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穷人家的孩子大脑可能更小 或妨碍其正常发育

时间:2018-05-17 10:44:31    作者:刘嘉    来源:金伯莉·诺布尔

对全球10亿生活在贫困中的儿童和青少年来说,贫穷剥夺的不仅仅是基本的物质需求。从创作交响乐到解微分方程,人类的智慧都源自大脑这个“三磅重的奇迹”。然而,科学研究发现,贫穷很可能会妨碍大脑的正常发育。

在智商、阅读和其他测试中,来自贫穷家庭的孩子整体表现均不及同龄人。对他们来说,从高中毕业、被大学录取、获得学位的难度更大,而且成年后拿到的薪水更低,也更容易失业。这些关联并不令人感到惊奇,大脑发育水平也仅仅是导致这些后果的众多因素之一。那么,贫穷究竟会对大脑发育产生怎样的影响?直到最近十年,我们对此的看法仍然很模糊。

我的实验室同其他几个实验室一起,开始探讨家庭的社会经济地位(socioeconomic status,SES)——一种涵盖收入、受教育程度和职业声望的衡量指标——和儿童大脑健康之间的关系。我们发现,儿童大脑在大小、形状以及实际功能上的差异与SES有关。

认识到贫穷对大脑发育的潜在危害之后,我们想要找出一种简易可行的方法来减轻贫穷带来的伤害。为此,我们计划研究通过发放补贴来缓解家庭经济压力对儿童大脑健康的影响。这是第一例探究适度提高收入是否有助于大脑发育的研究。如果得到肯定的结论,它将为我们清晰地指出一条从基础脑科学通往公共政策的道路。

SES与大脑

当我于15年前开始这项研究时,我还只是一名宾夕法尼亚大学的研究生。当时,我的导师玛莎·法拉(Martha Farah)想要了解贫穷是如何影响大脑早期发育的。幸运的是,我成为了第一位挑战这个问题的学生。

我们的项目需要慎重选择研究方法。当时最吸引人的技术是脑成像——通过功能强大的机器给大脑拍摄照片,进而揭示大脑的结构和功能。脑成像技术的效果令人振奋,但它也是极其昂贵的:单次扫描通常需要花费数百美元,这还不包括支付给受试者和分析数据的研究助理的报酬。

考虑到这是一个从未被研究过的问题,我们决定寻找更加简易、廉价的方法,这样我们就可以招募尽可能多的受试者。最终,我们决定选择一种直截了当的解决方案:使用标准化的手段测定认知能力。与之前的研究不同,我们不再依赖广义的成就指标,如高中毕业率,因为大脑中没有哪个区域是负责高中毕业的。很多截然不同的大脑回路负责着各式各样的认知技能,其中有许多技能对于学业和生活成就来说都是十分重要的。例如,如果有人大脑左半球的韦尼克区(Wernicke‘s area)出现损伤,他们在理解语言时就会出现障碍。同时,神经影像学的研究也指出,健康的人在倾听他人说话时使用的也是该脑区。科学家由此推断,当健康个体进行一项需要倾听和理解语言的任务时,都会使用韦尼克区。这样,无需对所有人的脑部结构进行扫描,我们同样可以得出这条结论。

因此,我们决定用成熟的心理测试方法评估儿童的语言能力,不进行脑部扫描。我们要研究的问题是:SES差距与大脑功能的关系是怎样的?

我们招募了几组家庭社会经济背景不同的孩子作为受试者,他们的年龄从学龄前到青春期不等。在试验中,他们接受了一系列认知测试,以此检测各部分大脑回路结构的完整性。我们从多次试验中得出高度一致的结论。总体来说,家庭背景较贫穷的孩子往往在语言、记忆力、自控力和专注力的测试中表现更差。

另一方面,对于我们以及其他从事类似研究的团队来说,确实需要更加先进的脑成像技术,从而验证家庭SES是否影响到儿童参与高级认知过程的核心脑区的形态和大小。4个彼此独立的研究团队最近报告称,那些父母收入较高的孩子往往也有着更大的海马体(一个位于大脑深处,负责记忆编码的结构)。而其他的一些研究则在关注贫穷对大脑皮层(由负责认知加工过程的脑细胞组成的外侧褶皱层)形态、大小的影响。其中,一些早期研究已经检验了SES与大脑皮层的体积之间是否存在关联。

为了理解何谓大脑皮层体积,大家可以想象眼前有一瓶汤罐头,我们通过测量罐头的高度和底面积,将两者相乘算出内容物汤的体积。在脑科学中,大脑皮层的厚度相当于罐头的高度,而大脑皮层的表面积就相当于罐头的底面积。两者相乘,就得到了大脑中的“汤”——大脑皮层的体积。

在测量皮层体积时必须格外小心。因为一个大的皮层表面积乘以一个小的皮层厚度,或者是大的皮层厚度乘以小的皮层表面积,都有可能得到相同的皮层体积,所以研究者很容易被误导。皮层厚度随着年龄增加而减小,就好比是我们假想的汤罐头被压缩成金枪鱼罐头那么矮;与此同时,皮层表面积却随着年龄增加而增大,就好比我们开始有一小罐番茄酱,然后它的底面积慢慢增加,最终变得像汤罐头一样大。

最近,我们使用一套测量软件,检验了SES的差距是否会同时影响大脑皮层的表面积与厚度。这是迄今为止关于该问题规模最大的一项研究,成果发表在2015年的《自然· 神经科学》(Nature Neuroscience)期刊上。我们分析了来自全美10个地区的、拥有不同SES的1099名儿童和青少年的大脑结构。我们发现,父母的受教育程度和家庭收入均与儿童大脑皮层的表面积相关。家庭年收入低于2.5万美元的儿童的皮层表面积比超过15万美元的儿童小6%。这种相关性广泛存在于大脑的众多区域,并尤为明显地体现在一些负责语言加工、冲动抑制及其他自我调节的脑区中,而此前的研究已经反复证实,这些能力受SES影响。

在这项研究中,我们考虑了几个关键变量。首先,我们将每位受试者的遗传背景,即基因来自6个主要人群(非洲、中亚、东亚、欧洲、美洲原住民和大洋洲)的比例作为种族因素加以控制。数据分析显示,我们发现的SES差异对大脑结构的影响与种族因素无关。

此外,我们还发现了巨大的个体差异。例如,一些来自贫穷家庭的儿童和青少年拥有更大的皮层表面积,而一些家庭条件优越的孩子的皮层表面积却更小。这种情况类似于性别和身高的关系:我们知道,童年时,男孩一般比女孩长得高,但在每一间小学教室里,都有一些女孩比一些男孩长得高。同理,虽然来自较高收入家庭的儿童往往拥有更大的皮层表面积,但是我们的研究团队并不能根据家庭收入情况直接预测出某一个儿童的大脑皮层表面积。

家庭收入和大脑皮层表面积的相关性在收入最底层的人群中表现得最为明显,而在家庭收入较高的群体中却趋于减弱。换句话说,在最贫穷的家庭中,家庭收入差异对大脑结构的影响更大。

在近期发表的另一项研究中,我们探讨了SES差异和皮层厚度之间的关系。一般而言,皮层厚度会随着年龄增长而减小。但是我们的研究表明,家庭的SES会对变化趋势造成影响。当家庭SES较低时,儿童的大脑皮层厚度在早期往往急剧减小,进入青春期后下降趋势变缓;而当SES较高时,一直到青春期后期,皮层厚度随年龄增长而减小的趋势都更加平缓。

这项发现与其他实验室的研究结果一致,这表明,在一些情况下,逆境可以加速脑的成熟,使幼儿的大脑更快速地成长。穷人家孩子的大脑皮层厚度快速减小,这表明他们的大脑缺乏“可塑性”,这种能力可以改变大脑结构,从而与童年和青春期的学习相适应。

当然,我们需要回答的最重要的问题之一是,大脑结构的差异是否会影响儿童的认知能力。我们的研究在一定程度上验证了此前的观点,即家庭收入较高的儿童更能集中注意力、抑制不恰当的反应。威斯康星大学麦迪逊分校的塞思·波拉克(Seth Pollak)与麻省理工学院的约翰·加布里埃利(John Gabrieli)各自的研究也都表明,大脑结构(皮层体积或厚度)的差异或许可以解释,低收入家庭背景的青少年学业成绩为什么比其他人低15%~44%。

【责任编辑:科技哥】
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