能可塑性的认知神经心理学研究进展

1044 中国康复医学杂志，2007年，第 22卷，第 1 1期 Chinese Journal ofRehabilitation Medicine， Nov．2007， Vo1．22，No．1 1 · 综述 · 大脑高级皮质功能可塑性的认知神经心理学研究进展 郑秀丽 敖纯利 沈 抒 谢欲晓 z 尹文刚 1 大脑是中枢神经系统的重要组成部分 ．每时 每刻都在通 过脊髓、外周神经系统及其他通道和躯体各部分进行着信息 交换，是人的意识、智慧和行动的源泉。在蓬勃兴起的脑科学 研究领域 ，脑功能可塑性的研究是亟待发展 的一 项前沿的交 叉研 究内容 ，这一研究需 要在认 知神经心理学 、临床 神经 心 理学、失语症学、神经康复学等领域内集成进行。 l 大脑 高级皮质功能可塑性的概念及研 究方法 大脑可塑性是指大脑可以被环境和经验所修饰，具有在 外界环境 和经验的作用 下不断塑造其结构 和功能 的能力．分 为结构可塑和功能可塑。大脑 的结构可塑是指大脑内部的突 触 、神经元之间 的连接可 以由于学 习和经验的影响建立新 的 连接。从而影响个体的行为。大脑的功能可塑性．一些观点认 为可以理解为脑损 伤患者在经过学习 、训练后脑功能 在一定 程度的恢复和代偿 ．也 表现 为正常人通过学 习和训练．大脑某 一 代表区的功能可 以由邻近的脑 区代替II1。最近 的一 些研究 则认为 ．大脑 的功能可塑性 是指 大脑皮质并非 以代表区的形 式存在 ，而是以网络的形式存在 ，并且这些高级网络不是固 定的而是动态地保持着 ．越来越 多的神经心理学研究表 明 ． 大脑的这种功能可塑性更具体地体现为大脑高级皮质功能 的可塑性 ，即在失语 、失用 、失认等高级皮质功能障碍的康 复过程中的大脑可塑性 。 近年来．认知神经脑成像研究技术已为探讨大脑高级皮 质功能可塑性的神经基础研究提供 了粗略 的框架。在较长时 期关 注了静态认知过程的神经基础之后。现 在许 多研究者越 来越关注由康复和发育所引起的神经系统的变化。目前关于 脑可 塑研究性 的一个重要趋势是，将 皮质结构与高级功能可 塑性 的映射关 系进行整合。 脑可塑性研 究中常 用的两 种实验 方法是纵 向研 究和横 向研究 。纵 向研究方法是指在实验研究 中考察的是同一个 个体 ．这种方法应用于脑损伤患者时，通常用于考察康复不 同阶段 (通常取 3个月 内和一年 以后 )脑区的变化 ，一般大脑 可塑性实验研究采用个案的纵 向研究方法 。横 向研究是在不 同个体之间比较脑区的变化，应用于脑损伤患者时，通常取 实验组和正常被试的对照组．以考察功能代偿与损伤部位的 关系。纵向研究的优点在于这种方法适用于研究脑损伤患者 在康复不同时期大脑损伤 区域活动特点的变化 。横 向研究侧 重于研究不同个体在执行某一任务时大脑皮质代表区活动 特点的变化。 如今 ．对脑可塑性的认知神经心理研 究强调与临床神经 康复的结合 ，以康复作为载体来反映大脑高级皮质功能的可 塑性．参照正常人的认知系统模型及其组成部分，对个体的 认知功能障碍做具体 、详细的分析 ，找出功能缺陷的主要环 节．并在此基础上制定出针对性很强的康复策略，康复策略 主要针对障碍的主导环节展开，以修复或代偿被损伤、破坏 的认知组件。研究的领域主要涉及脑损伤患者的语言障碍、 记忆障碍、视空间功能障碍、结构性障碍、半球切除与认知功 能障碍、儿童神经心理障碍 。 2 国内外研 究概况及发展趋势 脑 的器 质性病 变 ，如 脑卒 中 、肿瘤 、外 伤等 ，往 往会造 成 患者在一些高级皮质功能方面出现障碍．亦即神经心理障 碍。这些障碍给患者的日常生活带来了相当的困难．并且成 为患者回返工作的主要问题。对这些高级脑功能障碍进行的 研究是大脑高级皮质功能可塑性研究领域中的重要课题。 目前 ，基于认知 神经 心理学 的研究 发现 ．影 响大脑 高级 皮质功能可塑性的主要因素有：时间、年龄 、利手 、病变部位 、 病变性质等 。就时 间而言 ，可塑过程一般在初期发展较快 ．以 后 则趋于迟缓 。就年龄而言 ．一般年龄越轻 ．可塑性越强 ．但 是年龄与可塑之间的关系并不这样简单．只有在排除了其他 因素之后 才可得 出结论 。就利手而 言 ，临床 多发现左脑受损 而出现失语的左利者比右利者康复效果好．可塑性更强．原 因一般被归结 为左 右利 者大脑半 球偏侧化程度 的不同 ．且 左 利者 多有 右脑代偿 的优 势。就性 别而言 ，女性患者 的失语 程 度常比男性患者为轻，且康复效果也好 ．原因多与大脑两半 球 的性别差异有关。就病变部位 而言 ，高级功能(特别是与言 语有关的方面)的障碍．多见于大脑左半球的损伤，且康复也 较右半球 损伤为慢。就病变性质而 言，脑外伤患 者高级功能 的康复效果比脑血管病、脑肿瘤以及退化性脑病者要好l 。 在动物实验 中 ，一项对成 年大 鼠的研 究发现 ，如 把两个 相邻的面部触须黏合在一起 ，并剪短其余的触须 ，以便为被 粘合的触须提供同时的自然刺激，数天后测定其皮质代表 区 ．发 现被粘合 的触须皮 质代表 区与对照 触须相 比明显增 大 ，尤其是该触须代表 区的汇聚部分面积可增 至对照的 5—6 倍[61 一项探讨实验性大鼠大脑皮质梗死后同侧纹状体、丘脑 及对侧脊髓前 角的神经结构可塑性 的研究发 现 ：大 脑皮质梗 死后早期远 离梗 死灶的相关神经组织有 明显的可塑性 ，后期 神经细胞继发性死亡且可塑减缓 。对于鸣禽的一项研究发 现 ：其脑 内负 责发声 的核团具有 显著的可塑 性 ，唱歌 可 以增 加脑内音乐核团的体积。鸣禽的发声核团的体积可以随雄性 鸣禽荷尔蒙状态的不同有显著改变，在生育季节 ，发声核团 (尤其 是高音部分 的核团 )会有显著变大l 。 一 系列关于成人 的研究发 现 ，大 脑的容量不仅取决 于神 经元 的数量 ，更重要 的是取决在一 生 当中随基 因程 序和生活 经验而发展起来 的神经元之间的功能连接。对 于正常人脑而 l 中国科学院心理研究所心理健康重点实验室，中国科学院研究生 院 ．北京．100101 2 中日友好医院物理康复科 作者简介：郑秀丽，女，博士在读 收稿日期：2oo7一O3一O8 维普资讯 http://www.cqvip.com 中国康复医学杂志，2007年，第22卷，第 11期 Chinese Journal ofRehabilitation Medicine，Nov．2007， Vo1．22．N0．11 1045 言，大脑高级皮质功能可塑性是学习和经验累计的结果 运 动技 巧的学 习和丰富环境 的因素可 引起突 触数量 的增加 和 树突的增长，学习和经验使高级皮质代表区增大191。皮质代表 区可塑性是指感觉 、运动 、语 言 、认知等 功能在大脑皮质具有 各 自的功能代表区，并且它不是固定不变的．而是一个动力 学结构Ilol。经验或训练可以重组皮质代表区的精细结构⋯I。经 验依赖性的结构重组可以用来解释某些智能和运动技巧的 获得 ，因此所有 的脑损伤患者 只要 及时接受正规 的功 能训练 都会收到很好疗 效 。这是近年来脑 可塑性理论引发 的一场医 疗革命『l2I。脑损伤的康复治疗有助于大脑受损神经环路的重 新连接 ，根据特定环路联 系间的受损 程度给 出了系列 治疗的 建议 ，较轻的联系的受损可以通过大脑的自动康复来修补， 较重的受损则会 显著造成大脑功能 的损伤l13】．这就需要 有效 的方法来进行训练 ，这些 训练项 目直观地验证 了大脑高级皮 质功能的可塑性 。 近 20年 的认知神经影像 技术也为研究 大脑 高级皮质功 能可塑性 提供 了有效 的工具 。脱氧葡萄糖 PET通过脑组织 对脱氧葡萄糖摄取量的不同来测定不同部位的葡萄糖代谢 率，并可以借助不同的放射性示踪剂来反映局部脑组织的脑 血流、脑代谢、脑受体和药物动力变化．为在活体直观地研究 脑功能重塑提供了有力武器H5I。Karbe H 等 对脑卒 中后 昏迷 患者进行静息状 态和词语重复状态下 的 PET研 究．发现左侧 辅助运动区在脑卒中的亚急性期起了最主要的代偿作用，在 左侧大脑半球语言中枢受损的状态下启用右侧的区域进行 语 言功能 的代偿 。Mariacristina[’ 用 PET对失语患者进行的研 究揭示了右半球在失语患者的康复中发挥着作用，此外，由 专 门训练引起听理解能力 的提高与脑功 能重塑有密切联 系。 m RI由于无创性 、可重复性 、无辐射 ，也是一项被广泛应用 的 研究技术 。应用此技术 的研究显示 ，中枢神经 系统因不 同病 因受 到损伤后 ．皮质重塑 的变化 与神 经系统 的破坏 程度相 关，这种重塑性也有助于减轻脑损伤所带来的临床后果。相 应 的，皮质适应能力的耗竭也可能是造成某 些固定 的神经 系 统功能缺陷的原因Il81。采用经颅骨磁刺激新技术能够在无创 条件下 刺激人的运动皮质 ，为了解人 的运动皮质可 塑性 提供 了十分宝贵的资料。研究表明 ，刺激 后天性上肢截 肢患者的 运动皮质能引起一种早 已丧失 的手正在运 动的感觉 ，而先天 性截肢患者则并无这种感觉161。Lee DS等I 时 先天性耳聋患 者进行研究．发现耳聋患者存在上颞叶和下额叶功能脑区的 低代谢 ．随着年龄的增长，患者可以通过体式语言感受外 界 ．在植 入内耳助 听器前 ，耳聋患 者可 以通过 体式语 言来激 发颞 叶的听觉 皮质 ．而在植入 助听器后 ，可以借助 内耳助 听 器来兴奋 内耳 神经 ．从而在一定程度 上激发脑 内颞 叶的听觉 皮 质．这种现象称 为“跨感受模 式的脑皮质重塑” 1。同样的 现象出现在先天性 盲的患者脑 内，Braille阅读可 以激 发视觉 皮质，但当 Braille阅读时给予经颅刺激 ，则可影响视觉皮质 的 激活．使 Braille阅读能力降低1221。此外，在一项对睡眠和记忆 以及大 脑可塑性 的研究 中 ，Matthew P Walker等㈣指出了 睡 眠对于脑功能可塑性的重要作用 ，在睡眠过程中脑内可进行 记忆编码 、记忆巩 固 、大脑重 塑 、记忆再巩固等重要 步骤 。 还有一部 分特定 的研究 旨在揭示儿 童大脑 高级皮 质功 能可塑性机制，例如通过研究大脑半球可塑性和儿童语言的 发育，探讨海马一颞叶与记忆的关系，从而建立脑与行为的模 式 。关于童年早期脑外伤 的脑可塑性研究 ，一些人认为 由于 发育中大脑的可塑性更强，因此儿童早期脑外伤后应该康复 得很 好 ，另一些 人则认为儿 童早期大脑很 脆弱 ，脑 外伤 容易 导致 一系列的损伤 。一项 旨在检 查童年早期脑外伤后果的实 验 ，选取 3组儿童 (轻 、中 、重伤 )，2．0—6．11岁 ，组 间对伤前 的适应性 、行 为功能 、心理社 会因素 、年龄 、性 别均进行 了 比 较 ，绘制 出伤后 30个月的恢复和脑可塑性情 况。结果显示 ： 这些因素与儿童脑外伤后高级皮质功能的可塑性之间有很 强的相关 ，重 伤组 中，伤前低 的社会适 应性和 家庭贫 困者的 儿童 ，在伤后几年的时间内，日常技能的恢 复效 果都最差 。 3 展 望 尽管神经心理学有成熟的测量方 法 、神经脑成像有先进 的技术手段、神经心理学与神经康复医学义取得了前述众多 的研究进展，但真正把 者结合起来对大脑可塑性机制进行 系统性研究 的方式还是鲜 见的 ．需要更 多具有开创性 的研究 思路来进行完善。因此．利用认知神经 fi,理学的研究方法结 合认知脑成像、神经计算机模拟等先进技术手段 ．围绕大脑 损 伤结构 、部位 、时间 、性 别与认 知功能之 间的联结关 系 ，用 “双重分离”的研究方法．对个体的认知功能障碍做具体、详 细的分析 ，找 出功能缺 陷的主要环节 ，探 查认知 组件 和高级 皮质功能的可塑性机制．是今后进一步研究的重要课题。深 入研究特定认知功能的康复历程．以及康复历程中具有可塑 性 的认知组块和环路 ．在精细的实验控制条件下得 出的研究 成果可以在结构 和功能层面上深入揭示脑的可塑性 机制 。 参考文献 【1] 郭瑞芳，彭聃龄．脑可塑性研究综述 【J1_心理科学，2005，28(2)： 409—4l1． 『21 尹文刚．神经心理康复的理论和实践【C1．中国康复医学会议．北 京．1996． 【3] Poldrack RA．Imaging brain plasticity：conceptual and method— ological Issue-a theoretical review fJ]．Neumlmage，2000，12：1一 l3． 【41 尹文刚．脑功能康一认知神经心理学的临床应用(一)IJ1．中国康 复理论与实践，2002，8(7)：396--397． 【51 尹文刚．脑功能康复一认知神经心理学的临床应用(二)IJ1．中国 康复理论与实践，2002，8(9)：562--565． 【6] 高波，刘树伟．大脑皮质可塑性的研究进展【c]．首届全国功能神 经影像学和神经信息学研讨会论文汇编．2003，67—71． 【7] 曾进胜，李华，范玉华．实验性大脑皮质梗死后中枢神经系统相关 部位的神经可塑性IJ1．中国康复医学杂志，2002，l7(2)：69—71． 【8】 Elizabeth Adkins-Regan．Activity dependent brain plasticity： Does singing increase the volume of a song system nucleus[J]． Behavioral Neuroscience，2005，1 l9(1)：346—348． 【9] Nestor A Bayona，Jamie Bitensky，Robert Teasel1．Plasticity and reorganization of the uninjured brain 【J]．Topics in Stroke rehabilitation，2005，12(3)：1． 【10] Bao S，Chan VT，Merzenich MM．Cortical remodeling induced by activity of ventral tegmental dopamine neurons IJ1．Nature， 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．目前大量的研究已表明这两种细胞因子的外周循环 浓度运动 后无 变化或变化很小 ，出现延迟性增 加。一些研究 在运 动后检测不到 TNF一0【．另外一些 报道运动后 TNF一0【浓 度升高口 J。采用 RT—PCR法测定 7名男性受试者进行最大跑 台运动应激实验 后外周末梢血 中直系 TNF一0【的基 因表 达水 平显著下降141．这与以前在血清水平或离体实验中观察到的 结果相反。8周步行锻炼使口服普伐他汀药物期的血脂异常 患者运动后血清IL—lB、TNF一0【水平显著降低【51。持续 8周，3 天，周 ， 自愿车 轮跑运 动使 7周龄 BALB／c系 鼠运动后 腹腔 巨噬细胞 由脂多糖(LPS)诱导的 IL一1B产生和脾淋巴细胞 由刀豆蛋 白 A(Con A)诱 导的 IL一2产 生均 显著高于安 静对 照组 。适度运动升高感染单纯性疱疹病毒(HSV一1)的老年鼠 HSV一1特异性 Th1细胞因子 IL-2的水平 。但也有报道运动 后 IL一1水平没有变化 或降低㈣。 大量报道显示 不同强度运动后 IFN一 增加 ”1。适度运 动增加感染 HSV一1的老年 鼠中 HSV一1特异性 Th1细胞 因子 IFN一 的水平m。受过 良好训练 的划船运动员进行大强度运动 后由抗 CD2／抗 CD28单克隆抗体刺激的 IFN一 分泌物显著 上升l121。不 同负 荷训 练均 上调 IFN一 mRNA 的表 达 ，存 在 不一致的原因可能在于 IFN一 的分泌除 了在 翻译水平调 节 外。可能 还有 其 他水 平或途 径 的调 节191。也有报道运动后 IFN一 水平没有变化n”J或降低【 。 1．2 运动对 IL-6的影响 I 6主要调 节 T细胞和 B细胞 的功能 ，诱导 急性 期反 应 。尽管早期研 究一直认为 IL一1是 运动导致 血浆 活性 改变 的原因．但可能存在其他未检测到的细胞因子『11。当时的检测 l 沈阳体育学院，110102 作者简介：于洋，女，教授 收稿日期 ：20o7一Ol一3O 加 4 5 6 7 8 9 维普资讯 http://www.cqvip.com