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当婴儿获得运动经验时,大脑会发生什么变化?

已有 721 次阅读 2022-12-4 05:32 |系统分类:科研笔记

当婴儿获得运动经验时,大脑会发生什么变化?

每一项新的运动技能在婴儿期的出现都带来了新的接触世界的方式。鉴于当代双向发展模型强调的神经发育的活动依赖性特征,我们应该期待皮层结构的重组伴随并依赖于这些技能的获得。然而,令人惊讶的是,几乎没有实证研究证实这一推测。因此,大脑中的哪些变化是获得独立运动的后果,这一问题在很大程度上还没有得到探索。

活动在心理功能发展中所起的关键作用延伸到神经结构和功能的发展。从经验上看,神经发育的活动依赖性特征现在已被公认。考虑一个经常被引用的眼优势柱形成的例子,在这个例子中,视觉皮层第4层的双眼神经支配组织在发育过程中分离成交替的、眼睛特定的皮层神经元柱。即使是出生后早期短暂的单眼剥夺限制了一只眼睛的感觉活动,也会对这些柱的结构产生重大的解剖学变化。皮层的这种功能重组说明了它的眼睛特异性分层如何对皮层神经元资源的活动衍生竞争作出塑性反应,甚至在早产儿中也是如此。

在更宏观的组织活动层面,存在许多活动改变大脑结构的例子,从学习新的运动技能时皮层重组的演示到经典环境复杂性研究,它们显示了在复杂环境中饲养的大鼠大脑的结构变化,与视觉上暴露于复杂环境但无法参与其中的大鼠相比,它们有机会积极探索和玩各种物体。结构变化包括突触大小和密度的增加、树突状树枝化的扩大以及胶质细胞、血管密度和神经发生的增加。

微观和宏观活动水平对神经结构发展的重要性不仅限于对现有神经结构的修改或扩展。即使在子宫内,在感觉系统功能活跃并采样外部刺激之前,感觉神经元也会参与影响皮层分化的自发活动波。除了这种自发的神经活动外,还有来自大脑皮层和皮层下结构的内部自发活动。许多人认为这种活动在神经网络的形成和早期分化中起着关键作用。例如,视觉皮层第4层中初始柱结构的出现取决于自发产生的视网膜活动,实验性阻断这种活动会对神经发育产生不利影响。这在宏观层面上也适用于胚胎和胎儿在产前发育期间的自发运动活动;实验性抑制这种活动会导致骨骼、肌肉和神经发育出现形态学异常。

功能活动在神经系统结构的形成、构建和发展中起着核心作用。与传统的、成熟的大脑发育治疗方法中结构-功能关系的单向框架形成鲜明对比的是,越来越多的神经学实证研究表明,功能和结构在整个发育过程中相互影响。这种关系的双向性将功能活动置于结构发展的核心,而不仅仅是它的附生产物。这种结构-功能关系的双向性是戈特利布概率表观发生的标志,也是最近建立神经发育关系方法的努力的支柱,如神经建构主义的理论框架。

我们对伴随爬行开始的大脑变化的有限见解来自贝尔和福克斯的研究。他们对8个月大的孩子进行了年龄保持不变的设计,这些孩子的手和膝盖爬行活动经验各不相同,以研究大脑皮层发育和爬行经验之间的关系。在他们的第一项研究中,对四组婴儿进行了比较,分别是运动前组、新手爬行组(经历1-4周)、中级爬行经验组(经历5-8周)和长期爬行经验(经历9周或更长时间),并使用了额叶、顶叶、前额和前额的脑电图一致性测量,以及枕脑区域,以指示突触连接。EEG一致性测量不同脑区之间的关联或耦合程度。

Bell和Fox发现了爬行经验和脑电图一致性之间的曲线关系。具体而言,有1-4周爬行经验的婴儿比长期爬行的婴儿(有9周或更长时间的经验)和运动前的婴儿表现出更大的脑电图一致性。在他们的第二项研究中,Bell和Fox在四组爬行动物中再现了相同的基本曲线关系,然而,这次是对区域内脑电图功率的估计。这种关系适用于大脑额叶和顶叶区域的脑电图功率,但不适用于枕叶区域。同样,与所有其他组相比,有1至4周爬行经历的婴儿表现出更大的脑电图功率值。

考虑到在爬行经验最少的群体中看到的更大的连贯性和力量,Bell和Fox得出结论,大脑的变化代表了一种预期的经验,而不是一种依赖于经验的过程。正如他们的标签所示,经验预期过程被认为是在对一个物种的所有成员普遍存在的经验的预期中出现的,而经验依赖过程是个体特有的或独特的。贝尔和福克斯争辩说,大脑过度产生突触连接,因为预期可能会从爬行这一物种典型的运动技能中获得新的体验。当婴儿巩固爬行及其经验后果时,突触修剪被认为是在突触最初过度产生之后进行的。

爬行开始时脑电图一致性和功率的变化是否真的代表了一种预期的经验,而不是一种依赖经验的过程?不幸的是,我们没有这个问题的答案,因为还没有尝试复制贝尔和福克斯的实验。然而,有两个因素使我们相信,观察到的变化取决于经验。首先,尽管两项研究中的婴儿爬行经验有限,但必须记住,他们是手和膝盖爬行者。这一点很重要,因为婴儿通常会探索多种不同形式的俯卧运动,然后再汇聚到更有效的手和膝盖模式,如论文前面所述。因此,贝尔和福克斯可能低估了婴儿在自主运动方面的经验。第二,过去十年来,神经科学研究的爆炸式发展记录了人类一生中经历依赖性可塑性的无数例子。

当前面提到的环境富集研究的结果与已知的功能活动在神经系统发育中所起的作用相结合时,运动诱发大脑变化的想法似乎非常合理。尽管如此,这个想法仍有待实验证实。这是另一个可以使用电动移动设备解决的研究问题。我们假设,在动力移动设备中接受训练的运动前婴儿会表现出与Bell和Fox研究中爬行经历1-4周的婴儿相似的EEG连贯性和功率值,并且比训练前更高。相比之下,预计不会在未接受训练的婴儿身上看到连贯性和力量的变化。




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