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腦皮質神經細胞形成突觸的過程

peregrine
・2011/02/16 ・1750字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 576 ・九年級

本文轉載自PEREGRINE科學點滴

最近由美國冷泉港實驗室(Cold Spring Harbor Laboratory)Z. Josh Huang博士所領導發表的研究,新闡明了發育中的腦部神經元彼此如何進行聯結。該被稱為突觸確認(synapse validation)的活動,是神經網絡(neural circuits)自行組合過程的核心,且在引發包括自閉症及精神分裂症等神經發育異常的病理中被涉及。

於哺乳動物的大腦中,即使在產後發育初期,腦皮質(cortex:認知的所在處)早已是神經細胞密集交錯的部位。於整個腦皮質中,無數不同型的神經元(neurons)徹底伸展來接觸鄰近的其他神經元,這是形成突觸的序幕。經由突觸,信息能從細胞傳遞到細胞。單一神經細胞,在從神經細胞主體所衍生被稱為軸突(axons)及樹突(dendrites)上的多個點,能與鄰近的諸多神經細胞形成突觸。不過,並非每一鄰近的神經細胞皆是可和諧共處的搭擋,因而突觸確認是找尋對頭神經細胞的要件。

人們瞭解突觸形成是神經元的正常活動已有一段時間。雖然形成的機理一直不明,不過突觸的形成,已知涉及兩神經元間信息初步傳遞的某種結合,也就是使兩細胞進入實際接觸,被稱為細胞接合(cellular adhesion)的過程。

圖片取自原文網站

在該項發表於2010年12月13日網路版《美國國家科學院院刊》(Proceedings of the National Acadewmy of Sciences)的新研究中,Huang及研究生Yu Fu使用了被稱為雙光子顯微鏡技術(two-photon microscopy)的精密造影方法,來首度觀察活腦皮質網絡中的突觸確認(synapse validation)。他們著重於被稱為GABAergic的特定型抑制神經元(inhibitory neurons),因為此些神經元是經由被稱為GABA(gamma-aminobutyric acid:γ-氨基丁酸)的神經傳導物來進行溝通。

Huang宣稱:「問題是:此些神經元如何能與對頭搭擋形成突觸,及涉及什麼機制來達成必要的特異性?」有人曾提出神經細胞分泌某種排斥或吸引分子的見解。「不過於腦皮質中,不同潛在神經細胞間的距離是很微小的。難以令人相信,那種機制能起作用。」

Huang解釋:「較合理的論點是,腦皮質的神經元策略,幾乎與任何鄰近的標的細胞發起突觸形成,而後藉由使用突觸傳遞(synaptic transmission)來嘗試進行溝通,以確認出對頭搭擋。此些試探性的聯結多數證實是不合適的,因而會被剔除。僅有兩者間功能上協調的那些神經元會被確認及強化。」

根據上述見解,被稱為神經外素(neurexins)及神經寡素(neuroligins)的細胞接合分子是形成初步聯結所需的。於活腦皮質網絡中,Huang及Fu觀察到此些分子如何精確地交互作用。Huang宣稱:「此些分子如拉鍊般起作用:被稱為突觸前(pre-synaptic)及突觸後(post-synaptic)的兩個神經元接觸時,有來自雙方的接合分子,從而實際接合在一起。」

他們的關鍵性發現,關係著緊隨在上述初步扣上拉鍊之後發生的諸多步驟:突觸前神經元將定量的神經傳導物送往可能成為搭擋的突觸後神經元中。不過,此神經傳導如何被轉變成分子的接合?Huang及Fu仔細檢視了神經外素(一種與神經寡素交互作用,以形成使突觸結合在一起之拉鍊的蛋白質)。他們首度發現,被稱為α與β的兩種神經外素具有極不同的屬性,且以不同的方式對神經活動作出反應。

Huang宣稱:「沿著軸突廣被分佈的α神經外素,似乎起如同搜尋引擎的作用。」當α神經外素發現潛在搭擋時,與神經傳導物系統結合,從而突觸前細胞開始釋出神經傳導物來測試此聯結。倘若聯結良好,則β神經外素上場起作用,而使新突觸之兩個神經細胞間的聯結更為緊密。」

根據Huang的說法,在諸如蠕蟲(worms)及蠅類等相對簡單的模型體系中,此類聯結被認為主要是硬聯結的。不過,在脊椎動物中,像海馬突(hippocampus)及大腦皮質(cerebral cortex)等精密結構物,很可能需要能對生物體之經驗作出反應的更敏銳體系。也就是說,突觸的確認及強化有可能是種以學習為基礎的體系。

這暗示了大腦中的神經外素及其他細胞接合分子與諸如自閉症等神經發育疾病間的關聯性。於過去的諸多研究中,在被稱為neurexin-1的基因及為其受體編譯密碼之另一基因中的突變體,一再地與自閉症被聯繫在一起。

Huang宣稱:「已知此些基因在神經系統的多處地方被廣泛地作出表現。不過問題是,於此些基因中的變化為何及如何導致自閉症?有證據顯示,此些變化的確改變了突觸。他們的研究暗示,突觸接合分子中的變化會對已被證實,在調節神經網絡運作上扮演重要角色的特定型GABAergic突觸產生不良影響。」

Huang的實驗室將持續探索神經外素及神經寡素在動物神經網路中的功能意義,且試圖證明其表現中的改變與行為間的必然關係。

原文網址:http://www.cshl.edu/Article-Huang/neuroscientists-at-cshl-show-in-unprecedented-detail-how-cortical-nerve-cells-form-synapses-with-neighbors

翻譯:peregrine

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喝母乳的寶寶能提升神經認知功能?——是真的!而且「曾經喝過就有效」

查克爸
・2021/10/26 ・3015字 ・閱讀時間約 6 分鐘

喝母乳的寶寶,真的會更聰明嗎?母乳不僅能夠提供小寶寶所需的營養以及免疫力,而透過母親的生理機制,更能將各種符合自己孩子需求的成分,客製成孩子專屬的母乳。需要發育大腦,就多給些相關的成分,如果要長肌肉也沒問題,媽媽隨時隨地都準備為孩子產製最適合的母乳,這可是任何產業都難以複製的機能。因此母乳被說是對寶寶是最好的禮物,想當然各種與母乳哺育相關的研究主題,便是眾多學者探討了解的目標。

其中,研究智力發展應該是最吸引人的主題之一,不過目前為止也是有研究指出,母乳哺育的孩子,他們的平均智商與沒有母乳哺育的孩子相差無幾,這不知潑了多少人一身的冷水,掃了無數爸媽的興致。但以前的證據說智商沒差異,不代表新的研究一樣沒差異,科學這件事就是會不斷變化,產出新的結論,全世界仍有不少研究都提出母乳可能使寶寶更聰明。

這次要介紹的羅徹斯特大學醫學中心(URMC)神經科學研究所(Del Monte Institute for Neuroscience)的成果就是其中之一,他們這次提出的新證據是與認知能力有關,而且他們的結論應該會讓人眼睛一亮,因為他們發現,母乳哺育的時間長短與 9-10 歲兒童的部分認知發展有關連,而且只要孩子有吃母乳一段時間就可以看出差異[1]

人類積極探索智力,母乳與智力的關係更是熱門主題之一。圖/Pixabay

改變研究方向,找出母乳與智力之間的正向證據

隨著各種研究產出,我們得以知道智力受到很多變項影響,尤其是與父母親直接相關的因素,例如父母的社經地位、智力程度、學經歷等都可能使孩子擁有較高的智力。換句話說,也就是研究者比較了相同教育程度或是經濟程度的母親後,結論是不管有沒有哺餵母乳,他們孩子的智商分數可能相近。

既然知道多種因素可以影響智力,便要在研究方法的設計下足功夫,因為要盡可能控制所有影響,讓母乳哺育的小孩,以及沒有母乳哺育的小孩都能在同一個基準線上比較,才能看出客觀上的差異,或可說是未能控制好混雜因素[2]

不過就如開頭所說,研究目標、方法不同,看到的成果就不一樣,羅徹斯特大學醫學中心這篇藉由分析青少年大腦認知發展研究計畫[3](The Adolescent Brain Cognitive Development Study;ABCD Study)數據的報告,就看到了母乳與認知的正向關係,改而分析更細項的各種認知能力[4],其涉及了執行與感知、學習、記憶、理解、意識、推理、判斷、直覺和語言相關的等各種任務技能。

認知能力分好多,研究分析哪些?

這個認知研究採用 ABCD 研究數據來探討,但為了減少測量誤差的影響(例如孩童曾經暴露會接觸酒精的環境、未參加訪視的兒童等因素),研究者最終保留了 9,116 名兒童的數據,並以此分析母乳哺育時間與神經認知能力之間的關係。那列入分析的認知能力向度有哪些?

向度一共有三項,而且跟每個人都有關,分別是一般能力(general ability)、執行能力(executive function)以及記憶力(memory),而這三項能力各自有其解釋在,如一般能力,美國心理學會對此提出的解釋定義是,一種可以被衡量的能力,且被認為是基礎能力,用來處理所有與智力相關的任務。

再來是執行能力,這個能力則可用來管理和控制工作記憶、注意力,也跟抽象思考等種種認知過程有關,像是設定目標、想像並預見;最後一個是大家耳熟能詳的記憶力,是透過大腦系統所儲存的訊息,是能回憶特定訊息或曾經有過的經歷。

不過這些能力的發展程度真的能評量嗎?放心,各項認知能力背後有眾多的研究依據,也發展出各種不同的測量方式來評定。像是「魏氏兒童智力量表的矩陣推理測驗」就在這個研究被用來測量知覺推理和組織、空間訊息處理等相關的能力;而美國國立衛生研究院的 NIH Toolbox®-Cognition battery,也在這個研究裡被整合運用評估兒童的神經和行為功能。最後通過次數以極多的神經認知測驗,也才讓研究結果得出有吃母乳的小朋友,是能改善某個認知能力。

針對各種能力、認知所開發的測驗,不斷的被開發出來並應用。圖/Pexels

母乳真的有助於認知能力!是哪一項呢?

研究要分析的有一般能力、執行能力以及記憶力,那究竟哪像能力獲得提升呢?鏘鏘,從數據提供的結論是一般能力(general ability)與母乳哺育的時間長短有顯著關聯[1]。但你可能會說「怎麼才提升一種能力?」,這時候我們要關注的是,在心理學上的一般能力也包含多種能力,一般能力只是所有分向能力的統整稱呼。

研究中把這九千多位 9-10 歲的孩子,依照他們吃母乳的時間長短分成四組,第一組是 0 個月的控制組,接著是三組母乳哺育的實驗組,分別是 1-6 個月、7-12 個月以及吃母乳超過 12 個月的寶寶,可以看到在母乳哺育期最短的 1-6 個組別寶寶,他們在一般能力的測驗結果,比起沒吃母乳的寶寶有所提升,而且隨著母乳哺育的時間變長,孩子們在一般能力的發展程度也越來越高。

用另外一個角度來看研究結果就是,今天有某一個家庭選擇餵養母乳,即便哺育期間落在有點長又不算太長的 2 個月或是半年內,對寶寶的神經認知發展來說也是有幫助的,這也符合研究人員的設定目標,因為這有望幫助改善人們的動機,讓更多人想要母乳哺育,不只告訴每個家庭們可以量力而行,也藉此呼籲政府、社會企業能夠更設身處地為媽媽們著想。

母乳哺育與一般能力認知的關聯性較高,且隨著期間變長而增加。資料/參考資料1

研究成果重要,但更該考慮「人」

各種母乳相關的科學證據報告,讓母乳對孩子的好處不言而喻,這次介紹的研究也是,也的確可以藉由這些證據協助家庭做出決定,讓他們決定是否要餵養母乳,但這篇研究成果的重點,是希望能夠「鼓勵」家庭選擇用母乳哺育寶寶,而不是「非得要」。

不可否認的是,母乳哺育對媽媽們是一個壓力來源,常常聽到「給寶寶最好的」,反而讓各種美好變成壓力,像是聽到哪位媽媽不給寶寶吃母乳,各種批評襲來,不餵母乳變成一種罪過。而如果選擇母乳哺育,又可能因為家人不支持而宣告放棄。

母乳對寶寶有幫助,但家人彼此間的支持才更重要。圖/Pixabay


研究也實實在在告訴我們,餵養母乳的意願及時間長短,可是牽涉眾多因素,其中個體因素如教育程度、年齡會改變想法,還有環境和社會文化影素也會影響,例如就業問題、丈夫支持程度、家人態度也都大大的參雜其中[6]

因此每個家庭間的討論、媽媽的個人意願都很重要,有了共識後再來下決定,而當你們決定好要給寶寶母乳,又就差那決定性的臨門一腳時,不妨想想這篇研究提出的結論,「只要曾經給寶寶喝母乳,便有機會提升他特定的認知能力喔」。

參考資料

  1. Lopez, D. A., Foxe, J. J., Mao, Y., Thompson, W. K., Martin, H. J., & Freedman, E. G. (2021). Breastfeeding Duration Is Associated With Domain-Specific Improvements in Cognitive Performance in 9-10-Year-Old Children. Frontiers in public health, 9, 657422. https://doi.org/10.3389/fpubh.2021.657422
  2. Walfisch, A., Sermer, C., Cressman, A., & Koren, G. (2013). Breast milk and cognitive development–the role of confounders: a systematic review. BMJ open, 3(8), e003259. https://doi.org/10.1136/bmjopen-2013-003259
  3. https://abcdstudy.org/
  4. https://dictionary.apa.org/cognitive-ability
  5. Natland ST, Andersen LF, Nilsen TI, Forsmo S, Jacobsen GW. Maternal recall of breastfeeding duration twenty years after delivery. BMC Med Res Methodol. 2012 Nov 23;12:179. doi: 10.1186/1471-2288-12-179. PMID: 23176436; PMCID: PMC3568415.
  6. Shi, H., Yang, Y., Yin, X. et al. Determinants of exclusive breastfeeding for the first six months in China: a cross-sectional study. Int Breastfeed J 16, 40 (2021). https://doi.org/10.1186/s13006-021-00388-y

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查克爸
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查克爸|醫學生物技術領域 碩士,現職為開發自然科學評量工具的研究 人員,將各種研究設計為科學教育評量工具的同時,也投入喜愛的科普領域。
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