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学术研究

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大脑发育与功能发展

梁卫兰(北京大学第一医院预防保健科主任)
2017-07-20

摘要:

  人的大脑是人体当中发育最早、成熟最晚的器官,也是人体当中最复杂的器官。北京大学第一医院预防保健科主任梁卫兰撰文阐述:在关键期内内给予宝宝适宜的刺激,加上合理的营养,就会使宝宝更加聪明健康。

  人的大脑是人体当中发育最早、成熟最晚的器官,也是人体当中最复杂的器官。

一、脑的发育

  1. 时间:胎儿时期神经系统发育最早,尤其是脑的发育最为迅速。原始神经胚在胚胎3-4周就已经形成;前脑发育在胚胎2-3月;神经元增殖主要在胚胎3-4月;胚胎3-5月开始神经元的移行;从胚胎5个月一直到出生后数年脑细胞都在增殖分化;出生前后到生后数年神经细胞的突触和神经纤维以及髓鞘逐渐发育成熟(图1)。

图1.成熟的大脑各功能区示意图

  2. 脑重:与成人相比,婴儿期脑占体重的比例相对较大,如出生时脑的平均重约为370g,占体重的1/9~1/8;到6个月时即达700左右,2岁时达900~1000g,7岁时已与成人接近。成人脑重约为1500g,仅占体重的1/40。

  3. 大脑外观:出生时大脑的外观已与成人相似,具备了成人所有的沟回,但较浅,发育不完善;灰质层也较薄,细胞分化较差,而中脑、脑桥、延髓、脊髓发育较好,可保证生命中枢的功能

  4. 神经细胞的发育:大脑皮质的神经细胞于胎儿第5个月开始增殖分化,到出生时神经细胞数目已与成人相近。人脑的神经元不少于100亿个,神经元的数量在7-9个月后就相对稳定。但其树突、轴突少而短。出生后脑重的增加主要由于神经细胞体积增大和树突的增多、成长,以及神经髓鞘的形成和发育。3岁时神经细胞已大致分化完成,8岁时已接近成人。所以,大脑的结构和功能在生后数年都在不断完善。

  5. 神经纤维发育:出生时发育不完善,神经纤维到4岁时才完成髓鞘化。故婴幼儿时期,由于髓鞘形成不完善,当外界刺激作用于神经传入大脑时,因没有髓鞘的隔离,兴奋可传入邻近的神经纤维,不易在大脑皮层形成明确的兴奋灶。同时,刺激的传导在无髓鞘的神经也较慢,这就是为什么婴幼儿对外来刺激的反应较慢且易于泛化的原因。

  6. 耗氧量:生长时期的脑组织对氧的需要量较大:在基础代谢状态下,小儿脑的耗氧量为全身耗氧量的50%,而成人则为20%。所以新生儿缺氧时首先会造成脑损伤。长期营养缺乏可引起脑的生长发育落后。

  研究认为:脑发育正常与否决定于2岁以前, 脑发育成熟与否决定于2--4岁。

  讲神经系统的发育,就是要大家了解,在出生早期,特别是在婴儿期,神经系统具有很大的可塑性。了解这一点,就会使大家知道,婴儿早期的养育模式会影响婴儿大脑的发育。

  为什么神经系统在生命早期会有可塑性呢?因为虽然出生时神经元的数量已经基本固定,但此时神经元之间的网络还在高速的建立。负责神经元之间互相联系的"突触神经"快速地发育,神经纤维迅速的增多、增长,包裹神经纤维的神经髓鞘不断地形成。神经突触、神经纤维和神经纤维髓鞘的发育,是神经系统可塑性的基础。

  下面要着重介绍神经突触和神经纤维髓鞘的发育。

二、神经突触的发育

  大脑的基本单位是神经元,神经元之间的联接点就是突触。突触是信息传递的关键部位,依靠这些突触,神经元相互连接,构成神经网络,进行功能转换(图2)。

图2.神经突触传递信号

  出生后大脑繁忙地建设它的网络。出生时中枢皮层中的每一个神经细胞约有2,500个突触,到2~3岁期间,突触发展到最高峰时每个细胞已达到15,000个突触,比成人多很多。

  大脑不能无止境地产生许多突触。如果产生出比正常需要多,就要在以后修剪掉它们。当一些接受信息少的突触被修剪掉后,那些带有很多信息的突触会更加强壮地继续生存。这种情况就像修剪一棵果树一样。阻止一些树枝的生长会令其它树枝更强壮,同时也会改变整株植物的造型。由于除去没有用的联接,使用率高的突触就会更强劲。由经验来决定哪些神经联接需要增强,哪些需要剪掉。使用频繁的那些突触就会被保留。10岁至青春期之间,大脑无情地将最微弱的联接除掉,只保留那些被经验证明是有用的联接。

  神经细胞之间的信息由突触连接。"神经突触"负责把神经元的信号从一个神经元传递到下一个神经元或下一个靶器官。3岁前,每个神经元大约平均产生15000个突触。突触的发育特点是:突触数目在生后迅速增加,早期发育敏感时期,突触过多形成,以后逐渐按"使用或丢失"的原则,进行突触修剪,凡频繁使用的神经通路予以保留,使用很少的不予保留。该特点即"突触可塑性"。

三、神经髓鞘的发育

  出生后,神经细胞神经纤维逐渐增多、增长,神经纤维表面也会逐渐形成髓鞘。

  神经髓鞘是包裹在神经纤维表面的一层特殊的绝缘体,它能够使神经纤维快速、安全、有效地把神经信号传达到下一级神经元或靶器官。大脑的活动是一个电信号的活动过程,如果没有快速安全的信号传递系统,所有任务都不能完成。所以,没有完成髓鞘化的神经通路是不能正常工作的。

  神经纤维的髓鞘化不同脑区完成的时间不一样。与生命相关的脑区在出生时就已经完成。比如吞咽、吸吮动作有关的神经纤维的髓鞘在出生前已经形成。主要感觉束、听神经、视神经以外的视觉通路在出生时已经基本完成髓鞘化。所以新生儿就可以感觉到疼痛、听到声音、有一定的视觉,这些早期原始的感觉功能的发育也与生命的保存息息相关。但人类的运动神经纤维的髓鞘化在出生时才刚刚开始。所以,人不像一些动物,出生后就会走、会跑。而与思维相关的大脑皮层的神经纤维髓鞘化则一直持续到成年,而人类思维能力的提高是与大脑皮层神经纤维的髓鞘化相一致的。

  神经纤维的髓鞘化和突触一样,都属于神经元的结构,当它们有适宜的外部环境、得到丰富刺激并有良好的营养条件时,就能够按照预定的程序发育。如果信息刺激不足,就会遵循"用进废退"的原则,突触数量就会逐渐减少,神经纤维的髓鞘化也不能完成,其所属的神经元就会程序性死亡(凋亡)。

四、神经系统的可塑性

  由于出生后神经系统仍然不断发育,发育中的神经系统具有很大的可塑性。 未成熟脑的可塑性最强。脑的可塑性表现为可变更性代偿性
  可变更性:某些预先确定的特殊功能是可以改变的。得不到刺激的细胞会逐渐调亡,相应的脑功能会丧失。
  代偿性:一些细胞可以代替另一些细胞的功能,在神经细胞丧失或损伤后可以得到功能代偿。在婴儿早期,中枢神经系统受损后,仍可在功能上形成通路,如轴突绕道投射,树突出现不寻常分叉,或产生非常规的神经突触,以达到代偿目的。这是神经康复的理论基础。

五、关键期

  根据以上理论,以及其他脑科学研究表明,在脑发育过程中存在"关键期"。在这一时期,脑在结构和功能上都有很强的适应和重组能力,易受环境影响。关键期内脑功能的建立要比成熟后更易。关键期内适宜的经验和刺激是运动、感觉、语言及其他脑高级功能正常发展的重要前提。

  大脑的可变更性和代偿性在关键期内尤为突出,过了脑功能发育的关键期,再进行学习或康复训练就需要付出更多的辛苦和努力。

  明显的例子:先天性白内障小儿如果失去早期手术机会就会永远失明,这是因为这些孩子的视觉皮层早期没有得到光线和颜色的刺激会逐渐调亡萎缩。同样,耳聋小儿早期得到治疗(使用助听器或人工耳蜗),语言功能可以接近正常人,而过了关键期再治疗,他的听觉中枢和语言中枢已经萎缩,语言康复效果就会很差。高肌张力脑瘫小儿经常得到的是高肌张力刺激,它就会不断体会这样的刺激,如果得不到好的康复训练,其肌张力会越来越高,如果得到合理的训练,纠正其肌张力模式,就可以很好康复。

  其他的感觉、语言、沟通能力等也应该一样。所以我们要了解宝宝正常发育模式,早期发现异常,及时纠正。

  如果我们在关键期内给予宝宝适宜的刺激,加上合理的营养,就会使宝宝更加聪明健康。

作者简介

梁卫兰 (北京大学第一医院预防保健科主任)

梁卫兰 北京大学第一医院预防保健科主任,主任医师。1989年获北京医科大学小儿神经专业硕士学位。1993-1995年在美国纽约大学医学中心进修。1999年1月至今,在北京大学第一医院预防保健科工作。专业特长为儿童神经行为发育、儿童保健和儿童预防接种等。 社会兼职有《中华儿科杂志》通讯编委、《中国儿童保健杂志》编委、中国优生科学协会委员、中国关心下一代工作委员会儿童发展研究中心专家委员会委员。
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