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心靈事件
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本週，我們將關注兩篇關於神經元豐富的論文
《美國國家科學院院刊》
2005年11月28日
作者：Yevgenia Kozorovitskiy、Charles G. Gross、
Catherine Kopil、Lisa Battaglia、Meghan McBreen、
Alexis M. Stranahan 和 Elizabeth Gould
普林斯頓大學
和
《自然神經科學》
2006年8月20日
作者：Yevgenia Kozorovitskiy、Maria Hughes、Kim Lee 和 Elizabeth Gould
普林斯頓大學
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引言
作者：大衛·多布斯，《心靈事件》編輯大腦透過身體上的改變來回應生活經歷，這似乎既顯而易見又令人驚訝。如果我們的大腦不改變，我們怎麼可能適應不同的情況呢？然而，很容易發現對這些變化的實際描述是令人著迷的，甚至有些令人震驚。你可以計數或測量的物理變化——樹突數量和長度的變化、新神經元的產生——似乎太有限，無法解釋我們稱之為學習的思維、行為和知識的微妙調整。因此，對這裡討論的兩項研究的痴迷。這兩項研究都來自普林斯頓大學的
Liz Gould實驗室，正如一位研究人員最近所說，該實驗室是研究經驗或環境的積極變化（神經學術語中的“豐富”）如何影響大腦的“強力機構”。（有關Gould及其工作的詳細介紹，請參閱
喬納·萊勒的這篇文章。）一項研究表明，在齧齒動物中多次發現的豐富實驗室環境對神經元的益處，在狨猴中也同樣存在——鑑於齧齒動物的記錄，這一發現並不令人驚訝，但將其推廣到靈長類動物，因此更接近我們人類的家園，就顯得意義重大。另一篇論文表明，父親身份在狨猴中也產生了類似的大腦變化。這一發現是新的——而且對於那些累得無法思考的父母來說，有點令人驚訝。這兩篇論文都具有有趣的含義。伊利諾伊大學的心理學家
朱莉·A·馬卡姆和賓夕法尼亞大學的
瑪莎·J·法拉將在這裡探討它們。加入他們和我們，進行一場豐富的討論。
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父親身份如何像一個更好的房間？
作者：朱莉·A·馬卡姆
“父親身份影響靈長類動物前額葉皮層中的樹突棘和加壓素 V1a 受體”，第一項描述父親身份對靈長類動物大腦影響的研究，比較了積極參與育嬰的狨猴父親與未成為父親的成年雄性狨猴的大腦。Kozorovitskiy 及其同事並沒有研究已知直接參與育兒行為的大腦區域，例如
下丘腦（位於大腦底部，調節許多基本生存行為的區域），而是做了一些更有趣的事情：他們尋找
前額葉皮層的變化，該區域參與最高階的認知過程，例如
工作記憶和行為組織。他們發現，父親身份會導致前額葉皮層中的神經元形成許多新的
樹突棘。這些小的突起點綴在神經元的樹突上，樹突是接收其他細胞透過突觸發送的訊號的延伸。這是一個令人震驚的發現。前額葉皮層神經元是神經系統中最複雜的神經元之一。正如
Guy Elston 的研究表明，在靈長類動物中，前額葉神經元的複雜性與智力之間存在正相關關係。父親身份增加前額葉神經元上的樹突棘——這可能會增加它們之間的交流——非常耐人尋味。
不僅僅是激素 撫養幼崽對大腦有益的想法——或者至少是證據——在 1999 年之前幾乎聞所未聞。當時，
克雷格·金斯利及其同事報告說，有撫養幼崽經驗的雌性大鼠——無論她們是否懷孕過——在某些記憶測試中表現優於沒有撫養過幼崽的雌性大鼠。隨後的研究表明，
母親身份增加了海馬體中神經元上的樹突棘，海馬體是形成記憶的重要區域。母親身份的認知益處和豐富效應都是相對永久的，會延伸到老年。然而，在本文發表之前，沒有人研究過父親身份如何在任何物種中重塑前額葉皮層，也沒有人研究過父親身份如何影響靈長類動物的大腦。雖然父親身份會帶來激素變化，但這些激素變化可能只能部分解釋 Gould 小組觀察到的大腦形態變化。雖然大腦的變化（包括激素引起的變化）無疑會改變行為，但這種關係是雙向的——參與某些行為會對大腦結構產生顯著影響。
馬克·羅森茨威格及其同事在 20 世紀 60 年代首次報告，在複雜環境中飼養的大鼠——一個裝滿玩具和其他物品的大籠子——比在標準實驗室條件下飼養的大鼠擁有更重、更厚的大腦皮層。人們已經知道，在更大、更復雜和更刺激的環境中，大鼠在齧齒動物認知測試中表現更好；羅森茨威格的研究有助於解釋原因。隨後的研究表明，大腦皮層增厚是由於神經元的生長造成的，並且伴隨著這些神經元上的樹突棘數量的增加。此後，
比爾·格里諾等人的研究表明，這種“豐富”經驗的神經後果與積極參與促進學習的行為有關，而不是與身體活動或激素的總體增加有關。這些神經變化是相對永久的，在豐富經驗之後會持續很長時間。後來的研究，包括此處考慮的 Gould 實驗室 2005 年的論文
“經驗誘導成年靈長類動物大腦的結構和生化變化”，表明更復雜的環境也刺激了靈長類動物的神經元生長。在該研究中，Kozorovitskiy 及其同事比較了生活在複雜棲息地的狨猴和生活在標準籠子裡的狨猴。他們發現的效果與他們後來觀察到的作為父親身份的結果類似：前額葉皮層中的神經元上的樹突棘增加，這些神經元的總體大小也增加了。那麼，父親身份是如何產生這些變化的呢？Gould 的研究小組發現，父親身份增加了前額葉皮層中
精氨酸加壓素受體的數量，精氨酸加壓素是一種參與社會關係形成的肽類激素。他們認為，由此導致的加壓素訊號的增加可能導致了樹突棘的增加。與此同時，他們之前的豐富研究表明，伴隨父親身份而來的行為變化也可能導致觀察到的樹突棘變化。有趣的是，他們提供的證據表明，隨著嬰兒年齡的增長，加壓素受體的丰度會隨著時間的推移而減少——這表明這種特殊的變化是暫時的，並且是由最近與嬰兒的接觸驅動的。如果對樹突棘是否也傾向於隨著時間的推移而減少進行類似的檢查，與加壓素受體的減少並行，將會提供有價值的資訊。如果樹突棘的增加顯示出更強的永續性，那麼父親身份作為一種豐富形式的說法將會得到加強。
是什麼觸發了父親開始表現出父親的行為？在閱讀這篇文章時，我想知道是什麼首先向這些動物發出啟動父親行為的訊號。女性可以簡單地告訴伴侶，“親愛的，我懷孕了！”但是，是什麼告訴雄性狨猴它的伴侶懷孕了？（我們知道他們知道，因為正如人類一樣，在即將成為父親的狨猴身上也觀察到了激素變化。）雖然這些靈長類動物沒有語言交流的好處，但它們仍然設法為照顧嬰兒做好準備，這表明其他因素也可能在我們自己的物種中發揮作用。這項研究並非旨在解決這個問題。然而，對科學文獻進行一些深入研究後發現，在齧齒動物和狨猴中，父親對嬰兒的反應部分取決於幼崽出生前繁殖對關係的強度。這對人類父親來說具有深遠的意義：在組建家庭之前，在父親和伴侶之間建立牢固的聯絡可能會培養出更好的父親。而且，正如本文所暗示的那樣，在育兒中發揮積極作用可以豐富父親的大腦以及孩子的大腦。這項研究的下一個合乎邏輯的步驟是看看所有這些大腦變化是否真的讓父親變得更聰明。我們已經看到，撫養幼崽的雌性大鼠在記憶測試中表現更好。父親身份引起靈長類動物前額葉皮層的變化是否會提高更高認知能力？這樣的發現可能會激勵一個人去推嬰兒車。
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人類的豐富環境
你能研究這個嗎？
作者：瑪莎·J·法拉（Martha J. Farah）作為一名研究人類受試者的認知神經科學家，我羨慕那些能夠進行實驗來研究環境如何改變大腦功能的能力。請不要誤解我——人類認知神經科學包含許多優秀的研究設計，我們能夠提出可檢驗的假設，並進行關鍵的實驗。但是，倫理上的考慮阻止我們把受試者限制在孤立且貧瘠的房間裡，或者強迫他們為人父。然而，我們可以科學地利用人們環境中自然存在的差異。我們不能把一些人分配到貧困環境中，另一些人分配到豐富的環境中，但我們可以找到那些恰好已經生活在這些環境中的人。例如，與社會經濟地位較高的人相比，社會經濟地位較低的人往往居住在比大多數人小的房屋裡，擁有較少的財產，更少的愛好、運動和其他娛樂機會，以及更缺乏刺激性的工作。我們可以測量他們的大腦功能方面，並觀察這些環境差異是否與大腦差異相關。
混淆因素 明智的讀者會認識到這種策略存在一個問題：社會經濟地位不僅與一定程度的環境豐富度相關，而且與一些其他相關因素（例如，身體健康狀況）相關，這些因素可能會造成觀察到的大腦功能差異。然而，透過儘可能多地測量潛在的混淆因素並將其納入統計分析中，可以最大限度地減少（但永遠無法完全消除）這個問題。我的實驗室已經採取了這種策略，正如我們
去年報道的那樣，我們發現，至少對於兒童來說，貧困與海馬體記憶功能和前額葉執行功能（以及語言能力，因為顯而易見的原因，科佐羅維茨基和同事沒有評估）的差異相關，這些差異與科佐羅維茨基關於豐富環境的研究結果驚人地一致。還有另一種方法可以測試環境豐富度對人腦功能的影響——這種方法相當於一種更溫和的版本，即將人們分配到貧困和豐富的環境中。相反，我們從來自同樣貧困環境的人們開始，隨機地將一些人分配到改善的、更豐富的環境中。許多針對貧困家庭的早期兒童干預計劃提供了這種實驗操作，並顯示出顯著且持久的結果（例如，參見
阿貝西達裡安專案）。到目前為止，用於證明這些專案心理影響的衡量標準很難對映到特定大腦系統的功能上。但是原則上可以進行更直接的神經測量。
科學與社會 這種研究將具有兩種非常重要的意義。首先是對科學而言。人類大腦在與環境相互作用的方式的多樣性方面是獨一無二的：理解其物理環境，對其進行工程改造、裝飾，並以口頭和非口頭的方式與其他個人和群體互動。因此，大腦與環境之間的關係是人類認知神經科學的一箇中心問題。來自動物實驗的證據為研究環境如何影響人腦功能提供了極好的基礎，但僅僅是一個基礎。第二個意義是對社會而言。如果所處的環境型別可以增強或削弱我們的大腦功能，並且如果社會經濟因素將我們中的一些人限制在實際上損害我們大腦的環境中，那麼貧困不僅僅是一個經濟問題。這是一個公共健康問題，它直接影響我們是誰以及我們能成為什麼樣的生物學基礎。也許透過從這些方面理解這個問題，我們可以找到政治意願來改善我們社會中窮人所處的受限、壓力大且普遍無望的境地。
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瑪莎·J·法拉是賓夕法尼亞大學認知神經科學中心的主任。她擁有冶金和材料科學、哲學和實驗心理學學位，為她關於認知、心理學和行為的研究帶來了廣泛的視角。她對記憶、視覺和執行功能的機制進行了廣泛的研究和寫作。最近，她一直在研究認知神經科學與“現實世界”之間的聯絡，特別是社會經濟逆境對大腦發育的影響以及神經科學中新出現的社會和倫理問題。