發展認知神經科學：理解和促進人類心理發展的新興學科*

董奇

（北京師范大學認知神經科學與學習國家重點實驗室 北京 100875）

1 發展認知神經科學的興起

發展心理學 （最初為兒童心理學）誕生至今已經跨越了一個多世紀的時間。作為研究人類畢生發展（life-span development）進程中個體心理發展規律、機制及其影響因素的一門學科，百年來，發展心理學研究者采用觀察法、調查法、實驗法等，通過橫斷設計、縱向設計和聚合交叉設計（橫斷與縱向設計的結合），圍繞身心發展的關系、身心發展的敏感期與可塑性、心理發展的個體差異（共性與差異性），以及遺傳、環境對個體心理發展的交互影響等進行了大量的探討。著名發展心理學家皮亞杰利用臨床觀察法對兒童認知發展進行了系統研究，提出了著名的發生認識論，部分解釋了人類認識的發生及結構這一重大哲學問題，被譽為20世紀重大的學術成就之一。皮亞杰之后的信息加工范式，通過嚴格控制的行為實驗法，揭示了人類心理發展的精細機制，對精確刻畫人類心理發展做出了重要貢獻。百余年來，發展心理學的研究大大加深了人類對自身心理產生與發展的理解，在滿足潛能開發、心身健康促進、人口素質提升等方面的重大社會需求上日益發揮重要作用。然而，由于研究手段與技術的限制，傳統以外顯行為觀測為主的發展心理學研究難以無損傷、動態、客觀地考察心理的物質基礎，無法從根本上闡明“遺傳-環境”、“結構-功能”、“身-心關系” 等心理發展的基本科學問題。

近20年來，隨著認知神經科學（cognitive neuroscience）的興起，尤其是無損傷腦影像技術的出現，使得探索正常大腦的結構和功能發展成為可能，為發展心理學與腦科學的結合提供了技術上的可行性，并催生了一門新興的學科——發展認知神經科學 （Developmental cognitive neuroscience）。由Mark Johnson撰寫的著作《發展認知神經科學》（1997）和 Charles A.Nelson 領銜主編的《發展認知神經科學手冊》（2001）的出版被認為是發展認知神經科學這門新興學科正式誕生的標志[1-2]。

發展認知神經科學的主要目標是從基因、神經、認知行為和環境等多個水平上研究生理發育（特別是腦發育）與心理發展及學習的相互作用，進而揭示腦發育與認知功能發展的關系，遺傳與環境對心理發展的交互作用，個體差異的腦生物基礎以及各種學習過程的大腦活動機制。從研究思路上講，發展認知神經科學不僅從“靜態”的視角研究大腦發展與心理行為發展的關系，而且從“動態”視角研究畢生發展進程中各種認知功能的發生、發展和衰退的過程，以及伴隨著學習、經驗等影響大腦結構和功能的動態變化及其可塑性。從研究方法和技術手段上講，發展認知神經科學融合了心理學、認知科學、神經影像學、生物信息學、分子遺傳學等多學科的研究方法和技術手段，綜合運用磁共振成像技術（MRI）、功能磁共振成像技術（fMRI）、腦電技術(EEG&ERP)、腦磁圖技術（MEG)、近紅外成像技術（NIRS）、光學成像技術 （optical imaging）、穿顱刺激技術（TMS）、單細胞記錄技術(single-cell recording)、基因型檢測，以及心理行為測查等多種自然科學和社會科學的研究方法和技術手段。

發展認知神經科學研究居于身心關系和人類智能的產生及豐富兩大基本問題之間的交匯處，具有重要的科學價值。科學界日益達成共識，只有理解了人類心智系統是如何在發展中構建起來的，才能真正理解成熟的系統是如何工作的。不僅如此，發展認知神經科學研究還具有重大的現實意義，它可以為開發大腦潛能和優化教育質量，為各類兒童青少年的發展性認知障礙以及老年退行性認知障礙的診斷、治療和康復，進而為提高人口素質，增強綜合國力提供科學支撐。由于發展認知神經科學具有重要的科學價值和現實意義，幾乎所有發達國家都站在國家戰略的高度，在多個大型“腦科學”研究計劃中支持和部署該新興學科的發展，在多個大型“腦科學”研究計劃中，布局發展認知神經科學研究。我國政府也高度重視認知神經科學，特別是發展認知神經科學的研究，在 《2006—2020年國家中長期科學與技術發展規劃》中，明確提出要重點開展對“腦發育、可塑性與人類智力的關系，學習記憶和思維等腦高級認知功能的過程及其神經基礎”的研究[4]。在世界各國和相關國際組織的大力支持下，近20年來，發展認知神經科學得到了快速發展。多所世界知名大學成立了發展認知神經科學研究中心與實驗室，多個相關學術期刊創刊，2011年，由Elsevier出版的 《發展認知神經科學》（Developmental Cognitive Neuroscience）雜志正式出版。從1999—2009年短短的10年間，發展認知神經科學領域發表的研究論文數量從年均不足150篇上升到將近800篇（圖1），有關發展認知神經科學的大量的中文譯著[3-4]和文章也紛紛發表[5-6]。

圖1 1996—2009年發展認知神經科學發表文章數量（來源：Scopus）（轉引自 Editorial,Developmental Cognitive Neuroscience,2011）

2 發展認知神經科學研究的主要進展

在過去十幾年中，發展認知神經科學主要探討了大腦結構發育、功能發展與心理行為發展的關系，遺傳與環境對個體心理行為發展的交互影響，以及心理行為發展個體差異的神經機制。下面從這4個方面介紹當前發展認知神經科學的主要研究進展。

2.1 大腦結構發育與個體心理行為的發展

結構是功能的基石，不管是兒童、青少年還是成人，其心理行為的發展離不開大腦結構的發展。正常的大腦發育序列是個體心理行為正常發展的基礎；反之，異常的腦結構發展可能會導致個體心理行為發育的異常。認識這些問題不僅有助于了解畢生發展進程中大腦發展變化的規律，而且有助于了解人類心智的起源、各種發展障礙的矯治以及認知老化的干預等。在現代腦成像技術出現以前，主要借助尸體解剖（post-mortem）等手段研究大腦結構的發展變化[7]，但由于被試數量非常少，且無法動態揭示活體大腦發育與心理行為發展之間的關系，大大限制了人們的認識。現代腦成像技術的出現，特別是彌散張量成像 （diffusion tensor imaging,DTI）等技術的出現可以幫助我們通過無創的手段研究活體大腦結構的發育和變化，以及大腦結構發育與心理行為發展的關系。發展認知神經科學從一開始就把大腦結構發育與個體心理行為發展之間的關系作為重點研究領域。

首先，通過研究活體大腦結構的發育規律，發現大腦發育存在非同步性。研究發現，大腦發育的非同步性首先體現在不同皮層區域上。最先發育成熟的是一些初級皮層，比如軀體感覺皮層和視覺皮層等，而最后成熟的則是需要整合各初級功能的高級聯絡皮層，如背側前額葉等[8]。大腦成熟與老化遵循相反的路徑和模式。大腦的成熟遵循著 “由后到前”（posterior to anterior）的漸進式成熟過程[14]。但是，大腦的老化卻似乎遵循著相反的模式，即“由前向后”（anterior to posterior）的老化進程[16]。換言之，成熟越晚的腦區似乎卻反而老化的越早，而成熟越早的腦區卻反而老化的越晚。大腦發育的非同步性還體現在大腦的兩種重要組成部分——灰質和白質的發育上。基于灰質體積的研究發現，大腦的灰質體積隨著年齡的增長呈現出倒U型的發育軌跡，到了青春期的時候大腦灰質的體積達到峰值，而青春以后則呈現緩慢下降的趨勢[9,10]，而基于白質體積的研究發現，腦白質的體積從兒童期到青春期是持續增加的[9]，而且不同腦區的白質纖維束的發育曲線不盡相同[11]。基于皮層厚度的定量研究還刻畫了大腦不同區域的發育規律，發現越是與高級功能相關的腦區，其細胞構筑越復雜，并具有更復雜的發育軌跡[12]。比如，對于5—11歲的兒童而言，其右側額葉、雙側頂枕等腦區的皮層厚度隨年齡變薄，但是一些語言功能腦區的皮層厚度卻隨著年齡的增加變厚[13]。

其次，發展認知神經科學揭示了大腦結構發育的個體差異特點，對提出針對性的促進方案具有重要意義。例如，大腦總體積存在一定的性別差異，男性大腦比女性的大9%—12%[15]。男性大腦的總體積在14.5歲左右達到峰值，而女性則發育的更快，大約11.5歲就可以達到峰值，6歲時大腦的體積已經發育到峰值的95%[14]。不管是灰質、白質纖維的發展，還是相關腦區灰白質的分布，也同樣存在著性別差異[11]。

第三，發展認知神經科學為認識個體大腦結構發育與其心理發展之間的內在聯系提供了科學依據。有關腦皮層發育與兒童智力發展的研究發現，不同智力水平兒童的腦區皮層厚度變化率有顯著的差異，這為研究和預測個體認知能力提供了新的視角[17]。此外，正常兒童的白質結構（如白質擴散屬性）與認知能力有緊密的關系。例如兒童的額葉白質與工作記憶容量[18]，顳葉白質與語言能力[18]，額葉、枕頂聯絡皮層的白質與智商[19]，顳葉、頂葉白質與閱讀能力[20]，以及額葉紋狀體區域與抑制控制能力[21]之間存在著顯著的相關性，即各種認知和行為能力與大腦的皮層發育和白質結構的完整性有關，腦結構發育是大腦功能和認知發展的神經基礎。

2.2 腦功能發展與個體心理行為的發展

大腦功能發展與個體心理發展緊密相關，大腦功能的模塊化、特異化以及相關功能網絡的形成是心理發展的重要保障，是心理發展從不成熟轉向成熟的重要體現，也是探討心智起源以及身心關系的重要參照指標。近年來，發展認知神經科學通過EEG、MEG、fMRI和NIRS等信號的變化以及相關功能網絡連接模式的變化，從多個層面、多個角度探討了腦功能發展與個體心理發展的關系。

利用EEG和腦磁圖（MEG）等具有高時間分辨率技術，研究發現，隨著兒童年齡的增長，EEG各頻段的波幅強度逐漸減弱，尤其 是 delta （0—3 Hz）、theta （4—7 Hz） 和alpha（8—12 Hz）慢波頻段。這可能提示不同腦區間隨機連接減少了，去除了無用突觸，從而保留了腦區間更有效的連接網絡[22]。這些慢波活動的改變不僅僅局限在時間維度上，同樣體現在空間維度上：即慢波活動最強的腦區在兒童發育過程中，會有一個從后向前發生轉變的過程[23]，這種改變反映了皮層成熟的過程，即大腦皮層的成熟最開始在后部區域，逐漸發展到額葉區域。這與大腦結構的成熟遵循相同的順序。而且EEG和MEG信號的發展變化并不是勻速的，中間可能伴隨著一些突變。例如：研究發現兒童的EEG發展有一個重要的關鍵期，在大約10歲的時候EEG的頻率范圍開始會向alpha轉變[24]。更為重要的是，EEG和MEG中某些特定成分可能預測兒童的一些外在行為能力，例如語言能力[25]，視覺能力[26]等。

近些年來，fMRI技術和近紅外光學成像（NIRS），尤其是靜息態fMRI技術和近紅外光學成像（NIRS）技術由于不需要被試的主動配合，可以提供早期嬰幼兒階段腦功能發展的重要信息，因此，受到發展認知神經科學研究者的格外重視。最近研究發現，人腦的默認網絡在嬰兒期就已經存在[27]，6個月大的嬰兒已經形成了數字處理的右側頂葉腦功能區[28]，學齡初期（7—9歲）兒童的短程連接逐漸減少而長程連接逐漸增多，反映了不同腦區之間分離和整合的變化規律[29]。另外，結合復雜的機器學習和模式識別技術，功能連接模式甚至能夠預測兒童、青少年的生理年齡[30]。總之，這些研究說明，兒童腦功能發展過程中相關神經網絡進行了相當精密的調整，也提示腦功能發展和個體心理發展與學習之間存在著密切的聯系。

2.3 遺傳與環境對個體心理行為發展的交互影響

遺傳與環境對個體心理行為發展的影響是發展心理學研究的基本問題之一。早在古希臘的柏拉圖和亞里士多德就開始從哲學思辨的角度對此進行了探討。之后，以高爾頓為代表的先天決定論通過家族研究證明了先天因素的影響，而以華生為代表的后天決定論則通過行為塑造的方法揭示了后天經驗的重要作用。100年來的雙生子研究、收養研究和家系研究逐漸達成一致，認為遺傳和環境都是影響心理發育的重要因素。然而，這些研究并沒有觸碰到真正的遺傳物質——基因，更沒法具體分析哪些基因如何與環境因素共同影響心理的發展。近年來，發展認知神經科學融合基因技術、腦成像技術以及信息技術對這個老問題從新角度進行了探討[31]。

發展認知神經科學的重要進展之一是突破了傳統心理學只能通過雙生子研究估計遺傳作用的限制，從基因層面計算行為的遺傳率，改變了傳統遺傳與環境研究中，必須依賴特定被試人群（雙生子等）的限制。例如最近一項研究通過分析549692個基因多態位點，估計出人類智力有很高的遺傳性，其中晶體智力的遺傳率為40%，流體智力的遺傳性為51%[32]。人格也有很高的遺傳性，僅多巴胺系統相關的基因就能解釋敏感性人格15%的個體差異，并且遺傳和環境因素對人格有各自獨特的貢獻，其中親子關系對人格有2%的貢獻[33]。

發展認知神經科學對基因與環境交互影響心理發展的機制進行了研究。在人格的研究中發現，DRD4基因與兒童的沖動性特質相關，但是受到親子關系的調節，良好的親子關系下非7R基因型的兒童沖動性更高，不良親子關系條件下則相反[34]。成年人的抑郁程度與5HTT基因有關，按照5HTTLPR基因型將被試分成ll、ls、ss三組，發現ss組的被試其兒童期受到的虐待越嚴重則成年后抑郁程度也越嚴重，ll型被試的受虐待程度則與抑郁程度無關，ls型被試介于他們之間[35]。與此類似，Caspi等人還發現兒童期被虐待的經歷與MAOA基因交互作用影響個體成年后的攻擊性[36]。

隨著技術的發展，最近發展認知神經科學開始把腦-基因-行為聯系起來，探討基因與環境對腦發育以及心理發展之間的交互影響[31]。例如研究發現兒童腦電與性格的關系受其DRD4基因的VNTR多態性調節，9個月時的腦電活動模式及其基因型能較好地預測其4歲時的性格：9個月時EEG左側化且DRD4基因L型的兒童4歲時更聽話，9個月時EEG右側化且DRD4基因L型的兒童4歲時更難集中注意[37]。

這些研究克服了傳統心理學研究難以觸及到心理發育的腦和基因機制的弱點，摒棄了分別研究遺傳和環境作用的片面思路，識別了影響心理發育的關鍵基因，探索了基因、腦和環境因素對心理發展的復雜交互作用，取得了重大研究進展，極大推動了并將繼續深化對心理發育規律的認識。

2.4 心理行為發展個體差異的神經機制

發展心理學的一個重要目標就是揭示心理和行為發展的個體差異，包括正常人之間的差異以及正常群體與發展性障礙個體之間的差異。與傳統偏重行為指標不同，發展認知神經科學從神經機制角度揭示個體差異的神經指標和機制，并致力于個體差異的早期預測，從而深入揭示個體差異產生的機制、革新人們對發展性障礙的認識，推動早期預測、診斷和干預等帶來技術革新。

發展認知神經科學通過揭示個體發展差異的神經指標，結合傳統行為和認知的測量，大大提高了個體差異測量的準確性，并在一定程度上做到了個體差異預測的超前性。以語言學習為例，在一系列的研究中，董奇及其同事發現學習前大腦的激活模式能夠準確預測兩周后[38]，甚至半年以后的學習成績[39]。 采用追蹤研究，Hoeft等（2007）[40]分別采用學年初的行為測試數據、腦結構和功能成像數據以及行為和腦的數據的結合來預測學年末的閱讀成績。結果表明，整合了行為數據和腦成像數據的綜合模型比單獨只包含行為數據的模型以及單獨只包含腦成像數據的模型具有更好的預測效度。一般對閱讀障礙進行確診要等到三四年級，但利用腦指標進行預測可以起到早發現、早干預的作用。 Molfese 等（2000）[41]的研究發現，利用兒童出生時對言語刺激和非言語刺激反應的腦電指標可以成功預測8歲時哪些兒童將成為正常閱讀者（normal reader），哪些兒童會出現較差的閱讀者 （poor reader），哪些兒童會有閱讀障礙 （dyslexia）。 Hoeft等（2011）[42]的追蹤研究發現所有初期的行為測量（包括一些常用的標準化測驗）都不能預測2.5年后閱讀障礙兒童是否能夠提高；而結合fMRI與DTI方法的兩個腦測量指標的多變量模式可以正確預測 （72%正確率）兒童2.5年后的閱讀能力。fMRI任務全腦分析指標的多變量模式能夠達到90%的正確率。采用類似的研究思路，研究者在老年癡呆等其他臨床方面的早期預測上也取得顯著進展[43]。

發展認知神經科學對個體差異的神經機制和指標的研究大大推動了各類發展障礙人群干預方面的研究與實踐。首先，由于早期預測的可能，為早期干預提供了寶貴的時間，從而提高了干預的有效性；第二，發展認知神經科學研究能為驗證某些傳統的行為矯正技術的有效性提供更有說服力的證據。如Temple等（2003）考察了行為矯正對閱讀障礙兒童腦功能的影響。fMRI掃描發現，通過矯正，閱讀障礙兒童左側顳-頂葉、左側額下回的激活顯著增加，說明行為訓練可以改善閱讀障礙者的腦功能，為閱讀障礙兒童的行為矯正提供了有力的證據[44]；第三，發展認知神經科學的研究能為推動基于腦的新的矯正方案和思路，包括直接針對大腦的無損腦刺激技術，神經反饋技術和神經藥物技術等；第四，發展認知神經科學的研究能為推動個性化的干預提供有效的指導。比如，不同個體對不同的干預措施具有不同的反應（response to intervention）。采用腦成像技術，研究者能夠有效區分對某種干預措施的反應者和不反應者[45]，從而為制定不同的干預措施提供指導。

3 大力促進我國發展認知神經科學發展的建議

由于發展認知神經科學研究可以直接為提高國民素質與健康，尤其是提高兒童、青少年的素質與健康提供重要科學原理，關系到一個國家綜合國力和國際競爭力，因此，受到世界各國的高度重視。我國是世界上的人口大國，0—14歲兒童、青少年就達2.2億（第六次人口普查數據），我國2010年頒布的《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》指出，要提升教育質量、促進教育公平、推進我國教育事業的發展，就必須深入認識并遵循兒童、青少年心理發展規律和學習規律。因此，在我國大力開展發展認知神經科學研究，除了盡快占領這一世界學科發展前沿外，還將為我國國民素質與健康的提升提供科學原理和關鍵技術，其具有重大的現實意義。

近些年來，我國的相關研究機構和學者已開展了豐富的發展認知神經科學研究，國家科技部支持建立了以兒童、青少年心理發展與學習為研究核心的北京師范大學認知神經科學與學習國家重點實驗室，中科院心理所、生物物理所、神經所以及北京大學等研究機構也都在布局發展認知神經科學方面的研究。相對于國際發展認知神經科學研究，我國研究的總體水平還存在著一定差距，但由于發展認知神經科學是新興學科，國外也剛剛起步，因此其差距與傳統發展心理學研究相比要小，只要我國繼續加強在這方面的布局與投入，研究者們遵循學科發展的最新趨勢建立良好的攻關模式，我國在該領域具備在較短時間內站到世界前沿的可能，并同時滿足國家社會發展的重大現實需求。為進一步促進我國發展認知神經科學的發展，建議未來應在以下幾個方面進一步加強：

3.1 進一步加強發展認知神經科學領域的研究布局

我國的兒童、青少年人口在數量上超過許多國家的人口總和，是世界未來人力資源最重要的組成部分；我國已經進入老齡化社會 （第六次人口普查60歲及以上人口的比重占13.26%，達1.78億），促進他們的成功老化，提高其腦與心理健康水平對于社會和諧發展和家庭幸福至關重要。因此，我國沒有理由不重視以研究人類心理發展、尤其是以兒童、青少年和老年心理為主要研究對象的發展認知神經科學。盡管近年來，我國加大了發展認知神經科學領域的研究，但是與生理發展相關研究相比，無論是國家“973”計劃、還是科技支撐計劃、自然基金委重大研究計劃等都還缺乏對發展認知神經科學相關基礎研究的支持。與發達國家相比，我國的研究布局也明顯不足，例如美國一項全美 兒 童 研 究 項 目 （National Children’s Study），2010年的投入就達 1.938億美元。建議國家進一步加強發展認知神經科學領域的研究布局，尤其是把加大我國兒童青少年心理發展中的突出問題研究作為重要工作來抓，更好地服務于國家的長遠發展。

3.2 開展以問題為導向的“基因-腦-環境-行為”多層面、多學科交叉的大型聯合攻關研究

發展認知神經科學的研究現已從基因、腦、行為單一層面的獨立研究逐漸轉向“基因-腦-環境-行為”的多層面、多學科的交叉整合研究，這就需要發展認知神經科學、心理學、認知神經科學、遺傳影像學、分子遺傳學、教育學、兒童醫學、計算機科學等相關學科高度融合，采集基因、腦、行為等多模態的數據，開展大樣本的、長期的追蹤研究，顯然單一學科的研究者是難以勝任的。其需要不同研究機構、不同學科及擅長不同技術的研究者圍繞同一研究問題，加強合作，發揮各自的優勢協同創新。例如，由北京師范大學認知神經科學與學習國家重點實驗室牽頭，組織全國52家科研機構單位共同承擔的國家科技部基礎性工作重點專項“中國兒童青少年心理發育特征調查”，建立了我國兒童、青少年心理發展的首套具有自主知識產權的測評工具、常模和全國首個基礎數據庫，并且在服務國家重大需求中發揮了重要作用。建議中國心理學會及其二級分會的發展心理學分會，中國認知科學學會、中國神經科學學會、中國教育學會以及中國教育學會腦科學與教育研究分會等相關學術組織，建立多學科對話平臺 （定期聯合舉辦會議、出版雜志等），推動不同學科研究者的合作，開展多層面、多學科交叉的大型聯合攻關研究。

3.3 重視發展認知神經科學的理論體系與人才培養體系建設

發展認知神經科學從正式誕生到現在才十幾年的時間，盡管在這十幾年中，發展認知神經科學的研究得到了快速發展，但是發展認知神經科學作為一門新興學科的理論體系與人才培養體系還沒有完全建立起來，我國在這方面尤其缺乏，如果一個學科不能建立完善的理論體系與人才培養體系，將嚴重制約該學科的發展后勁及可持續發展能力。建議我國的發展認知神經科學研究者重視這一學科的知識體系、發展脈絡、理論假設、方法論建設，完善發展認知神經科學方向博士研究生與碩士研究生培養目標與要求、課程設置等方案，培養出更多發展認知神經科學高級人才。

致謝感謝北京師范大學認知神經科學與學習國家重點實驗室羅良、陶沙、薛貴、王亞鵬、陳春輝、朱皕、劉麗、賀永、宋艷、龔高浪、舒妮、李瑾等同志在文獻收集、整理等方面給予的幫助和大力支持。

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