早安健康NEWS

神經發展的加減法則(大腦數學 用數學談神經發展)

你知道新生嬰兒的大腦神經細胞數目多少嗎?答案是一萬億個(10)12,這個數目有多大呢?想像一下,如果一粒方糖代表一個細胞,一萬億個方糖堆起來,是台北市最高建築物新光大樓的兩倍高!

更有趣的是,新生兒腦細胞數目與成人相同,但是大腦重量大約350公克,只有成人的四分之一。從容積來看,頭圍出生時平均34公分,到了2歲已達47公分。顯然腦細胞數目雖不變,但是大腦體積和重量在幼兒期快速增加,到六歲時腦重量已達成人的90%這期間添加的就是連結與髓鞘。

連結是神經細胞延伸出去的手腳,包括樹突與軸突。樹突細而多,數量可達一萬個,千手觀音也比不上它。樹突的功用在接受訊息,好比高速公路交流道。軸突則像高速公路,它比樹突粗且長,負責快速送出神經衝動。髓鞘的成份是脂質,如同電線外包的絕緣塑膠,可以隔絕神經細胞不使漏電。同時髓鞘形狀似香腸,一節一節相連,只在節點露出神經細胞膜,因此神經傳導的電衝動,得以跳躍式通過這些節點,大幅提升傳送速度。

髓鞘的生成,遵循加法。隨著年齡的增長,逐漸佈局。舉例來說,脊髓神經包含許多控制人體感覺和運動的神經束。當神經束髓鞘未完成,動作不能執行無誤。一歲以下的嬰兒,常有突發性不自主的手腳抖動,並非痙攣,只是漏電現象,醫學名詞稱為顫動 (jitterness) 。過了嬰兒期,此現象自然消除。同理,幼兒容易尿床。學齡兒童可以控制,也是因為髓鞘發育完成,解尿才能隨意。可惜髓鞘作加法,進度很慢,大約要25歲左右才大功告成,由此看來,心智成熟必須在弱冠之後。

至於連結的生長,就複雜得多了。它採行「先加後減」的算術,而且哪個時段,哪個部位要加減,變數很多。這些新發現,都要感謝近年神經生理學和影像儀器的進步,才逐漸被科學家證實。

人類胚胎七個月時,大腦的神經細胞就已經生成。但是獨立的神經元不足以完成任務。每一種功能都需要一組神經團隊攜手。連結的作用在為神經細胞搭橋,使它們互通訊息,串連起來。

生命初期的神經發展,採取有備無患的策略,保有種種可塑性,神經細胞接受外界刺激,先形成過多的連結。萬一某些細胞受損,別的神經元可以代償。臨床上常看到曾經腦出血而部份腦質受損的新生兒,日後神經發展並未落後,印證超連結使嬰幼兒腦部可塑性提高。

隨著神經系統步向成熟,不同功能的神經更精細分化,此時環境刺激又扮演選擇的力量,使常用的連結更強,更有效率,而不用的連結被刪減以免耗費能量。

科學家透過正子放射斷層掃描(PET),證實大腦新陳代謝的巔峰在5歲左右,達到成人的一倍半!不可思議的,5歲小孩比成人「用腦」更多,代表此時超連結的狀態。其後耗能逐漸減少,亦即連結逐步刪減,到了9歲左右才與成人相似。

神經發展的先加後減法則,使大腦保有選擇性和可塑性。環境刺激扮演著推手的角色。達爾文的進化論說「用進廢退」,常用的會進步,廢棄的就退化。神經連結也是如此,為了適應環境,需要的神經通路被強化,就如草地上一再有足跡走過,終必形成小徑一般。後天環境影響學習與能力,由神經連結的加減法則來看,一再得到證明。