杰伊·N·吉德是美国加利福尼亚大学圣迭戈分校儿童和青少年精神病学部主席,并在约翰·霍普金斯大学布隆伯格公共卫生学院担任教授。他也担任《意识、大脑与教育》(Mind, Brain, and Education)杂志主编一职。
翻译冯泽君
青少年大脑显著的特征是能够通过调整脑区间的网络连接来适应环境的变化。这种特殊的可塑性是一把双刃剑,既有利于青少年在培养认知思维和适应社会两方面取得巨大的进步,同时也更易催生出危险的行为和严重的精神疾病。
最近有研究表明,青少年高风险行为源于大脑边缘系统与前额叶皮层神经网络在发育进度上的不匹配。前者驱动情绪产生,在青春期期间快速发育,而后者发育相对较晚,主要负责提供合理判断和冲动控制。现在研究人员已经知道,前额叶皮层到20岁左右才能完全发育成熟,而如今青少年青春期的不断提前使得这种不匹配的时间跨度正在延长。
脑区之间神经网络连接的可塑性才是最终决定青少年是否成人的关键,而非之前所认为的脑区本身的成熟度。理解这一点将对家长、教师、辅导员及年轻人本身很有帮助,并有利于成年人确定合适的干预时机。深入了解青少年大脑的独特性也有助于区分一些攻击性反常举动究竟是适龄行为还是疾病前兆,并利于降低青少年负面社会行为的发生比率。
独特的青春期大脑
磁共振成像(MRI)是一种用来揭示全年龄段人群大脑解剖以及生理特性的既安全又准确的方法。根据对数千名个人和双胞胎的终生跟踪研究,现阶段得出的一致结论是:青少年大脑的成熟不在于脑区变大,而在于不同区域越来越紧密的联系以及脑区功能的特化。
在磁共振成像扫描中,白质体积的增加代表着脑区间联系的增强。白质的“白”来自于一种称为髓鞘质的脂质,脂质中神经元胞体伸出的轴突被髓鞘包裹,从而与外界隔离。脂质髓鞘的形成贯穿整个大脑发育期,作用于是加快神经元间信息的传导速度。有髓鞘轴突的神经信号传导速度是无髓鞘轴突的近百倍。
轴突髓鞘化可以加速大脑信息处理的另一个原因是,髓鞘可以帮助轴突在放电后迅速复原待用。由于恢复期变短,特定神经元信息传递速度将提高30倍。传输速度变快加上恢复期缩短使成人期的脑数据“带宽”较婴儿期的处理效率提高千倍,从而在脑区间建立起广泛而精密的网络。
近期研究又发现了髓鞘的其他微妙作用。虽然神经元会接收由其他神经元传来的信号,但只有当输入的信号超过一定阈值才会进行放电将信息传递出去。一旦神经元放电,就会启动一系列分子反应,加强该神经元与输入神经元之间的突触连接。
这种突触的加强是大脑学习的基础机制。目前科学家发现,想要让远处和近处神经元的信号同时到达,必须精确控制信息传递时间,而髓鞘在其中充当重要角色。儿童进入青春期以后,髓鞘的快速扩张能加速并协调处于不同认知任务中的各个脑区的参与行为。
灰质的变化
此外,青春期期间还有一个重要的变化。大脑发育和其他复杂的自然过程一样,都会经历一个先过量生产,再进行选择性消除的连续过程。与此同时,常用的连接则会被强化。尽管消除和强化过程会伴随人的一生,但青春期期间,重心更偏向消除过程,大脑会按照环境需要自行自我重塑。
随着神经元间过量连接的消除,特化逐渐形成,大脑灰质开始减少。灰质包括大量无髓鞘结构,如神经元胞体、树突和特定轴突。在人体发育中,灰质在儿童期大量增加,约10周岁时达到峰值,并在进入青春期后逐渐减少,当进入成年的稳定期再到老年期又会进一步下降。最早达到灰质峰值的脑区是初级感知皮层,该区负责知觉以及对光、声、嗅、味、触觉等刺激的处理。最晚达到峰值的脑区则是负责执行功能的前额叶皮层,其执行能力包括组织、决策、计划以及情感调节等。前额叶皮层的一项重要功能是根据过往的经验为未来提供假设性预判的能力,通过在脑内总结过去、考虑当前从而对未来可能得到的结果提出假设,而无需“亲身犯险”。同时,前额叶皮层也是进行社会认知的重要区域。
如上所述,青春期脑区的显著特点之一便是灰质和白质的变化。随着大脑发育的逐渐成熟,这些变化也在逐步改变脑区之间的网络连接。
发育中的失衡态
在激素的作用下,边缘系统从青春期开始(一般是10到12岁)发生显著变化。边缘系统负责调节情绪及对回报的反应,并通过和前额叶皮层的协同作用使青春期少年更爱追求刺激、冒险,爱和朋友相处。这些行为都有着深厚的生物学基础,表现为青少年爱冒险、向往探索新环境及寻求外界关系等。
最终决定青少年行为的,既不单是调控功能的晚发育,也不仅是冲动行为的早发生,而是两者之间的不匹配度。青少年的情绪化是边缘系统造成的,而起到控制作用的前额叶皮层要到25岁左右才会完全成熟,因此在这中间近十年的时间差里,冲动的情绪和沉稳的行为之间会处于失衡状态。
青春期是把“双刃剑”
漫长的成熟期和延长的大脑可塑期让我们在成长的过程中保有选择的余地。这一点在整个人类的进化史中也至关重要。但大脑可塑性时间的延长在给人类带来诸多益处的同时也带来一些弊病。
由此看来,青少年大脑的典型变化与精神病症之间存在着复杂的关系,其中潜在的根本关联可能是“移物易损”,即白质、灰质和神经网络的大规模变化增加了大脑出错的可能性。除去精神层面,青少年时期是人一生中最健康的时期,其免疫系统、对癌症的抵抗能力及对冷热的耐受度等都处于人生的最佳阶段。但与此同时,青少年发生重大疾病和死亡的比率却是儿童的2到3倍。随着青少年大脑发育机制和其带来的影响逐渐清晰,越来越多的科学家开始关注这一领域,希望能将消极的影响减到最轻,同时充分开发青少年大脑惊人的可塑性。
了解青少年大脑的独特性和快速变化性,有助于家长、社会和年轻人三方更好地应对危险、把握机遇。了解大脑的可塑性也有助于家长和孩子就一些重要问题进行建设性的对话,如自由和责任对个人成长的影响。对年轻人自身而言,了解与青春期相关的神经科学新知也会激励他们自愿地“优化”大脑,充分培养个性与能力。
本文由《环球科学》(《科学美国人》中文版)供稿,编者有删改。
作者: 杰伊·N·吉德(Jay N. Giedd)