大脑发育

生物工程最令人惊叹的成就之一是，人类大脑可以从一个 3 毫米长的神经管尖端形成。怀孕期间，大脑每分钟以约 25 万个神经元的速率发育，最终形成新生儿大脑中通常拥有的超过 1000 亿个神经元。然而，人类大脑的形成除了其生长量之外，还因其他原因而令人惊叹。尽管每年都有数亿人经历形成人类大脑的过程，但考虑到大脑可靠执行的巨大功能数量以及这些功能分配到整个总装件中某种类型的细胞或小区域的精确度，其复杂性仍然令人惊叹。大脑中约 100 万亿个连接是大脑复杂性和速度的物理基础。然而，这样一个复杂的网络是如何建立起来的呢？受精卵的基因构成是否已经包含人类大脑的完整构建说明，其中每个细胞都作为更大设计的一个小部分生成？此外，如果说明集是狭窄而精确的，那么偶然性、随机突变或环境的影响——正如它们在最早的人类大脑形成中显然所起的作用，并且将继续发挥作用——还能在其中扮演什么角色呢？

这些问题表明，任何对人类大脑进化进行科学解释的努力都必须克服一个巨大的障碍。这种解释不仅必须解释一个具有高度有序性和有效性的发展序列，还必须为偶然性（如随机突变和随后发生的自然选择，这些因素促进了这种特定类型的大脑的传播）的创造性影响留出空间。今天，大多数发育神经科学家在回答这个问题时，都提出了一个包含随机外部事件和内在指令相互作用的阶段性序列。

大脑发育的早期阶段

这些阶段是：

1. 未分化脑细胞的大量增殖；
2. 细胞迁移到大脑的特定位置，并开始分化成适合该位置的细胞类型；
3. 同类型细胞聚集形成不同的区域；
4. 神经元之间形成无数连接，包括区域内部和跨区域的连接；以及
5. 从受孕后约 5 周开始的竞争。

这些事件并非严格按顺序发生；相反，它们在时间上是重叠的。当孩子大约 18 个月大时，不再产生新的神经元，不同类型的细胞分化成独立区域的过程基本完成。然而，消除不必要的连接，这对于确定成人大脑如何发育至关重要，这个过程将持续数年。

正因为有了大脑进化这一概念，催生了许多富有成效的神经科学研究领域。关于发育何时受到干扰，它可以（除其他外）解释众所周知的大脑或神经系统出生缺陷。无脑畸形（“没有大脑”）是一种通常导致死产或短期存活的疾病，如果神经管过早未能正确闭合。在这种情况下，应该形成前脑以及周围颅骨和头皮的细胞可能不会产生。脊柱裂，或“裂开的脊柱”，是指脊柱缺乏部分椎骨的骨性覆盖。神经管异常程度较轻可能导致该病症的不同程度。X 射线照射、酗酒、某些药物以及母亲感染某些疾病（如风疹）都可能对儿童在早期关键阶段的发育产生不利影响。

到怀孕第七个月，胎儿开始发出脑电波，可以通过母亲的腹部检测到，并且在受孕后 15 至 20 周（约怀孕中期）之间，大脑皮层中的脑细胞数量显著增加。尽管在出生后以及之后一段时间内，适当的营养仍然至关重要，但许多证据表明，此时的营养对大脑发育最为关键。然而，即使在遭受饥饿等环境侵害时，发育中的大脑也具有非凡的恢复能力并继续正常发育的潜力，只要在生命最初的三个月内消除不利条件。

其中一个挑战是，研究先天性神经系统异常的神经病理学家通常在异常事件发生多年后才研究大脑。该领域中的“正常”数据可能存在相当大的波动范围，这是另一个问题。要识别和治疗可能阻碍健康大脑发育的情况，就需要对正常大脑发育有基本的了解。

只有通过首先考察产前几个月，我们才能充分理解大脑在婴儿成长年限中的发育过程。大脑发育的长期过程从受孕后约两周开始，一直持续到成年早期，大约 20 年后。虽然毫无疑问环境会对产前几个月的大脑发育产生影响，但众所周知，营养的缺乏（如叶酸）和毒素的存在（如酒精）都会产生负面影响。另一方面，出生后的大脑发育很大程度上受到经验以及基因与环境相互作用的影响。以下简要介绍了定义大脑发育早期阶段的结构性变化。

1. 神经发生

受孕后约两周，正在发育的胚胎被组织成一个三层球形。这个球体的一个区域的细胞增厚，形成神经板。然后，就像拉链一样，这个板向前折叠，形成一个从底部和顶部逐渐闭合的管子。这导致神经管的发育，其外层细胞将形成自主神经系统（大脑和脊髓外的神经），其内层细胞将形成中枢神经系统（大脑和脊髓）。

闭合的神经管发育成一个三囊泡结构，并迅速转化为一个五囊泡结构。围绕脑室的几个组织簇将发育成不同的脑结构。前脑，包含大脑半球、间脑（丘脑和下丘脑）和基底神经节，将在神经管的前部发育成。中脑，连接间脑和后脑，将由围绕中囊泡的细胞发育成。后脑，包括延髓、脑桥和 Cerebellum（小脑），将由神经管的最后部发育成。最后，脊髓将由剩余的细胞发育成。

2. 增殖

在神经管的整体结构形成后，神经管最深处（称为脑室区）的细胞以对数速率增殖。随着这些细胞的生长，形成了一个称为边缘区的第二个区域，其中包含轴突和树突。由于这个增殖期持续一段时间，新生儿的大脑将拥有比成年人大得多的神经元数量。细胞凋亡，或程序性细胞死亡，最终会平衡神经元的过度生产。细胞凋亡完全由基因控制，导致细胞数量减少到成人水平。

3. 细胞迁移

细胞在出生后迁移到最终位置。构成大脑皮层的分层组织厚达几毫米。它是由细胞由内向外迁移形成的，从脑室区开始，穿过中间区域，最后到达大脑生长区域的外部最终位置。最早迁移的细胞占据最深的皮层层，而后续的迁移则穿过已形成的层来创建外层。受孕后约 25 周，大脑将形成所有六层。

约 70%-80% 的迁移神经元，其中大部分是锥体神经元和神经胶质细胞，遵循此处描述的由内向外的迁移模式，称为放射状迁移。大脑皮层的大神经元（称为锥体神经元）负责将信号传递到皮层的不同层以及大脑的其他区域。称为神经胶质细胞的非神经元脑细胞通过生成髓鞘或清除死脑细胞等废物来帮助神经元功能。中间神经元，相对较小的神经元，负责在特定皮层层中进行锥体细胞之间的通讯，它们则呈切向迁移。

4. 分化

神经元到达目的地后，通常会沿着两条路径之一发展：要么分化成具有轴突和树突的成熟神经元，要么发生细胞凋亡，导致其退化。根据目前的估计，约 40% 至 60% 的神经元被认为退化（Oppenheim & Johnson，2003）。生长锥，这是轴突边缘出现的微小结构，有助于轴突的发育。生长锥附近的细胞活动促进在一个方向上的发育，而远离另一个方向。除了生长锥尖端附近的解剖特征外，分子引导信号也会影响这些过程。

Aizawa 等人（2004）提出，控制钙调节转录因子的基因是负责树突发育的另一种机制的来源。当早期树突从细胞体中出现时，它们看起来像粗大的细丝，带有少量棘突（小突起）。随着树突的生长，由于棘突数量和密度的增加，树突与相邻轴突接触的可能性变得更大。正如下面讨论的，神经元之间的突触连接是大脑活动的构建模块。这些树突和轴突之间的连接构成了这些连接的基础。

5. 突触发生

突触是两个脑细胞（通常是两个神经元，通常是树突和轴突）接触的连接处。总的来说，最早的突触在怀孕第 23 周左右就能看到（Molliver 等人，1973），尽管产生高峰要到生命的第一年才出现。突触的产生也像神经元一样，先是大量过剩，然后缓慢减少。大量早期学习是基于这种突触减少或修剪的过程，该过程高度依赖于经验。突触高峰生成在不同大脑区域发生的时间不同，这一点非常重要。例如，视觉皮层在出生后第四至第八个月之间达到高峰，而前额叶皮层仅在出生后第十五个月达到高峰。突触产生高峰的时间不同，并且这种时间变化很重要，因为它影响了这些区域变性的速度；突触生产高峰越晚，该区域变性时间越长。

6. 突触修剪

在突触过度增长后，多余的突触会被修剪掉。直到突触发生，大脑发育的大多数阶段都由基因决定。然而，当大脑进入连接被移除的阶段时，修剪过程主要由经验驱动，这种平衡发生了变化。就像突触生成一样，突触修剪的时间也受其发生的大脑区域影响。例如，负责视觉和听觉感知的脑部区域的修剪在生命第四至第六年之间完成。

相比之下，在青春期，与更高认知功能（如抑制控制和情绪调节）相关的区域的修剪仍在继续（Huttenlocher & Dabholkar，1997）。突触过度生长和突触收缩的过程对于成长中的大脑的灵活性和适应能力至关重要。它使个体能够对他们出生的特定环境做出反应。受环境激活的通路被加强，而未激活的通路则被关闭。这使得能够调整和修改形成行为所必需的神经网络。

7. 髓鞘形成

髓鞘形成是脑发育的最后过程。由于这种绝缘，有髓鞘的轴突可以比无髓鞘的轴突更快地传导电脉冲，从而最终促进神经元活动和通讯。取决于发生的大脑区域，髓鞘形成在不同的时间点进行。在学龄前完成的一个过程中，一些感觉和运动区域的大脑会早期髓鞘化。然而，在大脑中负责更高认知功能的区域（如前额叶皮层）中，这个过程在青春期或成年早期完成。

总结

大脑发育通常在怀孕几周后开始，并被认为在成年早期完成。在产前和婴儿早期，大脑的基本结构主要确立，并且随着时间的推移，神经网络会继续发展和完善。大脑的各种功能并非同时或沿同一时间线发育。虽然基本的感觉和感知系统在儿童上幼儿园时就已完全形成，但记忆、决策和情绪系统在整个童年时期都在持续发展。然而，许多这些技能是在成长阶段从头开始构建的。