打破白板论！新生儿大脑早已满载神经信息

婴儿大脑示意图。（Shutterstock）

长期以来，人们一直在争论我们的大脑在出生时究竟是一块白板，还是已经在处理大量资讯。科学家通过研究小鼠的一生，揭示了海马回中的神经元网络在起初是密集而混乱的，但随后会逐渐稀疏并变得更有秩序。虽然关于人类大脑还需要进行更多研究，但可以肯定的是，尽管我们大多数人都不记得自己婴儿时期的事，我们的大脑当时却在全力运转。

我们出生时的大脑，究竟是一块本质上的“空白石板”，神经元只在人出生后才开始在上面书写内容？还是我们的大脑功能更像一块“已写满字的石板”，并且在不断地被覆写？

当一个由奥地利科学技术研究所（ISTA）神经科学家彼得‧约纳斯（Peter Jonas）和维克多‧巴尔加斯-巴罗索（Victor Vargas-Barroso）领导的研究团队着手回答这个问题时，他们决定将焦点放在海马回（hippocampus）上。海马回是大脑中与记忆的形成关系最为密切的主要区域，对学习和空间辨识也至关重要。科学家们尤其聚焦于海马回特有的CA3神经元网络，这些神经元具有编码、储存、提取和更新记忆的可塑性。

CA3神经网络被认为通过突触——神经之间传递讯息的间隙——储存大量资讯，这些突触具有高度可塑性，能够轻易适应变化。先前的研究表明，这些神经元是分散排列而非密集堆积的，但它们在出生后如何相互连接仍在研究之中。根据其中一个假说——“空白石板”模型——神经元之间最初只有少量连接，突触会随时间不断形成。与此相反的理论是“修剪”模型（pruning model），该模型认为大脑一开始充满了突触，其数量随后逐渐减少，最终形成距离更远但更为精确的连接。

“空白石板模型和修剪模型对连接性在发育过程中的变化有着不同的预测”，约纳斯和巴尔加斯-巴罗索在近期于4月21日发表于《自然‧通讯》（Nature Communications）的研究中这样表示，“成熟海马回和新皮质网络中的突触连接并非随机的……但其生成方式尚不清楚。”

“膜片钳”技术

为了观察CA3突触从出生到成年的发育过程，研究人员对小鼠在出生后不久（7至8天大）、青春期（18至25天大）和成年期（45至50天大）进行了研究，这些时期分别对应海马回可塑性最高时期的前、中、后阶段。利用“膜片钳”技术（patch-clamp technique），研究人员能够精确记录和测量通过神经元的电讯号，从而可以测量讯号到达神经元不同部位时的状态——从一端的突触前末梢（即神经元末端，负责将电讯号转化为化学讯号并释放神经传导物质的地方）到另一端的树突（即接收讯号并将其传送至神经元细胞体的分枝状延伸结构）。

当研究团队分析这些记录时，他们发现小鼠出生时CA3神经元之间的连接极为丰富。随着动物的成熟，这些连接逐渐减少，CA3突触也变得更有结构、更少随机性。这两个观察结果均支持修剪模型，表明CA3网络是从“满载石板”（Tabula Plena）状态开始的，而非“空白石板”状态。研究人员还发现，幼鼠的单个突触强度出乎意料地高（能够独立触发神经冲动），而在成年动物中，需要许多较弱的输入同时叠加才能激发一个神经元。对同一神经元的显微镜分析进一步支持了修剪理论：轴突随着时间推移而缩短并减少了分支点，而树突则变得更长、密度更高。

满载的石板

因此，新生儿的大脑——至少在小鼠中是如此——似乎更接近“满载石板”而非“空白石板”。从出生到成年，海马回中的CA3神经网络从密集而随机的状态，转变为更加稀疏而有结构的状态。成熟的CA3神经元放电频率也低于未成熟的神经元。然而，人类大脑是否经历相同的过程仍有待观察，因为驱动突触修剪的机制在细胞或分子层面上仍未被充分理解。

“这些变化被解读为海马回高阶运算的转变”，研究人员表示，“这些变化可能与CA3连接性从密集随机到稀疏结构的转变有关。直接验证这些假说，将需要在人类海马回上进行更多研究。”

你或许不记得任何婴儿时期的事，但这不一定意味着你的大脑在那时是空的。

事实上，这项研究提示我们，人类的心智从生命最初的时刻起，便已在悄然塑造自身。那些密集而活跃的神经连接，或许正是我们日后学习、记忆与认知能力的隐形基石。尽管婴儿期的记忆无从追溯，我们的大脑却从未停止工作——它在我们意识到之前，便已开始了一场漫长而精密的自我雕琢之旅。