大脑发育:从受孕到3岁

生命的最初几年是早期大脑发育的关键时期。

数十年的研究表明，儿童早期的环境可能会对其一生产生影响。许多研究都支持早期经验在大脑发育中的生物嵌入。¹多亏了最近对大脑研究的进展，我们对这些影响如何与早期大脑结构的建立有了更清晰的理解。神经科学家现在可以识别出大脑活动的模式，这些模式与各种类型的有毒压力有关，比如在贫困中长大。²

虽然早期有毒压力的危险，如贫穷、忽视和虐待，早已被认识到，但我们现在可以通过大脑扫描技术“看到”它们的影响。科学家们继续进行研究，以确定经验究竟是如何影响发育的，令人兴奋的进展继续加强干预和预防工作。^3.

儿童的大脑结构受到早期经历的影响。

被称为神经元的特殊脑细胞通过相互连接来发送和接收信息。这种连接被称为“突触”。新生大脑在生命的前几年继续增加神经元，并以惊人的速度生长。它的体积在第一年翻了一番，到三岁时达到了成人体积的80%。^{4 - 6}这种增长主要是由于神经元的生长和新突触的形成。

更重要的是，这些年来的联系速度比以往任何时候都要快。事实上，大脑创造的连接比它需要的要多得多:在两三岁时，大脑的连接数量是成年时的两倍(图1)。儿童的经历在决定哪些多余的连接会在童年和青少年时期逐渐消除，这个过程有时被称为修剪(pruning)。⁷

负责视觉、语言或学习等特定功能的连接的生长和修剪，以不同的速度发生。

听觉、视觉和触觉等感官迅速成熟，在婴儿期早期对外界输入尤其敏感。这些对语言发展和社会互动非常重要的联系在较长一段时间内逐渐成熟，但在蹒跚学步的幼儿中尤为敏感(图2)。

对于这些技能来说，头3年是大脑能够比以后更有效地“捕捉”经验的时期，那时大脑正在对未使用的连接进行修剪。⁷

基因和环境因素共同影响着大脑的早期发育。

虽然大脑发育的第一阶段受到遗传因素的强烈影响，但基因并不能完全设计大脑。^8、9相反，基因使用的时间和地点会根据它们从环境中接收到的信息进行微调——即使是在怀孕期间，当母亲的营养和压力会影响大脑结构的早期阶段时，这种情况也会发生。这些基因与环境的关系使得每个孩子都能更容易更快地适应周围的环境，而不是仅仅由基因决定大脑的线路。¹⁰基因和环境共同塑造大脑的方式主要有两种。

一种是通过遗传某些形式的基因，这些基因可以与环境产生非常不同的相互作用。¹¹第二种是通过环境影响来改变基因的读取，而不改变基因本身。由于最近一个相对较新的科学领域的研究，第二种过程被更好地理解了表观遗传学。

表观遗传学改变了我们对环境如何与基因相互作用以及基因如何与环境相互作用的理解。

表观遗传学(意为“以上”遗传学)是一门研究基因活动的持久变化的学科，这些变化不会改变DNA密码本身，但会通过化学变化影响密码的使用。许多环境因素和经历导致基因某些部分的化学“标记”，而这些表观遗传变化可以影响基因的活动或“表达”。¹²

你可以把表观遗传过程看作是指导基因DNA硬件功能的软件。因为所有细胞、组织和器官的发育都受到特定基因表达的时间和方式的影响，表观遗传过程对健康和幸福有着强大的影响。

动物研究表明，表观遗传变化可以是持久的，甚至可以代代相传。

到目前为止，我们对表观遗传学的大部分了解都来自于对动物的研究。现在有许多研究表明，接触不同的食物、毒素和强大的经历是如何改变基因活动的。表观遗传学是如何有效地在基因相同的怀孕老鼠(像同卵双胞胎)中完成的一个显著的例子。这些母亲都携带着导致皮毛呈黄色、肥胖和容易患病的基因信息。其中一半孕妇的饮食正常，而另一半孕妇的饮食中含有高化合物，这种化合物可以通过表观遗传机制导致DNA发生改变。有趣的是，“正常”饮食组的后代在毛发、体重和健康状况方面与它们的母亲相似。第二组的后代更有可能拥有棕色皮毛，正常体重，并且没有增加疾病风险(图3)。但是和它们的母亲一样，两组的所有后代都有相同的DNA序列。颜色、体重和健康状况的差异是由于特定基因发生表观遗传变化后基因表达方式的不同。这导致老鼠的外貌发生了巨大变化，甚至改善了它们的健康状况。与这种积极的结果不同，现在的研究告诉我们，有一些发生在产前的外部因素，如接触酒精或环境毒素，导致DNA变化的负面改变和负面的健康结果。

值得注意的是，更健康的雌性后代最终怀孕并生出具有相同特征的婴儿——棕色皮毛、正常体重、低疾病风险——即使这第三代又恢复了正常饮食。这个实验，以及其他类似的实验，显示了环境对表观遗传学的影响有多大，表观遗传学可以对一代又一代产生影响。

在另一组实验中，成年老鼠幼时被母鼠慷慨地舔和梳理，与由表现出焦虑行为且不像母鼠那么有教养的母鼠抚养的老鼠相比，前者焦虑程度较低，压力激素水平也较低。母子间互动的差异是如何导致应激反应的长期变化的呢?第二阶段的研究表明，这不是由于不同母亲之间的基因差异造成的。为了证明这一点，来自高关爱母亲的幼崽在出生时被调换到了低关爱母亲的身边。科学家们也做了相反的事情——把幼崽从关爱程度较低的母亲换成关爱程度较高的母亲。

结果显示早期经历的强大影响。由高养育率母亲所生，但由低养育率母亲抚养的婴儿长大后会表现出与养母相似的更高水平的焦虑行为。值得注意的是，由低哺育率的母鼠所生而由高哺育率的母鼠抚养的幼鼠表现出较少的焦虑。研究还表明，与那些由关爱程度较低的母亲抚养的老鼠相比，由关爱程度较高的母亲抚养的老鼠体内，一个控制压力反应的特定基因表达得更高。¹³

表观遗传学与早期大脑发育密切相关。

我们知道，儿童在生命最初几年的经历与长期的认知、情感和社会结果密切相关。¹⁴我们知道孩子早期经历的质量会影响大脑的发育和功能。但发现这些过程是如何发生的一直是个挑战。对表观遗传过程的研究越来越多，尤其是在发育早期非常活跃，¹⁵可能会为逆境如何威胁最佳发展提供新的答案。

由于伦理和实践的原因，研究人类的基因/环境关系比研究动物的要困难。尽管如此，科学家们已经找到了令人信服的证据，证明表观遗传在人类发育中起作用。在一项研究中，在严重饥荒期间怀孕的妇女往往生下体重不足的婴儿。当这些婴儿长大为人父母后，他们也往往会生出体重不足的孩子，尽管他们自出生以来的食物摄入量没有受到饥荒的影响。¹⁶其他研究发现，童年受虐与一种保护免受高水平应激激素影响的基因的激活程度终生降低有关。¹²最近的研究发现，孩子早期的经历可能会导致表观遗传变化，这种变化即使在孩子进入青春期时也很明显。^11日17

研究表明，生命最初阶段的高压力和低养育会损害健康大脑结构的发展。这些影响在与记忆、学习、社交和情绪调节相关的大脑区域尤其显著。¹³

表观遗传学研究支持预防方法对儿童健康和福祉的重要性。

表观遗传过程表明发育是非常灵活的。但是如果没有预防或干预措施，表观遗传变化——以及它们对行为和健康的影响——一旦发生就可能是稳定的。此外，研究告诉我们，这种变化可以代代相传。¹⁸它们是否能永久存在还不清楚，但即使创造表观遗传标记的条件不再存在，它很可能要几代之后才会开始消失。¹²

换句话说，表观遗传学有力地证明了预防是保护儿童免受有毒压力影响的最佳政策方法。早期暴露于慢性压力源，如经常目睹暴力、照料者被忽视或虐待、营养不良和其他环境危害，可能对成年人的身心健康产生持久和强有力的影响。研究让我们更好地了解了由于早期不良经历而发生的表观遗传变化，这将导致更有效的干预和预防项目的发展，以保护儿童在生命的最初几年免受不良经历的影响。^19、20