选择最佳大脑回路

大脑在发育过程中要产生109数量级的神经元以及1015数量级的突触，这些浩大的规模着实令人叹为观止。这么多神经元和突触是如何联系在一起的，或许就是神经系统发育过程中最难理解的问题了。比如说，视网膜神经元发出的轴突怎样穿过其他无数的靶点，直达目的地—丘脑视觉区？在这之后，它又如何准确地与宝宝视觉区的几百个神经元构建突触？大脑皮层的听觉神经元如何找到大脑特定的语言区，并与之建立联系，从而激活读音/p/？这似乎有着无限可能，但一定存在某种机制，使每一个神经元都能长出轴突和树突，而且这些突起都能精确就位，并建立起传入和传出信息的联络网。因而最终能够形成特定的视觉、语言、运动等回路，而不是导线和开关组成的一团乱麻。这些到底是怎么做到的呢？

神经科学家们已经开始着手解决这一难题。根据目前的发现，这与我们抚养孩子的方式密切相关。大脑回路的形成与遗传和培养密不可分。基因可以引导轴突和树突延伸到正确的位置，可一旦这些纤维产生联系并且真正发挥功能，经验就开始占据主导地位了。它可以重塑并改建不成熟的回路，从而为每一个孩子量身定制出与其所在环境相符的大脑“硬件”。

大脑通路的建立始于轴突的生长。新生的神经元完成迁移之后，胞体会固定在某一位置。该神经元会发出一条带有粗大尖端的成熟轴突，即生长锥。生长锥的末端有十多条伸向四面八方的长触须，这些触须像雷达一样，能够识别来自各个方向的信号。它们能感受到最佳的生长方向，嗅出四周的化学信号，甚至可以利用微小的电场帮助轴突找到合适的靶点。轴突可以长得很长，要跨越这么长的距离，对于神经元来说是巨大的挑战。所以往往趁胚胎期任意两点之间的距离（比如说从脊髓到脚趾的距离）还很短的时候，轴突就开始生长了。特殊的化学导向因子也可以引导轴突的生长，这种物质和昆虫信息素的作用类似，它们是由潜在的靶神经元释放的，用来吸引距离较远的相应轴突。轴突在自身特有的受体分子的引导下，朝着导向因子浓度升高的方向不断生长，直到其源头—释放化学物质的靶神经元。轴突上的受体分子是由遗传编码决定的。

一旦轴突完成了延伸，就会发出许多分支，与或远或近的、释放相同诱导剂的上百个靶神经元接触。这种接触诱导了突触的形成，但一开始这些联系都是杂乱无章的。实际上，大脑皮层在婴儿期以及幼儿早期产生的突触数目过多，差不多是最终需要量的两倍。因此，原始的大脑回路很分散，过多的重叠使信息的传递既不精确也不高效。这就好比数十亿部电话都相连互通；你可以从几千个号码中任选一个打给奶奶，但她却未必是第一个接到电话的人。

为什么大脑要产生这么多额外的突触？为什么不从一开始就直接形成精准的通路？这些问题的答案恰恰切中了遗传/培养问题的核心。

目前为止，大脑回路的构建主要是基因的功劳。基因提前设计了所有的早期线索，包括吸引某类轴突延伸到特定神经元的导向因子、轴突表面感受导向因子的受体，以及引导轴突生长和突触形成的化学、组织、电信号的相应受体。而人类基因组的基因不足以准确地调控这么多突触的精准形成。我们的染色体中有着很长的DNA，其中包含约80000个基因片段，即使一大半基因都用于分批完成大脑回路的构建，还是远远不能满足整个大脑建立特异性精确回路的需求。

这时，“后天培养”就开始介入并发挥作用了。大脑会驱使突触相互竞争，好比一个进化过程或一场自由贸易，只有通过竞争才能甄选出“最合适”或最有用的突触。在神经发育过程中，电活动是衡量突触有用与否的标准。高度活跃的突触—能够接收到更多电冲动并释放更多神经递质的突触—能更有效地刺激突触后膜的受体。这种高强度的电活动在分子水平上稳定了突触，也在本质上巩固了它的位置。相反，不太活跃的突触不能激发出足够的电活动来稳定自身，最终会逐渐地退化（见图2.7）。这种“用进废退”一开始就存在。和达尔文自然选择理论的其他表现形式一样，精简突触是帮助机体神经回路适应环境需求的一种极其高效的方法。

图2.7 在大脑发育的“丰富”期，孩子形成了最终需要数量两倍的突触（用圆形和方块表示）。经验或者电活动会决定最终哪些突触会被保留。

经验可以引导突触选择过程的最好证据来自对视觉发育的研究，我们将在第9章讨论。另一些引人注目的经典实验是受查尔斯·达尔文（Charles Darwin）1868年阐述的一些理论启发，在实验室的大鼠身上进行的。

达尔文是个很细心的观察者，他养了一大群兔子，测量了它们头和身体的尺寸，并且发现与野生兔子相比，圈养兔子的大脑占体重的比例要小得多。达尔文认识到，圈养兔子与野生兔子比起来“无论是在逃离危险还是在找寻食物方面都无法发挥其智力、直觉、感觉和自主运动等能力”，这导致“它们的大脑得不到充分的锻炼，发育不良”。

一个世纪以后，神经生物学家们终于开始明白，具有挑战性的环境是如何刺激大脑发育的。和达尔文的兔子实验类似，在“优越”环境中（笼子很大，还有好多可以看、可以闻，也可以玩耍的“玩具”）饲养的实验室大鼠，与在“贫乏”环境中（单独关在什么都没有的小笼子里、几乎得不到任何社会刺激和感觉体验）饲养的大鼠相比，前者的大脑更大、大脑皮层更厚。科学家们发现，这些大鼠的大脑皮层之所以很厚，是由于它们神经元的胞体更大，树突、树突棘和突触的数量更多。也就是说，额外的感觉与社会刺激，实际上强化了优越环境中生活的老鼠大脑中的连接。这种差异或许可以解释为什么它们比贫乏环境中生活的大鼠更聪明—前者能更快地学会如何在迷宫中找到诱饵。

不用做过多延伸就能得出关于人类的推论：环境对大脑的结构和最终功能会产生直接、永久的影响。孩子看到、摸到、听到、感觉到、尝到、想到或通过其他方式感受到的一切都会转化成为一部分突触的电活动，并从此打破平衡，形成他们未来的偏好。另一方面，很少被激活的突触—没听过的语言、未创作过的音乐、没做过的运动、没见过的山以及没感受过的爱—都将面临萎缩或死亡。由于缺乏足够的电活动，这些神经元的竞争力不足，它们原本试图构造神经回路，以拥有流利的外语、完美的发音、精确的反手击球能力、对自然的敬畏和健全的自尊心这都无法实现。

突触的缩减量极其巨大。从儿童早期到青春期的孩子每天会失去大概200亿个突触。这听起来或许很残酷，其实是件好事。清除弱势突触、强化幸存突触的过程使思维随着我们的成熟变得更加高效和协调；原来杂乱无章的神经回路经过分拣转化为清晰、独立、高效的信息传递通道。另一方面，这也可以解释为什么我们的思维不再那么灵活而富有创造性了。尽管大脑在成年后一直表现出某种更为精巧的可塑性，但它毕竟已远不如童年时的可塑性强了。