理解儿童青少年脑发育，推进对脑智发育和提升的科学研究

/ 北京师范大学

儿童青少年时期是脑发育和各项认知能力发展的关键阶段，也是学习能力提升的黄金时期。21 世纪脑成像技术（图 1）的快速发展为人们认识儿童青少年脑发育打开一扇窗。人们可以在不侵入和伤害人体的情况下，观测到脑的结构特征和功能活动。例如，基于结构磁共振影像，能够清晰地对脑的解剖结构进行成像，如各个脑区的空间分布和皮层的沟回；基于弥散磁共振影像，可以追踪负责脑区间信息通讯的白质纤维束的方向。功能影像技术则能够实时探测人脑对外界刺激进行响应和加工的功能活动。在这些先进技术支持下，脑发育的科学研究快速发展，取得了重要的进展，为认识儿童青少年脑发育提供了新的角度和证据。我国有2亿多儿童、青少年，了解和把握脑发育规律，是保护和促进儿童青少年脑与认知发育的重要前提，对国家的可持续发展具有深远影响。

图1 脑成像技术（脑电、近红外、脑磁、磁共振）

脑发育：心智成长的生物基础

相对其他物种而言，人类的脑发育过程显得尤为漫长。不同脑区的发育速度和轨迹不尽相同，与感知、运动相关的初级感觉运动皮层最早达到成熟峰值（即先成熟），与决策、控制、推理等高级认知能力有关的高级联合皮层脑区（比如背外侧前额叶、顶下以及颞上回）达到成熟峰值的年龄相对较晚，与这些额颞叶脑区连接的白质纤维束也较晚成熟。健康人脑总体积的发育表现出明显的性别差异：男孩脑体积的峰值年龄约为14.5岁，而女孩约为 10.5 岁。这在一定程度上为理解小学阶段男生和女生认知行为差异提供了脑结构发育的证据。研究还发现额叶皮层厚度与智力的关系随年龄发生改变，在儿童早期两者主要呈现负相关。皮层厚度越薄智力越高，到儿童后期以及更高年龄段则呈现正相关，也就是说皮层厚度越厚智力越高。并且不同智力水平的个体其额叶皮层厚度的发育轨迹有所不同：相比较高智商和平均智商儿童青少年，超高智商儿童青少年皮层厚度到达峰值的时间更晚，提示高智商人群可能伴随更长的脑发育时间（图 2）。

图2 智商越高，皮质厚度达到峰值的时间越晚，提示高智商可能依赖更长的脑发育时间。图中蓝色线条代表超高智商组，其在多个脑区的皮层厚度到达峰值的年龄在12-13岁；绿色线条代表较高智商组，其在多个脑区的皮层厚度到达峰值的年龄稍早，约9-11岁；红色线条代表平均智商组，其在多个脑区的皮层厚度到达峰值的年龄最早，约7-8岁。

脑的复杂功能并不是由特定的神经元或脑区独立完成。目前主流观点是，不同脑区相互协作形成一个整体，以执行各项认知功能。随着年龄的增长，儿童青少年的各个脑区之间的白质纤维结构连接或者功能协作关系不断增强。如果把特定脑区当作节点，脑区之间的连接作为边，就可以构建一个类似于交通网络的脑网络。在发育过程中，脑内负责信息传递与处理的“高速公路”的全局和局部网络连接都日趋完善。这主要包括信息在脑区间传输的全局效率的增强，长空间距离连接的增加。各脑区之间的白质纤维结构连接和功能连接并非均匀分布的，而是形成了多个小模块，同一模块内部的脑区之间连接比较稠密，而属于不同模块的脑区之间的连接则相对稀疏。这些负责特定认知功能的功能模块其空间分布形式也随发育过程进行调整，由初期倾向于解剖位置相近的脑区发展为空间上更为分散的组织模式。 需要注意的是，5 岁儿童大脑中负责信息传递的核心脑区（类比于交通枢纽）的空间分布与成年人高度相似，主要包括后扣带回 / 楔前叶、角回、额上回、内侧前额叶、岛叶等。这些核心脑区彼此之间紧密连接，并且连接的稠密程度随发育过程持续增强，提示了核心脑区在发育过程中信息沟通不断增强（图 3）。这些脑网络的发育成熟模式对儿童青少年的认知和学习能力发展具有重要影响。

图3 不同年龄段的脑结构网络的交通枢纽区域分布图。黄色点代表具有稠密的结构连接的核心脑区，类似于高速公路中的交通枢纽。

经验、学习显著影响了脑发育

在人类脑发育的漫长发展历程中，后天环境深刻影响了脑的发育。揭示影响儿童青少年脑发育和认知发展的遗传和环境因素，并阐明这些因素是如何对脑和行为产生影响，将为儿童青少年的脑智提升提供科学指导。大量科学研究发现，营养、爱、温暖的环境以及适宜的活动经验都能够促进脑的发育。特别重要的是，父母的良好抚养方式也能促进脑的发育，例如学前期获得母亲支持程度越高，儿童大脑中与学习和记忆有关的海马区的体积就增长越快。与良好环境的积极促进作用相反，贫困、环境剥夺以及不良的童年经历则会严重损害脑的发育。在一项长达25年的追踪研究中， 科学家发现儿童早期的家庭贫困会导致海马体积发育滞后（图4）。

图4 教养方式与儿童应激生活事件经验是家庭经济状况影响儿童海马体积发育的中介变量。

儿童青少年时期脑对学习经验非常敏感，认知、艺术和运动训练等方式都能够改变他们大脑的结构与功能。例如，对4岁和6岁儿童为期5天的注意力训练就能显著提高其智力测验成绩，并且这些儿童大脑中负责注意和控制的区域（额叶-顶叶）的脑电活动与未接受训练的儿童相比变得更高效；早期语言学习以及语音干预训练也能够增加儿童大脑语言相关区域（左侧顶下、颞枕区域）的灰质密度或功能活动强度。早期乐器学习经验与连接左右半脑的胼胝体体积增加有关，在进行了大约1年乐器训练（键盘乐器、弦乐器）后儿童大脑中听觉、运动皮层的灰质体积以及胼胝体的体积增加，听觉皮层功能活动强度发生改变。有趣的是，音乐训练引起的大脑改变不仅带来了音乐能力的提高，也使儿童的阅读能力与语音加工能力得到提升。此外，具有高有氧体能的儿童表现出更好的认知表现（例如认知加工速度和反应速度），并且相比低有氧体能的儿童呈现显著不同的脑电活动幅度，这提示运动经验对儿童的脑发育也具有重要的促进作用。这些研究发现为改进和提高儿童脑智发育、教育教学成效提供了重要启示。然而，小规模的实验室研究所获得的结果要实际运用到复杂、广阔的教育实践中，则还需要开展大规模实验和转化应用研究，以确定其效应的真实性、迁移性、长期性、安全性，以及适宜人群、适宜剂量与活动投放方式。

积极推进儿童脑智发育和提升研究

儿童青少年时期脑的结构和功能发育受到基因、环境和早期经验的共同影响，并呈现明显的个体差异，为后期认知行为的发展奠定了神经生物学基础。然而，现有大多数有关儿童青少年脑发育的研究面临被试年龄跨度小、样本量小或者持续时间短等问题。相较于小样本研究，开展大型队列研究能够更加精细地刻画儿童脑发育规律及其与认知发展的关系，以及基因和环境的复杂影响，进而甄别导致各类认知障碍和心理健康问题的影响因素，开展个性化的脑智开发和教育促进。

当前，美国、欧盟等在儿童脑认知发育研究上发展迅速，相继推出多个儿童脑发育大型研究计划。我国高度重视基于脑发育和学习能力两者的发展规律，优化儿童青少年的学习效率，提升教育质量，提高人口综合素质。2017年9月26日，由北京师范大学、北京大学、中国科学院心理研究所和北京市儿童医院等十八家高校、科研院所和医院共同发起建立的“中国儿童青少年脑智研究全国联盟”在北京师范大学成立，并积极筹备我国儿童青少年大型脑发育队列与脑智开发研究计划。该计划将紧密结合我国儿童青少年脑发育和素质教育的需求，融合脑 - 基因 - 环境 -行为多维度数据，揭示我国儿童青少年智力（学习能力和创新能力）与非智力（心理健康和社会适应）因素的发展规律，构建智力提升和教育促进智能平台。多学科、多机构协同攻关，将为科学理解和提升儿童青少年脑智发育水平提供重要原理和方法技术支撑。