關於嬰兒神經突觸數量的思考

2015年1月號的《國家地理雜誌》有一篇文章,題為《寶寶的第一年》。文章裡面有一幅圖,是關於人類由出生到二十歲的大腦神經突觸數目變化,其中頭一年的數據被放大顯示。

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圖片來源:《國家地理雜誌》2015年1月號

雖然讀到這篇文章至今已經三年,但這幅圖給我的印象仍然深刻。當中最大的震憾,是突觸的數目最遲在嬰兒滿週歲時就到達高峰並且開始回落。文章裡其中兩段這樣寫:

幼年期的飛速發展,正好和龐大的神經迴路的形成同時展開。新生兒的大腦擁有近1000億個神經元,跟成年人一樣多。寶寶成長過程中會接收到大量感官刺激,神經元也開始彼此連接,等到小孩三歲的時候,已經有了數百兆的神經連結。

像是聽搖籃曲,伸手拿玩具之類的種種刺激與活動,都會協助建立不同的神經網絡,而這些迴路會因為反覆活化的而增強。包裹著神經纖維的鞘是由名為髓磷脂的絕緣物質構成,會沿著經常被使用的迴路而增厚,加速電脈衝的傳送。閒置不用的迴路會因為連結斷開而死亡,這就是所謂的「突觸修剪」。在一到五歲之間、還有青春期初期,大腦會經過成長和精簡的循環,而哪些迴路能夠繼續存在,決定的關鍵就在於經驗。

神經突觸的數目,代表著腦中神經元的連接。連接越多,神經網絡越複雜。嬰兒出生後頭一年的神經突觸遠超成年人,代表著這個時段的大腦可塑性非常高,是學習的黃金時期。嬰兒的經驗幫助建立神經元之間的連結,重複的經驗則會強化這些連結。但是出生一年之後,突觸的數目開始回落,那些沒有得到強化的連結逐漸消失。

從演化的角度來說,把沒有得到強化的連結修剪掉,是十分正常的做法,否則腦部就要花大量的資源去維護一些不常用的功能,常用的功能亦可能受到拖累。不過,這個現象也讓我思考以下問題:

  1. 突觸的數目跟智力和學習能力是否有直接關係?嬰兒的神經突觸遠超成年人,是否可以理解為嬰兒遠比成年人聰明,或學習能力遠高於成年人?
  2. 嬰兒的腦部在一歲前就被定型,這對於兒童的心智發展意味著甚麼?
  3. 如果出生後頭一年的大腦的可塑性最高,那麼我們該如何利用這個黃金時間培育嬰幼童?
  4. 神經突觸的數目二十歲之前一直減少,這對基礎教育的理論有甚麼影響?

由於定位及篇幅所限,文章並沒有進一步探討這些問題。

目前關於智力發展的理論(如經典的 Piaget (1952))都是心理學理論,研究方法以觀察為主。雖然這些理論為兒童心智發展的研究作出了很大貢獻,但是沒有現代神經科學的支持,算不上真正的科學理論。我相信,未來的學習理論必須要基於神經科學。上述提出的問題,有哪些已經能夠用神經科學來回答,有哪些有待進一步探究呢?這是我心裡的疑問。

參考:

Piaget, J. (1952). The origins of intelligence in children. New York: International Universities Press, Inc.

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我們都是外來者

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早期人類遷徙圖(維基百科圖片 http://bit.ly/2cvutQJ

我家族譜裡記載著一則故事:話說我家祖先原籍四川,六百年前輾轉遷到廣東。因言語不通(「有分聲之別」),常跟本地人(廣東人)發生爭執(「常因失和」)。為了覓地興建居所,祖先們向本地人購入閑置土地(「乃將他們的屋或不合居人糞廁之類,全部購買,拆除改新蓋造」)。然而本地人經常暗地裡搞破壞(「他們心仍不足,常在三更半夜,將我們新蓋泥牆推倒」)。為了防範本地人,祖先們把同宗同籍者組織起來防衛(「故糾有同宗同籍者,前來集夜守護,稍可安寧,因此有多姓同居一鄉之由來也」),本地人才停止破壞(「有時擾亂,看見客家人團結,不敢欺負」),故事以本地人移居他處告終(「後來各安份守己,兩不侵犯,他們本地人自動移居別鄉」)。

族譜是家族的歷史。歷史事實只有一個,觀點角度卻因立場而異。寫族譜的人自然不會詆毀自己的祖先,但是在當時的本地人的眼裡,我的祖先無疑是從遠處大批過來搶奪資源的惡人。本地人最終為何移居他處,族譜並未提及原因,但恐怕不會是因為覺得世界很大,想出去走走。

其實遷徙是人類歷史上的常態,小至個人或家族的遷徙,大至一個民族甚至整個人種的遷徙,在歷史上從未間斷。智人 (Homo Sapien) 的祖先走出非洲,遇上守候在歐亞交界的尼安德塔人(Neanderthal),想必也曾進行過激烈的爭奪。土地問題不只是政治鬥爭的工具,也是切切實實的生存問題。尼安德塔人最終滅絕,智人帶著少量的尼安德塔人基因,輾轉到達世界各地。這些遷到不同地方的智人分支,在數萬年間又不斷重演著同一份劇本。突厥人入侵印度和中亞,歐洲人入侵美洲和澳大利亞,趕走或征服原住民,將土地據為己有,都是為人熟知的例子。

有趣的是,外來者經過一兩代時間,就會忘記自己是外來者,並以本土自居,排斥其他外來者,也排斥原住民。因此,這並不是甚麼本土和外來的分別,而只是維護自身族群利益的手段。說到底,從基因和血緣的層面看,除了留守在非洲的智人後代之外,世界上沒有誰不是外來者,只有先來和後來的分別。從生存的角度看,排除異己並沒有甚麼不妥,卻不必以道德高地來美化自己。畢竟在生存的前提之下,人類所做的一些行為,跟禽獸沒有本質上的分別。

夢是一把窺探自己心靈深處秘密的鑰匙

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達利的作品《記憶的永恒》

 
胡適說過:「人生應該有夢。」所以我經常發白日夢,晚上的夢更多。

弗洛伊德在《夢的解析》裡指出,夢是一大堆心理元素的堆砌物;這是心理學解夢的基調。神經科學家(neuroscientist,即研究神經科學的科學家,不是有神經病的科學家)則比較關心腦部在發夢時在做甚麼。這些科學家認為,發夢是大腦趁著睡覺,組織和整合日間所接收到的訊息,可以視為一種學習過程。

大部份人醒來之後都會把大部份的夢忘記,甚至不記得發過夢。但只要我對夢還有一些印象,就會盡量記下細節。久而久之,我有一個關於自己夢境的資料庫。沿著心理學家和神經科學家的思路,我把這些夢境跟前幾天的經歷對照,往往發現很多內容都有迹可尋。甚至,有時有一些日間不自覺的、一瞬即逝的想法,一些我以為早就忘記了的念頭、一些內心深處的願望,也會在夢中重現,夾雜其中一起出現的還有久遠的記憶。這些在夢中被喚醒的記憶往往被扭曲,有些似乎不相關的事情被串連起來。我個人覺得,西班牙畫家薩爾瓦多·達利(Salvador Dalí)的作品,很能表現這種夢的味道。

不過要記夢也不容易。似醒非醒的時候,夢境還很清晰。但當我開始做筆錄,關於夢的記憶就會大片地消失(或隱藏),有時要一段時間才偶爾記起。不過只要做了筆錄,即使隔了很久,還是可以回憶起夢中的細節,好像一把窺探自己心靈深處秘密的鑰匙。所以,如果不想這些秘密被人知道,千萬不要隨便透露夢的內容。

延伸閱讀:

如果人類長生不老

如果全人類長生不老,滅絕之期就不遠了。

長生不老一直是人類的夢想。但是如果人類真能以科技延續生命,可能反而是滅頂之災,還會連累其它生物。

不是說大自然法則就不能以人力改變,但是汰弱留強的機制對物種的生存有著關鍵意義。任何生物只要生存就要耗用資源,大自然以殘忍的方式淘汰老弱者,讓倖存的個體有足夠的資源生存和繁殖,整個物種在天擇 (natural selection) 過程中變得更加適應環境,這是達爾文演化論的基本原理。

長生不老意味著人類打破了天擇的機制。假設全人類都能以抑制細胞老化的方式達到長生不老;這裡撇開了社會不平等和長生不老會否導致心靈空虛等問題不論,生物學上至少意味著個體的基因無論強弱都能完整地保留下來,甚至遺傳到下一代,短期結果必然是人類停止演化且人口迅速增長。長遠而言,抑制老化並不意味著可以抑制進食和呼吸等其它生命需要,人類的各樣需求迅速增多,競爭比之前更加激烈,社會也比之前更加不平等,大規模的動亂和饑荒必然會發生。為了滿足生存需要,人類也會加速掠奪地球資源,導致生態失衡。當其它生物發生大滅絕,人類亦難獨善其身。人類以為打破了天擇,天擇卻以更為激烈的方式反撲,最終令大量物種同歸於盡。

除非人類停止生育,或者能夠以其它方式解決生存資源的問題,否則長生不老的結果將是毀滅性的。這樣看來,當我們這一代人老去,還是由得我們壽終正寢比較好。這樣說雖然很殘忍,但為避免下一代跟我們同歸於盡,我們至少算是死得其所。

觀星

Image source: http://goo.gl/AzHeCy (CC BY-SA 2.0)

夜空中的銀河系 (Image source: http://goo.gl/AzHeCy (CC BY-SA 2.0))

古人舉頭望明月,今人低頭看手機,錯過了夜空中不少精彩的畫面。

觀星本來是簡單不過的事情,但古人運用想像力創造了星座,配上故事,便形成一段段淒美的神話。其中古希臘人的故事最為精彩;劇情通常是眾神之神宙斯包養了二奶並生了私生子,給他妒忌心重的老婆發現了,引發家庭暴力,結局往往是宙斯將半死或全死的二奶和私生子升上天空變成星座云云。希臘人把神祇塑造成人性的投射,讓衪們帶著塵世間的七情六慾來統治這個世界,也讓滿天星宿充滿傳奇色彩。即使離開了這些故事,只要想像在那沒有光害的年代,身處大草原之上,四週被繁星包圍,美麗的銀河橫空而過,那將是多麼扣人心弦的圖畫!

望向漆黑的夜空,在虛無的深處,便是宇宙的盡頭。一百三十八億光年以外的地方,埋藏著宇宙的終極奧秘。那漫天繁星中的隨便一顆,也可能是比地球大得多的恒星,時刻進行著狂暴的核聚變反應。恒星旁邊也許圍繞著孕育生命的行星,那裡的生命說不定正以相同的眼光跟我們遙遙對望呢!

獵戶座是全天空最容易辨認的星座之一。在獵戶座的肩膊上有一粒相當明亮的星,名為 Betelgeuse α,中國天文學中名為參宿四。留心看的話,可見此星呈紅色,在夜空中格外詭異。這其實是一顆超級紅巨星,質量可能高達太陽的二十倍,距離地球約六百光年。此星年齡估計不到一千萬歲,比四十六億歲的太陽年輕得多,但它已快要到達生命的盡頭,因為用來進行核聚變的氫原子已經耗盡。恒星質量越大燒得越快,燒得越快壽命越短,這是鋒芒盡露之必然結果。但是如果它的質量足夠大,臨死一刻還可以轟轟烈烈的來一次超新星大爆炸,餘下的物質會變成中子星或黑洞,像幽靈般繼續守候在宇宙中某個角落。

人類對宇宙充滿好奇,卻只能擠在一顆微塵之上,觀察這可望而不可即的廣闊空間。饒是如此,從公元一世紀托勒密的地心說,到哥白尼的日心說、開普勒三大定律、牛頓萬有引力定律、愛因斯坦相對論,人類透過收集宇宙各處傳來的信息,正一步步揭開宇宙的神秘面紗。人類立足地球,放眼穹蒼,一代一代人以卑微的身軀和智慧,把目光投向宇宙盡頭。這又是渺小還是偉大呢?

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獵戶座

世紀洪災

Rising Seas - Graphic: Rising Seas

海平面升幅記錄及預測 (Credit: NGM)

2013年9月份的《國家地理雜誌》刊登了令人擔心的數據。按科學家預測,由於全球暖化,未來數十年全球海平面水位仍會持續上升。在 2100 時,預計平均升幅由 0.6 英呎到 6.6 英呎不等。而且,因地球自轉及水文因素影響,水位上升的幅度處處不同,一般來說較接近赤道的熱帶及亞熱帶地區升幅較大。由於人口密集的城市大多集中在這些地方,這亦意味著龐大的經濟損失甚至生存問題。

來源:“Rising Seas", National Geographic Magazine (September, 2013)

海平面上升200公尺會怎樣?

香港群島想像圖

海平面上升200公尺會怎樣? — Google Earth的多邊形功能可以模擬海平面上升的情況。圖中所見,除了青山會變成青島之外,香港的大部份市區都將在水底之下。

幸好這種大洪水不會在現實中出現。根據數據,由上一次冰河時期的高峰到現在,海平面也不過上升了130公尺左右。即使現在極地的冰全部溶解,也不會再上升超過100公尺。而按IPCC估計,未來100年的海平面上升幅度應該不會超過1公尺。雖然戈爾強調海平面上升的問題,但我們在被洪水淹死之前,應該早就亡於其它全球暖化所導致的生態災難。