儿童期大脑幼稚与行为发展的关联儿童期大脑幼稚与行为发展的关联作者:卢英俊 马芝妱 【摘要】日新月异的脑科学研究，为建立基于大脑发育的个体发展模型和学习理论提供了光明的前景。发展认知神经科学家与教育家、教育政策制定者之间的对话，必将为早期教育提供坚实的实践指导依据，并带来革新性的影响。本文简介探索儿童认知发展和脑发育之间关联的研究，并重点介绍人类个体在出生到青春期的发育过程中，大脑幼稚与心理能力发展的一致性特点。最后，研讨大脑幼稚与儿童行为发展关联研究对教育的启示。【关键词】大脑幼稚；儿童发展；发展认知神经科学随着认知神经科学研究手段的不时发展，越来越多的科学家相信探索人类个体认知发展和脑发育之间关系的时机已经幼稚。整合生物学和认知发展理论两方面的信息，诞生了一门全新的学科发展认知神经科学。我们可以预期 21 世纪的发展认知神经科学将逐渐成为发展心理学研究的主流。发展认知神经科学的出现，开创了透彻理解个体发展的心理学和生物学基础的全新时期。众所周知，大脑新皮层是人类心理活动过程的中心和主要器官。每个个体新皮层的外表积，特殊脑回、脑沟的形状和其结构就像个体的指纹那样各具特色。神经元之间突触的发生、发展与修剪，神经回路的不时整合，不同的分子和细胞生物机制都在神经系统的发育过程中发挥着重要作用。然而，脑的发育并非仅是基因图谱的简单展开，个体经验与环境因素也参与调节神经系统的发育，并对神经结构的优化与精细化提供指引。发展认知神经科学家指出，在皮层突触快速发生的早期，经验预期效应（experience-expectant）占主导地位，此时外来信息对专门进行信息处置的皮层回路进行调整；在突触生成的后期，经验依赖效应（experience-dependent）逐渐占主导地位，此时外来信息主要调节皮层的幼稚。个体的学习和经验在个体发展过程中通过对大脑功能与结构的再组织机制“神经可塑性（neural plasticity） ”来影响儿童知觉和认知能力的发展。 1在儿童从出生到青春期的发育过程中，其大脑幼稚与心理能力的发展表示出明显的协调性与一致性。但这一认知能力与脑发育协同发展的速度并非平稳恒定，而是在某些时间窗口内表示出明显的跳跃式发展特点。研究标明，最重要的幼稚转折点主要发生在出生后 23 个月、712 个月、1224 个月、48 岁和青春期。儿童的抚养者与教育者如能重视这些幼稚的关键转折期，并给儿童以适宜的环境刺激与认知训练，必能收到最佳的教育效果。当然，这些令人振奋的新发现主要得益于自 20 世纪 90 年代以来有关认知发展与脑发育关联研究手段的伟大革新。一、认知发展与脑发育关联研究方法简介一系列伟大的技术和方法革新使我们能够更直接地探索儿童认知发展的神经基础。某一种研究方法所提供的信息往往仅是科学家想要了解的整个图画中的一局部。事实上，通过保守心理学方法和新的生理学方法来研究同一个结构所得出的结论可能是不同的。例如，向 10 岁儿童出现 36 岁前玩伴的照片和他们不熟悉儿童的照片后，问他们是否见过照片中的小朋友，大局部儿童很难识别他们以往玩伴的面孔。然而，这些被试中的大局部，在看到他们曾经熟悉的小朋友的照片时会有皮肤电的特殊反应，但对于陌生者的照片没有这种反应。因此，关于“10 岁的儿童在六年后是否仍能记得他们的玩伴”这一问题的答案取决于研究方法的差异。这也局部地解释了为什么我们要将各种先进的神经科学技术应用于儿童发展的研究中。目前，应用于儿童发展与脑发育关联研究的方法主要有脑功能成像、标志任务、分子遗传学与动物模型等。其中，已广泛运用于儿童发展研究的技术是功能性磁共振成像（fMRI）与事件相关脑电位（ERP） 。Picton 指出，ERP 的高时间分辨率、非侵入性和操作的相对简便性已使其成为目前国际上幼儿脑功能研究的最有效工具。 2近红外光谱技术（NIRS）可以被用来探测脑内血氧浓度的变化，是在儿童发展研究中代替 fMRI 的最佳方法，但这一技术尚处于完善过程中。 3标志任务是一种通过综合应用神经心理学和脑成像技术来研究与特定行为任务相关的脑区的方法。分子遗传学技术主要通过将动物基因组中特定的基因敲除来观察其成年后执行各种特定学习任务的缺陷，其结论也可以为儿童认知发展的研究提供启示。 4二、大脑幼稚与儿童心理、行为发展的关联儿童发展的过程是渐进而非突变的，因此更适合于用状态（phase）而不是阶段（stage）来形容这一过程。研究发现，在儿童发展的历程中，心理特征和大脑解剖结构和功能变化在时间上表示出高度的一致性。然而，大脑幼稚状态和儿童心理特征之间的时间相关性也并非是完全确定的，因为不能忽略经验这一重要影响因素。例如，在 1224 个月期间大脑的变化对于语言能力的发生是必要的，但假如儿童没有受到任何语言的影响，他们还是不会说话。因此，下面的基本前提假设是大脑幼稚制约了儿童心理特征出现的时间，这是心理现象发生的必要条件但不是充分条件。1婴儿期在儿童出生后的第一年，大脑的发育和心理发展出现高度的一致性，大脑事件的变化有助于婴儿心理的变化，其中第 23 个月和 712 个月时期发生的转变尤为重要。（1）在 23 个月间的转变首先，许多新生儿反射消失，包括手掌的抓握反射和巴宾斯基反射（Babinski reflex） ，这是第一次转变的可靠标志。大多数科学家相信这种现象是由于脑干神经元受到皮层抑制，即从和助运动皮层到脑干和脊髓的投射抑制了脑干神经元的活动。虽然这些轴突在出生前已到达脑干和脊髓，但真正的突触接触在 23 个月后才出现。其次，第一次转变也以啼哭明显减少和社会性微笑增加为标志。前一现象可能是由于调节啼哭的脑干核团（特别是网状结构、中央灰质、孤束核和臂旁核）受到皮层抑制的结果。第三，该转变的另一个特征是用以募集和维持对刺激物注意的心理基础在增加。78 周龄的婴儿对于一个可视事件的注意耐久度主要受该事件的物理特性，尤其是大小、轮廓密度和运动情状影响。而在此之后，注意的耐久度更多地受事件与婴儿已习得的该事件图式之间的关系所调控。图式（schema）是由事件诱发的大脑活动所发生的心理形式，它的心理学定义是事件的物理特征模式。婴儿从出生到 2 个月之内对于差异事件的注意募集不是自动的，因为他将事件和已习得图式关联起来的能力比较脆弱。而且，注意的耐久度和差异的相关函数不是线性的，而是倒 U 型的。即适度差异事件比非常熟悉或非常新奇事件需要更长的注意时间。例如，4 月龄婴儿对于不熟悉的面孔比对一张熟悉的面孔或完全新奇的事件（比如一片不规则的泡沫塑料）所注视的时间更长。海马发育的最快速度出现于 23 个月间，特别是海马齿状回的苔状细胞经历着一种快速的分化，上述注意模式的变化与婴儿海马发育密切相关。海马的幼稚有助于 2 月龄婴儿在一段时间延迟后再认事物能力的提高。海马的发育也为 3 月龄婴儿建立视觉期待提供了可能性：实验者令婴儿仰卧躺着，向上看两个监视器。每一个监视器上交替出现一张彩色的面孔或其他图片，延时 700 毫秒；然后有1100 毫秒的间隔，两个监视器都黑屏；随后在第二个监视器上出现另一刺激。这个交替过程共持续1.5 分钟。结果有 20%的 3.5 月龄的婴儿在间隔的黑屏期将他们的头转向另一监视器期待刺激的出现，而 2 月龄的儿童未出现该现象。 5（2）在 712 个月的转变大多数健康的婴儿在 712 个月间，开始发展出从不存在于当前感知场的过去事件中提取图式，并将它们和当前的知觉一同放在工作记忆回路中的能力。他们试图把新的知觉同化于旧有的图式。而4 月龄婴儿只能识别过去曾经在感知场中经历过的事件，但要他们从不再出现的过去事件中获取图式并对此加以认知加工很困难。在一个对 614 个月的婴儿每两周进行一次评估的纵向研究中，测试员在两个相同圆柱体中的一个下面藏了一件颇具吸引力的物体，然后在婴儿和圆柱体之间放置一块不透明的屏幕，时间间隔分别为 1 或 3 或 7 秒。移走屏幕后，允许婴儿去抓其中一个圆柱体。随同着时间间隔的增加，抓向隐藏有物体的圆柱体的可能性与年龄呈线性相关。在时间间隔为 7 秒时，几乎没有一个 7 月龄婴儿会去抓隐藏有物体的圆柱体；而12 个月的婴儿能够轻松地解决这个问题。712 个月婴儿工作记忆能力的提高，随同着前额叶皮层中锥体神经元和抑制性中间神经元的迅猛发育和分化。如 PET 检测发现，这一发育随同着外侧和背外侧前额叶皮层中葡萄糖摄取量的增加。此外，在 1012 个月间海马体积已经接近成人的大小。这些 712 个月间大脑解剖学上的变化随同着更快的脑电 频率（69Hz） 。海马结构的完整性，对于在短时记忆中坚持一个表征（10 秒）是必需的。然而，前额叶的完整性对于皮亚杰的 A-not-B 任务的胜利执行是必需的，即使其时间间隔很短。为此，有些科学家将短时记忆存储和工作记忆的概念区分开来，因为后者隐含着对信息的某种认知加工。 6总之，712 个月婴儿行为变化的中心特征是，能够提取图式并与当前处境一同坚持于工作记忆回路中 2030 秒，并对它们作出比较或执行其他的认知操作。这一进步的生物学基础主要依赖于前额叶皮层中神经细胞的生长和分化，以和前额叶皮层与杏仁核、海马和颞叶皮层连通性的增强。2出生后第二年儿童出生后第二年的发展以四个心理能力出现为典型特征，它们都依赖于大脑的一系列特定变化。典型特征包括：（1）理解和表达有意义言语的能力， （2）推断特定心理和感受他人情感状态的能力，（3）被成人禁止行为的表征， （4）对自我感情和自我意图有意识地知觉。 7（1）语言新语言能力的大脑基础根植于广泛的大脑皮层网络中，这个网络连接了听觉通道和对时间序列表征所涉和的从颞叶到顶叶、额叶和小脑的区域。大多数婴儿在 1215 个月间第一次说话并非巧合，因为这段时间 Broca 区的左口面局部发生快速的树突发育（研究已证实大脑 Wernicke 区在言语理解的知觉方面起重要作用，而 Broca 区在言语的运动成分中起重要作用） ；同时由于小脑齿状核树突的广泛生长，使得小脑容量也增加，到一周岁时其葡萄糖摄入量已达成人的 175。此外，有研究者认为大脑皮层第三层神经元的发育也促进了言语能力的发生，因为其轴突构成了胼胝体（连接大脑左右半球的神经通道） 。基于表征物体的知觉图式存储于大脑右半球，而词汇结构表征位于大脑左半球的假设，胼胝体的功能性幼稚将大大提高大脑左右半球的信息传输效率，使脑能够将知觉图式与词汇表征相整合，从而协商儿童在看见物体时能正确地构音发声。例如，假如胼胝体传送更加有效，当幼儿看见桌子上的一个杯子时所激活的知觉图式（在大脑右半球）就能更快地与物体的词汇表征（在大脑左半球）相整合，使小朋友能够很快地说出“杯子” 。（2）推理推测他人思想和感受的能力，是 2 岁时发展出来的另一种能力。常用来观察这种能力的一个实验是成人在障碍物后将一个玩具藏在三个盖子中的一个下面，而小朋友不能看见玩具藏在哪里。移开障碍物后，假如成人注视玩具放置的地方，2 岁的小朋友而非 1 岁的小朋友，会根据成人注视的方向去获取玩具，标明他们能够推测成人正在看向正确的位置。当 819 个月的婴儿看到成人把头转向一个有趣的景象时，只有 1819 个月的婴儿能可靠地利用成人注视的方向引导自身找到目标定位。能够对他人感知的悲伤有移情行为的表示，也揭示了幼儿具有推测他人思想的能力。皮层第层神经细胞的发育使得沮丧时躯体感觉的图式表征（主要存储在大脑右半球）与他人状态的语义表征（主要在大脑左半球）更快地整合。结果，移情就发生了。（3）禁止行为的表征幼儿首次获得禁止行为的图式概念是在出生后的第二年。假如家长让 2 岁的小朋友执行一种违反家庭规范的行为，大多数小朋友会表示得犹豫，如在一张干净的桌布上倒果汁。住在斐济群岛孤立环礁的家长们也认可这种发展，他们相信他们的小朋友在 2 周岁后获得了 vakayala，意即通情达理能力。大脑两半球间信息的有效协调促进了小朋友该行为的发展