兒童期大腦成熟與行為發展的關聯

[摘要]日新月異的腦科學研究，為建立基于大腦發育的個體發展模型和學習理論提供了光明的前景。發展認知神經科學家與教育家、教育政策制定者之間的對話，必將為早期教育提供堅實的實踐指導依據，并帶來變革性的影響。本文簡介探索兒童認知發展和腦發育之間關聯的研究，并重點介紹人類個體在出生到青春期的發育過程中，大腦成熟與心理能力發展的一致性特點。最后，探討大腦成熟與兒童行為發展關聯研究對教育的啟示。

[關鍵詞]大腦成熟；兒童發展；發展認知神經科學

[中圖分類號]G610 [文獻標識碼]A [文章編號]1004－4604(2008)07/08－0064－06

隨著認知神經科學研究手段的不斷發展，越來越多的科學家相信探索人類個體認知發展和腦發育之間關系的時機已經成熟。整合生物學和認知發展理論兩方面的信息，誕生了一門全新的學科一發展認知神經科學。我們可以預期21世紀的發展認知神經科學將逐漸成為發展心理學研究的主流。發展認知神經科學的出現，開創了透徹理解個體發展的心理學和生物學基礎的全新時期。

眾所周知，大腦新皮層是人類心理活動過程的中心和主要器官。每個個體新皮層的表面積，特殊腦回、腦溝的形狀及其結構就像個體的指紋那樣各具特色。神經元之間突觸的發生、發展與修剪，神經回路的不斷整合，不同的分子及細胞生物機制都在神經系統的發育過程中發揮著重要作用。然而，腦的發育并非僅是基因圖譜的簡單展開，個體經驗與環境因素也參與調節神經系統的發育，并對神經結構的優化與精細化提供指引。發展認知神經科學家指出，在皮層、突觸快速發生的早期，經驗預期效應(experience－expectant)占主導地位，此時外來信息對專門進行信息處理的皮層回路進行調整；在突觸生成的后期，經驗依賴效應(expenence－dependent)逐漸占主導地位，此時外來信息主要調節皮層的成熟。個體的學習和經驗在個體發展過程中通過對大腦功能與結構的再組織機制——“神經可塑性(neural plasticity)”來影響兒童知覺和認知能力的發展。

在兒童從出生到青春期的發育過程中，其大腦成熟與心理能力的發展表現出明顯的協調性與一致性。但這一認知能力與腦發育協同發展的速度并非平穩恒定，而是在某些時間窗口內表現出明顯的跳躍式發展特點。研究表明，最重要的成熟轉折點主要發生在出生后2－3個月、7－12個月、12－24個月、4－8歲及青春期。兒童的撫養者與教育者如能重視這些成熟的關鍵轉折期，并給兒童以適宜的環境刺激與認知訓練，必能收到最佳的教育效果。當然，這些令人振奮的新發現主要得益于自20世紀90年代以來有關認知發展與腦發育關聯研究手段的偉大革新。

一、認知發展與腦發育關聯研究方法簡介

一系列偉大的技術和方法革新使我們能夠更直接地探索兒童認知發展的神經基礎。某一種研究方法所提供的信息往往僅是科學家想要了解的整個圖畫中的一部分。事實上，通過傳統心理學方法和新的生理學方法來研究同一個結構所得出的結論可能是不同的。例如，向10歲兒童呈現3－6歲前玩伴的照片和他們不熟悉兒童的照片后，問他們是否見過照片中的孩子，大部分兒童很難識別他們以往玩伴的面孔。然而，這些被試中的大部分，在看到他們曾經熟悉的孩子的照片時會有皮膚電的特殊反應，但對于陌生者的照片沒有這種反應。因此，關于“10歲的兒童在六年后是否仍能記得他們的玩伴”這一問題的答案取決于研究方法的差異。這也部分地解釋了為什么我們要將各種先進的神經科學技術應用于兒童發展的研究中。

目前，應用于兒童發展與腦發育關聯研究的方法主要有腦功能成像、標記任務、分子遺傳學與動物模型等。其中，已廣泛運用于兒童發展研究的技術是功能性磁共振成像(fMRI)與事件相關腦電位(EILP)。Picton指出，EIKP的高時間分辨率、非侵入性和操作的相對簡便性已使其成為目前國際上幼兒腦功能研究的最有效工具。近紅外光譜技術(NIRS)可以被用來探測腦內血氧濃度的變化，是在兒童發展研究中代替fMRI的最佳方法，但這一技術尚處于完善過程中。標記任務是一種通過綜合應用神經心理學及腦成像技術來研究與特定行為任務相關的腦區的方法。分子遺傳學技術主要通過將動物基因組中特定的基因敲除來觀察其成年后執行各種特定學習任務的缺陷，其結論也可以為兒童認知發展的研究提供啟示。

二、大腦成熟與兒童心理、行為發展的關聯

兒童發展的過程是漸進而非突變的，因此更適合于用狀態(phase)而不是階段(stage)來形容這一過程。研究發現，在兒童發展的歷程中，心理特征和大腦解剖結構及功能變化在時間上表現出高度的一致性。然而，大腦成熟狀態和兒童心理特征之間的時間相關性也并非是完全確定的，因為不能忽略經驗這一重要影響因素。例如，在12－24個月期間大腦的變化對于語言能力的產生是必要的，但如果兒童沒有受到任何語言的影響，他們還是不會說話。因此，下面的基本前提假設是大腦成熟制約了兒童心理特征出現的時間，這是心理現象發生的必要條件但不是充分條件。

1、嬰兒期

在兒童出生后的第一年，大腦的發育和心理發展呈現高度的一致性，大腦的變化有助于嬰兒心理的變化，其中第2-3個月和7-12個月時期發生的轉變尤為重要。

(1)在2－3個月間的轉變

首先，許多新生兒反射消失，包括手掌的抓握反射和巴賓斯基反射(Babinski reflex)，這是第一次轉變的可靠標記。大多數科學家相信這種現象是由于腦干神經元受到皮層抑制，即從輔助運動皮層到腦干和脊髓的投射抑制了腦干神經元的活動。雖然這些軸突在出生前已到達腦干和脊髓，但真正的突觸接觸在2－3個月后才出現。

其次，第一次轉變也以啼哭明顯減少和社會性微笑增加為標記。前一現象可能是由于調節啼哭的腦干核團(特別是網狀結構、中央灰質、孤束核和臂旁核)受到皮層抑制的結果。

第三，該轉變的另一個特征是用以募集和維持對刺激物注意的心理基礎在增加。7－8周齡的嬰兒對于一個可視事件的注意持久度主要受該事件的物理特性，尤其是大小、輪廓密度和運動情狀影響。而在此之后，注意的持久度更多地受事件與嬰兒已習得的該事件圖式之間的關系所調控。圖式(schema)是由事件誘發的大腦活動所產生的心理形式，它的心理學定義是事件的物理特征模式。嬰兒從出生到2個月內對于差異事件的注意募集不是自動的，因為他將事件和已習得圖式關聯起來的能力比較脆弱。而且，注意的持久度和差異的相關函數不是線性的，而是倒U型的，即適度差異事件比非常熟悉或非常新奇事件需要更長的注意時間。例如，4月齡的嬰兒對于不熟悉的面孔比對一張熟悉的面孔或完全新奇的事件(比如一片不規則的泡沫塑料)所注視的時間更長。

海馬發育的最快速度出現于2－3個月間，特別是海馬齒狀回的苔狀細胞經歷著一種快速的分化，上述注意模式的變化與嬰兒海馬發育密切相關。海馬的成熟有助于2月齡的嬰兒在一段時間延遲后再認事物能力的提高。海馬的發育也為3月齡的嬰兒建立視覺期待提供了可能性：實驗者令嬰兒仰臥著，向上看兩個監視器。每一個監視器上交替呈現一張彩色的面孔或其他圖片，延時700毫秒；然后有1100毫秒的間隔，兩個監視器都黑屏；隨后在第二個監視器上出現另一刺激。這個交替過程共持續1.5分鐘。結果有20％的3.5月齡的嬰兒在間隔的黑屏期將他們的頭轉向另一監視器期待刺激的出現，而2月齡的嬰兒未出現該現象。

(2)在7－12個月的轉變

大多數健康的嬰兒在7－12個月間，開始發展出從不存在于當前感知場的過去事件中提取圖式，并將它們和當前的知覺一同放在工作記憶回路中的能力。他們試圖把新的知覺同化于舊有的圖式。而4月齡的嬰兒只能識別過去曾經在感知場中經歷過的事件，但要他們從不再呈現的過去事件中獲取圖式并對此加以認知加工很困難。在一個對6－14個月的嬰兒每兩周進行一次評估的縱向研究中，測試員在兩個相同圓柱體中的一個下面藏了一件頗具吸引力的物體，然后在嬰兒和圓柱體之間放置一塊不透明的屏幕，時間間隔分別為1或3或7秒。移走屏幕后，允許嬰兒去抓其中一個圓柱體。隨著時間間隔的增加，抓向隱藏有物體的圓柱體的可能性與年齡呈線性相關。在時間間隔為7秒時，幾乎沒有一個7月齡的嬰兒去抓隱藏有物體的圓柱體；而12月齡的嬰兒能夠輕松地解決這個問題。

7－12個月的嬰兒工作記憶能力的提高，伴隨著前額葉皮層中錐體神經元和抑制性中間神經元的迅猛發育和分化。如PET檢測發現，這一發育伴隨著外側和背外側前額葉皮層中葡萄糖攝取量的增加。此外，在10－12個月間海馬體積已經接近成人的大小。這些7－12個月間大腦解剖學上的變化伴隨著更快的腦電α頻率(6－9Hz)。海馬結構的完整性對于在短時記憶中保持一個表征(＜10秒)是必需的。然而，前額葉的完整性對于皮亞杰的A－not－B任務的成功執行是必需的，即使其時間間隔很短。為此，有些科學家將短時記憶存儲和工作記憶的概念區分開來，因為后者隱含著對信息的某種認知加工。

總之，7－12個月的嬰兒行為變化的中心特征是，能夠提取圖式并與當前處境一同保持于工作記憶回路中20－30秒，并對它們作出比較或執行其他認知操作。這一進步的生物學基礎主要依賴于前額葉皮層中神經細胞的生長和分化，以及前額葉皮層與杏仁核、海馬及顳葉皮層連通性的增強。

2、出生后第二年

兒童出生后第二年的發展以四個心理能力出現為典型特征，它們都依賴于大腦的一系列特定變化。典型特征包括：(1)理解和表達有意義言語的能力，(2)推斷特定心理和感受他人情感狀態的能力，(3)對被成人禁止行為的表征，(4)對自我感情和自我意圖有意識地知覺。

(1)語言

新語言能力的大腦基礎根植于廣泛的大腦皮層網絡中，這個網絡連接了聽覺通道和對時間序列表征所涉及的從顳葉到頂葉、額葉和小腦的區域。大多數嬰兒在12－15個月間第一次說話并非巧合，因為這段時間Broca區的左口面部分發生快速的樹突發育(研究已證實大腦Wernicke區在言語理解的知覺方面起重要作用，而Broca區在言語的運動成分中起重要作用)；同時由于小腦齒狀核樹突的廣泛生長，使得小腦容量也增加，到1周歲時其葡萄糖攝入量已達成人的175％。

此外，有研究者認為大腦皮層第三層神經元的發育也促進了言語能力的發生，因為其軸突構成了胼胝體(連接大腦左右半球的神經通道)。基于表征物體的知覺圖式存儲于大腦右半球，而詞匯結構表征位于大腦左半球的假設，胼胝體的功能性成熟將大大提高大腦左右半球的信息傳輸效率，使大腦能夠將知覺圖式與詞匯表征相整合，從而幫助兒童在看見物體時正確地構音發聲。例如，如果胼胝體傳遞更加有效，當幼兒看見桌子上的一個杯子時所激活的知覺圖式(存儲在大腦右半球)就能更快地與物體的詞匯表征(存儲在大腦左半球)相整合，使孩子能夠很快地說出“杯子”。

(2)推理

推測他人思想和感受的能力，是2歲時發展出來的另一種能力。常用來觀察這種能力的一個實驗是成人在障礙物后將一個玩具藏在三個蓋子中的一個下面，而孩子不能看見玩具藏在哪里。移開障礙物后，如果成人注視玩具放置的地方，2歲的孩子——而非1歲的孩子，會根據成人注視的方向去獲取玩具，表明他們能夠推測成人正在看向正確的位置。當8－19個月的嬰兒看到成人把頭轉向一個有趣的景象時，只有18－19個月的嬰兒能可靠地利用成人注視的方向引導自己找到目標定位。能夠對他人感知的悲傷有移情行為的表現，也揭示了幼兒具有推測他人思想的能力。皮層第Ⅲ層神經細胞的發育使得沮喪時軀體感覺的圖式表征(主要存儲在大腦右半球)與他人狀態的語義表征(主要存儲在大腦左半球)更快地整合。結果，移情就發生了。

(3)禁止行為的表征

幼兒首次獲得禁止行為的圖式概念是在出生后的第二年。如果家長讓2歲的孩子執行一種違反家庭規范的行為，大多數孩子會表現得猶豫，如在一張干凈的桌布上倒果汁。住在斐濟群島孤立環礁的家長們也認可這種發展，他們相信他們的孩子在2周歲后獲得了vakayala，意即通情達理能力。

大腦兩半球間信息的有效協調促進了孩子該行為的發展，因為由父母親批評或懲罰所帶來的不確定感的心理圖式(主要存儲在大腦右半球)，能夠更好地與禁止行為的語義表征(主要存儲在大腦左半球)相整合。

(4)自我意識

兒童在出生后的第二年出現了自我意識的起始跡象。如，能夠識別鏡子里自己的映像；指導成人以特定方式來行動；當自己不能模仿他人行為時會表現出沮喪，能模仿時表現出自豪；能夠用語言來表述自己正在干什么，等等。大腦兩半球連通性的增強有助于這些行為的出現。孩子對瞬息萬變的情調(feeling tone)的表征，是自我意識形成的重要基礎，主要存在于大腦右半球。當這種信息與自己的名字、思想和意圖等相關語義信息(主要存儲在大腦左半球)相整合，自我意識就產生了。1歲嬰兒的行為和認知功能與黑猩猩相似，兩者都表現出工作記憶的增強和對不能被同化的差異事件的恐懼。然而到了第二年末，兩者有了非常明顯的差異，因為有了語言、推理、禁止行為的意識和自我表征的出現，沒有一個觀察者會混淆一個2歲的幼兒和黑猩猩之間能力的差異。

3、2－8歲

幾世紀以前的文獻就認為兒童2歲以后，一系列普遍的心理特征就已出現了，且在5－8歲之間加速發展，從8歲以后到青春期則進入一個平穩階段。即使沒有讀寫能力的家長也在孩子6歲或7歲時開始給他們分派家務。此時的家長都期望他們的孩子能夠照顧比他們更幼小的孩子，照料動物，在地里干活和遵守社區的風俗，因為他們注意到孩子變得善學，有責任感，有理解他人需要的能力，并能夠明白合理的解釋。這個較長時期的成熟能力包括：(1)對于過去與現在的積極整合，(2)對于語義網絡的依賴增強，(3)種類間共同關系的探究。

(1)過去與現在的整合

這一發展狀態的標志是，兒童能夠自動且更為可靠地通過激活過去的表征來理解當前的情境。這種能力被皮亞杰稱作守恒(conservation)。研究這種能力的一個經典實驗是，測試員向孩子出示兩團相同的球狀橡皮泥，問這兩個球是不是有一樣多的橡皮泥。所有的孩子都認為兩個球的橡皮泥一樣多。然后測試員把其中一個球搓成香腸的形狀，再次問孩子：“哪個橡皮泥多?”4歲的兒童通常會認為這個問題與前一個問題無關，他們覺得香腸狀的橡皮泥似乎更大，于是會回答說香腸狀的那個橡皮泥更多。而7歲的兒童能把香腸狀橡皮泥看作是最初形狀變化后時間序列中的一部分，因此7歲的兒童能夠把測試員的問題理解為“根據剛才1－2分鐘內你們看到的過程來判斷哪個橡皮泥更多”，換句話說，年長的孩子都會把第二個問題看作是連貫時間序列的一部分。

(2)語義網絡

2－8歲兒童第二個顯著的特征是對經驗的分類更多地依賴于語義網絡。造成童年期遺忘現象的一個重要原因是，年幼的孩子不能規則地使用語義結構來編碼他們的經驗，所以他們無法敘述過去經歷過的事件。使用語義來為經驗分類影響了兒童組織和提取知識的方式。例如，讓4歲或7歲的兒童閱讀一份有12個單詞的列表，其中包含兩種語義種類(如動物和食物)，只有7歲的兒童在回憶時會按語義種類來歸組。這一現象暗示年長的孩子有一種把相同種類的詞語歸為一類的自動傾向。在2－8歲期間兒童記憶功能的顯著提高，也與其使用語言來組織經驗有關。

(3)共同關系

對多種事件間共同關系的探究是2－8歲時期的第三種典型能力，一般出現于4歲或5歲后。6歲以下的兒童能夠探究兩個或兩個以上事件間的共同物理特性或功能。年幼的孩子不能探究屬于不同種類事件間的共同語義關系(例如，6種喧嘩的噪音和6種甜美的味道在數量上具有共同的語義關系)。這種能力之所以出現晚，是因為共同關系并非直接呈現于知覺中——如形狀或動作那么直觀，而是必須用語義的形式進行推理。

上述各種心理能力的發展都有賴于許多腦區的協調合作。在2－8歲階段大腦發育的主要特征有：①4－8歲期間兒童大腦的重量已達到其成人之后腦重的90％，大腦皮層表面積增長的速度在2－6歲間最快。這種發育也伴隨著皮層和皮層下結構對葡萄糖攝取量的增加。②5歲或6歲后突觸的生成數量和刪減數量以后者的比率逐漸占優勢。冗余突觸數量的刪減，反映了活躍的具有學習功能的突觸網絡的鞏固。突觸密度在大腦皮層第Ⅳ層達到峰值的時間比第Ⅱ層和第Ⅲ層早(第Ⅱ層和第Ⅲ層大腦皮層的主要功能是調節關聯活動)。③大腦連通性增加——該時期發展的最核心特征，可從髓鞘化的增強和腦電(EEG)相干性提高中顯示。在3－6歲間，胼胝體前部軸突上的髓磷脂發育速度最快，且連接大腦半球內非鄰近部位的較長纖維束在3歲后出現髓鞘化的高潮。在生命前3年，皮層第Ⅱ層和第Ⅲ層的灰質比白質更多，而3－6歲間反轉過來，白質第一次超過了灰質。總之，2－7歲間大腦最基本的變化是，大腦兩半球之間、大腦前后皮層區域之間以及皮層和皮層下結構之間的大量相互連接被建立起來。

4、青春期

皮亞杰指出，盡管大部分的認知過程在8－10歲期間都已功能化，但抽象思維、邏輯推理、計劃和認知的靈活性等在青春期開始和發展過程中仍在不斷提高。青春期的典型特征之一是具有探究信念之間或感覺和信念之間的邏輯矛盾或語義矛盾的能力。例如，識別對朋友不忠誠的思想(“我是一個好人，但我希望我的朋友考試失敗”)，會引起片刻的不和諧感或內疚感，盡管朋友并沒有真實地被那些思想所傷害。年幼的孩子則很少能夠識別這類矛盾。對于相關信念之間矛盾的探究，會激發青少年將他們過去的知識與目前的經歷相整合，從而幫助他們全面理解自己目前的處境。兒童早期不經過思考就表現出來的行為，到了青春期會更多地被置于有意識思考的控制之下。例如，年幼的孩子雖能區分不同的面部表情，但很難抽象地領會人類的情感。而青春期的孩子能夠根據人的面部表情或姿態來作復雜的推理，以了解他人的情緒狀態。

上述認知能力的發展主要歸功于額葉的發育。內側顳葉結構(包括海馬)功能在發育早期已經成熟，但額葉功能要到青春期過后才能達到完全成熟，且前額葉比后部區域成熟更晚。突觸修剪也一直從青春期延續到20歲以后。此外，調節情緒、注意和認知功能的前扣帶回腦區髓鞘化的增加，也帶來皮層和皮層下結構之間連通性的提高。從皮層和皮層下區域到扣帶回的投射提高了對心理過程的協調與控制能力。雖然我們目前對這一過程還知之甚少，但有關嚙齒類動物的研究為我們提供了一些參考，如大鼠從杏仁核到扣帶區的投射就出現于青春期。而且，青春期母鼠的皮層下結構(尤其是杏仁核和海馬)的體積接近成年時的體積。但青春期公鼠的皮層下結構體積卻大于成年時的體積。這表明不同性激素對上述腦區的突觸修剪有著顯著不同的影響。

總之，青春期所發生的心理變化不但與前額葉皮層的突觸修剪有關，也與連接前額葉皮層和大腦其他部分的軸突的髓鞘化有關，并且依賴于扣帶回皮層、杏仁核和前額葉皮層之間穩固回路的建立。

三、認知發展與腦發育關聯研究的教育啟示

發展認知神經科學試圖關聯大腦發育與兒童發展，以此探究兒童心理與行為發展的神經基礎，這對于學前教育具有重要啟示。

首先，它為建立基于大腦發育的個體發展模型和學習理論帶來了曙光，從而為學前教育理論和實踐提供堅實的科學依據。北京師范大學“認知神經科學與學習”國家重點實驗室提出的建立“基于腦、適于腦、促進腦的教育”的主張，正反映了當前國際教育界對腦科學研究日益關注的趨勢?！斑m于腦的學習”理念已有初步的實踐成果，如美國加州的教育學家Eric Iensen開展了一系列的“超級營地”教學活動，試圖利用最新的腦科學研究成果來幫助兒童提高生活技能和學習技巧。他們追蹤數年的研究顯示，學生的成績、出勤率和自信心都得到了提高。目前，該項目已成為有2萬名學生參與的國際性固定活動。

其次，教育學家、教育政策制定者、教師、撫養者以及發展認知神經科學家之間的對話，有助于我們將撫養方法、教育政策、實踐標準和課程設置建基于最優秀的科學研究證據之上。例如，ERP研究發現，嬰兒在出生后6－12個月內建構起高效的母語語音加工回路，因此在此期間撫養者要讓嬰兒多接受標準母語的刺激，盡量避免外語或方言的干擾。腦科學家已經證實聽覺通路是人類習得語言最重要的早期路徑，這提醒我們在開展幼兒外語教學活動時要尊重兒童的認知發展模式，多從聽說訓練人手。

第三，對特殊障礙或學習困難兒童的發展認知神經科學研究，有助于教育機構制定出有效的教學或干預策略。例如，腦成像研究發現，閱讀障礙兒童大腦左半球顳頂枕交界處的腦區存在功能異常。表現為對快速變化的語音序列的加工障礙。而有關改善快速聽覺處理能力的訓練，可使閱讀障礙兒童的行為表現與腦成像結果都得到顯著改善。

第四，根據兒童發展與腦發育各個階段的典型特征，創設環境，施以適宜刺激，可為兒童提供發展所需的經驗。大量證據顯示，兒童大腦成熟與心理能力發展呈高度的一致性。但我們既不能將一切人類心理與行為現象都還原為神經元的各種生化反應或電活動，也不能認同遺傳決定論的觀點，以為兒童發展只是基因圖譜展開的簡單過程。應該說，神經元的變化和人類經驗的交互作用共同構成了兒童整個發展過程的主旋律。因此，教育者要為兒童不斷發育的大腦提供豐富的“經驗營養”，以幫助兒童積極地建構認知結構、塑造其充滿學習潛能的大腦。

第五，重視藝術教育的大腦開發價值。教育學家Eric Iensen指出，藝術與所謂“學術性學科(包括科學、語言、數學等)”的地位是相當的，我們不能再把藝術稱為“文化的附加物”或“大腦右半球的裝飾品”。新近的腦科學研究證明，藝術不但具有右腦開發的功能，并且能促進大腦皮層對邊緣系統的調節，提升人的情商?！澳匦币l了運用音樂開發大腦潛能的研究熱潮，已有實驗研究證實，音樂的確可以增強兒童的認知系統、感知運動系統和應激——反應系統，提高兒童的記憶力與情緒智力。在片面追求學業成績和幼兒園教育小學化的傾向中，學前教育者更需要重視藝術教育的大腦塑造功能，積極地把對音樂藝術、視覺藝術、戲劇藝術、工業藝術和運動藝術的欣賞和創作融入幼兒園課程設置和日常教學活動中。