/ 北京師范大學

兒童青少年時期是腦發(fā)育和各項認知能力發(fā)展的關(guān)鍵階段，也是學習能力提升的黃金時期。21 世紀腦成像技術(shù)（圖 1）的快速發(fā)展為人們認識兒童青少年腦發(fā)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(jié)構(gòu)特征和功能活動。例如，基于結(jié)構(gòu)磁共振影像，能夠清晰地對腦的解剖結(jié)構(gòu)進行成像，如各個腦區(qū)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(qū)間信息通訊的白質(zhì)纖維束的方向。功能影像技術(shù)則能夠?qū)崟r探測人腦對外界刺激進行響應(yīng)和加工的功能活動。在這些先進技術(shù)支持下，腦發(fā)育的科學研究快速發(fā)展，取得了重要的進展，為認識兒童青少年腦發(fā)育提供了新的角度和證據(jù)。我國有2億多兒童、青少年，了解和把握腦發(fā)育規(guī)律，是保護和促進兒童青少年腦與認知發(fā)育的重要前提，對國家的可持續(xù)發(fā)展具有深遠影響。

圖1 腦成像技術(shù)（腦電、近紅外、腦磁、磁共振）

腦發(fā)育：心智成長的生物基礎(chǔ)

相對其他物種而言，人類的腦發(fā)育過程顯得尤為漫長。不同腦區(qū)的發(fā)育速度和軌跡不盡相同，與感知、運動相關(guān)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(guān)的高級聯(lián)合皮層腦區(qū)（比如背外側(cè)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(qū)連接的白質(zhì)纖維束也較晚成熟。健康人腦總體積的發(fā)育表現(xiàn)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(jié)構(gòu)發(fā)育的證據(jù)。研究還發(fā)現(xiàn)額葉皮層厚度與智力的關(guān)系隨年齡發(fā)生改變，在兒童早期兩者主要呈現(xiàn)負相關(guān)。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(xiàn)正相關(guān)，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(fā)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(fā)育時間（圖 2）。

圖2 智商越高，皮質(zhì)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(fā)育時間。圖中藍色線條代表超高智商組，其在多個腦區(qū)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(qū)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(qū)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(jīng)元或腦區(qū)獨立完成。目前主流觀點是，不同腦區(qū)相互協(xié)作形成一個整體，以執(zhí)行各項認知功能。隨著年齡的增長，兒童青少年的各個腦區(qū)之間的白質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)連接或者功能協(xié)作關(guān)系不斷增強。如果把特定腦區(qū)當作節(jié)點，腦區(qū)之間的連接作為邊，就可以構(gòu)建一個類似于交通網(wǎng)絡(luò)的腦網(wǎng)絡(luò)。在發(fā)育過程中，腦內(nèi)負責信息傳遞與處理的“高速公路”的全局和局部網(wǎng)絡(luò)連接都日趨完善。這主要包括信息在腦區(qū)間傳輸?shù)娜中实脑鰪姡L空間距離連接的增加。各腦區(qū)之間的白質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)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(nèi)部的腦區(qū)之間連接比較稠密，而屬于不同模塊的腦區(qū)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(fā)育過程進行調(diào)整，由初期傾向于解剖位置相近的腦區(qū)發(fā)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(qū)（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(nèi)側(cè)前額葉、島葉等。這些核心腦區(qū)彼此之間緊密連接，并且連接的稠密程度隨發(fā)育過程持續(xù)增強，提示了核心腦區(qū)在發(fā)育過程中信息溝通不斷增強（圖 3）。這些腦網(wǎng)絡(luò)的發(fā)育成熟模式對兒童青少年的認知和學習能力發(fā)展具有重要影響。

圖3 不同年齡段的腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的交通樞紐區(qū)域分布圖。黃色點代表具有稠密的結(jié)構(gòu)連接的核心腦區(qū)，類似于高速公路中的交通樞紐。

經(jīng)驗、學習顯著影響了腦發(fā)育

在人類腦發(fā)育的漫長發(fā)展歷程中，后天環(huán)境深刻影響了腦的發(fā)育。揭示影響兒童青少年腦發(fā)育和認知發(fā)展的遺傳和環(huán)境因素，并闡明這些因素是如何對腦和行為產(chǎn)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(fā)現(xiàn)，營養(yǎng)、愛、溫暖的環(huán)境以及適宜的活動經(jīng)驗都能夠促進腦的發(fā)育。特別重要的是，父母的良好撫養(yǎng)方式也能促進腦的發(fā)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(guān)的海馬區(qū)的體積就增長越快。與良好環(huán)境的積極促進作用相反，貧困、環(huán)境剝奪以及不良的童年經(jīng)歷則會嚴重損害腦的發(fā)育。在一項長達25年的追蹤研究中， 科學家發(fā)現(xiàn)兒童早期的家庭貧困會導致海馬體積發(fā)育滯后（圖4）。

圖4 教養(yǎng)方式與兒童應(yīng)激生活事件經(jīng)驗是家庭經(jīng)濟狀況影響兒童海馬體積發(fā)育的中介變量。

兒童青少年時期腦對學習經(jīng)驗非常敏感，認知、藝術(shù)和運動訓練等方式都能夠改變他們大腦的結(jié)構(gòu)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(qū)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(yù)訓練也能夠增加兒童大腦語言相關(guān)區(qū)域（左側(cè)頂下、顳枕區(qū)域）的灰質(zhì)密度或功能活動強度。早期樂器學習經(jīng)驗與連接左右半腦的胼胝體體積增加有關(guān)，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(zhì)體積以及胼胝體的體積增加，聽覺皮層功能活動強度發(fā)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(xiàn)出更好的認知表現(xiàn)（例如認知加工速度和反應(yīng)速度），并且相比低有氧體能的兒童呈現(xiàn)顯著不同的腦電活動幅度，這提示運動經(jīng)驗對兒童的腦發(fā)育也具有重要的促進作用。這些研究發(fā)現(xiàn)為改進和提高兒童腦智發(fā)育、教育教學成效提供了重要啟示。然而，小規(guī)模的實驗室研究所獲得的結(jié)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(guī)模實驗和轉(zhuǎn)化應(yīng)用研究，以確定其效應(yīng)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(fā)育和提升研究

兒童青少年時期腦的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)育受到基因、環(huán)境和早期經(jīng)驗的共同影響，并呈現(xiàn)明顯的個體差異，為后期認知行為的發(fā)展奠定了神經(jīng)生物學基礎(chǔ)。然而，現(xiàn)有大多數(shù)有關(guān)兒童青少年腦發(fā)育的研究面臨被試年齡跨度小、樣本量小或者持續(xù)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(fā)育規(guī)律及其與認知發(fā)展的關(guān)系，以及基因和環(huán)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(fā)和教育促進。

當前，美國、歐盟等在兒童腦認知發(fā)育研究上發(fā)展迅速，相繼推出多個兒童腦發(fā)育大型研究計劃。我國高度重視基于腦發(fā)育和學習能力兩者的發(fā)展規(guī)律，優(yōu)化兒童青少年的學習效率，提升教育質(zhì)量，提高人口綜合素質(zhì)。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(yī)院等十八家高校、科研院所和醫(yī)院共同發(fā)起建立的“中國兒童青少年腦智研究全國聯(lián)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(fā)育隊列與腦智開發(fā)研究計劃。該計劃將緊密結(jié)合我國兒童青少年腦發(fā)育和素質(zhì)教育的需求，融合腦 - 基因 - 環(huán)境 -行為多維度數(shù)據(jù)，揭示我國兒童青少年智力（學習能力和創(chuàng)新能力）與非智力（心理健康和社會適應(yīng)）因素的發(fā)展規(guī)律，構(gòu)建智力提升和教育促進智能平臺。多學科、多機構(gòu)協(xié)同攻關(guān)，將為科學理解和提升兒童青少年腦智發(fā)育水平提供重要原理和方法技術(shù)支撐。