感觉系统/感觉处理随使用减少而变化
大脑功能和结构组织可以在成年后发生改变的想法已经存在了几十年。早在 1928 年，拉蒙·卡哈尔就指出神经元可以在损伤后再生 (Stanisch & Nitsch, 2002)。但直到最近二三十年，人们才能够证明发生了哪些变化以及它们是如何发生的。
这些大脑的变化被称为脑可塑性或神经可塑性。神经可塑性可以分为功能性可塑性和结构性可塑性。虽然大脑的结构和功能当然相互关联，但将这两个概念区分开来非常重要，因为它们是用不同的方式进行测量的，并且可以独立发生 (Buonomano & Merzenich, 1998)。
结构性神经可塑性是指脑组织的变化。这些可能是脑灰质或白质的变化。灰质变化主要是密度或体积的变化。更准确地说，厚度经常被观察到会因经验而改变，而区域的面积保持不变。面积似乎主要是由遗传决定的。尽管并非所有脑区都表现出相同的灰质密度遗传性。在人类中，大脑的额叶和周围语言区表现出比大脑其他部位更低的灰质密度遗传性 (Thompson 等人，2001)。
灰质的密度、体积、面积和厚度通常使用磁共振成像 (MRI) 在活体人脑中测量。
白质变化也可能是体积的变化，但更常见的是白质完整性的变化，如纤维组织的变化、髓鞘化的程度或轴突宽度的变化 (Zatorre 等人，2012)。白质的完整性被认为是由扩散张量决定的，扩散张量是在活体组织中通过称为扩散张量磁共振成像或简称扩散张量成像 (DTI) 的方法测量的。它是 MRI 机可以使用的一种测量协议 (Jones, 2008)。
功能性神经可塑性是指脑区功能的变化或经验或训练后激活模式的变化。脑区可以在不改变其大小的情况下改变其功能。同样，激活模式可以在没有可测量的大脑组织结构变化的情况下发生改变。改变的激活模式意味着在训练后，某些区域可能变得更加活跃，而其他区域可能变得不那么活跃。活动减少并不一定意味着性能下降。区域活动的减少可能是因为另一个可能更专业化的区域接管了，或者是因为训练后活动较少的区域效率更高。但是，同样地，活动增加通常被认为是训练后熟练度提高的结果 (Jäncke, 2013)。
测量人脑活动的最常用方法是血氧水平依赖 (BOLD) 对比成像，这是一种用于功能性 MRI (fMRI) 的方法，它测量氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的比例，由此可以推断出脑活动 (Arthurs & Boniface, 2002)。在动物中，使用的是侵入性但更精确的方法，例如在打开的头骨上使用微电极进行单细胞记录。
在成熟过程中，一些脑功能会经历一个关键期。在“关键期”，大脑对某些预定的刺激特别敏感。如果神经系统在这个关键的时间窗口内没有收到适当的刺激，那么处理这些刺激的功能将不会正常发展。以后的生活中，开发这个功能将很困难甚至不可能 (Purves, 2008)。
人类语言习得可能是最著名的经历关键期的现象。另一个例子是幼鹅出生后不久对母亲的印记。
视觉系统也经历了一个关键期。对于猫来说，这段时间被发现只有几天，大约在出生后四周。猴子也是如此，但它们的关键阶段持续到 6 个月。
在关键期内，视觉输入的剥夺会导致视觉皮层神经元连接的改变。(Purves, 2008)。这些变化可以用一只眼睛视觉剥夺后眼优势柱的不平衡发展来说明。眼优势柱优先对来自一只眼睛或另一只眼睛的输入做出反应。它们以条纹状模式位于 V1 上，在皮质层 4 中最为突出，但也存在于其他层中。条纹的宽度约为 0.5 毫米。这些柱可以通过将放射性氨基酸示踪剂注射到一只眼睛中来可视化，示踪剂随后被运输到层 4。在用小猫进行的实验中，在关键期（出生后前三个月）内，它们的一只眼睛被闭合。如果在关键期内剥夺了一只眼睛的视觉，接收视觉刺激的眼睛的柱子会接管剥夺眼睛的区域。因此，刺激眼睛的条纹变得更宽，以牺牲剥夺的眼睛的条纹为代价 (Hubel 和 Wiesel, 1962)。这意味着基于接收到的视觉刺激量，可以在两只眼睛之间找到竞争性相互作用。
当在关键期内两只眼睛都被闭合时，两只眼睛在眼优势柱中的表示保持平衡，两只眼睛的视觉都保持。视觉皮层中四分之一的神经元主要由一只眼睛刺激。当在关键期内剥夺一只眼睛的视觉时，正常工作的眼睛会接管。然而，测试表明，闭合眼睛的视网膜或膝状体层中的更多周围细胞仍然正常工作。
关键期内两只眼睛的竞争性相互作用原则对幼儿具有重要意义：需要平衡刺激两只眼睛，才能使它们健康发育。由于出生缺陷或眼部损伤，两只眼睛的输入可能不平衡。如果这种不平衡在关键期内没有得到治愈，则会导致“弱视”，这是一种永久性的视力损伤，会导致双眼融合不良、深度知觉下降和视力下降。(Purves, 2008)。
斜视，有时也被称为“弱视”，是指一只眼睛功能异常，会导致弱视。一只眼外肌的功能障碍会导致两只眼睛无法对准，无法集中在同一个物体上。斜视可以表现为“内斜视”，即眼睛向内交叉，或“外斜视”，即眼睛向外发散。由此产生的复视会导致来自一只眼睛的信息被抑制。这可以比作上述一只眼睛的剥夺。在这种情况下，需要对眼外肌进行早期手术，以确保视觉皮层的均衡发育。
另一种会导致一只或两只眼睛视觉剥夺的疾病是“白内障”，即眼睛晶状体和/或角膜模糊。这种模糊可能是由细菌或寄生虫感染（盘尾丝虫病）引起的，这些感染经常发生在热带地区，影响着数百万人口。尤其是在发展中国家，这种疾病在关键时期通常得不到治疗，随后恢复视力无法再建立双目视力。
视觉系统再生可能性
[edit | edit source]幼童的大脑比成熟的大脑更具可塑性。这对于运动和体感区域尤其有效，在一定程度上也适用于视觉系统。这种可塑性不仅包括上述的修改，还包括在大脑损伤后恢复功能的可能性。然而，可塑性的能力取决于损伤的位置和类型，如下所述。对于视力的恢复，我们可以区分有意识的视觉和无意识的视觉。完全的有意识视觉的恢复需要视网膜和初级视觉皮层之间功能正常的通路（Felleman 和 Van Essen，1991 年）。在一定程度上，当初级视觉皮层受损时，视觉可以以无意识视觉的形式恢复。无意识视觉包括对运动、形状和颜色的敏感度。有证据表明，如果损伤发生在儿童早期，无意识视觉可以得到更好的发展（Mercuri 等人，2003 年）。
然而，如果从出生起就视觉剥夺，即使对幼童来说，恢复视力也很困难，但并非不可能。帕万·辛哈是一位印度科学家，也是麻省理工学院剑桥分校视觉和计算神经科学教授，他创立了“光明计划”。这项计划的目标是在印度找到并治疗患有白内障和角膜混浊的儿童。自 2003 年成立以来，已有 40,000 多名儿童接受了筛查，超过 400 名儿童接受了手术治疗（Sinha 等人，2013 年）。该项目揭示了人类视觉系统发育的新见解。在手术后立即恢复视力后，以前先天性失明的儿童无法用视觉识别出他们在手术前用手触摸过的物体。因此，作者得出结论，触觉和视觉之间没有天生的联系，必须先学习将我们所看到的与我们所触摸的联系起来。在手术后一周，孩子们已经可以将看到的东西与触摸过的物体联系起来。不仅将看到的东西与触摸过的物体联系起来，而且物体识别在恢复视力后也会非常差，尤其是在物体不移动且重叠的情况下。运动似乎在分离不同的物体方面起着重要作用。显然，在先天性失明后恢复视力的能力也保留在成年人中。Ostrovsky 等人（2009 年）报告了一例 29 岁男性患者，他接受了屈光矫正并部分恢复了视力。一个月后，他已经可以区分不同的非移动、重叠物体。
虽然这些结果令人印象深刻，但这些孩子在多大程度上可以真正被认为是先天性失明尚不清楚，因为他们中的许多人并非完全失明，大多数人并非天生失明，而是在儿童早期失明。
同样，健康的、有视力的成年人也有视觉系统适应和可塑性的能力。一项研究在 24 名志愿者中进行。他们被分成两组。一组被分配进行杂耍训练，另一组作为对照组，没有接受任何训练。所有受试者在被招募参加研究时都没有杂耍经验。杂耍组被给予 3 个月的时间学习用 3 个球进行杂耍。如果他们能够持续杂耍至少 60 秒，他们就被认为达到了熟练表演者的水平。在训练开始之前、受试者成为熟练表演者时以及最后一次训练结束 3 个月后，对所有受试者进行了 MRI 脑部扫描。在训练之前，两组没有表现出差异。杂耍组在双侧 V5/MT 和左侧后顶叶内沟（IPS）中表现出灰质的显著扩张。训练结束后 3 个月，V5 和 IPS 中的灰质再次显著减少，但仍高于训练前的扫描水平（Draganski 等人，2004 年）。
跨模态可塑性
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跨模态可塑性是指在剥夺主要感觉输入后，神经元对感觉输入的反应发生改变。一个说明性的例子是啮齿动物的胡须使用。胡须帮助这些动物在空间中定位，尤其是在黑暗中。如果在幼年时期剥夺视力，可以观察到胡须会变得更长，这将增强失明啮齿动物的定位能力（Rauschecker 等人，1992 年）。在人类中，视觉剥夺后也会发现补充感觉系统的增强，例如听觉和触觉系统。
对声音定位能力的实验已在健康猫和失明猫身上进行。这些测试表明，失明动物在定位声音方面更准确。失明猫会进行典型的垂直头部运动，以定位声音来源。这种代偿过程被认为有助于改善整体的声音感知和定位（Rauschecker，1995 年）。
在对人类的调查中，对有视力和失明的人进行了听觉刺激。虽然有视力者的枕叶皮层对听觉刺激没有反应，但在失明者中，枕叶皮层是活跃的。这种现象被另一项调查所证实，该调查使用经颅磁刺激 (TMS) 抑制枕叶皮层的脑活动。这样，失明者的声音定位性能下降，而音调或强度识别的能力却没有改变。失明者的定位精度与枕叶激活程度呈正相关。然而，这种干预对正常有视力的受试者在听觉感知中没有产生影响（Collignon 等人，2007 年）。
另一个迷人的例子是回声定位。有些失明的人可以主动进行回声定位。他们学会用舌头和嘴巴发出点击声，并解读反射回来的声音，这样他们就可以在环境中定位并确定不同物体的距离。这种回声定位的点击声通常很短（10 毫秒），并且频谱很宽。早期失明和晚期失明都可以获得回声定位的能力。但似乎只有先天性失明和早期失明在枕叶皮层周围的距状沟中才会出现广泛的激活，而晚期失明者则不会（Thaler 等人，2011 年）。
我们可以得出结论，可塑性在成年之前都是可能的，尽管视觉系统也存在一个关键时期。如果枕叶皮层在这个关键时期没有受到视觉刺激，那么视觉系统至少某些功能将永远无法发展。而且视觉皮层甚至可能被分配到完全不同的功能，比如回声定位。但是，在关键时期之后，视觉皮层在多大程度上仍然保持可塑性，目前仍在争论中。
体感皮层的变化
[edit | edit source]Merzenich 等人（1984 年）在灵长类动物身上进行了第一个关于体感皮层功能可塑性的实验。首先，他们用微电极确定了成年猫头鹰猴手中区域手指的皮质代表。然后，他们切除了猫头鹰猴的中指，并在切除后 2-8 个月再次绘制了手部区域。他们发现，只有在两个月后，相邻手指的代表才扩展到以前代表中指的区域。因此，周围皮肤在皮质上得到了放大表示，而同时周围皮肤的感受野大小缩小了。似乎为同一部分皮肤招募更多神经元会导致更小的感受野大小。
同样，当猫头鹰猴的两根手指被手术连接起来时，这两根手指的输入高度相关，代表这两根手指的区域之间的边界消失了（Clark 等人，1988 年）。另一方面，当猫头鹰猴的手指暴露于更精细、更复杂的刺激中时，使用一个波纹旋转圆盘，在 80 天后，代表受刺激手指的区域变宽了。可能是因为更精细的刺激需要更小的感受野，因此需要招募更多神经元，手指区域也随之扩大（Jenkins、Merzenich & Recanzone，1990 年）。
幻肢
[edit | edit source]对人类功能可塑性的第一个具有影响力的见解是由拉马钱德兰（1993）提出的。他发现，一些截肢上肢的患者在用棉签刺激其同侧脸部时，会感觉有人在触碰他们不存在的胳膊。他甚至能够在患者的脸颊和下巴上绘制出前肢的图。截肢肢体在脸上的这种表现具有明确的边界，并在数周内保持稳定。由于体感皮层的头部区域就在手的区域旁边，因此头部区域很可能招募了以前接收来自截肢肢体输入的神经元，就像在猫头鹰猴子的实验中一样。在重组过程中，一些神经元将开始对来自头部传入的感官刺激做出反应，同时仍然与前肢网络相连，从而在同侧脸上形成截肢肢体的表现。这种表现大多在招募过程完成后（Jäncke，2013）会随着时间的推移而消失。可能幻肢感觉也与这个过程有关。一些患者会感觉到他们截肢的肢体仍然存在，被称为“幻肢”。有时这种感觉会非常痛苦。有些人会经历他们幻肢的无意识的痉挛性收缩（Ramachandran & Rogers-Ramachandran，1996）。通常，当过渡期结束，前肢神经元完全整合到其他区域（如头部区域）时，幻肢的感觉就会消失。但有些患者会持续出现幻肢感觉。在这种情况下，一种常用的治疗方法是镜像疗法，即在患者面前垂直放置一面镜子，这样在镜子里完整的肢体就会叠加在截肢肢体的位置。虽然镜像疗法并不适用于所有患者（Rothgangel 等人，2011），但一些患者受益，例如，打开健康的肢体有助于他们在镜子里打开幻肢，从而减轻痉挛性收缩。如果没有镜子，他们就无法放松幻肢（Ramachandran & Rogers-Ramachandran，1996）。
但不仅功能，结构上的变化也可能在截肢后被观察到。Draganski 等人（2006）发现，截肢患者的丘脑腹侧后外侧核灰质明显少于年龄匹配的健康对照组。此外，截肢后的时间与丘脑灰质损失显著相关 (r=.39)。
通过训练获得
[edit | edit source]许多研究也针对音乐家进行。音乐家训练非常密集，而且通常是终身性的，因此他们是横断面研究的理想对象。例如，弦乐演奏者在体感皮层上左手手指的区域比非音乐家更大。而且音乐家开始训练的时间越早，非优势手的区域就越大（Elbert 等人，1995）。
钢琴家在执行敲击任务时，其初级运动区和次级运动区的激活程度明显低于非音乐家。解释这一结果的可能性是，钢琴家密集而持久的双手技能训练提高了运动区的效率。因此，对于训练有素的受试者来说，相同的任务激活的神经元数量比未经训练的受试者要少（Jäncke 等人，2000）。音乐家也会经历听觉皮层的各种变化（关于这方面内容将在下一节中详细介绍）。
横断面研究中经常被提及的一种批评意见是，无法确定训练有素的人在某些脑区差异是由训练引起的，还是他们选择训练某种任务（例如成为音乐家）是因为他们在该任务方面有特殊的能力，并且相应的脑区在训练之前已经更有效或更大。只有纵向研究才能对此进行说明。
一项纵向研究针对 10 名右利手患者进行，这些患者患有右上肢损伤，需要固定肢体至少两周。在损伤后的 2 天内进行脑部扫描，并测量皮层厚度。在固定肢体 16 天后进行第二次扫描，发现左侧初级运动区和左侧体感区的灰质明显减少。此外，皮质脊髓束的完整性也显著降低（Langer 等人，2012）。
在另一项研究中，14 名右利手患者的优势手被固定了 4 周，这些患者患有作家痉挛。固定后，患者需要重新训练优势手 8 周。同样，核磁共振扫描显示，固定阶段后，对侧初级运动手区域的灰质密度明显降低。重新训练逆转了这种影响，灰质密度再次增加（Granert 等人，2011）。
Bezzola 等人（2011）观察了 40 至 60 岁的初学者高尔夫球手。在 40 小时的个人训练后，发现脑部多个部位的灰质明显增加，例如运动皮层和前运动皮层，或顶内沟。训练强度与灰质增加的百分比相关。同时，还观察到在心理排练高尔夫挥杆时的激活模式发生了变化。训练后，背侧前运动皮层的激活程度明显降低（[Bezzola 等人，2012）。
脑损伤后的康复
[edit | edit source]最后，脑损伤后的康复过程需要特别关注。之前描述的可塑性能力也适用于康复，但主要有两个挑战。首先，如果损伤太大，以至于整个功能完全消失，目前还没有方法可以恢复功能。其次，部分保留的功能通常会被具有相同或类似功能的健侧脑区所抑制。例如，如果身体左侧部分瘫痪，那么健康的左半球将试图控制，因为受损的右半球对左半球没有抑制作用。因此，健康的半球会抑制受损的半球，康复受到阻碍，受损侧仍然健康的神经元重新连接受到阻碍。克服这个问题的一种方法是在康复训练期间或之前用 TMS 或经颅直流电刺激 (tDCS) 抑制健康的半球（Jäncke，2003）。
总之，可以认为，多使用肢体或训练某项特定任务会对相应的脑区产生积极影响，最终导致更高的效率、更多的灰质和更好的白质完整性。不使用肢体、不训练某种能力会产生相反的影响。在最极端的截肢情况下，脑区会被其他功能取代。
参考文献
[edit | edit source]Arthurs, O. J.; Boniface, S. (2002), "How well do we understand the neural origins of the fMRI BOLD signal?", TRENDS in Neurosciences, 25 (1): 27–31
Bezzola, L.; Mérillat, S.; Gaser, C.; Jäncke, L. (2011), "Training-induced neural plasticity in golf novices", J. Neuroscience, 31 (35): 12444–12448
Bezzola, L.; Mérillat, S.; Jäncke, L. (2012), "The feect of leisure activity golf practice on motor imagery: an fMRI study in middle adulthood", Front Hum Neurosc, 6 (67)
Buonomano, D. V.; Merzenich, M. M. (1998), "Cortical Plasticity: From Synapses to Maps", Annu. Rev. Neurosci., 21: 149–186
Clark, S. A.; Allard, T.; Jenkins, W. M.; Merzenich, M. M. (1988), "Receptive fields in the body-surface map in adult cortex defined by temporally correlated inputs", Nature, 332: 444–445
Collignon, O.; Lassonde, M.; Lepore, F.; Bastien, D.; Veraart, C. (2007), "Functional cerebral reorganization for auditory spatial processing and auditory substitution of vision in early blind subjects", Cerebral Cortex, 17 (2): 457–465
Jäncke, L. (2003). 认知神经科学. 伯尔尼: 汉斯·胡伯出版社.