给孩子最好的科学教育

撰文 布莱恩·莫索普（Brian Mossop） 翻译 冯泽君本文来自《环球科学》杂志，首发于公众号 “把科学带回家” （ID: bringsciencehome）

去年，我在圣迭戈呆了一个周末，第一次见到4个月大的侄子兰登。小家伙完全激发出了我“科技呆子”的本色。我一边观察他的足底反射，一边主动跟大家讲解为什么他的脚趾头会这样或那样动。不过没人爱听我唠叨这些，我太太不停地对我使眼色，孩子的爸妈则一脸茫然，所以很快我就知趣地不说这些术语了。

我的博士后研究方向是神经生物学，所以我知道早期经历对幼年动物的健康有多么重要。出生后几天内，婴儿的大脑像海绵一样吸收来自外界的感官信息。新生儿的大脑很容易受外界影响，那些对大人而言无足轻重的景象或是气味，对婴儿来说却意义非凡，这些信息塑造了婴儿的大脑，帮助婴儿理解这个还十分陌生的世界。虽然婴儿的大脑让人惊叹不已，不过这趟家庭之旅让我更感惊奇的，却是孩子出生对于我那26岁小舅子的影响。

在我眼里，杰克一直就是我妻子的小弟弟而已。初见时，他只是个19岁、高高瘦瘦、高中毕业立即加入美国海军的毛头小伙子。作为伊拉克战争的退伍军人，他曾在六年内两赴战场，见识到的世界也许比许多人一辈子都多，所以总爱给我们讲各种疯狂的水手故事。但就在短短几个月时间里，他居然能绝口不提他的海上生涯，摇身变成一个事事亲力亲为的新手奶爸。

比起在伊拉克服役，杰克发现照顾兰登才是人生最大的挑战。不管杰克是否意识到，也不管他喜不喜欢，一切都将变得不同。未来十几年，杰克对兰登不仅负有经济上和法律上的责任，而且父子间会逐渐形成割不断的情感纽带。新生命降临后的一段时间内，婴儿和父亲的大脑都会发生显著变化。现在已经有证据显示，如果这期间父亲不在身边，会对宝宝大脑造成永久影响。反之，那些一直照顾小孩的爸爸们，认知功能将有所提高。不过，尽管很多结论还有待证实，科学家已经开始寻找父子间那种联系的神经根源了。

那个周末聚会结束的时候，我隐约感到杰克已经开始着手准备接受新身份的挑战。杰克原本开的是大马力的马自达RX-8，他花了好几周时间试图加固后座上的婴儿椅，可是最终他决定放弃，理智地换购了一辆汽车，以便携带宝宝出行。也许在他脑子里，神经网络正在悄悄发生变化。

父子关系

要研究“身为人父”这种感觉和认知的根源，科学家必须先找到一个切入点。一般看来，父亲远不像母亲那样，紧紧地和孩子联系在一起。母亲们在怀孕九个月期间，经过催产素等一系列激素的“洗礼”，会自然而然和孩子形成紧密的生化联系。怀孕期间，母子的心跳甚至都有可能同步；生产以后，母乳更是新生儿的天然食物。

这么看来，父亲的贡献实在不明显。当然，受精过程少不了我们，可在那之后，我们对孩子好像就没那么重要了。然而研究发现，父子关系其实非常重要。如果父亲把年幼的孩子丢给母亲独自抚养，孩子长大以后更容易产生类似情感障碍、好斗、吸毒等问题。

现实情况更是刻不容缓。2008年，美国有25％的儿童由母亲独自抚养，另外有4％由父亲单独抚养。美国现在有1200万单亲家庭，其中约三分之一生活在贫困线下，可能生存的压力也使得单亲家庭的孩子更容易出现学习成绩差、自卑、社交障碍等问题。以前，要研究父亲在儿童成长过程中的作用，只能进行大规模问卷调查。现在，脑科学研究为此提供了新的思路，神经科学家开始从父子生物学联系的角度，解开这一谜团的关键一环。

以婴儿的哭声为例。2003年，瑞士巴塞尔大学的精神病学家埃里奇·希弗里兹和研究小组用功能磁共振成像技术（functionalMRI）进行实验，发现婴儿的哭声不仅可以激活妈妈大脑的特定区域，同样也能使爸爸的特定脑区产生具有明显特征的脑活动，而没有孩子的受试者则不会出现此类特征性脑活动。虽然这个研究小组还不能确定究竟这种变化是怎么产生的，但可以确定的是，父母双方大脑都会发生某些改变，从而能更好地识别关乎宝宝安危的声音。

毕竟，大脑是活的。面对新体验或周围环境的变化，大脑总能不断更新神经回路来适应，有时甚至长出新神经元，这个过程一般被称为神经再生（neurogenesis），其机制还不清楚，但科学家认为新神经元和学习新东西密切相关。

脑力迸发

基于以上认识，加拿大卡尔加里大学的两名神经科学家，格洛利亚·K·马克和萨穆埃尔·韦斯设计了一系列实验，研究孩子如何改变父亲大脑。他们在2010年发表文章指出，幼崽出生后的几天内，小鼠父亲大脑内的神经回路就开始有所变化，而且还有新神经元长出，形成全新的神经通路或网络。嗅球（负责处理味觉信息的脑区）里长出的新神经元，会专门对自家幼崽的气味作出反应。另外，海马区内也会长出一些新神经元，鉴于这个脑区和记忆密切相关，新长出来的脑细胞很可能是用来帮助鼠爸爸加深对幼崽气味记忆的。

不过，要长出新细胞，还有一个前提条件：鼠爸爸必须待在窝里。如果小鼠出生那天，鼠爸爸被转移到别处，其大脑就不会发生改变。韦斯认为，待在孩子身边的这个过程“不是简单地改变现有神经网络，更重要的是能催生全新的神经回路，为即将开始的父子关系铺路。”

哺乳动物鼻子里有特殊的气味受体神经，负责接收味觉信息并传给嗅球——大脑的味觉信息整合中心。不过，仅仅闻一闻自己的幼崽并不足以催生新神经元。马克和韦斯在笼子中间加一层网，把爸爸和孩子隔开，这时鼠爸爸仍能闻到自己的幼崽，但是碰不到。结果发现这种条件下不会催生新脑细胞。通过上述测试以及一些类似的实验，韦斯认为，幼崽的出生或是气味本身并不足以改变父亲的大脑，亲自照顾幼崽才是促使新神经元产生的关键。与幼崽有身体接触，辅以闻味加深记忆，才能最终长出新神经元。

有研究显示，几个星期的隔离，足以使老鼠忘记前“笼友”，对自家孩子，会不会也这么健忘呢？马克和韦斯的实验结果再次证实：血浓于水。小鼠父子即使被分开三星期，鼠爸爸仍能轻易“闻出”自己的孩子。这很可能是因为新神经元之间会形成独特的网络，帮助鼠爸爸巩固长时记忆，维系父子关系。韦斯说：“我们仍在试图弄清为什么所有哺乳动物——包括人类，脑内都有神经再生现象，当然一个主要的原因是为了适应外界变化，形成新神经网络，比如在这个实验中，新神经元有助于巩固父子间的‘社交记忆’。”

如父，如母

为了巩固社交记忆，大脑用激素来调控新生神经元之间的连接。马克和韦斯发现父亲大脑内的神经再生源于催乳素（prolactin）——这种激素在母亲体内是用来促进产乳的。如果我们抑制鼠爸爸大脑合成该激素，它就无法形成与幼崽相关的新神经元。

而且，很多研究显示，在孩子出生的第一个月内，催产素（oxytocin）水平较高的男性通常显得更具父爱，这与母子关系的研究结果类似。2010年12月，东京大学的斋藤敦子和京都大学的中村且树通过观察绒猴爸爸给小猴喂食的状况，将此研究又推进了一步。他们发现，一般情况下，绒猴爸爸会主动给小于4个月的小猴喂食，但长到6个月大以后就不再喂食，而是自己留着吃。如果给猴爸爸脑内注射催产素（不会影响雄猴的食欲），不管剂量大小，它都会变得更愿意给幼猴喂食。

由于催乳素和催产素本身就和社交行为密切相关，它们会影响父亲的抚育行为并不奇怪。然而，新研究显示，还有很多其他激素也有同样的作用。例如，美国普林斯顿大学心理学家伊丽莎白·古尔德和同事在2010年10月发表的一篇综述中提到，与性及压力有关的激素也会影响抚育行为。

古尔德发表过很多文章，详细阐述人类压力激素——皮质醇（cortisol，作用与啮齿类动物体内的皮质酮相似）与大脑结构改变之间的关系。一般来说，压力具有负面作用，但古尔德和同事在啮齿类动物上的实验显示，压力的作用可好可坏，视情况而定。负面压力，比如突然浸入冷水或暴露在天敌面前，对大脑有负面作用，会降低神经再生、形成新神经回路的能力。但正如古尔德和同事2010年7月公布的那样，另一些压力，如锻炼和性行为，虽然也导致皮质酮水平上升，但反而会刺激新神经元的生长。由此看来，养育孩子的压力对父亲来说，也许该划为“正面”压力。

雄性性激素水平与生育后代关系密切，但不同物种会有不同的具体表现。比如，对于某些啮齿类和鱼类，后代出生后，雄性会产生过量睾丸激素，这一方面使它们尽心照顾后代，另一方面又使它们变得凶猛——这也许是为了更好地对抗猎食者。但对于热带鸟类和灵长类，睾丸激素升高会使雄性不那么待见孩子——睾丸激素水平高的雄性会对啼哭的婴儿表现出不耐烦。

这些研究对于我们理解激素在抚育行为中扮演的角色大有帮助。正如韦斯所说，这些研究“为我们理解激素对于神经再生的作用，又增加了一个新的维度”。

关键的突触联系

孩子出生后，父亲大脑是在一系列激素作用下发生改变，而孩子似乎一生下来就会和父亲互动。为了验证这个假设，德国马格德堡大学的神经生物学家凯塔林娜·布朗和同事选择八齿鼠作为研究对象。八齿鼠和人类很像，父母分工合作抚育后代。父亲负责新生儿的基本护理，用体温温暖幼崽，舔舐梳理它们的毛发。等幼崽长大一些，父亲就会陪它们在巢穴周围玩耍嬉戏。

布朗的小组发现，如果窝里没有雄性，幼崽会产生社交和情感上的失落感，在人类中，由单亲妈妈抚养的小孩也会产生类似感觉。另外，他们还发现只有父亲待在窝里，幼崽大脑发育才会健全。如果出生后立即把父亲隔离开，幼鼠两个脑区内突触连接的数量会大大减少（突触是脑细胞之间传递信息的化学连接部位）。

在幼崽大脑本该迅速形成大量突触连接的发育阶段，如果父亲不在身边，眶额皮层和体感皮层的发育就会出现缺陷。眶额皮层是前额叶皮层的一部分，该皮层负责调控决策制定、与奖励有关的行为，以及情感等脑高级功能。很多幼年缺乏父爱的孩子长大后容易出现严重行为异常，虽然我们不能把啮齿类的研究结果简单类推到人类，但这至少提醒我们，上述异常可能和该区域突触连接异常或功能障碍有关。

总的来说，这些动物研究的结果在一定程度上解释了父亲的重要性。新生儿在羊水里漂了几个月，基本没有感觉信息输入，来到世上后体感皮层亟待改变。如果没有父亲在身边，本该如雨后春笋般的突触连接会凋敝萎缩，结果无法正常感受各种触觉，最终导致一系列发育障碍，比如代谢问题、激素分泌异常等。

从目前的研究结果来看，父亲的大脑与后代之间的联系复杂微妙。韦斯认为，“父母俱在固然重要，但更重要的是全家亲密、有效的互动”。

对于我的小外甥兰登来说，也许他父亲简单亲密的触碰已经使他的大脑出现了很多新建立的突触连接，这让兰登可以健康成长，帮助他今后正常面对行为和情感上的挑战。另外，虽然我不能在杰克脑袋上钻个孔，看看他脑子里有没有长出新神经元，但我注意到，随着角色的转变，他在日常生活中的关注点也发生了明显的转变。兰登的小动作和声响，别人也许根本察觉不到，却总能轻易引起杰克的注意。看来，杰克脑子里已经有了一小丛专为他儿子而生的神经元。

本文作者 布莱恩·莫索普是生物医学工程学博士，也从事过神经生物学方面的博士后研究。他为《连线》（Wired）、《科学美国人》（ScientificAmerican）、《石板书》（Slate，美国网络杂志）、《科学家》（The Scientist）等杂志都撰写过稿件，也是《科学公共图书馆》（PublicLibrary of Science，PLoS）的社区经理。

本文译者 冯泽君在上海复旦大学获得神经生物学博士学位，目前在瑞典卡罗琳斯卡医学院做博士后研究，主要研究方向为脑科学。