認知科學：導論/大腦發育

有性生殖

像人類這樣的有性繁殖動物，透過結合父母雙方的遺傳物質來產生後代。母親的 DNA 在她的卵細胞中，而男性的 DNA 則編碼在精子中。當精子使卵細胞受精時，這些基因結合起來形成新個體的遺傳藍圖。我們認為的大多數人的遺傳特徵並非單個基因編碼單個蛋白質的結果。相反，它們是許多、許多基因的結果。其中一些基因來自母親，一些來自父親，因此個體獲得的基因組合及其表現出來的性狀在具體方面是不可預測的。

人類有 23 條染色體，其中包含大約 20,000 個描述人類的資訊基因。DNA 編碼如何製造蛋白質和活性 RNA、何時製造它們、在哪裡製造它們以及製造多少。^[1] 請參閱此 側邊欄，瞭解資訊基因的含義。

什麼是蛋白質：你可能在營養學方面知道“蛋白質”這個詞。然而，在生物學中，蛋白質是大多數亞細胞活動的驅動者。一段物理 DNA 編碼蛋白質的鹼基對，蛋白質最初是一條長長的氨基酸鏈，然後摺疊成複雜的形狀。這種形狀決定了它的功能。不同的機制檢測蛋白質以瞭解何時開啟和關閉以及總體上的行為方式。生物世界依靠蛋白質執行。請參閱此 影片：蛋白質摺疊，以視覺化蛋白質的建立和摺疊成最終形狀的過程。

但並非所有遺傳影響都是遺傳的。單個卵子或精子可能發生突變或複製錯誤，這些錯誤會傳遞給後代，導致孩子遺傳到父母其他細胞中沒有的突變。每個受精卵平均有 70 個這樣的新突變，但由於我們只有大約 3% 的基因被使用，因此大多數突變沒有影響。^[2] 這些突變可能導致孩子出現父母都沒有的性狀。唐氏綜合徵就是一個很好的例子：特定的卵子或精子獲得了一條額外的染色體，導致了父母都沒有的綜合徵。它幾乎從未遺傳，但它是遺傳的。^[3]

發育始於單個細胞：受精卵

DNA 包含構建身體的指令，包括大腦（對於有大腦的動物）。但 DNA 並沒有對它將幫助生成的整個身體進行完整的編碼。首先，DNA 的資訊量不足以完全描述每個細胞的位置以及每個神經元與其他神經元的連線。它所擁有的可以被認為是一個程式，由數千個無意識的生化機器執行，當發生這種情況時，就會形成一個身體。^[4]

人類最初是一個單細胞，它會複製，然後這些細胞會複製。隨著它們複製，細胞開始分化。有些細胞是大腦中的神經元，其他細胞是腳上的皮膚細胞。

發育中的隨機性

但這個過程充滿了隨機性和噪聲。大腦有數千種不同的神經元型別，並非所有神經元都準確地建立在它們應該在的位置。在早期發育過程中，它們會像變形蟲一樣爬行，朝著它們應該去的地方移動。這些細胞如何知道去哪裡呢？

當初始細胞分裂成兩個，然後四個，然後八個細胞，依此類推時，細胞開始跟蹤身體中的三個軸：頭尾（稱為前後；即使人類也從尾巴開始），背到腹（背腹），以及左右。細胞根據它們在這三個軸上的位置釋放蛋白質，每個細胞都“知道”每個蛋白質的濃度對於它在體內的位置來說是最優的。這種或那種蛋白質對於這種或那種軸的濃度決定了身體中的三維座標，每個細胞都知道它應該去哪裡。當它發現自己處於正確的位置（因為蛋白質的濃度是正確的）時，它就會停止移動。^[5]

一旦神經元處於正確的位置，它們就需要連線到正確的神經元。神經元的接收器（樹突）和資訊傳送器（軸突）就像從神經元伸出的胳膊。使用與將細胞放置到正確位置相同的蛋白質梯度，樹突和軸突蜿蜒進入大腦，尋找正確的連線。有些軸突甚至延伸到整個大腦！^[6]

母親子宮中發育中的細胞周圍的特定化學環境會對早期發育產生微妙的影響，而這些影響在以後會產生更大的影響。發育環境的細微差異會讓大腦（和身體）朝著特定的方向發展，進一步的發育建立在先前的基礎上（它是自己的環境）。因此，兩個擁有相同 DNA 的個體將會發展成不相同的個體。

我們可以在同卵雙胞胎中看到這一點。他們看起來和行為很像，但他們並不完全相似，即使他們是由相同的 DNA 構建的。我們甚至可以在我們自己的身體上看到這一點。你臉上每一邊的遺傳編碼是相同的，但我們的臉部並不完全對稱。因此，當我們談論差異是先天性的時，它不僅指的是遺傳差異，還指的是與通常認為的環境無關的發育差異（例如，你父母如何撫養你）。^[7]

先天與後天之爭

你天生就擁有什麼，什麼又是你經歷的結果？雖然這個問題在直覺上很有道理，但當我們觀察發育是如何發生的時，差異變得非常細微。即使一個孩子擁有會讓他們長得非常高的基因，如果在營養不足的環境中長大，他們也可能仍然矮小。基因是指令，這些指令如何以及何時執行取決於環境。

青春期就是一個很好的例子。毫無疑問，青春期的變化是基於基因指令，但這些指令直到孩子生命中的某個時刻才被使用（基因沒有表達），而這些觸發因素從廣義上來說是環境性的。

另一個例子是曬黑。當你曬太陽時，它會觸發某些基因程式碼表達製造你曬黑的蛋白質。當你不在陽光下時，曬黑就會消失。每個人都有曬黑的基因，但它們是開還是關取決於環境條件。

請參閱關於先天與後天之爭的章節以獲取更多資訊。