦專輯】適當訓練可強化大腦功能

腦子越用越靈光,不用就生鏽。

撰文/霍洛韋(Marguerite Holloway)
翻譯/王道還(中央研究院歷史語言研究所助理研究員、本刊編譯委員)

從突觸談起


美國加州大學舊金山分校的尼柯爾(Roger Nicoll)認為:「『可塑性』是神經科學中最受濫用的字眼。」他的實驗室正在同校備受爭議的神經科學家莫山尼奇(Michael M. Merzenich)的對面。現在,大腦的任何變化,都說是「可塑性」,不管是化學上的變化,還是新神經元的形成(這叫「神經新生」),或者是較大區域的「功能重劃」(remapping)。然而,可塑性最基本的層次,是尼柯爾正在研究的「突觸」。突觸是神經元以化學物質為訊號互相溝通的地方。學習可強化神經元之間的連結,一方面創造更多的連結,另一方面也加強它們的化學溝通能力。這些變化把涉及某個動作、感受或者念頭的神經元串接在一起,有句俏皮話"Neurons that fire together, wire together."(可以譯做「神經元一齊開火,一齊串連)就是指這個現象。神經可塑性必須從突觸的層次開始,否則一切免談。


直到1960年代中,大家還認為成年人無法形成新的突觸,一旦大腦停止發育,神經元的連結就凍結了。後來,科學家才發現事實並非如此。舉例來說,當年英國牛津大學的雷斯曼(Geoffrey Raisman)與費爾德(Pauline M. Field)證明了:成年人的突觸具有可塑性。其他人發現環境與經驗都能影響大腦,令人矚目,例如美國加州大學柏克萊分校的羅森茲威(Mark R. Rosenzweig)、伊利諾大學的葛里諾(William T. Greenough)領導的研究團隊。葛里諾證明了,要是訓練大鼠從事具挑戰性的任務,或將牠們放入「複雜的環境」中(他說,不過是在籠裡放些好玩的玩具罷了,「當然比不上牠們在自然環境中所面對的智力挑戰。」),大腦裡都會形成新的突觸,不管成年了沒有。這些新的突觸或者強化記憶,或者強化運動協調能力。


這些針對演練效果所做的研究,以及後來叫做「豐富型環境刺激」(透過玩具與作業提供刺激)的研究繼續開花結果,許多人正在尋找臨床應用的竅門。刺激與演練使大腦受傷的大鼠復原得較快;最近的研究結果也顯示,帶有杭丁頓氏症基因的小鼠,要是生活在複雜的環境中,發病時間就會延後。葛里諾與其他研究人員認為,這些效果不只是新突觸導致的,還有新生的血管以及新生的星狀細胞(astrocyte,負責清理大腦中的過剩物質,例如鉀離子,使神經元處於最佳環境中)。這些情境下,包裹在神經軸突表面的髓磷脂(myelin)也強化了,而這種脂質的神經鞘是神經纖維的生存與傳訊所不可或缺的(譯按:多發性硬化症就是神經鞘剝落的結果)。


發現突觸具有可塑性之後,科學家開始評估大腦在更大的尺度上是否具有可塑性,例如整個神經網絡或大腦某個區域。不過,這個想法並不新鮮。19世紀末、20世紀初,有幾位科學家就主張大腦會因經驗而重新形塑。例如詹姆斯(William James, 1842~1910)就假定大腦會不斷地受經驗改變。1920年代時,拉胥里(Karl Lashley, 1890~1958)發現,猴子的運動皮質似乎每個星期都會變化。直到1970年代,仍有人從事同樣的研究;但是主張成年大腦是固定而不變的科學家居主流地位,他們發現,大腦只在嬰兒期與兒童期早期,亦即所謂的「關鍵期」,才會發生大規模變化。莫山尼奇評論道:「宗教是從主流發展出來的。而主流認為:大腦像個計算機,重要功能在關鍵期已經建立了。」


1980年代,莫山尼奇與合作者進行了一系列實驗,包括美國田納西州范德比爾特大學的卡斯(Jon Kaas),他們揭露了:成年猴子的運動皮質會發生變化。大腦皮質位於大腦外層,上面有負責處理觸覺、運動、聽覺、視覺等感官資訊的區域;人類的大腦皮質還有負責語言與推理能力的區域。有一個實驗,是將猴子的手指切下一根,結果牠大腦皮質運動區由那根手指驅動的區域,不久之後就對傳遞鄰近手指資訊的神經元有反應了。可見皮質上原先負責那根失去的手指的區域,正在監控與處理鄰近手指的資訊;就像一塊棄置的土地,很快就會遭鄰居佔用。莫山尼奇回憶道:「那個實驗結果把我給喚醒了。」


【不可不知】大腦的功能重劃

這是莫山尼奇以猴子做的經典實驗,證明大腦皮質具有可塑性。首先,他將猴子身上負責手指或手上某個部位(左圖彩色區域)的神經切斷。他發現,大腦皮質上的對應區開始對先前它不負責的區域有反應。而且,那個皮質區對應的身體區域會逐漸擴大(右圖彩色區域)。