科学家们还没有回答这个古老的问题声音如何塑造心智在子宫里的胎儿,和准妈妈经常想知道这样的活动,如在怀孕期间播放音乐的好处。现在,在对新生小鼠的实验中,约翰霍普金斯大学的科学家们报告说,声音似乎比科学家们想象的更早,甚至在耳道开放之前,改变了大脑处理声音区域的“布线”模式。
目前的实验涉及新生小鼠,这些小鼠的耳道在出生后11天开放。在人类胎儿中,耳道在出生前大约在怀孕20周时开放。
的发现,出版于科学的进步,可能最终帮助科学家找到检测和干预大脑中可能导致听力或其他感官问题的异常线路的方法。
约翰霍普金斯大学医学院生物医学工程教授帕特里克·坎诺德博士说:“作为科学家,我们一直在寻找关于我们如何成为我们自己的基本问题的答案。”“具体来说,我正在研究我们的感官环境是如何塑造我们的,以及这种情况在胎儿发育的早期开始发生的时间。”
坎诺德的职业生涯始于电气工程,与微处理器打交道,这是他转向科学和研究大脑电路的天然管道。
他的研究重点是大脑最外层的皮层,它负责包括感觉知觉在内的许多功能。皮层下面是成年人大脑中含有神经元之间连接的白色物质。
在发育过程中,白质中还含有所谓的底板神经元,其中一些是在人类妊娠12周和小鼠胚胎第二周时在大脑中首先发育的。约翰霍普金斯大学的解剖学家马克·莫利佛被认为是描述了在白质中形成的神经元之间的第一个连接,他在1973年创造了“底板神经元”这个术语。
这些原始基底神经元最终在哺乳动物的发育过程中死亡,包括小鼠。在人类中,这种情况发生在出生前的前几个月。但在它们死亡之前,它们会在大脑中所有感官信息的关键通道——丘脑和皮层中间层之间建立连接。
Kanold说:“丘脑是信息从眼睛、耳朵和皮肤进入皮层的中介。”“当丘脑或其与皮层的连接出现问题时,神经发育问题就会出现。“在成人体内,丘脑中的神经元会向外伸展,将长而臂状的轴突结构投射到皮层的中间层,但在胎儿发育过程中,底板神经元位于丘脑和皮层之间,起到桥梁的作用。”在轴突的末端是神经元之间交流的纽带,称为突触。Kanold之前在雪貂和老鼠身上进行了研究,绘制了基底神经元的电路。Kanold之前还发现,基底神经元可以在其他皮层神经元之前接收到与声音相关的电信号。
Kanold在马里兰大学之前的职位上开始了目前的研究,解决了两个问题,他说:当声音信号到达基板神经元时,会发生什么事情吗?声音信号的变化会改变这些年轻的大脑回路吗?
首先,科学家们使用了内耳毛细胞上缺乏一种蛋白质的转基因小鼠。这种蛋白质是将声音转化为进入大脑的电脉冲所必需的;从那里,它被转化为我们对声音的感知。没有蛋白质,大脑就得不到信号。
研究人员发现,与听力正常、在正常环境中长大的1周大的聋哑小鼠相比,1周大的聋哑小鼠底板神经元和其他皮层神经元之间的连接多了25%-30%。Kanold说,这表明声音可以在很小的时候就改变大脑回路。
此外,研究人员说,这些神经连接的变化比通常看到的要早一周左右。科学家们此前认为,感官体验只能在丘脑中的神经元到达并激活皮层的中间层后才能改变皮层回路,在小鼠中,这大约是它们耳道开放的时候(大约11天)。
卡诺德说:“当神经元被剥夺了输入,比如声音,神经元就会去寻找其他神经元,这可能是为了弥补声音的缺失。”“这比我们想象的早了一周,这告诉我们,缺乏声音可能会重组未成熟皮层的连接。”
就像缺乏声音会影响大脑连接一样,科学家们认为额外的声音可能也会影响正常听力小鼠的早期神经元连接。
为了测试这一点,科学家们把听力正常的两天大的小老鼠放在一个有哔哔声的扬声器的安静环境中,或者放在一个没有扬声器的安静环境中。科学家们发现,在没有蜂鸣声的安静环境下的幼鼠,底板和皮层神经元之间的联系比在有蜂鸣声的环境中更强。然而,在有哔哔声和安静的环境中饲养的老鼠之间的差异,没有在正常声音环境中饲养的聋老鼠和在正常声音环境中饲养的老鼠之间的差异大。
与在没有声音的安静环境中长大的听力正常的小鼠幼崽相比,这些小鼠在基板和皮层神经元之间发育的神经回路类型也更多样化。在安静环境中长大的正常听力小鼠的基底和皮层区域也具有与基因工程聋哑小鼠相似的神经元连通性。
“在这些老鼠身上,我们发现早期声音体验的差异在大脑中留下了痕迹,这种接触声音的方式可能对神经发育很重要,”Kanold说。
研究小组正计划进行更多的研究,以确定早期接触声音对大脑发育后期的影响。最终,他们希望了解子宫内的声音暴露在人类发展中是如何重要的,以及在为天生失聪的儿童安装人工耳蜗时,如何解释这些电路的变化。他们还计划研究早产儿的大脑特征,并开发涉及基底神经元连接错误的问题的生物标志物。