贫穷如何影响了大脑发育

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2017-04-16 23:18:08

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,贫穷有很大的可能会妨碍大脑的正常发育。


贫穷导致穷人的孩子输在了起跑线上(图源:VCG)

据《环球科学》4月15日报道,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,科学家对此的看法仍然很模糊。

科学家金伯莉·G·诺布尔的实验室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。他们发现,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,诺布尔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,他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,它将为科学家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

当诺布尔于15年前开始这项研究时,还只是一名宾夕法尼亚大学的研究生。当时,他的导师玛莎·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,诺布尔成为了第一位挑战这个问题的学生。

他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,人民决定寻找更加简易、廉价的方法,这样就可以招募尽可能多的受试者。最终,诺布尔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,科学家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。无需对大量受试者的脑部结构进行扫描,我们同样可以得出这条结论。

因此,诺布尔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。他们要研究的问题是:SES差距与大脑功能的关系是怎样的?

诺布尔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。诺布尔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,对于诺布尔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,诺布尔使用一套测量软件,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。他们分析了来自全美10个地区的、拥有不同SES的1,099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大脑皮层表面积比超过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,诺布尔考虑了几个关键变量。首先,他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,诺布尔发现的SES差异对大脑结构的影响与种族因素无关。

此外,诺布尔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,家庭收入差异对脑结构的影响更大。

在近期发表的另一项研究中,诺布尔探讨了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%。

此类研究取得了引人注目的成果,但它们仍处于起步阶段,我们还需要继续寻找究竟是什么导致了SES和大脑发育的关联。是营养、邻居、学校质量、父母教养方式、家庭压力,还是这些因素的综合作用?我们是否可以确定,所有的这些差异都可以用后天的经历加以解释,还是遗传也在其中起到了作用?

目前的研究很难直接回答这些问题。不过,圣路易斯华盛顿大学的琼·卢比(Joan Luby)团队的最新研究表明,收入差距带来的生活压力和父母教养方式的不同,可以导致儿童大脑结构出现差异。在低收入家庭中,父母给孩子的支持较少,孩子也更容易产生敌对心理,这会导致负面结果——在该项研究中,就是使得海马体更小。而我们实验室则在考察,长期的压力、亲子间语言交流的不足能否在一定程度上解释这些发现。

另一个由来已久的问题是:贫穷的孩子在人生早期所经历的困难是可以追根溯源到胚胎时期,还是受到出生后家庭收入的影响?我们团队在近期发现,婴儿在出生后4天内的脑功能与其父母的收入和受教育程度无关,这也就证实了,SES通过后天经历来影响脑结构的发育。但是这项结果仍有待更多研究的佐证,因为我们研究中的样本仅包含了66个家庭。值得一提的是,一些研究团队已经发现,儿童在出生一年后才会出现显著的大脑结构和功能差异。

总而言之,目前诺布尔仍没有足够的证据来解释家庭、社会地位和经济条件与儿童大脑发育之间的关系。在今后的研究中,理清SES、童年的早期经历与大脑发育之间的关系依然会是优先考虑的方向。

相关不等于因果

尽管已经有大量研究为家庭收入与大脑发育之间的关系提供证据,然而一个关键问题仍未得到解决。人们常说“相关性并不等于因果性”,说明了这一挥之不去的不确定因素:较低的大脑发育水平是由贫穷的家庭环境导致的,还是不同的成长过程使得一些孩子在课业或未来的工作中步履维艰?

神经科学研究在因果关系问题上始终保持沉默。为了研究因果关系,诺布尔需要运用科学实验的黄金法则:随机对照试验。其中,随机分配的“治疗”组会接受某种干预,而同样随机分配的另一组则接受“对照”措施,这让他们能够判断这种干预对大脑发育的影响。

在此类研究中,研究人员需要找出能有效缩小SES差异的干预措施。已经有一些基于学校和家庭的干预措施旨在减小儿童成绩的差异,例如开端计划(Head Start)。事实证明,很多措施颇具成效,然而这些干预措施常常面临巨大的挑战:高质量的干预措施十分昂贵,而且很难在更大范围内施行。此外,它们常常会“渐隐消失”——当儿童不再享受这一计划的服务时,干预的积极影响便会随着时间的推移而减弱。

鉴于这些困难,诺布尔决定考虑一种更为简易的干预措施,它易于操作,并且拥有近乎完美的社会接纳度。诺布尔的计划是向家庭发放现金补贴,并研究该举措是否会影响儿童大脑发育。现金补贴与提供咨询、儿童护理等其他服务不同,它让父母有可能为自己和子女作出他们心目中的最佳财务决策。在美国和发展中国家开展的研究均表明,直接的收入补贴或许是一种可行的方案。提供基本收入保障的想法正在逐步受到认可,一些慈善机构及政府已开展试点。

至今日,没有一项研究真正测定了收入补贴对于儿童大脑发育的影响。近日,诺布尔集结了来自社会科学和神经科学领域的多位专家共同探讨这一问题,包括加利福尼亚大学欧文分校的经济学家格雷格·邓肯(Greg Duncan)、威斯康星大学麦迪逊分校的发展心理学家凯瑟琳·马格努森(Katherine Magnuson)、纽约大学的发展心理学家吉川裕和(Hirokazu Yoshikawa)和经济学家莉萨·热纳蒂安(Lisa Gennetian)。我们正在筹措资金,用以开展第一项旨在检验扶贫和大脑发育之间因果关系的随机对照试验。尽管这一研究的前提假设简单明了,但我们的目标却富有雄心。诺布尔计划在一开始招募1000位正好有孩子出生的低收入美国母亲,每个月随机给她们333美元或20美元的补贴。

如果在医院刚生完孩子的母亲同意参与这项研究,那么就会有一笔钱打到她们的借记卡上。随着研究的继续,她们的借记卡每个月都会自动转入一笔钱。我们对于如何使用这些钱并没有限制。在孩子出生后的前3年,我们会对家庭进行跟踪,进而评估无条件的现金补贴是否会对儿童的认知能力和大脑发育产生影响。

我们也会仔细分析家庭生活的各个方面,包括压力、家庭关系的质量以及父母如何用这笔钱。最近,一项持续一年、包含30位低收入母亲的初步研究表明,我们的方法可行性很高,借记卡能够成为一种向母亲提供补贴的可靠手段。尽管很多受试者之前从未用过借记卡,但几乎没人在借记卡激活、提现或POS机使用中遇到问题。这给了诺布尔足够的信心,他们相信这些试验手段可以扩展到一项完整的研究。

诺布尔提出的假说是,家庭收入的增加会给贫穷家庭带来一连串的积极效应。当孩子们度过早期童年阶段时,他们在视觉、听觉和其他关键的认知技能上会有更好的发展,和高收入家庭的孩子旗鼓相当。

如果诺布尔的假说成立,那么,诺布尔的试验有可能会影响到社会政策的制定,这些政策会影响上百万有孩子的贫穷家庭的生活。在他们看来,这些政策或许可以通过一种并不复杂的管理体制来落实。尽管收入可能并不是决定一个孩子发展轨迹的唯一因素,但从政策实施角度来看它却是最容易改变的。至少,它可以成为促进孩子大脑健康发育的“首付”。

编辑:乔克

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