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［中图分类号］G44［文献标识码］A［文章编号］1002—0209（2007）03—0039—07
可塑性是大脑的主要属性之一。在动物和人类毕生发展的进程中，中枢神经系统均具有一定的可塑性。近年来，认知神经科学研究越来越注重从动态的视角来研究大脑，研究大脑受发展与经验的影响而出现的结构、功能的变化，也就是大脑的“可塑性”问题。“可塑性”这一概念最初源自于医学，是指器官或组织修复或改变的能力[1] (P11497—11501)。组织器官的这种修复和改变的能力可以保证其应对变化的外部环境。继医学领域提出了可塑性这一概念以后，认知神经科学研究者迅速将其引入研究视野，并对其最初的含义予以拓展，将脑的可塑性界定为大脑改变其结构和功能的能力[2]。大脑的这种可塑性不仅在动物身上有所发现，在人类身上也有所发现；不仅在个体发展的早期有所发现，而且在个体发展的中、晚期也有所发现。也就是说，在动物和人类毕生发展的进程中，中枢神经系统都具有一定的可塑性[3](P191—201)。
一、大脑可塑性的表现形式
大脑是一个复杂的系统，也是一个动态的系统，其结构和功能是在发展的过程中形成的。但是受学习、训练以及经验等因素的影响，大脑皮层会出现结构的改变以及功能的重组，也就是出现所谓的可塑性。这种结构的改变既有宏观层面的，也有微观层面的。从宏观层面上讲，因可塑性而引起的大脑结构的改变包括脑重的变化、皮层厚度的变化、不同脑区沟回面积的改变等[2][4]；从微观层面上讲，因可塑性而引起的大脑结构的改变包括树突长度的增加、树突棘密度的改变、神经元数量的改变以及大脑皮层新陈代谢的变化等[2]。
而功能的重组则在分子层面、细胞层面、皮层地图层面以及神经网络等层面都有可能发生[5][6]。分子和细胞层面的功能重组包括突触效能的改变、突触连接的改变等；而皮层地图层面的重组包括表征面积、表征区域、表征方位以及表征区域之间联合或分离的变化等；在神经网络层面，大脑的可塑性主要表现为系统水平的可塑性，即不同感觉通道之间跨通道的可塑性[5]。
二、动物大脑的可塑性研究及其进展
认知神经科学的研究结果表明，即使在大脑发育成熟以后，经验仍然可以改变大脑的结构[2]。尽管“经验可以改变大脑结构”这一观点最早可以追溯到19世纪90年代，但真正明确提出这一思想的是Hebb，他首次论证了饲养环境对白鼠行为的影响[7]。继Hebb之后，Berkeley研究小组比较系统地研究了在经验的影响下，伴随着行为的变化而引起的脑重、皮层厚度等方面的变化，首次论证了因饲养环境的差异而引发的动物大脑形态的巨大差异[8][9][10]。后来针对其他动物的研究也都发现，不仅一般的经验可以引起大脑可塑性的变化，而且特异性的训练也可以引起动物大脑可塑性的变化；不仅幼年动物的大脑皮层存在可塑性，而且成年甚至老年动物的大脑皮层也存在可塑性；不仅视觉、听觉以及嗅觉皮层存在可塑性[11]，而且躯体感觉和运动皮层等大脑皮层也存在可塑性[2]。
Chang和Greenough曾做过一个因训练而引起的白鼠视觉皮层可塑性变化的经典实验[12]。由于白鼠的视觉通道90％是交叉性的，他们阻断了白鼠一只眼睛的视觉刺激，并在迷宫中对其进行了训练。对白鼠大脑两半球神经元的比较发现，受到训练的大脑半球的神经元的树突分叉更多。有趣的是，尽管大脑两半球的其他感觉皮层仍然存在互动，但是仅仅因为接收视觉刺激的差异却引起了大脑两半球树突的可塑性变化。此外，Ben等对成年猫的研究也发现， 猫的视觉皮层在视觉空间定位上也存在可塑性的变化[13]。
Schwaber等使用耳毒性的化学物质选择性地破坏了灵长类动物负责高频音加工的耳蜗纤维，以削减对其初级听觉皮层尾部区域的声音输入。2—3 个月以后的微电极记录发现，实验动物的听觉皮层出现了重组。以前对高频音反应的神经元在破坏后对中频音开始出现反应[14]。此外，Aus-chacker对猫的视觉皮层的研究也发现，在剥夺双眼视觉刺激的情况下，会导致其前外侧裂外部视觉皮层转向对听觉和躯体感觉信息的加工[15]。总之，许多研究发现动物的视觉和听觉皮层具有很强的可塑性[2][3](P191—201)[16]。
除了视觉和听觉皮层存在可塑性外，许多研究还发现动物的躯体感觉和运动皮层也存在可塑性[3](P191—201)[17]。Pons 及其同事对剥夺了上肢感觉输入的短尾猿所做的研究发现，在未阻断刺激传入前负责上肢感觉的皮层出现了功能的重组，转向了对面部感觉的表征[18]。除了阻断皮层刺激的传入会导致躯体感觉皮层的重组外，有些研究发现，因大量的使用手和上肢而引起的传入性刺激的增加也会引发动物躯体感觉皮层的重组[19]。
有趣的是，有些研究发现，受季节性的性类固醇分泌的影响，一些动物，诸如鸟类的大脑皮层也会出现季节性的可塑性，尤其在孵化季节它们负责鸣叫的脑区的体积会出现显著的增加，甚至还伴随着神经元的数量、大小等方面的变化[20]。
三、人类大脑的可塑性研究及其进展
不仅动物的大脑皮层存在可塑性，人类的大脑皮层也存在可塑性。而在人类被试身上，有关大脑可塑性的研究最初是针对脑损伤患者进行的。随着时间的推移，脑损伤患者的大脑功能会出现自发性的恢复和补偿效应[21][22]。此外，有些研究发现，聋人和盲人的中枢神经系统也存在可塑性，而且他们的皮层可塑性往往是跨通道的[23][24]。
但是大脑并不是损伤的被动牺牲品。不仅非正常人的大脑具有可塑性，正常人的大脑也具有可塑性。可塑性是中枢神经系统的基本属性，不管对于脑损伤患者还是对于正常人，可塑性都是其大脑发展的一个基本而又必要的属性[25]。早期有关大脑可塑性的观点一致认为，中枢神经系统在发育过程中具有可塑性，但是一旦发育成熟以后，其可塑性会逐渐消失；对于脑损伤患者而言，其脑损伤的时间越早，大脑的自发恢复和补偿效应也越强。但是，近来的研究发现，不仅大脑在发育过程中会表现出发展可塑性，而且在发育成熟以后，大脑皮层仍然存在可塑性；对于脑损伤患者而言，并非脑损伤越早其皮层可塑性越强。重要的是，不仅人类的视觉、听觉和躯体感觉皮层存在可塑性[16][26]，即使像语言、记忆、运动技能等高级认知领域也同样存在可塑性[2][17][27][28][29]。
对于那些因脑损伤而引起的失语症患者而言，随着时间的推移他们大都会出现一些自发性的语言恢复现象。但是，功能的恢复到底是受经典的左半球语言区的调节还是受右半球相同皮层区域的调节，长期以来是失语症研究中一个倍受关注的问题。针对这一问题，Musso等运用PET技术，对大脑左半球外侧裂受损的20名失语症患者在训练情景下的大脑可塑性进行了研究[22]。结果发现，所有病人的行为表现在训练结束后都得到了明显的改善；与训练引起的语词理解成绩的改善明显相关的脑区，是右侧颞上回的后部和左侧的前楔叶。这一研究表明大脑右半球在失语症恢复过程中扮演着非常重要的角色，同时也显示了因具体的训练引发的听觉理解能力的改善，伴随着大脑功能的重组。此外，Thomas等的研究也发现，失语症患者在其语言恢复过程中会产生语言加工皮层侧化模式的可塑性变化[21]。
听觉皮层在言语、音乐以及听觉空间任务加工中扮演非常重要的角色，因而许多研究者利用言语刺激、音乐以及音频辨别等任务，对听觉皮层的可塑性进行了研究[16]。Jancke等使用听觉音频辨别任务就听觉训练引起的大脑可塑性进行了研究[30]。结果发现，在训练期间三名被试的音高辨别能力得到了明显改善（表现获得组，T＋），而另外三名被试的音频辨别能力没有得到改善（未获得表现组，T－）。对T＋组、T－组以及没有参加音高辨别训练的控制组（Co）的血液动力学的比较发现，T＋组被试听觉皮层的血液动力学反应明显减弱，而且对于T＋组被试激活模式变化的分析发现，其表现获得最好的刺激（958和954Hz）对应的皮层激活变化也最强。但是T－组和控制组的血液动力学反应在训练前后并没有出现任何变化。这一结果表明被试在加工受过训练的听觉刺激时其听觉皮层出现了可塑性的重组，而且这种重组是在“快速学习”的基础上达成的。另外，Hans等也利用类似的音高辨别任务发现了听觉皮层的可塑性重组[31]。通过其他的听觉任务及其研究范式，许多研究发现听觉皮层受经验、训练以及其他因素的影响，也会出现类似的可塑性的变化[21][32]。
日本成年人往往在区分英语中的／r／和／l／时存在困难。基于此，Callan对九位日本成年人进行了为期一个月的反馈式的／r－1／语音辨别训练，并对其训练前后大脑进行语音辨别任务时的激活模式进行了fMRI评估[33]。行为研究的结果发现，在训练结束后被试在区分／r－1／时其行为有了明显的改善，正确率由训练前的62.5％攀升到训练后的80.4％。fMRI的结果发现，训练结束后被试在区分／r－1／时不仅听觉语音皮层（颞上回和颞叶内侧）出现了重组，而且以前与听觉语音加工无关的双侧脑区，诸如缘上回、布洛卡区、前运动区、补充运动区，以及一些皮下组织像小脑、基底神经节以及黑质等大脑皮层与皮下组织也出现了激活。这一结果暗示，被试听觉辨别能力的改善与其听觉语音地图的获得有关。此外，有关人工语言学习的研究也发现，视觉语言任务训练也会导致语言皮层出现可塑性的变化[34]。
大脑的这种可塑性现象不仅在脑损伤患者身上有所表现，在盲人以及先天失聪的残疾人身上也有所发现。对于利用盲人点字法阅读的盲人而言，他们的阅读主要是通过手指触摸等躯体感觉过程而实现的，需要将触觉信息转换成有意义的语法和语义属性[35] ， 因此许多研究者对使用盲人点字法进行阅读的盲人进行了研究。Cohen等 [36] 以正常人作为对照组，利用TMS（Transcranial Magnetic Stimulation）破坏了在其生命早期就利用盲人点字法或凸出的罗马字母进行阅读的盲人的不同皮层区域功能，结果发现，对盲人顶叶皮层的短暂刺激导致了其在两种阅读任务上都出现了错误，并且引发了触觉的失常表现。相反，对正常被试相同皮层区域的刺激对触觉表现并没有影响，但是却引发了视觉行为的失常。这表明在生命早期就失明的盲人其视觉皮层转向了对躯体感觉信息的加工，这种视觉与触觉皮层之间跨模块的皮层可塑性可以部分解释盲人出众的触觉能力。另外，相关研究发现盲人初级视觉皮层卷入触觉信息的加工存在关键期，盲人在加工触觉信息时其初级视觉皮层的卷入依赖于视觉剥夺开始的时间，其关键期似乎在13—15岁左右[35][37]。近期有关盲人的研究还表明，他们的顶叶皮层不仅与盲字的触觉阅读有关，而且对准确的阅读而言是非常关键的；通过无创性神经生理技术可以指导和促进可塑性变化的功能结果，促进盲人的功能适应[23][38]。
运动皮层是可塑性最强的大脑皮层之一，因而许多研究者对运动皮层的可塑性进行了研究[28][29]。对于弦乐器弹奏家而言，他们要获得熟练的弦乐弹奏技能，一般要经过大量的弦乐学习和演出实践。同时，在进行弦乐实践和演出时，其左手的第二到第五个手指（D2—D5）要连续弹弦，而拇指则主要起抓握和固定乐器的作用，活动较少，因而他们是研究大脑可塑性的理想人选之一。Elbert等[39]所做的研究发现，相对于不弹乐器的对照组而言，弦乐弹奏家的左手的D1和D5区皮层表征中心偏移了0.5—0.7cm，但是两组被试的右手的皮层表征区则没有差异。同时，对弦乐手开始学习乐器的时间与其左手D5区皮层表征区神经反应变化幅度的相关分析表明，尽管那些青春期过后才开始常规的弦乐器实践的被试，其左手的皮层表征区仍然大于普通被试，但是那些在13岁，也就是青春期以前就开始常规的弦乐实践的被试皮层表征区最大。这不但表明中枢神经系统即使在发育成熟以后仍然具有可塑性，同时也显示了在进行音乐学习和实践时， 大脑早期的可塑性更强。 此外，Krings等[40]使用fMRI技术对钢琴演奏家所做的研究也发现，在复杂的手指运动任务中，钢琴演奏家在初级运动皮层、辅助运动皮层以及顶上小叶等脑区显著激活的像素更少，这说明与普通人相比，具有大量的运动实践的钢琴演奏家只需要少量的神经元的参与就能完成相同任务。此外，有些研究还发现，运动实践会诱发运动皮层出现快速的可塑性变化[41]。不仅正常人在训练情况下其运动皮层具有可塑性，中风、截肢以及脊椎神经受损患者在训练的情况下也会引起躯体感觉和运动皮层可塑性的变化[28][29]。
四、大脑可塑性的机制及其影响因素
研究大脑可塑性不仅仅是为了探索其表现形式，更重要的是要进一步了解其机制及其影响因素。有关突触可塑性和皮层地图可塑性的研究一般假定，突触可塑性引起了皮层地图的重组[17]。因而，当前有关大脑可塑性机制的研究主要利用分子生物学技术，探讨了大脑皮层可塑性重组的过程中受体和基因表达等方面的变化。
有关基因表达的研究发现，在视觉皮层可塑性重组的过程中，N—甲基—D—门冬氨酸（NMDA）受体的激活引起了基因转录表达过程中Ca2＋的增加，这些可塑性基因联合运作引起了视觉皮层结构和功能的变化[6][42]。此外，有关躯体感觉皮层可塑性的研究发现，皮层功能的重组依赖于激活诱发的突触强度的变化，而突触强度的增强或减弱则伴随着轴突终端释放的神经递质的变化、谷氨酸盐受体属性的变化以及突触后细胞去极化的变化[43]。此外，还有一些研究认为在LTP （Long-Term Potentiation）和LTD（Long-Term Depres-sion）过程中，突触连接会出现快速的增强或减弱，因而研究者推测LTP和LTD可能也与皮层地图的可塑性重组有关[28]。Post和Weiss认为，LTP和LTD 不仅在中枢神经系统初始化过程中对于神经元之间连接的形成是非常关键的，而且对于皮层可塑性而言也是不可或缺的[44]。
尽管人类和动物的中枢神经系统在整个生命进程中都具有可塑性，但是大脑可塑性并不是自发产生的，大脑可塑性受经验、训练、损伤等许多因素的影响。经验对大脑的影响有时是积极的，但有时则是消极的。训练开始的时间、类型、强度、持续时间等因素都会影响训练的结果进而影响大脑可塑性。一般而言，在训练开始比较早、类型比较适当、强度比较大、持续时间比较长的情况下，更容易诱发大脑的可塑性[45](P309—318)。单就训练类型而言，要诱发大脑可塑性的变化，训练必须具有行为关联性[46]。
就脑损伤患者而言，其损伤开始的时间、损伤的部位、面积、严重程度、损伤部位周围和对侧脑区的完整情况、受损脑区的特异性、发病前的认知发展水平以及社会支持都会影响大脑功能的恢复模式及其可塑性[47][48][49]。受损越轻、受损面积越小、受损脑区周围和对侧的脑区越完整、受损脑区的特异性越弱，大脑功能的恢复和补偿越好。同时，在受损面积较小的情况下，受损脑区同侧的脑区会出现可塑性的变化；在受损面积较大的情况下，则会由对侧的脑区补偿受损脑区的功能[50]。
五、总结与前瞻
大脑可塑性的研究已经成为认知神经科学以及许多交叉学科研究领域新的生长点。有关大脑可塑性的研究对于揭示大脑活动的规律、进行临床矫治和干预以及教育教学实践等都具有十分重要的意义[51]。当前，围绕大脑可塑性的表现形式、内在机制及其影响因素，研究者从分子、细胞、行为、皮层地图以及神经网络等层面开展了大量的研究，并且已经获得了一些重要的发现，但是有关大脑可塑性的机制尚不是十分清楚。
在大脑发生可塑性变化的过程中，伴随着行为层面的改变，大脑的结构、功能层面到底发生了哪些变化，这些变化是如何产生的，大脑不同皮层区域，或者说大脑在加工不同的任务时其可塑性的表现模式、内在机制及其影响因素是特异性的，还是受共同的机制的调节，目前都不是十分清楚。
影响大脑可塑性的因素既有内在的，也有外在的，同时影响大脑可塑性的内部因素和外部因素之间往往存在复杂的交互作用。成熟和经验各自在大脑可塑性的过程中扮演着什么样的角色，二者是如何通过交互作用影响大脑可塑性的表现形式、内在机制及其影响因素的，目前也不是十分清楚。
因此，对于认知神经科学及相关领域的研究者而言，一方面需要进一步加强从分子、细胞、皮层地图以及神经网络等层面研究大脑可塑性的机制，另一方面需要综合考察和研究影响大脑可塑性的内外部因素以及二者之间的交互作用。此外，如何结合课堂教育教学实践开展大脑可塑性的研究，研究大脑在教育、培训等经验的影响下产生的可塑性变化及其机制，以便指导教育教学实践的科学化和实效化，促进教师的教和学生的学，是摆在认知神经科学工作者、教育实践者面前的一项急切的任务。大脑可塑性是诸多学科共同关注的研究领域，单层面的研究很难真正揭示大脑可塑性的机制及其影响因素，因而不同领域的专家学者需要联合攻关，这样才有可能真正揭示大脑可塑性的机制。
［收稿日期］2006—11—20
［基金项目］国家攀登计划项目（95—专—09）； 北京师范大学青年社科基金项目“脑科学及其教育应用研究”。