童年是人一生中學習能力最強的階段，在這一階段，大腦的可塑性極強。如果大腦發育回到童年，或可為治療成年神經疾病提供新思路。
早在2000多年前，亞裏士多德就説過：“我們從小養成的習慣，造成的不是細微的差別，而是迥然不同的差異。”
腦科學方面的最新發現為這句諺語注入了新的內容，我們可以從一個全新的角度來理解這句諺語。過去15年間，科學家對嬰幼兒大腦回路的形成，有了更清楚的認識，並由此開始探索，如何利用這些認識，來“修補”大腦回路，以治療那些最嚴重的神經和精神疾病。
最強大腦與世界親密“共舞”
在大腦發育過程中，存在一些特殊的階段——有些持續數月，有些持續數年——在這些階段，大腦會迅速構建出大量的正確連接，這就是眾所週知的關鍵期。關鍵期大多數發生在嬰兒時期，但也有些一直到十幾歲才到來。神經科學家已經確認了對視覺、聽覺、語言發育及對各種社會功能的形成至關重要的關鍵期。在關鍵期，孩子的大腦就像與外部世界來了一場親密的雙人舞，大腦中的分子根據來自外部世界的光子和聲波提供的線索，在腦細胞間構建並修整出新的神經連接，這些新的連接會不斷強化，並一直保持，直到成年和老年。
如果關鍵期發生得太早或太晚，或是在該開始時沒開始，該結束時沒結束，後果都將非常可怕。兒童可能會部分失明，或者容易患上像自閉症這樣的疾病。比方説，如果嬰兒一隻眼睛患有先天性白內障，看不到周圍的事物，那麼她這只眼睛將可能永久失去視力，因為在視覺發育的關鍵期結束後，腦細胞將無法正確地搭建連接。視覺關鍵期從嬰兒期開始，到8歲時結束，錯過這個階段，這個孩子眼睛發育出正常視覺的機會將極其渺茫。
觸動關鍵期的分子開關
其實，大腦無時無刻不在變化，而不僅僅是在嬰兒時期。神經科學家將大腦的這種特性稱為可塑性。當你學習如何變戲法，或者使用一個新的手機應用時，微妙的改變就在突觸部位（神經元傳遞神經信號的位置）上發生了。掌握一項新技能會引起神經元中神經化學物質發生改變，進而導致跨突觸的神經連接變強或變弱。這種簡單的可塑性貫穿人的一生，使得人們能夠活到老學到老。
在童年的某些關鍵時刻，大腦會發生一些特別重大的變化。嬰兒出生時伴隨著密集生長的突觸，它們的數量必須消減才能發揮正確的作用，而這種突觸的修剪就發生在關鍵期。
早在50多年前，科學家就發現了這些對大腦發育至關重要的形成階段。在之後的許多年中，傳統觀念都認為，關鍵期轉瞬即逝，並且一旦結束就不再復返。不過，近來科學家利用精確到分子水準的先進技術對關鍵期所進行的一些研究，已經顛覆了很多主流觀點。一些動物試驗，甚至是對人體的研究已經表明，關鍵期或許能夠被重新開啟，並用於修復受到損傷的成年大腦。
這些啟示指向了一個驚人的可能性：也許有一天，我們能調整大腦中的化學開關，恢復關鍵期，讓大腦重新搭建自己的神經連接，以治療從弱視到精神病方面的神經和精神疾患。
實際上，科學家已經找到了一系列分子開關，即觸發物與阻礙物，能夠標記這些關鍵期的開始與結束。科學家已經檢測到了大腦中控制關鍵期的一個重要的信號分子——GABA（γ-氨基丁酸，一種重要的抑制性神經遞質）。我們實驗室初步發現，GABA和其他分子一道，能在關鍵期的啟動和中止過程中發揮關鍵作用。特別是，我們發現了一種能産生GABA的神經元——小清蛋白陽性大型籃細胞，很有可能統籌著這一過程。
讓大腦回到童年
將那些在實驗動物身上測試過的、雄心勃勃的技術應用到病人身上，可能還需要數年，也許是幾十年的時間。不過目前，對關鍵期的研究已經給神經類疾病的治療帶來了一些靈感，比如使用已經上市的藥物，來部分恢復成人大腦的可塑性。
研究人員希望達到的長期目標是，能夠讓生物鐘倒流，並且重啟關鍵期。在加利福尼亞大學舊金山分校的一個實驗室內，研究人員試圖將胚胎細胞移植到嚙齒類動物中，從而令出生後逐漸老化的成年嚙齒類動物的大腦，重新産生能釋放GABA的小清蛋白神經元。移植之後，新的關鍵期重新開啟，但值得注意的是，只有在細胞移植一個月後，新關鍵期才會開始，這表明關鍵期的設定是由一組特異的基因控制的。當我們的實驗室刪除這些定時基因後，甚至是正常的關鍵期的啟動都會被延遲。
另一個恢復可塑性的方法同樣具有挑戰性，那就是去除阻礙關鍵期重新開啟的阻礙物。調控可塑性的一個靶點位於圍神經網路（perineuronal net）中，這個網路是由一些類似軟骨分子的分子構成的網格。圍神經網路環繞在成熟的小清蛋白神經元周圍，促使關鍵期結束，並由此防止突觸發生進一步的結構性變化。
圍神經網路主要由硫酸軟骨素蛋白聚糖——一種鑲嵌著糖的蛋白分子複合物（糖蛋白）組成。當硫酸軟骨素酶侵蝕掉這些分子後，可塑性的制動器就消失了。一個由英國和義大利科學家組成的研究團隊，通過向弱視的老年大鼠的大腦中注射硫酸軟骨素酶，溶解圍神經網路，幫助這些大鼠重新獲得了“新生”——新的關鍵期打開了。這些大鼠接收到了在它們幼崽時期缺失的視覺刺激，恢復了良好的視力。
出於安全性考慮，把酶注射到大腦深部，需要接受美國食品及藥品管理局的嚴格審查，所以不可能很快得到批准。然而，現有的很多藥物，都有可能在某種程度上提高大腦的可塑性。在我們實驗室參與的一項合作研究中，通過小規模試驗，我們發現，一種抗癲癇和雙相情感障礙的通用藥物，能使成年人變得像孩子一樣，善於學習新事物。
大腦重構或影響自我意識
從事大腦關鍵期研究的科學家經常問自己，人為什麼會在自己的生命早期設置關鍵期，為自己的學習生涯設定限制。另外，如果我們因為想學習一項新技能，而重新開啟關鍵期，會不會有危險呢？
動物進化出關鍵期，並限制大腦可塑性，可能是為了保護腦細胞。小清蛋白細胞在高水準代謝過程中産生的自由基分子，會損害大腦組織——這可能也是大腦進化出圍神經網路的原因。精神分裂症和其他精神疾病患者的大腦屍檢報告顯示，圍神經網路和阻礙大腦可塑性的阻礙物，總體上都處於低水準。
大腦可塑性不受限制可能造成的風險，在阿爾茨海默病患者身上可見一斑。負責複雜認知的高級腦區，如聯合皮層，已經進化成可終身保持可塑性。在這些腦區中，能關閉關鍵期的硫酸軟骨蛋白聚糖含量較少，而在神經退行性疾病發生時，它們也是最早發生細胞凋亡的地方。
按需開啟和關閉關鍵期，或許將有助於神經系統疾病的治療。不過，隨著關鍵期的開啟，人的某些基本特性也可能會發生改變。未來，人類可能會開發出更加天才的方法來改變世界，因此也很可能需要一種新方法，來增強自己大腦的可塑性，以適應高速變化的外部世界。對此，我們需要高度注意，因為成年期的大腦重構，可能會威脅到人的自我意識。
雖然我們都渴望擁有如兒童般的大腦可塑性，成為未來世界的佼佼者，但魚和熊掌不可兼得。如果有一天，這種能打通大腦的神奇藥物真的問世，如何取捨需要我們三思。
稿件來源：《環球科學》（《科學美國人》中文版）
撰文： 高雄·K·亨施（Takao K. Hensch）
翻譯： 壽小婧 審校： 韓濟生
延伸閱讀
GABA： 讓嬰幼兒大腦有序活動
GABA的主要功能是使神經活動安靜下來。它真的是兒童發育關鍵期的啟動者嗎？通過試驗，科學家發現，正是這個神經遞質給原本亂作一團的嬰幼兒大腦帶來了秩序。
在嬰兒最初的幾個月裏，大腦總是處於活躍狀態，所有的神經元——可稱為興奮性細胞，都在無序地活躍著，就像一大群人，每個人都在雜言亂語。只有關鍵期開啟後，大腦中的一些連接才開始顯得井然有序。小清蛋白神經元釋放出GABA，使得興奮性細胞安靜下來，停止“説廢話”。GABA是通過延伸長長的、叫做軸突的“卷須”，來實現這個過程的——軸突在興奮性神經元的細胞體（神經元的中心部位）周圍，纏繞成籃子樣的形狀，來壓制興奮性細胞的過度活動，從而讓特定細胞能夠發出強烈而清晰的信號，達到興奮和抑制的平衡。
通過試驗，研究者在嚙齒類動物的視覺系統中，非常詳盡地觀察到了這一過程。首先，研究者通過基因改造來降低小鼠的GABA水準，結果關鍵期並沒有如期開始；隨後，向小鼠注射一種類似於安定的藥物——苯二氮卓來增強GABA信號，關鍵期就開始回歸正途了。
動物研究已經表明，無論是基因紊亂還是環境壓力，都能干擾神經系統興奮和抑制間的脆弱平衡，並在錯誤的時間開啟關鍵期。現在，研究人員已經開始將以下方向列為研究重點：能否通過糾正關鍵期的時間設定，重新實現大腦神經系統的平衡，從而預防或者治療自閉症、精神分裂症或者其他神經疾病。
(責任編輯：羅伯特)
