兒童＆青少年的智力與大腦發育

摘要：最新研究揭示決定智力的是大腦形狀發育的過程，而不是腦子的大小。Shaw的研究表明：所有兒童大腦皮質厚度發育的基本模式是相同的，那就是達到頂峰后逐漸變薄。但與智力相關的是這些變化的速度、大腦皮質厚度達到頂峰的年齡。文中闡述了兒童大腦發育模式決定智力差別這一最新成果。

關鍵詞：大腦發育 大腦皮質 發育模式 智力

如果智力的其中一部分是由我們的基因決定，那麼大腦的發育是如何跟IQ相關聯的？為了嘗試回答這個問題，我們測量了大腦外層的大小、皮質的尺寸，得到的結果令人驚訝。

在任何一個學習性R（共有3個，即閱讀reading、書寫writing、數學arithmetic）都熟能生巧的兒童在其他方面都趨向良好，並一直成長到成人後，在不同智力需求活動中也相當能幹。對這一綜合智能相對穩定的個體特性的神經解剖相關性的確定是不容易的，特別在大腦快速發育的兒童和青春期。在這裡，我們顯示了大腦皮質厚度的改變軌跡（而非皮質自己的厚度）與智力水平密切相關。使用縱向設計，我們發現從早期孩童時期智力和皮質厚度之間最突出的負相關到孩童後期的正相關有非常顯著的發育性改變。另外，智力水平和皮質發育軌跡是有關聯的，首先是在前額區域，它暗示了智力活動的成熟。較聰明的兒童顯示了獨特的可塑皮質，它在初期加快，然後皮質增加階段延長，它跟早期青春期同樣活躍的皮質稀釋一樣。這個研究表明兒童智力在神經解剖學上的表達是動態的。

結構性神經成像研究報道了對智力的心理測量和所有大腦體積之間的適度關聯。智力和大腦特殊區域的連接可能會根據發育階段而改變：兒童的前有色環帶、青少年的orbito前沿和中前額皮質、成人的側前額皮質。很多以前的研究推斷髮育過程，它只來自交叉組合數據，它充滿了方法上的複雜性。只有一個縱向研究把皮質發育與認知變化相連接，並顯示了當兒童在口頭智力測試中增進越多，他們的左背側前沿和頂骨區域就有更多的皮質稀釋。但是，這個研究被其小樣本所限制（n＝45），年齡範圍窄（5－11歲），還有隻考慮線性皮質改變，但大腦發展是有更複雜的成長模式的。

Shaw及其同事研究智力是否和大腦的物理維度有所關聯。他們特定地測量了皮質的厚度；而大腦進行的複雜運算依賴於皮質細胞的發射。結果表明在大腦發育過程中，智力跟皮質改變相關。他們不是對post-mortem大腦進行結構測量，而是用MRI對活人進行測量。這樣可使他們得到人的圖像，同時這些人的IQ也被測試，這樣他們就能對兩種結果進行對比。此外，要測量與人智力相關的解剖上的特徵，是需要大樣本的受試者，如果樣本不夠多，其作用可能很小，也可能被錯過。用成像而非post-mortem進行測量，就會有足夠多的收集數據。他們掃描了307個6歲兒童，並一直跟進到青春期和進行更多掃描。對於每個兒童，他們也用Wechsler智力尺度（最常用的IQ測試）對他們的智力進行評估。他們所用的另一方法是查看不同年齡的兒童和青少年的交叉樣本，他們對每個人都只掃描一次。但就像他所注意到的，這個方法有很多缺陷：如訓練他們就會因時間而改變，從而影響他們的IQ分數。他們從數據中發現嬰兒的皮質厚度和智力之間並無太大關聯。但他們引用了McDaniel對成人的研究結果，即所有大腦體積與智力有0.3的適度關聯。造成這些不同結果的原因可能是皮質的總體區域而非厚度這一相關因素，但最後他們又認為並非如此。在對兒童的跟進中，它們之間關係的本質有了改變。對於嬰兒，其關聯性趨向於陰性，但在青春期，大概10歲左右，它就呈陽性。Shaw對7－9歲受試者繪製皮質厚度的連續曲線以闡明這一點，根據他們的IQ測試分數把他們分成三組：優秀、良好和平均智力。每個年齡組的IQ測試被規格化，理論上當孩子成長時應保持不變。

優秀智力組的兒童在孩童早期的這些區域有稍薄的皮質，但它們在青春期間減少前會快速增厚一直到11歲（對比起其他組別）。Shaw注意到這些優秀智力者顯示前額皮質增長期延長，並其改變速率是最快的。這種改變並非在所有皮質區域都發生。它是孩童後期在前額皮質最值得注意的與IQ正相關的一種情況。這個區域在信息處理等級的上面，從所有5種感官中接收高度處理信息。在那些優秀智力和其他組別之間，成長曲線中大腦區域顯示的最大不同處於側和中部前沿腦回。但在受試者進行IQ測試時這些是最活躍的區域嗎？它可用功能MRI來檢測，它能對細胞活動不斷增加區域的動脈血流增加量進行間接測量。以前，受試者在非語言IQ測試中被掃描，在側和中部前額皮質發現活動增加，Shaw和他的同事的發育測量中，這些區域都是最突出的區域。另外，IQ的個體差異與側前額皮質的功能MRI信號振幅相關。我們知道人類總體智力（g）的變化跟基因差異密切相關，所以，如果g是高度遺傳並前額皮質厚度的增加與g有關聯，人們就會假設這種大腦結構的發育性改變是由人的基因決定的。但要這樣概括的話我們還是謹慎為是。身體的發育與環境的交互緊密相連。如在一個經典的實驗中，Rosenzweig 和 Bennett研究顯示，成年鼠皮質的厚度受動物早期活動環境豐富程度的影響。

到此，我們證明了智力水平與孩童時期和青春期的皮質發育相關。皮質改變的不同軌跡在前額皮質中最為顯著，這與功能的磁共振成像研究相同，研究顯示了側面前額皮質的活化作用是一系列的智力測試都公有的，而前額皮質活化作用的多少與智力緊密相關。

皮質厚度的全面下降在各組中都很顯著，或出現在所有的年齡層中（一般智力組）或從孩童時候晚期開始（高智力組）或從青春期早期開始（出眾智力組）。速度曲線用最不同的適合的立方式增長曲線闡明了出眾智力組的皮質稀釋速度最快。然而高智力組和一般智力組的稀釋度較小，速度也較慢。因此，緊接著出眾智力組相關皮質厚度的快速增長的是更快速的稀釋。為了證明出眾智力組與一般智力組間的皮質厚度差異的發展，我們估計表現每個年齡層發育曲線最盛時的組群差異的統計地圖在7-16歲之間。最初，出眾智力組的出眾前額腦回里有相關的較薄皮質，然後就顯示出皮質厚度的快速增長。到11歲的時候，出眾智力組表現出明顯的較厚的皮質區域――最初是在右邊出眾和中間前沿腦回的前面部位，然後延伸到右邊前額皮質的較後區域，以及左邊出眾和中間前沿腦的較後區域。到青春期後期，在大部分智力組中皮質損失的加速導致了越來越少的區域差異。各個智力組在用手習慣或性別上沒有很大差別，但在與IQ有關的社會經濟地位上還是很有差別。在前沿區域中，軌跡與智力最緊密相關，這些變數都對最終複雜的衰退模型沒有重大影響。

甚至對於成人，訓練后皮質灰質也能看到結構性改變。因此，高IQ人士可能生活在豐富的社交和語言環境里，它能說明孩童後期前額皮質厚度的快速增加。但是，Thompson及其同事以前也觀察遺傳對大腦結構的影響，所用方法是對比同一和非同一雙胞胎的皮質厚度。他們發現一些區域，包括前額皮質，都在「嚴格的遺傳控制」之下。Shaw及其同事推測皮質厚度成長曲線的差異可被眾多因素影響，包括在胎兒後期發育期間，在皮質小板塊收集的神經元數目、隔離神經元纖維的在鞘里的髓磷脂的發育狀態以及在青春期對無用神經連接的選擇性消除。檢驗這些假設需要動物實驗，它能測量細胞發育。對動物研究的好處是遺傳和經驗的相對影響可被解脫，這樣就能提供一張更清晰的圖像，即智力是如何被加強皮質發育的因素所影響的。

總之，與智力密切相關的是兒童和青少年時期大腦皮質的發育模式，而不是特定年齡的大腦灰質數量。頭腦最靈活的兒童有著最靈活的大腦皮質。聰明的孩子不是因為他們在特定的年齡時期灰質的多少而聰明，而是因為他們大腦皮質成熟的方式。