大腦白質有價值

長久以來,科學家都認為大腦白質只是被動的基礎構造,但最近的研究指出,白質與學習或精神疾病有密切關係。

撰文/菲爾茲(R. Douglas Fields)
翻譯/黃榮棋

重點提要

■長期以來公認只扮演被動角色的大腦白質,卻直接影響了腦的學習與功能障礙。

■雖然神經元組成的灰質執行了大腦的思考與計算,但由包覆著髓鞘的神經軸突所組成的白質,卻控制著神經元共享的訊號,協調腦區之間的正常運作。

■一種稱為擴散張量造影的磁共振新技術,首次顯現了白質的運作,並指出不為人知的功能。

■我們出生時,白質並未完全成形,一直到20歲左右,才在不同腦區逐漸發育完全。白質生長的時機與成熟程度,會影響到學習、自我控制(年少時期因缺乏自制而輕狂),以及精神疾病,像是精神分裂、自閉與病態性說謊。


想像一下,如果我們可以深入窺探頭顱,就能夠得知人腦智愚的成因,或是找出導致精神分裂症或閱讀障礙的隱藏特徵。現在科學家利用一種新的造影技術,就可以取得這樣的證據,而且結果令人驚訝:腦中只由白質組成的區域,可能會影響智力以及各種精神疾病。


位於老師喜歡嘮叨的兩耳之間是「灰質」,負責心智運算與儲存記憶。這層皮質是腦的「表土」,由神經細胞本體(神經細胞的決策中心)緊密組裝而成。皮質底下是「白質」,在人腦中幾乎佔了一半,比其他動物的比例高出許多。白質由數百萬條溝通管線組成,每一條管線都包含一根長長的軸突,外面包覆著稱為髓磷脂的白色脂質,這些白色纜線就像連接國內長途電話的中繼線一樣,會將不同腦區的神經元連接起來。


數十年來,科學家認為髓磷脂不過是種絕緣體,而包覆於內的軸突只是被動的導線罷了,因此鮮少對白質感興趣;討論學習、記憶與精神疾病的理論,都只重視神經元內和突觸(神經元間的微小接觸點)上的分子行動。不過,現在科學家了解到,對於腦區之間的正常訊號傳輸,我們低估了白質的重要性。新的研究指出,白質的多寡因人而異,隨著心智經驗或功能障礙而有不同,而且隨著學習或彈琴等技藝練習,腦中的白質也會跟著改變。雖然灰質裡的神經元執行了心智與肢體活動,但白質的正常運作卻是人類掌握心智與社交技巧,以及老狗能否玩出新把戲的重要關鍵。


白質管的事真多


賦與白質顏色的髓磷脂一直很神秘。科學家藉由顯微鏡觀察神經元已超過一個世紀,從中看到了軸突的長纖維,宛如加長的手指向外伸展,從一個神經元本體延伸到附近另一個神經元,每根軸突都包覆著厚厚的透明膠質。解剖學家猜測,這脂肪外層必然是軸突的絕緣體,就像銅絲外面的橡膠一樣。奇怪的是,許多軸突根本沒有外鞘(稱為髓鞘),較小的纖維尤其如此;即便是有外鞘的纖維,每隔幾毫米就會出現沒有髓鞘的地方,這個裸露部份稱為蘭氏結,以首位描述該結構的法國科學家蘭維爾(Louis-Antoine Ranvier)為名。


當代研究指出,軸突上神經衝動傳導的速度,有髓鞘要比沒有髓鞘快上百倍左右,而且軸突上的髓磷脂就像電線膠帶一樣,會在兩個蘭氏結之間纏繞多達150圈。髓鞘由兩種神經膠細胞以片狀方式所形成,這些細胞不是神經元,但在腦與神經系統卻非常多(參見2004年5月號〈魅影腦細胞〉)。狀似八爪章魚的寡突細胞(oligodendrocyte)纏繞在軸突外,讓電訊號不會漏流,可以從一個個蘭氏結跳著快速往下傳送。腦與脊髓之外的神經軸突髓鞘,則是由香腸狀的許旺氏細胞(Schwann cell)形成。


沒有髓鞘的話,電訊號就會漏流而消散。為了達到最快的傳導速度,絕緣層的厚度必須與其包覆的纖維粗細成一定比例。裸露軸突直徑除以包含髓鞘的纖維總直徑,最佳比值是0.6。我們不清楚寡突細胞如何「知道」不同直徑的軸突,以決定包10層還是100層的絕緣層,才能達到適當的厚度。不過,德國哥丁根馬克士普朗克實驗醫學研究所的生物學家納夫(Klaus-Armin Nave)最近發現,許旺氏細胞會偵測一種叫做神經調節素(neuregulin)的軸突表面蛋白,當神經調節素的量一有增減,許旺氏細胞纏繞軸突的圈數就會跟著增減。有趣的是,在許多躁鬱症或精神分裂症患者身上,製造這個蛋白的基因都有缺陷。


髓鞘的包圍發生於不同年齡。初生之時只有少數幾個腦區有明顯的髓鞘,之後快速增加,某些腦區要到25或30歲時才完全成熟。一般而言,在長大成人的過程中,髓鞘是從大腦皮質後部(近後頸部位)一路長到前方(前額部位)。額葉是髓鞘最後形成的腦區,這些腦區負責高階理解、策劃與判斷,這是只有透過經驗學習才能學會的技巧。研究人員推測,青少年的前腦髓鞘不成熟,是他們缺乏成人決策能力的原因之一。這些觀察指出髓鞘之於智力的重要性。


窺看白質


人類的腦子要到剛成年時,髓鞘才算完全包覆,想必是因為在這之前軸突持續生長,隨著經驗而長出新分支或減少其他分支,軸突一旦被髓鞘包覆,改變的能力就受到限制。不過仍有些問題待解:髓鞘的形成是預設好的,還是生活經驗可以改變包覆的程度,進而影響我們學習的能力呢?是髓鞘建立了認知能力,還是認知形成僅限於尚未形成髓鞘的腦區?


名鋼琴家烏蘭(Fredrik Ull幯)決定要找出原因,他也是瑞典斯德哥爾摩腦研究中心的副教授。2005年,烏蘭與同事利用擴散張量造影(DTI)這種腦掃描新技術,來研究職業鋼琴家的腦部。DTI所用的磁共振造影(MRI)機器與醫院的相同,但使用不同的磁場與演算法來產生許多腦部影像,最後這些影像如切片般合成三維圖像。切片顯現出組織裡水的擴散向量(數學定義為張量)。灰質的DTI訊號低,因為水的擴散是對稱的,但水在軸突纖維束會不對稱擴散,這種不規則模式讓白質亮了起來,顯現出流通於腦區之間的主要訊息迴路。神經纖維的髓鞘越厚越緊密者,DTI訊號就越強。


烏蘭發現,職業鋼琴家的某些白質區遠比非音樂家來得發達,這些白質區所連結的大腦皮質部位,是那些協調手指運動的重要腦區,以及與創造音樂有關的其他認知腦區。


變粗,而需要更多的髓鞘來維持0.6的最佳比值,不過目前缺乏解剖學的證據,所以還沒有答案。但這個重要的發現指出,複雜技巧的學習可以讓只有軸突與神經膠細胞的白質產生可觀變化,而不涉及神經細胞本體或突觸。透過檢視動物腦子的研究指出,髓鞘會隨動物的經驗與生長環境而改變。美國伊利諾大學香檳分校的神經生物學家葛里諾(William T. Greenough)證實,讓大鼠生長在有著許多玩具、互動豐富的環境,其胼胝體(連接兩大腦半球的密集軸突束)會有較多的髓鞘纖維。


這些研究似乎與另一項DTI研究相呼應,那是由辛辛那提兒童醫院的神經科學家許密得霍斯特(Vincent J. Schmithorst)所進行。他比較5~18歲孩童的白質之後發現,高度發展的白質構造與高IQ有直接關係。其他的研究則指出,孩童若嚴重遭受忽略,他們的胼胝體白質會減少達17%之多。…


【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2008年第74期4月號】


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