從青少年到成年的發育成熟過程中,人類大腦皮層的體積是逐漸減少的,但最新研究卻發現,負責人臉識別的梭狀回在不斷增長。

對於社會性動物──人類來說,社交的重要性不言而喻,而社交活動中必不可少的技能就是要認清別人的臉。不幸臉盲的話,真是會窘態百出。人似乎天生就對人臉的結構比其他圖形更為敏感,小嬰兒出生不久,就會對人臉格外感興趣了。這項技能甚至會過度應用到生活中——你有沒有在牆上、家具上、蔬菜上看到人臉圖形的經歷?

針對這麼重要的認知功能,大腦不敢馬虎,專門指定了一個負責人臉識別的腦區,叫做梭狀回(fusiform gyrus)。此前被科學界廣為接受的事實是,從青少年到成年的發育成熟過程中,人類大腦皮層的體積是逐漸減少的,但最近《科學》(Science)期刊上的一個新研究卻告訴我們,負責人臉識別的梭狀回愛搞怪,從兒童到二十多歲的成年人,可觀察到它的體積是不斷增長的!

黃色區域即為梭狀回。/ 圖片來源:wikimedia

大腦成長前傳:斷捨離

科學家們開始有規模地研究兒童和青少年大腦是如何發育的,歷史並不長,也就十五年左右的時間。磁振造影(MRI)技術的發展,讓研究員不用再巴巴地等著稀有的腦標本,而是可以直接在電腦上看到各個角度的大腦圖片。

早在1999年就有人發現,大腦前額葉的灰質體積從出生開始逐漸增加,12歲左右達到頂峰,之後開始不斷減少,直到成年。後來的研究在其他大腦皮層也發現了類似的發育規律,包括與記憶等功能相關的顳葉、腦運動區、腦感覺區等等。

大腦灰質減少乍聽起來不太像件好事,其實不然。

灰質是什麼呢?簡單來說就是大腦剖面看起來為灰色的部分,在顯微鏡下,會看到其中許許多多的神經元細胞之間互相連接和溝通,形成一個錯綜複雜的超級網絡。可以想像,如果網絡連接過於龐雜和混亂,會造成訊息溝通上的麻煩。所以大腦會逐漸像剪樹枝一樣修剪掉沒有用的連接,使有用的連接長得更好。磁振影像上看到灰質體積減少時,大腦實際發生的變化就是神經連接的修剪。這就好比斷捨離,給神經連接做減法,帶來的是更成熟的大腦結構和功能。這一結論後來被不斷驗證,目前已經是廣為接受的關於大腦發育的事實。

但是,關於大腦發育的研究總是不缺意外。在1月發表的這篇文章裡,據斯佩克特(Kalanit Grill-Spector)和她帶領的史丹佛大學研究團隊,梭狀回這個腦區的體積是隨著年齡的增長不斷增大的。

大腦成長新傳:抽新枝

斯佩克特和同事對22名兒童和25名成人做了大腦的形態掃描,以及完成臉部識別任務時的功能掃描。通過功能掃描,他們確定了和臉部識別相關的腦區,之後用定量MRI的分析方法對這一腦區(也就是梭狀回)進行了定量分析。結果發現,成人組的梭狀回實質體積要比兒童組大12.6%,而且年齡越大,這一腦區的實質體積越大。

為了進一步證實從腦影像得到的結論,他們和德國同行合作,研究出一種方法,把腦影像上看到的區域對應到實際的大腦標本上。透過這個方法,他們看到,隨著年齡增長,梭狀回腦區的確在發生組織增生。為了探討這種變化是否具有特異性,研究者還同時觀察了負責地點識別的腦區,結果發現,這一腦區卻沒有發生和年齡相關的變化。之所以選擇地點識別區,一個原因是地點識別和臉部識別都屬於視覺識別,功能上有相似性,而且地點識別也有明確的對應腦區,之前的研究也經常用二者進行比較。

前面說了,發育中的灰質體積減少伴隨的是功能的成熟,那灰質體積增加又意味著什麼呢?腦區大小和功能的關係從來不是那麼簡單。在這之前,我們已經知道,從兒童到成人,隨著社交圈子越來越大,臉部識別能力也是逐漸提高和成熟的。而這個研究告訴我們,和大腦成熟過程中整體的灰質體積變化趨勢不同,臉部識別功能成熟的基礎,是相應腦區灰質體積的增加。研究者進一步分析說,對這個過程貢獻最大的,是從神經元發出的粗短分支──樹突的增加和生長。也就是說,梭狀回中神經元之間的連接數量大大增加了。

那麼,為什麼雖然地點識別對於人類來說也很重要,但是其相關腦區的灰質體積卻沒有變化呢?發展心理學和生活常識都告訴我們,社會認知能力是人類發育過程中最晚成熟的認知功能,與社交密切相關的臉部識別能力也比地點識別能力成熟得要晚,結構變化自然也會持續更長時間。

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人臉識別的功能如此重要又如此敏銳,有時會讓我們在不存在人臉的地方發現一張臉。/ 圖片來源:imgur

這個結果出乎研究者的預料,也挑戰了我們對大腦發育的認識。大腦成熟的過程中,灰質有可能減少也有可能增加,神經連接可能修剪也可能新生。不管是加法還是減法,對大腦變化的認識似乎總是超出我們的想像。

參考文獻:

Blakemore, SJ (2012).Imaging brain development: the adolescent brain. Neuroimage,61, 397–406.
Gomez, J., et al. (2017). Microstructural proliferation in human cortex is coupled with the development of face processing. Science, 355: 68-71.

撰文:PolarVolcano

編輯:odette

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