感覺系統/感覺處理隨使用減少而變化
大腦功能和結構組織可以在成年後發生改變的想法已經存在了幾十年。早在 1928 年，拉蒙·卡哈爾就指出神經元可以在損傷後再生 (Stanisch & Nitsch, 2002)。但直到最近二三十年，人們才能夠證明發生了哪些變化以及它們是如何發生的。
這些大腦的變化被稱為腦可塑性或神經可塑性。神經可塑性可以分為功能性可塑性和結構性可塑性。雖然大腦的結構和功能當然相互關聯，但將這兩個概念區分開來非常重要，因為它們是用不同的方式進行測量的，並且可以獨立發生 (Buonomano & Merzenich, 1998)。
結構性神經可塑性是指腦組織的變化。這些可能是腦灰質或白質的變化。灰質變化主要是密度或體積的變化。更準確地說，厚度經常被觀察到會因經驗而改變，而區域的面積保持不變。面積似乎主要是由遺傳決定的。儘管並非所有腦區都表現出相同的灰質密度遺傳性。在人類中，大腦的額葉和周圍語言區表現出比大腦其他部位更低的灰質密度遺傳性 (Thompson 等人，2001)。
灰質的密度、體積、面積和厚度通常使用磁共振成像 (MRI) 在活體人腦中測量。
白質變化也可能是體積的變化，但更常見的是白質完整性的變化，如纖維組織的變化、髓鞘化的程度或軸突寬度的變化 (Zatorre 等人，2012)。白質的完整性被認為是由擴散張量決定的，擴散張量是在活體組織中透過稱為擴散張量磁共振成像或簡稱擴散張量成像 (DTI) 的方法測量的。它是 MRI 機可以使用的一種測量協議 (Jones, 2008)。
功能性神經可塑性是指腦區功能的變化或經驗或訓練後啟用模式的變化。腦區可以在不改變其大小的情況下改變其功能。同樣，啟用模式可以在沒有可測量的大腦組織結構變化的情況下發生改變。改變的啟用模式意味著在訓練後，某些區域可能變得更加活躍，而其他區域可能變得不那麼活躍。活動減少並不一定意味著效能下降。區域活動的減少可能是因為另一個可能更專業化的區域接管了，或者是因為訓練後活動較少的區域效率更高。但是，同樣地，活動增加通常被認為是訓練後熟練度提高的結果 (Jäncke, 2013)。
測量人腦活動的最常用方法是血氧水平依賴 (BOLD) 對比成像，這是一種用於功能性 MRI (fMRI) 的方法，它測量氧合血紅蛋白和脫氧血紅蛋白的比例，由此可以推斷出腦活動 (Arthurs & Boniface, 2002)。在動物中，使用的是侵入性但更精確的方法，例如在開啟的頭骨上使用微電極進行單細胞記錄。
在成熟過程中，一些腦功能會經歷一個關鍵期。在“關鍵期”，大腦對某些預定的刺激特別敏感。如果神經系統在這個關鍵的時間視窗內沒有收到適當的刺激，那麼處理這些刺激的功能將不會正常發展。以後的生活中，開發這個功能將很困難甚至不可能 (Purves, 2008)。
人類語言習得可能是最著名的經歷關鍵期的現象。另一個例子是幼鵝出生後不久對母親的印記。
視覺系統也經歷了一個關鍵期。對於貓來說，這段時間被發現只有幾天，大約在出生後四周。猴子也是如此，但它們的關鍵階段持續到 6 個月。
在關鍵期內，視覺輸入的剝奪會導致視覺皮層神經元連線的改變。(Purves, 2008)。這些變化可以用一隻眼睛視覺剝奪後眼優勢柱的不平衡發展來說明。眼優勢柱優先對來自一隻眼睛或另一隻眼睛的輸入做出反應。它們以條紋狀模式位於 V1 上，在皮質層 4 中最為突出，但也存在於其他層中。條紋的寬度約為 0.5 毫米。這些柱可以透過將放射性氨基酸示蹤劑注射到一隻眼睛中來視覺化，示蹤劑隨後被運輸到層 4。在用小貓進行的實驗中，在關鍵期（出生後前三個月）內，它們的一隻眼睛被閉合。如果在關鍵期內剝奪了一隻眼睛的視覺，接收視覺刺激的眼睛的柱子會接管剝奪眼睛的區域。因此，刺激眼睛的條紋變得更寬，以犧牲剝奪的眼睛的條紋為代價 (Hubel 和 Wiesel, 1962)。這意味著基於接收到的視覺刺激量，可以在兩隻眼睛之間找到競爭性相互作用。
當在關鍵期內兩隻眼睛都被閉合時，兩隻眼睛在眼優勢柱中的表示保持平衡，兩隻眼睛的視覺都保持。視覺皮層中四分之一的神經元主要由一隻眼睛刺激。當在關鍵期內剝奪一隻眼睛的視覺時，正常工作的眼睛會接管。然而，測試表明，閉合眼睛的視網膜或膝狀體層中的更多周圍細胞仍然正常工作。
關鍵期內兩隻眼睛的競爭性相互作用原則對幼兒具有重要意義：需要平衡刺激兩隻眼睛，才能使它們健康發育。由於出生缺陷或眼部損傷，兩隻眼睛的輸入可能不平衡。如果這種不平衡在關鍵期內沒有得到治癒，則會導致“弱視”，這是一種永久性的視力損傷，會導致雙眼融合不良、深度知覺下降和視力下降。(Purves, 2008)。
斜視，有時也被稱為“弱視”，是指一隻眼睛功能異常，會導致弱視。一隻眼外肌的功能障礙會導致兩隻眼睛無法對準，無法集中在同一個物體上。斜視可以表現為“內斜視”，即眼睛向內交叉，或“外斜視”，即眼睛向外發散。由此產生的複視會導致來自一隻眼睛的資訊被抑制。這可以比作上述一隻眼睛的剝奪。在這種情況下，需要對眼外肌進行早期手術，以確保視覺皮層的均衡發育。
另一種會導致一隻或兩隻眼睛視覺剝奪的疾病是“白內障”，即眼睛晶狀體和/或角膜模糊。這種模糊可能是由細菌或寄生蟲感染（盤尾絲蟲病）引起的，這些感染經常發生在熱帶地區，影響著數百萬人口。尤其是在發展中國家，這種疾病在關鍵時期通常得不到治療，隨後恢復視力無法再建立雙目視力。
視覺系統再生可能性
[edit | edit source]幼童的大腦比成熟的大腦更具可塑性。這對於運動和體感區域尤其有效，在一定程度上也適用於視覺系統。這種可塑性不僅包括上述的修改，還包括在大腦損傷後恢復功能的可能性。然而，可塑性的能力取決於損傷的位置和型別，如下所述。對於視力的恢復，我們可以區分有意識的視覺和無意識的視覺。完全的有意識視覺的恢復需要視網膜和初級視覺皮層之間功能正常的通路（Felleman 和 Van Essen，1991 年）。在一定程度上，當初級視覺皮層受損時，視覺可以以無意識視覺的形式恢復。無意識視覺包括對運動、形狀和顏色的敏感度。有證據表明，如果損傷發生在兒童早期，無意識視覺可以得到更好的發展（Mercuri 等人，2003 年）。
然而，如果從出生起就視覺剝奪，即使對幼童來說，恢復視力也很困難，但並非不可能。帕萬·辛哈是一位印度科學家，也是麻省理工學院劍橋分校視覺和計算神經科學教授，他創立了“光明計劃”。這項計劃的目標是在印度找到並治療患有白內障和角膜混濁的兒童。自 2003 年成立以來，已有 40,000 多名兒童接受了篩查，超過 400 名兒童接受了手術治療（Sinha 等人，2013 年）。該專案揭示了人類視覺系統發育的新見解。在手術後立即恢復視力後，以前先天性失明的兒童無法用視覺識別出他們在手術前用手觸控過的物體。因此，作者得出結論，觸覺和視覺之間沒有天生的聯絡，必須先學習將我們所看到的與我們所觸控的聯絡起來。在手術後一週，孩子們已經可以將看到的東西與觸控過的物體聯絡起來。不僅將看到的東西與觸控過的物體聯絡起來，而且物體識別在恢復視力後也會非常差，尤其是在物體不移動且重疊的情況下。運動似乎在分離不同的物體方面起著重要作用。顯然，在先天性失明後恢復視力的能力也保留在成年人中。Ostrovsky 等人（2009 年）報告了一例 29 歲男性患者，他接受了屈光矯正並部分恢復了視力。一個月後，他已經可以區分不同的非移動、重疊物體。
雖然這些結果令人印象深刻，但這些孩子在多大程度上可以真正被認為是先天性失明尚不清楚，因為他們中的許多人並非完全失明，大多數人並非天生失明，而是在兒童早期失明。
同樣，健康的、有視力的成年人也有視覺系統適應和可塑性的能力。一項研究在 24 名志願者中進行。他們被分成兩組。一組被分配進行雜耍訓練，另一組作為對照組，沒有接受任何訓練。所有受試者在被招募參加研究時都沒有雜耍經驗。雜耍組被給予 3 個月的時間學習用 3 個球進行雜耍。如果他們能夠持續雜耍至少 60 秒，他們就被認為達到了熟練表演者的水平。在訓練開始之前、受試者成為熟練表演者時以及最後一次訓練結束 3 個月後，對所有受試者進行了 MRI 腦部掃描。在訓練之前，兩組沒有表現出差異。雜耍組在雙側 V5/MT 和左側後頂葉內溝（IPS）中表現出灰質的顯著擴張。訓練結束後 3 個月，V5 和 IPS 中的灰質再次顯著減少，但仍高於訓練前的掃描水平（Draganski 等人，2004 年）。
跨模態可塑性
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跨模態可塑性是指在剝奪主要感覺輸入後，神經元對感覺輸入的反應發生改變。一個說明性的例子是齧齒動物的鬍鬚使用。鬍鬚幫助這些動物在空間中定位，尤其是在黑暗中。如果在幼年時期剝奪視力，可以觀察到鬍鬚會變得更長，這將增強失明齧齒動物的定位能力（Rauschecker 等人，1992 年）。在人類中，視覺剝奪後也會發現補充感覺系統的增強，例如聽覺和觸覺系統。
對聲音定位能力的實驗已在健康貓和失明貓身上進行。這些測試表明，失明動物在定位聲音方面更準確。失明貓會進行典型的垂直頭部運動，以定位聲音來源。這種代償過程被認為有助於改善整體的聲音感知和定位（Rauschecker，1995 年）。
在對人類的調查中，對有視力和失明的人進行了聽覺刺激。雖然有視力者的枕葉皮層對聽覺刺激沒有反應，但在失明者中，枕葉皮層是活躍的。這種現象被另一項調查所證實，該調查使用經顱磁刺激 (TMS) 抑制枕葉皮層的腦活動。這樣，失明者的聲音定位效能下降，而音調或強度識別的能力卻沒有改變。失明者的定位精度與枕葉啟用程度呈正相關。然而，這種干預對正常有視力的受試者在聽覺感知中沒有產生影響（Collignon 等人，2007 年）。
另一個迷人的例子是回聲定位。有些失明的人可以主動進行回聲定位。他們學會用舌頭和嘴巴發出點選聲，並解讀反射回來的聲音，這樣他們就可以在環境中定位並確定不同物體的距離。這種回聲定位的點選聲通常很短（10 毫秒），並且頻譜很寬。早期失明和晚期失明都可以獲得回聲定位的能力。但似乎只有先天性失明和早期失明在枕葉皮層周圍的距狀溝中才會出現廣泛的啟用，而晚期失明者則不會（Thaler 等人，2011 年）。
我們可以得出結論，可塑性在成年之前都是可能的，儘管視覺系統也存在一個關鍵時期。如果枕葉皮層在這個關鍵時期沒有受到視覺刺激，那麼視覺系統至少某些功能將永遠無法發展。而且視覺皮層甚至可能被分配到完全不同的功能，比如回聲定位。但是，在關鍵時期之後，視覺皮層在多大程度上仍然保持可塑性，目前仍在爭論中。
體感皮層的變化
[edit | edit source]Merzenich 等人（1984 年）在靈長類動物身上進行了第一個關於體感皮層功能可塑性的實驗。首先，他們用微電極確定了成年貓頭鷹猴手中區域手指的皮質代表。然後，他們切除了貓頭鷹猴的中指，並在切除後 2-8 個月再次繪製了手部區域。他們發現，只有在兩個月後，相鄰手指的代表才擴充套件到以前代表中指的區域。因此，周圍皮膚在皮質上得到了放大表示，而同時周圍皮膚的感受野大小縮小了。似乎為同一部分皮膚招募更多神經元會導致更小的感受野大小。
同樣，當貓頭鷹猴的兩根手指被手術連線起來時，這兩根手指的輸入高度相關，代表這兩根手指的區域之間的邊界消失了（Clark 等人，1988 年）。另一方面，當貓頭鷹猴的手指暴露於更精細、更復雜的刺激中時，使用一個波紋旋轉圓盤，在 80 天后，代表受刺激手指的區域變寬了。可能是因為更精細的刺激需要更小的感受野，因此需要招募更多神經元，手指區域也隨之擴大（Jenkins、Merzenich & Recanzone，1990 年）。
幻肢
[edit | edit source]對人類功能可塑性的第一個具有影響力的見解是由拉馬錢德蘭（1993）提出的。他發現，一些截肢上肢的患者在用棉籤刺激其同側臉部時，會感覺有人在觸碰他們不存在的胳膊。他甚至能夠在患者的臉頰和下巴上繪製出前肢的圖。截肢肢體在臉上的這種表現具有明確的邊界，並在數週內保持穩定。由於體感皮層的頭部區域就在手的區域旁邊，因此頭部區域很可能招募了以前接收來自截肢肢體輸入的神經元，就像在貓頭鷹猴子的實驗中一樣。在重組過程中，一些神經元將開始對來自頭部傳入的感官刺激做出反應，同時仍然與前肢網路相連，從而在同側臉上形成截肢肢體的表現。這種表現大多在招募過程完成後（Jäncke，2013）會隨著時間的推移而消失。可能幻肢感覺也與這個過程有關。一些患者會感覺到他們截肢的肢體仍然存在，被稱為“幻肢”。有時這種感覺會非常痛苦。有些人會經歷他們幻肢的無意識的痙攣性收縮（Ramachandran & Rogers-Ramachandran，1996）。通常，當過渡期結束，前肢神經元完全整合到其他區域（如頭部區域）時，幻肢的感覺就會消失。但有些患者會持續出現幻肢感覺。在這種情況下，一種常用的治療方法是映象療法，即在患者面前垂直放置一面鏡子，這樣在鏡子裡完整的肢體就會疊加在截肢肢體的位置。雖然映象療法並不適用於所有患者（Rothgangel 等人，2011），但一些患者受益，例如，開啟健康的肢體有助於他們在鏡子裡開啟幻肢，從而減輕痙攣性收縮。如果沒有鏡子，他們就無法放鬆幻肢（Ramachandran & Rogers-Ramachandran，1996）。
但不僅功能，結構上的變化也可能在截肢後被觀察到。Draganski 等人（2006）發現，截肢患者的丘腦腹側後外側核灰質明顯少於年齡匹配的健康對照組。此外，截肢後的時間與丘腦灰質損失顯著相關 (r=.39)。
透過訓練獲得
[edit | edit source]許多研究也針對音樂家進行。音樂家訓練非常密集，而且通常是終身性的，因此他們是橫斷面研究的理想物件。例如，絃樂演奏者在體感皮層上左手手指的區域比非音樂家更大。而且音樂家開始訓練的時間越早，非優勢手的區域就越大（Elbert 等人，1995）。
鋼琴家在執行敲擊任務時，其初級運動區和次級運動區的啟用程度明顯低於非音樂家。解釋這一結果的可能性是，鋼琴家密集而持久的雙手技能訓練提高了運動區的效率。因此，對於訓練有素的受試者來說，相同的任務啟用的神經元數量比未經訓練的受試者要少（Jäncke 等人，2000）。音樂家也會經歷聽覺皮層的各種變化（關於這方面內容將在下一節中詳細介紹）。
橫斷面研究中經常被提及的一種批評意見是，無法確定訓練有素的人在某些腦區差異是由訓練引起的，還是他們選擇訓練某種任務（例如成為音樂家）是因為他們在該任務方面有特殊的能力，並且相應的腦區在訓練之前已經更有效或更大。只有縱向研究才能對此進行說明。
一項縱向研究針對 10 名右利手患者進行，這些患者患有右上肢損傷，需要固定肢體至少兩週。在損傷後的 2 天內進行腦部掃描，並測量皮層厚度。在固定肢體 16 天后進行第二次掃描，發現左側初級運動區和左側體感區的灰質明顯減少。此外，皮質脊髓束的完整性也顯著降低（Langer 等人，2012）。
在另一項研究中，14 名右利手患者的優勢手被固定了 4 周，這些患者患有作家痙攣。固定後，患者需要重新訓練優勢手 8 周。同樣，核磁共振掃描顯示，固定階段後，對側初級運動手區域的灰質密度明顯降低。重新訓練逆轉了這種影響，灰質密度再次增加（Granert 等人，2011）。
Bezzola 等人（2011）觀察了 40 至 60 歲的初學者高爾夫球手。在 40 小時的個人訓練後，發現腦部多個部位的灰質明顯增加，例如運動皮層和前運動皮層，或頂內溝。訓練強度與灰質增加的百分比相關。同時，還觀察到在心理排練高爾夫揮杆時的啟用模式發生了變化。訓練後，背側前運動皮層的啟用程度明顯降低（[Bezzola 等人，2012）。
腦損傷後的康復
[edit | edit source]最後，腦損傷後的康復過程需要特別關注。之前描述的可塑效能力也適用於康復，但主要有兩個挑戰。首先，如果損傷太大，以至於整個功能完全消失，目前還沒有方法可以恢復功能。其次，部分保留的功能通常會被具有相同或類似功能的健側腦區所抑制。例如，如果身體左側部分癱瘓，那麼健康的左半球將試圖控制，因為受損的右半球對左半球沒有抑制作用。因此，健康的半球會抑制受損的半球，康復受到阻礙，受損側仍然健康的神經元重新連線受到阻礙。克服這個問題的一種方法是在康復訓練期間或之前用 TMS 或經顱直流電刺激 (tDCS) 抑制健康的半球（Jäncke，2003）。
總之，可以認為，多使用肢體或訓練某項特定任務會對相應的腦區產生積極影響，最終導致更高的效率、更多的灰質和更好的白質完整性。不使用肢體、不訓練某種能力會產生相反的影響。在最極端的截肢情況下，腦區會被其他功能取代。
參考文獻
[edit | edit source]Arthurs, O. J.; Boniface, S. (2002), "How well do we understand the neural origins of the fMRI BOLD signal?", TRENDS in Neurosciences, 25 (1): 27–31
Bezzola, L.; Mérillat, S.; Gaser, C.; Jäncke, L. (2011), "Training-induced neural plasticity in golf novices", J. Neuroscience, 31 (35): 12444–12448
Bezzola, L.; Mérillat, S.; Jäncke, L. (2012), "The feect of leisure activity golf practice on motor imagery: an fMRI study in middle adulthood", Front Hum Neurosc, 6 (67)
Buonomano, D. V.; Merzenich, M. M. (1998), "Cortical Plasticity: From Synapses to Maps", Annu. Rev. Neurosci., 21: 149–186
Clark, S. A.; Allard, T.; Jenkins, W. M.; Merzenich, M. M. (1988), "Receptive fields in the body-surface map in adult cortex defined by temporally correlated inputs", Nature, 332: 444–445
Collignon, O.; Lassonde, M.; Lepore, F.; Bastien, D.; Veraart, C. (2007), "Functional cerebral reorganization for auditory spatial processing and auditory substitution of vision in early blind subjects", Cerebral Cortex, 17 (2): 457–465
Jäncke, L. (2003). 認知神經科學. 伯爾尼: 漢斯·胡伯出版社.