认知发育和脑老化

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1、1认知发育和脑老化 Cognitive Development and Brain Aging徐群渊 Xu Qunyuan 神经生物学系 首都医科大学2脑的的发育基本概念1. 脑的成熟过程要 持续到青春期大小和形态 - 生后前2年快-80%重量 - 6岁-90%重量 - 脑回在出生时基本形成 初级脑回在胎儿26-28周则可 辨认；2、3级脑回发育靠后 ；最后3月脑沟加深。32. 脑发育过程皮质增厚 皮质灰质体积 青春期前最大（顶叶- 10-12岁； 额叶 11-12岁；颞叶 - 16-17 岁 ）- 青春期后减小 - 变化速度男女有差别 -V1（由stria of Gennari分界） - 在

2、胚胎期到生后4月一直在增大并保持到 成年；其它脑部皮质此时只是成年的50% - V1部的神经元密度到出生时减 少迅速，到生后4-5月趋于稳定；神经元数量则丢失不显著（胚胎28周到70 岁都保持不变） - 密度减少是由于皮质体积的增加（轴突、树突和胶质增加 ）； 胚胎期即显左右脑不对称 上额和颞回右比左早1-2周（成人右侧 脑横回更多）；左侧颞平台更大； 轴突披髓(Axonal myelination) 不同部位披髓时间差异大 生 后2年感觉和运动系统成熟披髓；丘脑非特异性性放射要到5-7岁； 皮质内纤维联系完全披髓达到30岁左右。4 树突棘（dendritic spines）增加 视皮质 生后

3、树突棘密度5月最 高，然后减少，到生后21月稳定； 树突长度延长到24月（密度会因此 从5-24月减少）；发育过程中，下 层发育比上层早（inside-out模式 ）； - 额叶皮质 发育慢 神经元密度 达到成年标准是7岁（视觉皮质是4 -5月），树突长度到2岁只到成年 的1/2（视觉皮质是18-24月）；下 额叶和中央前皮质锥体细胞树突分 支左右不对称出现在V层，生后第 1年，右侧更快，到6-8岁左侧皮质 树突更成熟。3. 脑发育过程树突棘增加5不同年龄人初级视觉皮质的突触密度（）、 枕叶葡萄糖摄取(。)的不同 突触数量 未成熟脑内突触数 量比成熟脑少 在初级视觉皮质 胚胎后期及 生后早期突

4、触数量逐渐增加，2- 4月增加快（密度增加一倍），1 岁后突触密度开始减少，到11岁 时维持成年水平（只占最大值的 50-60%）；不同细胞层变化不 同，但无inside-out模式； - 额中回（III层） - 生后突触密度 先增加后减少，但过程时间长 1岁最密（视觉皮质是4月），16 岁到达成年水平（视觉皮质是7- 11岁）。4. 突触数量先增后减64. 新纹状体和海马突触在生后精确化 纹状体 突触密度增加到生后1月 神经元和神经毡 形态变化至2-4月 突触精确化到1年（镶嵌型神经化学 模式形成）； 海马 出生时神经元数量达标 齿状回发生未成熟细 胞到1岁 树突发育到5岁 在于新皮质接壤部

5、（下托） 披髓到青春期甚至成年。5. 整个孩提和青春期白质增加 白质体积增加模式与灰质（U型）不同； 披髓过程从尾到头端； 感觉和运动纤维成熟披髓到2岁，非特异丘脑放射到5- 7岁，皮质内纤维到30岁。7 皮质代谢率 由positron emission tomography (PET)方法检测 反映 神经元活动水平 新生儿皮质下活 动明显增加，皮质活动不明显；过 了3-4岁，皮质活动增加，达到成年 的2倍；4岁后逐渐减少，15岁到成 年水平（与脑内突触数量变化规律 一致）。6. 生后代谢率先增后减Event-related brain potential 电生理活动 皮质锥体细胞尖树突突触后

6、 电位记录结果随发育长短变化差异大 脑干 和丘脑电活动从胚胎30周减弱，2岁维持在 成年水平；皮质感觉的电反应要到13-15岁 才成熟；与注意和语言等认知相关的尖树突 突触后电位则更晚（到15-20岁成熟）。7. 脑电活动逐渐成熟88. 背外侧前额皮质是脑内发育最晚的区域之一 与海马发育时间类似； 突触密度持续减少到青 春期 说明其纤维联系变 化到15-20岁； 伴随代谢率减少； 青春期多巴胺的调节作 用影响III层锥体细胞的兴 奋和抑制纤维的传入 多巴胺对青春期皮 质形成有重要影响； 可能与精神疾病（精神 分裂症）相关。9认知发育和老化I. 一岁内的认知发育1. 早期的皮质下行为反应受皮质发

7、育的抑制 生后2-3月基底神经节和许多皮质区代谢率增加与婴儿 脑结构发育状况相一致； 一些反射（如紧张性颈反射、抓握反射、内源性微笑 和自发啼哭）频率降低 皮质活动增加抑制上述由脑干 控制的反射 与此期间婴儿猝死综合征（Sudden infant death syndrome）几率增加有关 （抑制了呼吸 ）；10 新生儿视觉功能与皮质下结构成熟有关(代谢率很高) 6-8 周眼睛能平稳追踪物体(V1区皮质4、5、6层成熟所致- 接受 来自外侧膝状体大细胞和颞叶中部区域MT的纤维 视觉注意 通路）；缺少传入即形成弱视； 4月龄视觉能力增加明显 视觉皮质体积已达成人标准、最 密突触密度； 同时（4-

8、5月） - 双眼协同作用（取决于皮质功能 V1区皮 质中层成熟和突触大量生成）- 立体敏锐（stereoacuity）、 光反射的双眼总合(binocular summation) 以及立体视觉（ stereopsis）等。2. 婴儿视觉系统机能与解剖发育相关11 对视力敏锐度(acuity)损伤矫正 由 白内障造成的晶体功能缺失(aphakia) 在2月龄前（即在V1区开始突触繁茂 生长以前）治疗可以恢复视力，否则 V1高度密集的突触将持续到4岁； 双眼立体视觉 损伤（如斜视）到 1岁仍能得到矫正 （resolution acuity与stereopsis功能发育时间不同 ） - acuit

9、y 小细胞系统 - stereopsis - 大细胞系统 （可塑性 更强 成熟慢、突触密度不同）； 先天耳聋病人 听皮质接受视觉传 入 cortical reorganization 茂密 的皮质-皮质联系保持更长。Event-related brain potential 123. 腹侧和背侧视 觉通路的发育 视觉在皮质内有两个同路：腹侧视觉通路（ventral visual stream）；- 到腹外颞叶皮质 形象结构；背侧视觉通路（dorsal visual stream）；- 到顶叶皮质 空间定位； 腹侧 4月婴儿 左右半球差异（ 与成人相同）- 6月对视觉目标形象 结构认识 - 反映

10、颞叶机能活动到位； 背侧 6月婴儿- 能快速判断事先注 意到的位置。134. 发育早期即有陈述性记忆表现 方法 给婴儿看一个有吸引力的物件（20-30秒） - 延搁一定 时间（数秒到若干小时） - 再看该物件（混有其它物件）； 出生1天婴儿即能分辨（24小时延搁）； 同样出现于猴的婴儿 3周时损伤海马取消此功能 人1岁内 ； 海马功能在一出生就接近成人 尽管海马结构精密化要持续 到4-5岁 有些空间相关的记忆到4-5岁完善。 5. 出生时即能认识母亲颜面、认识面型 新生儿喜欢朝向面孔、认识母亲和熟人的面孔、模仿面部表情； 不同于成人的高级记忆功能； 早熟倾向由皮质下网状顶盖通路调控； 出生后几

11、小时或几天后 学习记忆功能 海马调控。146. 三月龄婴儿能分辨不同视刺激 8周对外周视野移动面孔兴趣减弱，对中央视野的固定面孔更感兴趣； 2月婴儿对静态面孔的内在特点更敏感，特别是眼睛； 对面孔认识的鉴别能力大于对其它视刺激； 对正置的面孔比倒置更容易辨认； 取决于1-3月时颞叶的功能发育及与海马的联系建立； 3月婴儿对其它事物也有辨别能力，如桌子与树。 7. 四月龄婴儿分辨颜面呈现半球差别 在有其他面孔刺激情况下（左半视野），9月婴儿很快朝向母亲面孔； 儿童时期 - 对同种属面孔反应更快； 主要涉及后颞叶皮质区。158. 七-九月龄婴儿对陌生面孔会害怕 7月在辨别面孔时注入情感成分 高兴或

12、惧怕； 7-9月对陌生面孔感到惧怕或与熟人分开（3月时尚不知惧怕） ； 取决于工作记忆 与眶额皮质（与颞极皮质、杏仁核、下丘脑 、腹侧被盖区相联系）功能相关 与加工社会情感信息有关； 10月婴儿能重构和储存颜面信息，与新接收的信息相比较。9. 婴儿视觉搜索变化与前额皮质发育有关 7-8月龄婴儿开始发现第一次隐藏的物品，不能发现第二次不同 位置的隐藏（间隔3秒） A-not-B error 如每月延长间隔2秒 ，该error还能够持续到12月龄（会有个体差异）- Jean Piaget 试验 意念、计划、预见的测试；16 A-not-B试验和延搁反应试验取决于额叶功能 非人类灵长 类 背外前额皮

13、质（delayed response) 最后进化的脑区 域 执行计划、预见功能的部位 Brodmann 9区、8和10区 的大部分，以及46区（相当于人额中回）。 切除猴背外前额皮质使其难以执行A-not-B试验和延搁反应 试验（在4.5月龄进行、成年后观察） - 切除后顶皮质（7区） 、内侧颞叶大部（包括海马、下托、内嗅和海马旁回皮质） 则无此效应；- 涉及背外前额叶皮质的功能 - 对含时空特点 刺激实施记忆； 执行这种功能单靠背外前额皮质行不行？ - 执行A-not-B试 验和延搁反应试验还需要抑制受试者倾向要做的动作 - （当 第2次把奖赏放在另外的地方） - 可能涉及整个额叶皮质， 而

14、前额皮质成熟是儿童自我控制能力和选择能力发育的关键 。1710. 语言功能发育快但持续时间长 人的联络皮质发育成熟的时间较长（到十几岁） - 高级认知功能发展时间长 但语言能力在3岁前发展很快； 语言能力由大脑外侧裂周围皮质结构所决定 左右颞叶皮质不对称早在胚胎28周即出现 生后第2年皮质突触数量、代谢活动明显增加 此时期对声音信息的需求、说话和语言理解能力急速发展 大量繁茂的突触数量一直延续到青春期 10岁前左脑皮质损伤后还能恢复一定的语言能力！ 研究表明 语言的发声成分在10岁以后还能获得；语法规律须在10岁前获得 不同神经系统发育时程不同，对语言不同成分影响不同； 与语言相关的大脑结构的

15、特化可能存在内在的推动因素 - （儿童脑组织发育的变化；聋人视觉语言功能的建立后脑结构的变化）。 18II. 认知老化1. 平均寿命明显延长 美国 1900， 50岁；现在 ，大多数发达国家80岁； 中国人口进入老龄化； 今后数十年里，平均年龄超 过65岁人数要翻番； 老年认知问题将极常见。192. 正常老年人记忆状况差异很大 记忆功能可作为正 常脑老化的神经精 神变化框架指标； 陈述性记忆 - 对事 物的有意识记忆； 解剖结构主要位于 包括海马及临近皮 质结构的内侧颞叶 ； 人记忆状况存在很 大差别；因此，记 忆衰落非不可避免 颞叶功能可能很保 守。203. 认知和老年神经生物学的动物模型 常用Morris水迷宫检测老年大鼠的学习记忆 能力； 24-28月龄大鼠相当人类70多岁； 除海马功能外，有视觉精确度、运动障碍或 动机等其它因素，但Morris水迷宫检测仍能够 反映空间记忆能力； 猴也被用作实验动物 检测内侧颞叶损伤的 模型 delayed nonmatching to sample task。记忆力随年龄增加而减弱21III. 老年记忆减退的神经生物学1. 老年学习记忆减弱与海马功能衰退有关 海马神