认知科学：导论/大脑发育

有性生殖

像人类这样的有性繁殖动物，通过结合父母双方的遗传物质来产生后代。母亲的 DNA 在她的卵细胞中，而男性的 DNA 则编码在精子中。当精子使卵细胞受精时，这些基因结合起来形成新个体的遗传蓝图。我们认为的大多数人的遗传特征并非单个基因编码单个蛋白质的结果。相反，它们是许多、许多基因的结果。其中一些基因来自母亲，一些来自父亲，因此个体获得的基因组合及其表现出来的性状在具体方面是不可预测的。

人类有 23 条染色体，其中包含大约 20,000 个描述人类的信息基因。DNA 编码如何制造蛋白质和活性 RNA、何时制造它们、在哪里制造它们以及制造多少。^[1] 请参阅此 侧边栏，了解信息基因的含义。

什么是蛋白质：你可能在营养学方面知道“蛋白质”这个词。然而，在生物学中，蛋白质是大多数亚细胞活动的驱动者。一段物理 DNA 编码蛋白质的碱基对，蛋白质最初是一条长长的氨基酸链，然后折叠成复杂的形状。这种形状决定了它的功能。不同的机制检测蛋白质以了解何时开启和关闭以及总体上的行为方式。生物世界依靠蛋白质运行。请参阅此 视频：蛋白质折叠，以可视化蛋白质的创建和折叠成最终形状的过程。

但并非所有遗传影响都是遗传的。单个卵子或精子可能发生突变或复制错误，这些错误会传递给后代，导致孩子遗传到父母其他细胞中没有的突变。每个受精卵平均有 70 个这样的新突变，但由于我们只有大约 3% 的基因被使用，因此大多数突变没有影响。^[2] 这些突变可能导致孩子出现父母都没有的性状。唐氏综合征就是一个很好的例子：特定的卵子或精子获得了一条额外的染色体，导致了父母都没有的综合征。它几乎从未遗传，但它是遗传的。^[3]

发育始于单个细胞：受精卵

DNA 包含构建身体的指令，包括大脑（对于有大脑的动物）。但 DNA 并没有对它将帮助生成的整个身体进行完整的编码。首先，DNA 的信息量不足以完全描述每个细胞的位置以及每个神经元与其他神经元的连接。它所拥有的可以被认为是一个程序，由数千个无意识的生化机器执行，当发生这种情况时，就会形成一个身体。^[4]

人类最初是一个单细胞，它会复制，然后这些细胞会复制。随着它们复制，细胞开始分化。有些细胞是大脑中的神经元，其他细胞是脚上的皮肤细胞。

发育中的随机性

但这个过程充满了随机性和噪声。大脑有数千种不同的神经元类型，并非所有神经元都准确地创建在它们应该在的位置。在早期发育过程中，它们会像变形虫一样爬行，朝着它们应该去的地方移动。这些细胞如何知道去哪里呢？

当初始细胞分裂成两个，然后四个，然后八个细胞，依此类推时，细胞开始跟踪身体中的三个轴：头尾（称为前后；即使人类也从尾巴开始），背到腹（背腹），以及左右。细胞根据它们在这三个轴上的位置释放蛋白质，每个细胞都“知道”每个蛋白质的浓度对于它在体内的位置来说是最优的。这种或那种蛋白质对于这种或那种轴的浓度决定了身体中的三维坐标，每个细胞都知道它应该去哪里。当它发现自己处于正确的位置（因为蛋白质的浓度是正确的）时，它就会停止移动。^[5]

一旦神经元处于正确的位置，它们就需要连接到正确的神经元。神经元的接收器（树突）和信息发送器（轴突）就像从神经元伸出的胳膊。使用与将细胞放置到正确位置相同的蛋白质梯度，树突和轴突蜿蜒进入大脑，寻找正确的连接。有些轴突甚至延伸到整个大脑！^[6]

母亲子宫中发育中的细胞周围的特定化学环境会对早期发育产生微妙的影响，而这些影响在以后会产生更大的影响。发育环境的细微差异会让大脑（和身体）朝着特定的方向发展，进一步的发育建立在先前的基础上（它是自己的环境）。因此，两个拥有相同 DNA 的个体将会发展成不相同的个体。

我们可以在同卵双胞胎中看到这一点。他们看起来和行为很像，但他们并不完全相似，即使他们是由相同的 DNA 构建的。我们甚至可以在我们自己的身体上看到这一点。你脸上每一边的遗传编码是相同的，但我们的脸部并不完全对称。因此，当我们谈论差异是先天性的时，它不仅指的是遗传差异，还指的是与通常认为的环境无关的发育差异（例如，你父母如何抚养你）。^[7]

先天与后天之争

你天生就拥有什么，什么又是你经历的结果？虽然这个问题在直觉上很有道理，但当我们观察发育是如何发生的时，差异变得非常细微。即使一个孩子拥有会让他们长得非常高的基因，如果在营养不足的环境中长大，他们也可能仍然矮小。基因是指令，这些指令如何以及何时执行取决于环境。

青春期就是一个很好的例子。毫无疑问，青春期的变化是基于基因指令，但这些指令直到孩子生命中的某个时刻才被使用（基因没有表达），而这些触发因素从广义上来说是环境性的。

另一个例子是晒黑。当你晒太阳时，它会触发某些基因代码表达制造你晒黑的蛋白质。当你不在阳光下时，晒黑就会消失。每个人都有晒黑的基因，但它们是开还是关取决于环境条件。

请参阅关于先天与后天之争的章节以获取更多信息。