改变心理学的40项研究 ·研究2 丰富的经历是否等于更大的大脑
Rosenzweig, M.R., Bennett, E.L., & Diamond, M.C.(1972).Brain changes in response to experience.Scientific American, 226 (2), 22-29.
如今，如果你进入一个典型美国中产阶级家庭的婴儿房间，你可能会看到一张婴儿床，在婴儿伸手可及的上方悬挂着许多小动物玩具和各种各样的彩色玩具。其中一些玩具会发光、会活动、会演奏音乐，或者兼有上述三种功能。设想一下，人们为什么给婴儿准备这么多可看可玩的东西呢？除了婴儿喜欢这些东西并作出积极反应外，绝大部分父母都相信，无论这个观点得到公认与否，孩子们需要一个令他们兴奋的环境，以促进智力和大脑最大程度的发展。
关于某种特定的经历是否会引起大脑形态变化的问题，几个世纪以来一直是哲学家和科学家在猜测和研究的话题。1785年，意大利解剖学家玛拉卡尼（Malacarne）研究了同一胎产下的几对小狗和同一窝蛋孵出的几只小鸟。他有目的地长期训练每一对中的一只，而另外一只会得到同样良好的照料，但并不接受训练。然后，通过对动物的尸体进行解剖，他发现受过训练的动物的大脑表现得更为复杂，带有更多的褶皱和沟回。然而，这一研究不知因为什么原因没能继续下去。在19世纪后期，人们试图把一个人的学习量和他脑袋的周长联系起来。虽然一些早期的研究成果支持这种相关，但后来的研究成果认为这并不是一种测量大脑发展的有效尺度。
直到20世纪60年代，新技术的发展使科学家们具备更精确地检测大脑变化的能力，他们运用高倍显微技术，并对大脑内各种酶和神经递质水平进行评估。在加利福尼亚大学伯克利分校，马克·罗兹维格（Mark Rosenzweig）及其同事爱德华·本奈特（Edward Bennett）以及玛丽安·戴蒙德（Marian Diamond）采用这些技术，历时10余年，进行了由16次实验组成的系列研究，力图揭示经验对大脑的影响。本章的这篇文章将介绍他们的研究发现。由于显而易见的原因，在他们的研究中并没有用人作被试，而是像很多经典心理学实验一样，用老鼠作被试。
理论假设
由于心理学家最终的兴趣在于人而不是老鼠，因而就必须指出这种不用人作被试的研究的合理性。在这些研究中，为什么选择老鼠作被试就成了研究理论基础的一部分。作者解释说，由于多种原因，使用啮齿类动物比使用高级的哺乳类动物（如食肉类或灵长类动物）更方便。这项研究的重点是脑部，老鼠的脑部是平滑的，并不像更高等的动物那样曲折而复杂。因此，对其大脑的检测和测量就更容易。此外，老鼠体型较小并且也不昂贵，在实验室的研究中，这是一个很重要的考虑因素（通常实验室经费并不充足而且缺乏空间）。老鼠一胎多子，这就允许研究者将同一窝中的老鼠分配到不同的实验条件下。作者最后指出，研究者培养了多种种系的老鼠，以便在需要的时候把遗传因素考虑在内。
在罗兹维格的研究中，隐含着一种想法，即把饲养在单调或贫乏环境中的动物与饲养在丰富环境中的动物进行对比，二者在大脑发育和化学物质等方面将表现出明显的不同。在这篇实验报告所涉及的每次实验中，均采用了12组老鼠，每一组均由取自同一胎的三只雄鼠组成。
方法
三只雄鼠都是从一胎所生的老鼠中选择的，它们被随机分配到三种不同的实验条件中。一只老鼠仍旧与其他同伴待在实验室笼子里，另一只被分派到罗兹维格称为“丰富环境”的笼子里，第三只被分派到“贫乏环境”的笼子里。记住，在16次实验中，每次都有12只老鼠被安排在每一种实验条件中。
三种不同环境（如图1—4）描述如下。
图1—4 罗兹维格等人实验中三个笼子的环境
1.标准的实验室笼子中，有几只老鼠生活在足够大的空间里，笼子里总有适量的水和食物。
2.贫乏的环境是一个略微小一些的笼子，老鼠被放置在单独隔离的空间里，笼子里总有适量的水和食物。
3.丰富的环境几乎是一个老鼠的迪士尼乐园（并没有冒犯米老鼠的意思），6~8只老鼠生活在一个“带有各种可供玩耍的物品的大笼子里。每天从25种玩具中选取一种新的组合放在笼子里”（第22页）。
实验人员让老鼠在这些不同环境里生活4周到10周不等。经过这样不同阶段的实验处理之后，实验人员将人道地剥夺这些实验老鼠的生命，对它们进行解剖以确定脑部发育是否不同。为了避免实验者偏见的影响，解剖按照编号的随机顺序进行，这就可以避免尸检人员知道老鼠是在哪种环境下成长的。研究者关注的是生活在丰富环境下与生活在贫乏环境下的老鼠的大脑所出现的不同。
解剖老鼠的大脑后，对各个部分进行测量、称重和分析，以确定细胞生长量与神经递质活动的水平。在对后者的测量中，有一种叫作“乙酰胆碱”的脑酶引起了研究者们特别的兴趣。这种化学物质十分重要，因为它能使脑细胞中神经冲动传递得更快、更高效。
罗兹维格和他的同事是否发现了老鼠的大脑因其生活环境的丰富或贫乏而有所不同呢？以下就是他们的研究结果。
结果
结果证实，生活在丰富环境中的老鼠，其大脑在很多方面都有别于贫乏环境中的老鼠。在丰富环境中生活的老鼠的大脑皮层（即大脑对经验作出反应的部分，它负责行动、记忆、学习和所有感觉的输入，如视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉）更重且更厚，并且这种差别很显著。前面提到神经系统中存在的“乙酰胆碱”酶，在身处丰富环境的老鼠的大脑组织中更具活性。
两组老鼠的脑细胞（又称为神经元）在数量上并没有显著差别，但丰富的环境使老鼠的大脑神经元变得更大。与此相关，研究还发现，丰富环境中的老鼠的RNA和DNA（两种对神经元生长起最重要作用的化学成分）的比率也相对更高。这意味着在丰富环境里长大的老鼠其大脑中有更高水平的化学活动。
罗兹维格和他的同事解释说：“虽然由环境引起的大脑变化并不很大，但我们确信这种变化是千真万确的。在重复实验的时候，上述结果仍能出现……我们发现，经验对大脑最一致的影响表现在大脑皮层与大脑的其余部分（即皮层下部）的重量之比上。具体表现为，经验使大脑皮层迅速地增重，但大脑其他部分变化很小”（P.25）。这种对大脑皮层与大脑其余部分比率的测量是对大脑变化最精确的测量。这是因为每只动物的脑重量会随动物体重的变化而变化，运用这个比率，可以消除个体差异。图1—5用图表说明了16次实验的结果。正如你看到的，只有一次实验结果的差异在统计上不显著。
最后，是有关两组老鼠大脑的神经突触的发现。神经突触是指两个神经元相汇之处。大部分大脑活动发生在神经突触上，在这里，神经冲动有可能通过一个又一个神经元继续传递下去，也有可能被抑制或终止。在高倍电子显微镜下，能发现在丰富环境中长大的老鼠其大脑中的神经突触比在贫乏环境下长大的老鼠的神经突触大50%。
图1—5 丰富环境与贫乏环境相比老鼠大脑皮层增加的比率
注：实验2至16有统计学上的显著差异。
资料来源：引自Rosenzweig, Bennett, & Diamond, P.26。
讨论及批评
经过近10年的研究，罗兹维格、贝奈特和戴蒙德满怀信心地指出：“毫无疑问，大脑构造及其化学成分的很多方面可以被经验改变。”（P.27）。然而，他们也坦承，当他们第一次公布研究结果时，许多科学家对此表示怀疑，因为像这样的结果在过去的研究中从未被清楚地证实过。有些批评意见认为，也许并不是丰富的生活环境使大脑产生了变化，而是由于老鼠接受了不同的实验处理，如纯粹的触摸或压力情境。
这种批评是有根据的，在丰富环境的实验条件下，老鼠每天被触摸两次，即在换玩具时得将它们移开。而在贫乏环境的实验条件下，老鼠没有被触摸。因此，可能是触摸导致了这一结果，而不是丰富环境的实验条件所致。为了消除这一潜在的混淆因素，研究者每天抚摸一组老鼠，而不抚摸与它们同胎的另一组老鼠（这些老鼠都处在同一环境中）。罗兹维格和他的同事并没有发现这两组老鼠的大脑有什么不同。此外，在他们后来的研究中发现，同样抚摸在丰富环境与贫乏环境条件下的老鼠，得到的结果也是一样的。
至于压力情境，批评者认为，在贫乏环境中生活的老鼠因被隔离而产生压力，这是导致它们大脑欠发达的原因。罗兹维格等人引证了另一项研究，此项研究让老鼠暴露于日常的压力情境之中（旋转笼子或给予轻微电击），并没有发现仅因压力而使大脑改变的证据。
在实验室中进行的任何研究都存在人为性问题。罗兹维格和他的同事很想知道在自然的生长环境中，各种水平的刺激是如何影响动物的大脑发育的。他们指出，实验室中的老鼠常在人工环境中繁殖，且已经繁衍了100代，它们和野生鼠几乎是没有相似的遗传基因。为了探索这种有趣的可能性，他们开始研究野生老鼠。他们把抓到的这种野生鼠随机地放在户外自然环境中或是实验室的丰富环境笼子里。4周后，发现户外老鼠的大脑比实验室老鼠的大脑发展得更好。“这就表明，实验室中的丰富环境与自然环境相比，仍是相当贫乏的”（第27页）。
最后，涉及动物被试最主要的批评意见是它与人的关系问题。毫无疑问，这类研究永远不能用人来做被试，但是研究者仍有责任探讨此问题，并且这些科学家也这样做了。
作者解释说，很难把在一组老鼠身上的研究结果泛化到另一组老鼠身上，而要把用老鼠做研究的结果泛化到猴子或人的身上则更难。虽然他们宣布在几类啮齿类动物身上取得了相似的结果，但他们也承认，在得出经验对人脑产生影响的假设前，仍需要更多研究。然而，他们提出以动物为被试的这类研究的价值在于“允许我们对概念和技术进行检验，其中一部分可能对今后以人为被试的研究有所帮助”（第27页）。
作者在这篇文章中还提到这项研究的几个潜在好处。它可以用在对记忆的研究中。由于经验而使大脑产生的改变，可以使人更好地理解记忆是怎样被保存在大脑中的，从而导致一些新技术的产生以提高记忆并阻止因年龄增长而导致记忆的衰退。另一方面，这些研究也有助于解释营养不良与智力发展之间的关系。作者的观点是，营养不良可以使一个人对环境刺激的反应迟钝，长期持续的营养不良可能限制大脑的发育。作者强调，一些同时进行的研究证明，营养不良对大脑发育的影响也会因环境的丰富而减轻，或因环境的恶劣而加重。
相关研究和近期应用
这项由罗兹维格、本奈特和戴蒙德所做的工作，对这一领域研究的持续发展起到了催化剂般的作用。自他们论文发表的25年以来，这几位科学家和其他科学家一道继续致力于巩固、改进、扩充他们的研究成果。
例如，他们发现丰富环境的生活经历有助于提高学习本身，即使是在贫乏环境中长大的成年动物，当它被放在一个丰富环境中的时候，其大脑发育也能获得提高（见本奈特，1976，一个完整的回顾）。
现有的一些证据表明，经验确实改变了人类大脑的发育。通过对自然死亡者的尸体解剖，研究者发现当一个人具有更多的技术和能力时，他的大脑确实变得更复杂也更重。在对那些没有某种特定经历的人的大脑进行解剖时，他们发现了另外一些结果。例如，与视觉正常的人相比，盲人大脑的视觉皮层部分明显发育不良，沟回较少，皮层较薄。
玛丽安·戴蒙德（Marian Diamond）是原稿的作者之一，她在人类智力的毕生发展进程方面运用了这一研究成果。她说：“在生活中，我想我们应该对大脑老化持一个更乐观的态度……主要因素是刺激，神经细胞因刺激而存在，所以我认为好奇心是一个关键因素。如果一个人在一生中始终充满好奇心，那这将刺激他的神经组织和大脑皮层……我寻访在88岁以后还极有活力的人。我发现那些经常用脑的人，大脑不易老化。事情就是这样简单。”（Hopson，1984，P.70）
两项新近研究从不同的实际应用角度阐述了罗兹维格、戴蒙德和本奈特关于环境影响大脑发育的观点。怀斯和贝林格（Weiss & Bellinger，2006）将研究扩展到探讨有害环境对人类大脑早期发展的影响，他们认为有害环境不仅应包括各种有害的化学物质，还应考虑个体生活情境中的所有因素，如遗传倾向和生活环境的丰富或贫乏。研究者提出，对人类而言，接触有害物质造成的影响与个体成长环境的丰富或贫乏直接相关。换言之，在贫困中长大的儿童，不仅其发展环境相对贫乏，而且其暴露于有害物质中的风险更高。环境因素甚至会作用于有害物质，从而对大脑发展造成影响。怀斯和贝林格称，对环境中的有害物质的研究已呈现出一种趋势，即集中于研究有害物质本身，而淡化相关的情境变量。作者写道：
我们认为，生命早期暴露于具有神经毒性化学物质中所造成的后果，取决于儿童的社会环境，包括其出生前的主导环境……我们认为，要对有害物质在神经行为层面的潜在后果作真正评估，离不开个体活动、导致其独特性和持续造成个体缺陷的生态环境（如环境丰富）（P.1497）。
另一篇文章也引用了罗兹维格在1972年的研究，对近来一些试图用过分简单化的丰富环境策略来促进儿童大脑发育的做法提出了批评（Jones & Zigler，2002）。正如你料想的那样，当公众了解到罗兹维格等人的研究后，就有可能掀起一些看似极有吸引力的热潮，但它们却极少建立在科学事实之上。20世纪90年代出现的“莫扎特效应”（Mozart Effect）就属其中一例。这一股狂热开始于一些初步研究所发现的结果：儿童听莫扎特（而不是其他古典作曲家）的音乐，学习将变得更好。这一思想在互联网上发展到了极致，“莫扎特效应”可使儿童和成人从中获益，并宣称特定的音乐能够促进全身健康、提高记忆力、治疗注意缺陷、减少抑郁和加速身体创伤的愈合。
结论
琼斯和奇格勒（Jones & Ziger，2002）认为这些流行的应用对研究的推广不仅无效而且危险。他们指出：“将脑研究的结果作为一种‘权宜之计’，用来解决复杂系统的问题，这是不恰当的。”（P.355）他们进一步提出，当科学的脑与学习的研究得到谨慎的、正确的应用时，它才能够“对早期认知和社会性发展起到深入的、高质量的、多领域的干预作用”（P.355）。
Bennett, E.L.(1976).Cerebral effects of differential experience and training.In M.R .Rosenzweig & E.L.Bennett (Eds.), Neural mechanisms of learning and memory.Cambridge, MA: MIT Press.
Hopson, J.(1984).A love affair with the brain: A PT conversation with Marian Diamond.Psychology Today，11, 62-75.
Jones, S.& Zigler, E.(2002).The Mozart Effect: Not learning from history.Journal of Applied Developmental Psychology, 23, 355-373.
Weiss, B., & Bellinger, D.C.(2006).Social ecology of children’s vulnerability to environmental pollutants (Commentary).Environmental Health Perspectives，114，1479-1485