王道還譯作

【腦專輯】適當訓練可強化大腦功能   腦子越用越靈光，不用就生鏽。             

撰文╱霍洛韋（Marguerite Holloway）

Visiting Assistant Professor of Journalism and director, dual-degree program in Journalism and Earth and Environmental Sciences

B.A., Brown; M.S. Columbia. Staff writer, P & S Journal; reporter, Medical Tribune; editor, news editor and contributing writer, Scientific American; contributor to The Nation, New York Newsday, The Village Voice, Audubon, Mother Jones, Natural History, Science, Wired, Business Week.

myholloway@earthlink.net

翻譯／王道還

美國哈佛大學人類學博士候選人，中研院史語所助理研究員，專長為生物人類學。

dwang@sinica.edu.tw

突觸（synapse）是大腦可塑性的最基本層次

    美國加州大學舊金山分校的尼柯爾（Roger Nicoll）認為：「『可塑性』是神經科學中最受濫用的字眼。」他的實驗室正在同校備受爭議的神經科學家莫山尼奇（Michael M. Merzenich）的對面。現在，大腦的任何變化，都說是「可塑性」，不管是化學上的變化，還是新神經元的形成（這叫「神經新生」），或者是較大區域的「功能重劃」（remapping）。然而，可塑性最基本的層次，是尼柯爾正在研究的「突觸」[1]。突觸是神經元以化學物質為訊號互相溝通的地方。學習可強化神經元之間的連結，一方面創造更多的連結，另一方面也加強它們的化學溝通能力。這些變化把涉及某個動作、感受或者念頭的神經元串接在一起，有句俏皮話"Neurons that fire together, wire together."（可以譯做「神經元一齊開火，一齊串連」就是指這個現象。神經可塑性必須從突觸的層次開始，否則一切免談。

成年人的突觸仍有可塑性

    直到1960年代中，大家還認為成年人無法形成新的突觸，一旦大腦停止發育，神經元的連結就凍結了。後來，科學家才發現事實並非如此。舉例來說，當年英國牛津大學的雷斯曼（Geoffrey Raisman）與費爾德（Pauline M. Field）證明了：成年人的突觸具有可塑性。其他人發現環境與經驗都能影響大腦，令人矚目，例如美國加州大學柏克萊分校的羅森茲威（Mark R. Rosenzweig）、伊利諾大學的葛里諾（William T. Greenough）領導的研究團隊。葛里諾證明了，要是訓練大鼠從事具挑戰性的任務，或將牠們放入「複雜的環境」中（他說，不過是在籠裡放些好玩的玩具罷了，「當然比不上牠們在自然環境中所面對的智力挑戰。」），大腦裡都會形成新的突觸，不管成年了沒有。這些新的突觸或者強化記憶，或者強化運動協調能力。

「豐富型環境刺激」活化大腦

    這些針對演練效果所做的研究，以及後來叫做「豐富型環境刺激」（透過玩具與作業提供刺激）的研究繼續開花結果，許多人正在尋找臨床應用的竅門。刺激與演練使大腦受傷的大鼠復原得較快；最近的研究結果也顯示，帶有杭丁頓氏症基因的小鼠，要是生活在複雜的環境中，發病時間就會延後。葛里諾與其他研究人員認為，這些效果不只是新突觸導致的，還有新生的血管以及新生的星狀細胞（astrocyte，負責清理大腦中的過剩物質，例如鉀離子，使神經元處於最佳環境中）。這些情境下，包裹在神經軸突表面的髓磷脂（myelin）也強化了，而這種脂質的神經鞘是神經纖維的生存與傳訊所不可或缺的（譯按：多發性硬化症就是神經鞘剝落的結果）。

成年大腦不變仍為主流

    發現突觸具有可塑性之後，科學家開始評估大腦在更大的尺度上是否具有可塑性，例如整個神經網絡或大腦某個區域。不過，這個想法並不新鮮。19世紀末、20世紀初，有幾位科學家就主張大腦會因經驗而重新形塑。例如詹姆斯（William James, 1842~1910）就假定大腦會不斷地受經驗改變。1920年代時，拉胥里（Karl Lashley, 1890~1958）發現，猴子的運動皮質似乎每個星期都會變化。直到1970年代，仍有人從事同樣的研究；但是主張成年大腦是固定而不變的科學家居主流地位，他們發現，大腦只在嬰兒期與兒童期早期，亦即所謂的「關鍵期」，才會發生大規模變化。莫山尼奇評論道：「宗教[2]是從主流發展出來的。而主流認為：大腦像個計算機，重要功能在關鍵期已經建立了。」

實驗證明大腦皮質的運動

    1980年代，莫山尼奇與合作者進行了一系列實驗，包括美國田納西州范德比爾特大學的卡斯（Jon Kaas），他們揭露了：成年猴子的運動皮質會發生變化。大腦皮質位於大腦外層，上面有負責處理觸覺、運動、聽覺、視覺等感官資訊的區域；人類的大腦皮質還有負責語言與推理能力的區域。有一個實驗，是將猴子的手指切下一根，結果牠大腦皮質運動區由那根手指驅動的區域，不久之後就對傳遞鄰近手指資訊的神經元有反應了。可見皮質上原先負責那根失去的手指的區域，正在監控與處理鄰近手指的資訊；就像一塊棄置的土地，很快就會遭鄰居佔用。莫山尼奇回憶道：「那個實驗結果把我給喚醒了。」

    這是莫山尼奇以猴子做的經典實驗，證明大腦皮質具有可塑性。首先，他將猴子身上負責手指或手上某個部位的神經切斷。他發現，大腦皮質上的對應區開始對先前它不負責的區域有反應。而且，那個皮質區對應的身體區域會逐漸擴大。

    整個神經科學社群也都驚醒了。加拿大列斯布里治大學領導神經可塑性研究的科爾布（Bryan Kolb）回憶道：「莫山尼奇是第一位從事這種研究的學者，證明這些神經功能區會改變，我驚訝極了。那時大家認為大腦是根據基因藍圖建造的，沒有人想到會在大腦上偵查到規模那麼大的變化。」

大腦皮質重劃規模可以擴大

    不過，佔領「無主土地」的都是緊臨的鄰居，來自幾公釐之外。到了1991年，科學家發現了幾公分外來的佔領軍。這個發現的基礎，是許多年前由陶布（Edward Taub）所奠定的，現在他在美國阿拉巴馬大學伯明罕分校任教。當年，陶布切斷了幾隻猴子的手臂神經，再觀察牠們的大腦。可是他被迫放棄了那個研究，因為主張動物權的人士控告他虐待動物，就是著名的「銀泉猴案[3]」。有一陣子，他的研究完全停擺。

    許多年後，美國北卡羅來納州威克富瑞斯特大學醫學院的彭斯（Tim P. Pons）與陶布等人，研究當年從陶布實驗室裡搶救出來的猴子，發現了令人驚訝的結果。那些猴子的手臂都殘廢了，可是牠們大腦皮質上原來處理手臂訊息的區域，現在接收的是面孔捎來的訊息。范德比爾特大學的艾布納（Ford Ebner）解釋道：「那些猴子大腦皮質功能重劃的規模，過去學者都認為是不可能的。那是另一座里程碑。」很明顯，成年大腦是個有活力又有效率的地主，絕不容許空間閒置。

    過去20年，以猴子做的研究與從人類得到的證據，已經可以互相印證。現在，大腦皮質具有可塑性已是公認的成年大腦特徵。科學家研究喪失一肢的人，發現原先負責斷肢的皮質區域，後來處理來自殘肢或顏面的訊息。演奏弦樂器的音樂家，支配按弦手的皮質區比支配拉弓手的來得大，而且最常用的手指佔用了最大的區域。習慣閱讀點字的人，手指接觸點字時激發的是視覺皮質。

利用至療程？

    這些證據都能互相印證，而莫山尼奇、陶布和其他學者正在思考如何利用這些發現，以協助各種腦傷與失能病人。莫山尼奇說：「我們知道，大腦終生都有可塑性，不管是孩子還是大人。那個結論引導我們問一個簡單的問題：我們能不能驅動一個年紀較大的腦子，朝著有療效的方向變化？」

「限制－誘導」運動療法幫助大腦皮質變化

    大腦能憑著自身的可塑性恢復功能嗎？到目前為止，最堅強的證據來自陶布與同事自1980年代起研究的中風病人。在更早的實驗裡，陶布發現，手臂的神經給切斷的猴子，要是以電擊強迫的話，還是能夠移動那隻手臂。現在，因為中風而喪失運動功能的病人，也能學會再度利用手臂的方式。陶布與德國耶拿大學的密爾特納（Wolgang Miltner）、康斯坦茲大學的埃爾伯特（Thomas Elbert）合作，在實驗中限制中風病人的正常手臂，讓病人密集訓練癱瘓的手臂，一天幾個小時，一連兩個星期。結果，他們成功迫使病人再度使用看來像是癱瘓了的手臂。這叫做「限制–誘導」（constraint-induced, CI）運動療法。陶布說：「根據同行公認的看法，中風一年之後再進行治療，不可能恢復功能。」可是有些病人已經能夠再度有效使用手臂了，甚至包括那些20幾年前就中風的人

「限制－誘導」運動療法（CI）實驗

CI用於中風病人

    病人復原的情形還反映在大腦皮質的功能重劃上。陶布指出：「CI療法徵用了皮質受損區附近的大片區域。」其他的研究團隊也觀察到同樣的現象，而現在許多醫院都已經採用CI療法了。最近，美國伊利諾大學芝加哥校區的希爾（Daniel B. Hier）完成了一個研究，指出另一種形式的復健也能夠使中風病人的皮質功能發生變化。

CI研究未完備

    雖然已有許多機構採用CI療法，並發展出各種不同的形式，許多專家寧願等待進一步研究的結果，不願現在表態。美國國家衛生研究院已經撥款支持CI療法的研究，將在六個地方進行臨床實驗。美國國家神經學疾病與中風研究院的格拉夫曼（Jordan Grafman）評論道，當務之急是驗證療效，他說，研究人員必須知道「CI療法對哪些病人有效、哪些病人無效，以及受傷後多久必須接受治療。必須進行的研究太多了。」

CI用於失語症患者

    陶布、埃爾伯特與同事已經著手以CI療法治療腦性麻痹的兒童。他們也成功地協助因中風而喪失說話能力的病人。這些失語症患者得重複練習某些語音，一天好幾個小時。他們與接受運動治療的病人不同，身體不受任何「限制」；他們只是接受密集的語音訓練。

CI用於肌張力不全症

    陶布與莫山尼奇、同樣也是加州大學舊金山分校的白爾（Nancy Byl）等人，便使用同樣的療法，協助音樂家與工人恢復特定手指的使用能力。有時候，人們一直連續而快速地使用各個手指，大腦皮質上控制不同手指的區域，邊界就會模糊。一根手指的區域併入了另一根手指的區域，結果就是手部「肌張力不全症」（dystonia）：想伸出一根手指，結果另一根或其他幾根都伸了出來。研究人員說，要是針對每根手指設計不同的動作，反覆練習，就能恢復原先的功能邊界。

CI所衍生的「快語」

    莫山尼奇也注意到兒童與成人的語言障礙及閱讀障礙，不過他在這方面的研究招徠了敵意與疑慮。1990年代中，他與美國路特格大學的塔拉爾（Paula Tallal）合作，成立「科學學習公司」，製作、銷售一套以電腦操作的訓練學程，叫做「快語」（Fast ForWord）。他們的點子分別源自自己過去的研究。「快語」是為有語言處理障礙的孩子設計的：先以慢速播放語音，例如"ba"，使孩子能夠很快學會分辨"b"與"ah"是不同的聲音。訓練以遊戲的形式進行，那些遊戲可以持續很久，每星期20小時，一連幾個月。在幾百次重複練習中，這些語音會逐漸加快，最後，孩子能學會分辨正常速度的語音。根據他們今年3月初在《美國國家科學院學報》（PNAS）上發表的報告，有閱讀障礙的孩子經過「快語」訓練之後，不僅閱讀能力改善，連大腦都改變了，因為處理語言的區域變了。

附註：

1.      「突觸」105年紀念。「突觸」（synapse）這個字在2002年時就105歲囉！突觸這個字第一次出現是在 1897年的生理學教科書（A Textbook of Physiology）的第三部：中樞神經系統。這本書是由 Michael Foster 著作， 並由Charles S. Sherrington 協助完成。這是  Charles S. Sherrington 製造的名詞。"synapse" 源自希臘: "syn" 意思是一起 "together" ，而 "haptein" 意思是 『緊握』。

2.      原文為“The religion developed from the main stream, ”在本文，我認為應翻為「大眾的信仰是從主流發展出來」

3.      1981年5月，22歲的帕契哥（ Alex Pacheco）還是喬治華盛頓大學3年級的學生，來到位於馬里蘭州銀泉市的「行為研究所」（ Behavior Research Institute）實習，他發現老闆陶伯博 士 Dr.Taub對實驗室裡的17隻猴子非常殘忍，不但很少治療實驗所留下的傷口，任猴子們自生自滅，還砍了隻猴子的手當紙鎮；4個月後，帕契哥終於說服警方突襲陶伯的實驗室，救出17隻猴子。

4.      科學人網站  http://sa.ylib.com/

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