理解兒童青少年腦發育，推進對腦智發育和提升的科學研究

/ 北京師范大學

兒童青少年時期是腦發育和各項認知能力發展的關鍵階段，也是學習能力提升的黃金時期。21 世紀腦成像技術（圖 1）的快速發展為人們認識兒童青少年腦發育打開一扇窗。人們可以在不侵入和傷害人體的情況下，觀測到腦的結構特征和功能活動。例如，基于結構磁共振影像，能夠清晰地對腦的解剖結構進行成像，如各個腦區的空間分布和皮層的溝回；基于彌散磁共振影像，可以追蹤負責腦區間信息通訊的白質纖維束的方向。功能影像技術則能夠實時探測人腦對外界刺激進行響應和加工的功能活動。在這些先進技術支持下，腦發育的科學研究快速發展，取得了重要的進展，為認識兒童青少年腦發育提供了新的角度和證據。我國有2億多兒童、青少年，了解和把握腦發育規律，是保護和促進兒童青少年腦與認知發育的重要前提，對國家的可持續發展具有深遠影響。

圖1 腦成像技術（腦電、近紅外、腦磁、磁共振）

腦發育：心智成長的生物基礎

相對其他物種而言，人類的腦發育過程顯得尤為漫長。不同腦區的發育速度和軌跡不盡相同，與感知、運動相關的初級感覺運動皮層最早達到成熟峰值（即先成熟），與決策、控制、推理等高級認知能力有關的高級聯合皮層腦區（比如背外側前額葉、頂下以及顳上回）達到成熟峰值的年齡相對較晚，與這些額顳葉腦區連接的白質纖維束也較晚成熟。健康人腦總體積的發育表現出明顯的性別差異：男孩腦體積的峰值年齡約為14.5歲，而女孩約為 10.5 歲。這在一定程度上為理解小學階段男生和女生認知行為差異提供了腦結構發育的證據。研究還發現額葉皮層厚度與智力的關系隨年齡發生改變，在兒童早期兩者主要呈現負相關。皮層厚度越薄智力越高，到兒童后期以及更高年齡段則呈現正相關，也就是說皮層厚度越厚智力越高。并且不同智力水平的個體其額葉皮層厚度的發育軌跡有所不同：相比較高智商和平均智商兒童青少年，超高智商兒童青少年皮層厚度到達峰值的時間更晚，提示高智商人群可能伴隨更長的腦發育時間（圖 2）。

圖2 智商越高，皮質厚度達到峰值的時間越晚，提示高智商可能依賴更長的腦發育時間。圖中藍色線條代表超高智商組，其在多個腦區的皮層厚度到達峰值的年齡在12-13歲；綠色線條代表較高智商組，其在多個腦區的皮層厚度到達峰值的年齡稍早，約9-11歲；紅色線條代表平均智商組，其在多個腦區的皮層厚度到達峰值的年齡最早，約7-8歲。

腦的復雜功能并不是由特定的神經元或腦區獨立完成。目前主流觀點是，不同腦區相互協作形成一個整體，以執行各項認知功能。隨著年齡的增長，兒童青少年的各個腦區之間的白質纖維結構連接或者功能協作關系不斷增強。如果把特定腦區當作節點，腦區之間的連接作為邊，就可以構建一個類似于交通網絡的腦網絡。在發育過程中，腦內負責信息傳遞與處理的“高速公路”的全局和局部網絡連接都日趨完善。這主要包括信息在腦區間傳輸的全局效率的增強，長空間距離連接的增加。各腦區之間的白質纖維結構連接和功能連接并非均勻分布的，而是形成了多個小模塊，同一模塊內部的腦區之間連接比較稠密，而屬于不同模塊的腦區之間的連接則相對稀疏。這些負責特定認知功能的功能模塊其空間分布形式也隨發育過程進行調整，由初期傾向于解剖位置相近的腦區發展為空間上更為分散的組織模式。 需要注意的是，5 歲兒童大腦中負責信息傳遞的核心腦區（類比于交通樞紐）的空間分布與成年人高度相似，主要包括后扣帶回 / 楔前葉、角回、額上回、內側前額葉、島葉等。這些核心腦區彼此之間緊密連接，并且連接的稠密程度隨發育過程持續增強，提示了核心腦區在發育過程中信息溝通不斷增強（圖 3）。這些腦網絡的發育成熟模式對兒童青少年的認知和學習能力發展具有重要影響。

圖3 不同年齡段的腦結構網絡的交通樞紐區域分布圖。黃色點代表具有稠密的結構連接的核心腦區，類似于高速公路中的交通樞紐。

經驗、學習顯著影響了腦發育

在人類腦發育的漫長發展歷程中，后天環境深刻影響了腦的發育。揭示影響兒童青少年腦發育和認知發展的遺傳和環境因素，并闡明這些因素是如何對腦和行為產生影響，將為兒童青少年的腦智提升提供科學指導。大量科學研究發現，營養、愛、溫暖的環境以及適宜的活動經驗都能夠促進腦的發育。特別重要的是，父母的良好撫養方式也能促進腦的發育，例如學前期獲得母親支持程度越高，兒童大腦中與學習和記憶有關的海馬區的體積就增長越快。與良好環境的積極促進作用相反，貧困、環境剝奪以及不良的童年經歷則會嚴重損害腦的發育。在一項長達25年的追蹤研究中， 科學家發現兒童早期的家庭貧困會導致海馬體積發育滯后（圖4）。

圖4 教養方式與兒童應激生活事件經驗是家庭經濟狀況影響兒童海馬體積發育的中介變量。

兒童青少年時期腦對學習經驗非常敏感，認知、藝術和運動訓練等方式都能夠改變他們大腦的結構與功能。例如，對4歲和6歲兒童為期5天的注意力訓練就能顯著提高其智力測驗成績，并且這些兒童大腦中負責注意和控制的區域（額葉-頂葉）的腦電活動與未接受訓練的兒童相比變得更高效；早期語言學習以及語音干預訓練也能夠增加兒童大腦語言相關區域（左側頂下、顳枕區域）的灰質密度或功能活動強度。早期樂器學習經驗與連接左右半腦的胼胝體體積增加有關，在進行了大約1年樂器訓練（鍵盤樂器、弦樂器）后兒童大腦中聽覺、運動皮層的灰質體積以及胼胝體的體積增加，聽覺皮層功能活動強度發生改變。有趣的是，音樂訓練引起的大腦改變不僅帶來了音樂能力的提高，也使兒童的閱讀能力與語音加工能力得到提升。此外，具有高有氧體能的兒童表現出更好的認知表現（例如認知加工速度和反應速度），并且相比低有氧體能的兒童呈現顯著不同的腦電活動幅度，這提示運動經驗對兒童的腦發育也具有重要的促進作用。這些研究發現為改進和提高兒童腦智發育、教育教學成效提供了重要啟示。然而，小規模的實驗室研究所獲得的結果要實際運用到復雜、廣闊的教育實踐中，則還需要開展大規模實驗和轉化應用研究，以確定其效應的真實性、遷移性、長期性、安全性，以及適宜人群、適宜劑量與活動投放方式。

積極推進兒童腦智發育和提升研究

兒童青少年時期腦的結構和功能發育受到基因、環境和早期經驗的共同影響，并呈現明顯的個體差異，為后期認知行為的發展奠定了神經生物學基礎。然而，現有大多數有關兒童青少年腦發育的研究面臨被試年齡跨度小、樣本量小或者持續時間短等問題。相較于小樣本研究，開展大型隊列研究能夠更加精細地刻畫兒童腦發育規律及其與認知發展的關系，以及基因和環境的復雜影響，進而甄別導致各類認知障礙和心理健康問題的影響因素，開展個性化的腦智開發和教育促進。

當前，美國、歐盟等在兒童腦認知發育研究上發展迅速，相繼推出多個兒童腦發育大型研究計劃。我國高度重視基于腦發育和學習能力兩者的發展規律，優化兒童青少年的學習效率，提升教育質量，提高人口綜合素質。2017年9月26日，由北京師范大學、北京大學、中國科學院心理研究所和北京市兒童醫院等十八家高校、科研院所和醫院共同發起建立的“中國兒童青少年腦智研究全國聯盟”在北京師范大學成立，并積極籌備我國兒童青少年大型腦發育隊列與腦智開發研究計劃。該計劃將緊密結合我國兒童青少年腦發育和素質教育的需求，融合腦 - 基因 - 環境 -行為多維度數據，揭示我國兒童青少年智力（學習能力和創新能力）與非智力（心理健康和社會適應）因素的發展規律，構建智力提升和教育促進智能平臺。多學科、多機構協同攻關，將為科學理解和提升兒童青少年腦智發育水平提供重要原理和方法技術支撐。