想象一下，如果我們能夠透過頭骨，看看是什麼讓一個大腦比另一個更聰明。或者發現隱藏的特質是否可能驅動一個人的精神分裂症或閱讀障礙。一種新的成像技術正在幫助科學家觀察這類證據，並且它揭示了一個令人驚訝的發現：智力以及各種精神綜合徵，可能受到大腦內完全由白色物質組成的束狀結構的影響。
灰質，就是你的老師曾經責備你的耳朵之間的東西，是心理計算發生和記憶儲存的地方。這種皮層是大腦的“表土”；它由密集的神經元細胞體組成——神經細胞或神經元的決策部分。然而，在其下方，是“白色物質”的基岩，它幾乎佔據了人類大腦的一半——比例遠高於其他動物的大腦。白色物質由數百萬條通訊電纜組成，每條電纜都包含一條長長的、單獨的導線或軸突，並塗有白色脂肪物質，稱為髓磷脂。就像連線一個國家不同地區電話的幹線一樣，這種白色電纜將大腦一個區域的神經元與另一區域的神經元連線起來。
幾十年來，神經科學家對白色物質幾乎沒有興趣。他們認為髓磷脂僅僅是絕緣體，而裡面的電纜只不過是被動的通道。關於學習、記憶和精神疾病的理論都集中在神經元內部以及著名的突觸——它們之間微小的接觸點——的分子作用上。但是科學家們現在意識到，我們低估了白色物質在腦區之間正確傳遞資訊方面的重要性。新的研究表明，白色物質的程度在有不同精神經歷或患有某些功能障礙的人身上有所不同。當一個人學習或練習諸如彈鋼琴之類的技能時，它也會在一個人大腦內發生變化。即使灰質中的神經元執行心理和身體活動，白色物質的功能對於人們如何掌握心理和社交技能，以及為什麼老狗難以學習新技巧，可能同樣至關重要。
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賦予白色物質顏色的髓磷脂一直充滿神秘感。一個多世紀以來，科學家們透過顯微鏡觀察神經元，看到長長的纖維，即軸突，從一個神經元細胞體延伸到相鄰的神經元細胞體，就像伸出的細長的手指。人們發現每個軸突都覆蓋著厚厚的結晶凝膠。解剖學家推測，這種脂肪覆蓋物一定像銅線上的橡膠護套一樣絕緣軸突。然而，奇怪的是，許多軸突，特別是較小的細絲，根本沒有被覆蓋。即使沿著絕緣纖維，絕緣層中也大約每毫米左右出現間隙。裸露的點後來被稱為郎飛結，以法國解剖學家路易斯-安託萬·郎飛的名字命名，他首先描述了這些點。
現代研究表明，當神經衝動被髓磷脂包裹時，其在軸突中傳播的速度比沒有包裹時快 100 倍左右——並且髓磷脂以類似於電工膠帶的方式鋪設在軸突上，在每個結之間纏繞多達 150 次。這種物質由兩種神經膠質細胞以片狀形式製造。這些細胞不是神經元，但它們在大腦和神經系統中很普遍[參見R. 道格拉斯·菲爾茲的“大腦的另一半”；《大眾科學》，2004 年 4 月]。一種章魚狀的神經膠質細胞，稱為少突膠質細胞，負責包裹。電訊號無法透過鞘洩漏出去，而是從一個結到另一個結迅速地沿著軸突跳躍。在大腦和脊髓外的神經中，一種香腸狀的神經膠質細胞，稱為雪旺細胞，形成髓磷脂。
沒有髓磷脂，訊號會洩漏和消散。為了獲得最大的傳導速度，絕緣層厚度必須與內部纖維的直徑嚴格成比例。裸軸突直徑除以總纖維直徑（包括髓磷脂）的最佳比率為 0.6。我們不知道少突膠質細胞如何“知道”需要 10 層還是 100 層絕緣層才能在不同直徑的軸突上建立合適的厚度。但最近，德國哥廷根馬克斯·普朗克實驗醫學研究所的生物學家克勞斯-阿明·納韋發現，雪旺細胞會檢測到一種稱為神經調節蛋白的蛋白質，該蛋白覆蓋在軸突上，如果這種蛋白質的量增加或受到抑制，雪旺細胞會在軸突周圍包裹更多或更少的髓磷脂層。有趣的是，許多患有雙相情感障礙或精神分裂症的人在其調節這種蛋白質產生的基因中存在缺陷。
包裹發生在不同的年齡段。髓磷脂僅在出生時的大腦少數區域普遍存在，呈脈衝式擴充套件，並且在某些部位直到 25 或 30 歲才完全鋪設完成。髓鞘形成通常在我們成長為成年人的過程中，從大腦皮層的後部（衣領）到前部（前額）呈波浪式進行。額葉是髓鞘形成最後發生的部位。這些區域負責更高級別的推理、計劃和判斷——這些技能只有透過經驗才能獲得。研究人員推測，前腦髓磷脂不足是青少年不具備成人決策能力的原因之一。這些觀察結果表明，髓磷脂對於智力很重要。
據推測，大腦在成年早期之前不會完成人類軸突的包裹，因為在那段時間裡，軸突會繼續生長，獲得新的分支，並根據經驗修剪其他分支。一旦軸突被髓鞘化，它們可以發生的改變就會變得更加有限。儘管如此，長期以來，一個問題仍然存在：髓磷脂的形成是完全程式化的，還是我們的生活經歷會改變包裹的程度，從而改變我們的學習效果？髓磷脂是否真的構建了認知能力，還是認知僅僅在尚未形成的區域受到限制？
鋼琴演奏家弗雷德里克·烏倫決定找出答案。烏倫恰好也是瑞典斯德哥爾摩大腦研究所的副教授。2005 年，他和他的同事使用一種稱為彌散張量成像 (DTI) 的新型腦部掃描技術來研究專業鋼琴家的腦部。DTI 是使用醫院中常見的同類型磁共振成像機完成的，但涉及不同型別的磁場和不同的演算法來建立許多腦部影像切片，這些切片被組裝成三維影像。切片顯示了組織中擴散的水的向量（數學上定義為張量）。在灰質中，DTI 訊號很低，因為水對稱擴散。但水沿著軸突束不對稱擴散；這種不規則的模式照亮了白色物質，暴露了在腦區之間流動的主要資訊高速公路。纖維越緊密且髓磷脂塗層越厚，DTI 訊號就越強。
烏倫發現，在專業鋼琴家中，某些白色物質區域比非音樂家更發達。這些區域連線著大腦皮層的各個部分，這些部分對於手指的協調運動至關重要，並且與製作音樂時涉及的其他認知過程有關。
他還發現，音樂家長期以來每天練習的時間越多，這些白色物質束中的 DTI 訊號就越強；軸突的髓鞘化程度更高或更緊密。當然，軸突可能只是簡單地擴張了，需要更多的髓磷脂來維持最佳的 0.6 比率。在沒有進行屍檢的情況下，問題仍然懸而未決。然而，這一發現很重要，因為它表明，當學習一項複雜的技能時，白色物質——一種不包含神經元細胞體或突觸，僅包含軸突和神經膠質的大腦結構——會發生明顯的變化。對動物的研究（可以在其中對大腦進行物理檢查）表明，髓磷脂會隨著精神體驗和生物的發育環境而發生變化。最近，伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的神經生物學家威廉·T·格林諾夫證實，在“豐富”環境（可以接觸到大量玩具和社互動動）中長大的大鼠，其胼胝體（連線大腦兩個半球的粗大軸突束）中髓鞘化的纖維更多。
這些結果似乎與辛辛那提兒童醫院的神經科學家文森特·J·施密特霍斯特進行的 DTI 研究相吻合，該研究比較了 5 至 18 歲兒童的白色物質。施密特霍斯特發現，白色物質結構的發育程度越高，智商就越高。其他報告顯示，遭受嚴重忽視的兒童的胼胝體中白色物質減少高達 17%。
刺激變化
這些發現有力地表明，經驗會影響髓磷脂的形成，並且由此產生的髓磷脂支援學習和技能的提高。但為了完全相信這一結論，研究人員需要對豐富的髓磷脂如何增強認知能力做出合理的解釋，以及一些缺陷會損害心理能力的直接證據。
我的實驗室發現了個人經歷影響髓磷脂形成的幾種方式。在大腦中，神經元沿著軸突釋放電脈衝；透過在配備鉑電極的培養皿中培養來自胎鼠的神經元，我們可以對它們施加脈衝模式。我們發現這些脈衝可以調節神經元中的特定基因。其中一個基因導致產生一種稱為 L1-CAM 的粘性蛋白，這種蛋白對於在髓磷脂開始形成時將第一層膜貼上到軸突周圍至關重要。
我們還發現，神經膠質細胞可以“監聽”穿過軸突的脈衝，並且聽到的流量會改變髓鞘形成的程度；一種稱為星形膠質細胞的神經膠質細胞在感知到脈衝流量增加時會釋放一種化學因子。這種化學程式碼刺激少突膠質細胞形成更多的髓磷脂。患有亞歷山大病（一種導致智力遲鈍和髓磷脂異常的致命兒童疾病）的兒童，其星形膠質細胞基因發生突變。
邏輯也有助於解釋白色物質如何影響認知能力。似乎可以透過類比網際網路，大腦中的所有資訊都應該儘可能快地傳輸。這意味著所有軸突都應該被均勻地髓鞘化。但對於神經元來說，更快並不總是更好。資訊必須在大腦中心之間長距離傳輸。每個中心執行其特定功能，並將輸出傳送到另一個區域以進行下一步分析。對於複雜的學習，例如學習鋼琴，資訊必須在多個區域之間來回穿梭；在不同距離上傳輸的資訊必須在特定時間同時到達一個地方。為了實現這種精確度，延遲是必要的。如果所有軸突都以最大速率傳輸資訊，那麼來自遠處神經元的訊號總是會比來自鄰近神經元的訊號到達得晚。脈衝通常需要 30 毫秒才能透過胼胝體中髓鞘化的軸突從一個大腦半球傳播到另一個大腦半球，而透過未髓鞘化的軸突則需要 150 到 300 毫秒。胼胝體的軸突在出生時都沒有髓鞘化，到成年時，仍有 30% 保持這種狀態。這種變化有助於協調傳輸速度。
或許同樣至關重要的是郎飛結。在過去的幾年裡，科學家們得出結論，郎飛結遠非錯誤，而是充當複雜的生物電中繼器——中繼站，可以生成、調節和快速傳播沿著軸突的電訊號。透過研究貓頭鷹出色的聽力，神經生物學家已經表明，在髓鞘形成過程中，少突膠質細胞會插入比最佳的更快的訊號傳輸更多的結，以減慢沿著某些軸突傳播的訊號。
顯然，脈衝傳輸速度是大腦功能的一個重要方面。我們知道，當某些神經元迴路連線更牢固時，就會發生記憶和學習。髓磷脂似乎可能會影響這種強度，透過調整傳導速度，使來自多個軸突的電脈衝群同時到達同一個神經元。當這種匯聚發生時，各個電壓突波會堆積起來，增加訊號的強度，從而使所涉及的神經元之間的連線更牢固。為了探索這一理論，還需要進行更多的研究，但毫無疑問，髓磷脂會對環境做出反應並參與技能學習。
學習和精神疾病
有了這種新的視角，就不難想象錯誤的傳輸如何導致精神挑戰。經過數十年在灰質中尋找精神障礙的原因，神經科學家現在有間接證據表明白色物質起著一定的作用。例如，閱讀障礙是由於閱讀所需迴路中資訊傳輸的時間中斷造成的；腦成像顯示這些束狀結構中的白色物質減少，這可能導致這種中斷。白色物質異常被認為既反映了髓鞘形成的缺陷，也反映了影響這些白色物質連線的神經元發育異常。
音調失聰是由於大腦皮層中分析聲音的更高級別處理出現缺陷造成的；麥吉爾大學的心理學家克里斯蒂·L·海德發現，在音調失聰個體右腦前部的特定纖維束中，白色物質減少。此外，耶魯大學的萊斯利·K·雅各布森最近的研究表明，在胎兒發育後期或青春期（當該束狀結構正在進行髓鞘形成時）接觸菸草煙霧會破壞白色物質。DTI 所見的結構與聽力測試的表現直接相關。已知尼古丁會影響少突膠質細胞上調節細胞發育的受體。在髓鞘形成的關鍵時期接觸環境因素可能會產生終生後果。
精神分裂症現在被理解為一種涉及異常連線的發育障礙。證據是多方面的。醫生一直想知道為什麼精神分裂症通常在青春期發展——但回想一下，這正是前腦正在髓鞘形成的主要年齡。那裡的神經元已基本建立，但髓磷脂正在發生變化，使其成為嫌疑物件。此外，近年來近 20 項研究得出結論，精神分裂症患者大腦的幾個區域的白色物質異常（少突膠質細胞比應有的少）。當基因晶片（可以一次調查數千個基因的微型診斷裝置）最近上市時，研究人員驚訝地發現，許多與精神分裂症相關的突變基因都參與了髓磷脂的形成。在患有 ADHD、雙相情感障礙、語言障礙、自閉症、衰老過程中的認知能力下降和阿爾茨海默病，甚至患有病理性說謊的個體中也發現了白色物質異常。
當然，髓磷脂發育不良或萎縮可能是神經元之間訊號不良的結果，不一定是原因。畢竟，認知功能確實取決於皮層灰質中突觸之間的神經元通訊，大多數精神藥物都在那裡發揮作用。然而，腦區之間的最佳通訊（這也是適當認知的根本）取決於連線這些區域的白色物質基礎。2007 年，波士頓兒童醫院的神經學家加布裡埃爾·科法斯表明，在小鼠的少突膠質細胞（而不是神經元）中進行的基因實驗性破壞會導致模仿精神分裂症的顯著行為變化。並且行為影響涉及相同的基因之一，神經調節蛋白，發現在精神分裂症大腦的活組織檢查中異常。
髓磷脂的變化是否會改變神經元，或者神經元模式的變化是否會改變髓磷脂的雞和蛋問題，將以解決此類困境的相同方式解決：承認這兩種機制之間存在密切的相互依賴關係。髓鞘形成神經膠質細胞可以對軸突直徑的變化做出反應，但它們也調節該直徑。它們還可以決定給定軸突是否存活。例如，在多發性硬化症中，軸突和神經元可能會在髓磷脂因疾病而丟失後死亡。
重塑老年
無論機制如何，隨著我們的大腦從童年期成熟到成年期，區域之間連線的精確度都會提高。連線的良好程度可能決定了我們在特定年齡段學習某些技能的效果。
事實上，烏倫對有成就的鋼琴家的研究揭示了一個額外的發現：在較早年齡開始學習樂器的個體中，整個大腦的白色物質都更發達。在青春期後才開始學習的人中，白色物質的發育僅在前腦中增加——前腦是仍在進行髓鞘形成的區域。
這一發現表明，神經纖維的絕緣在一定程度上決定了學習新技能的年齡限制——機會之窗或關鍵期，某些學習可能會發生，或者至少可以很容易地發生。在青春期後學習外語，你註定會帶有口音；在兒童時期學習這門語言，你就會像母語人士一樣說它。之所以出現這種差異，是因為檢測語音的大腦回路會根據我們只在兒童時期聽到的聲音重新佈線。我們實際上失去了連線，否則這些連線將使我們能夠聽到外語特有的聲音。從進化角度來看，大腦沒有理由保留連線來檢測它在童年時代之後從未聽過的聲音。關鍵期也是成年人從腦損傷中恢復不如兒童好的主要原因之一。
專家們已經確定了髓磷脂中特定的蛋白質分子，這些分子會阻止軸突發芽和形成新的連線。蘇黎世大學的大腦研究員馬丁·E·施瓦布揭示了幾種髓磷脂蛋白中的第一種，這些蛋白會導致軸突的幼芽在接觸時立即枯萎。當這種蛋白（他將其命名為 Nogo，現在稱為 Nogo-A）被中和時，脊髓損傷的動物可以修復其受損的連線並恢復感覺和運動。耶魯大學的斯蒂芬·M·斯特里特馬特最近發現，可以透過阻斷來自 Nogo 的訊號來重新開啟動物透過經驗佈線大腦的關鍵期。當舊小鼠的蛋白質被破壞時，這些動物可以重新佈線視覺連線。
然而，如果髓鞘形成在 20 多歲時基本完成，這是否與最近關於大腦在中老年時期仍然具有可塑性的說法相矛盾呢？例如，研究表明，一個人在 60 多歲、70 多歲和 80 多歲時進行腦力鍛鍊有助於延緩阿爾茨海默病的發生。一個人的智慧又如何在幾十年中增長呢？答案仍在湧現。研究人員尚未在老年動物身上尋找髓磷脂的變化。其他實驗表明，髓鞘形成會持續到 50 多歲中期，但程度要微妙得多。
當然，白色物質是需要長期練習和重複以及大腦皮層中高度分離的區域之間廣泛整合的學習型別的關鍵。大腦仍在廣泛髓鞘形成的兒童發現，與他們的祖父母相比，他們更容易獲得新技能。對於一系列智力和運動能力，如果一個人想達到世界一流水平，他或她必須從小開始。你今天擁有的大腦是透過在你成長過程中與環境互動並且你的神經連線仍在髓鞘形成時構建的。你可以透過多種方式調整這些能力，但除非我們從小就開始訓練，否則你我都不會成為世界一流的鋼琴家、象棋選手或網球職業選手。
當然，老傢伙仍然可以學習，但他們從事的是另一種直接涉及突觸的學習。然而，強化訓練會導致神經元放電，因此存在這種放電刺激髓鞘形成的可能性。也許有一天，當我們完全瞭解白色物質何時以及為何形成時，我們可以設計出治療方法來改變它，即使它正在變老。為了實現這一推測，我們需要找到告訴少突膠質細胞髓鞘化一個軸突而不是附近另一個軸突的訊號。這一發現深埋在灰質之下，等待著未來的探索者去發掘。