想象一下，如果我们能够透过头骨，看看是什么让一个大脑比另一个更聪明。或者发现隐藏的特质是否可能驱动一个人的精神分裂症或阅读障碍。一种新的成像技术正在帮助科学家观察这类证据，并且它揭示了一个令人惊讶的发现：智力以及各种精神综合征，可能受到大脑内完全由白色物质组成的束状结构的影响。
灰质，就是你的老师曾经责备你的耳朵之间的东西，是心理计算发生和记忆存储的地方。这种皮层是大脑的“表土”；它由密集的神经元细胞体组成——神经细胞或神经元的决策部分。然而，在其下方，是“白色物质”的基岩，它几乎占据了人类大脑的一半——比例远高于其他动物的大脑。白色物质由数百万条通信电缆组成，每条电缆都包含一条长长的、单独的导线或轴突，并涂有白色脂肪物质，称为髓磷脂。就像连接一个国家不同地区电话的干线一样，这种白色电缆将大脑一个区域的神经元与另一区域的神经元连接起来。
几十年来，神经科学家对白色物质几乎没有兴趣。他们认为髓磷脂仅仅是绝缘体，而里面的电缆只不过是被动的通道。关于学习、记忆和精神疾病的理论都集中在神经元内部以及著名的突触——它们之间微小的接触点——的分子作用上。但是科学家们现在意识到，我们低估了白色物质在脑区之间正确传递信息方面的重要性。新的研究表明，白色物质的程度在有不同精神经历或患有某些功能障碍的人身上有所不同。当一个人学习或练习诸如弹钢琴之类的技能时，它也会在一个人大脑内发生变化。即使灰质中的神经元执行心理和身体活动，白色物质的功能对于人们如何掌握心理和社交技能，以及为什么老狗难以学习新技巧，可能同样至关重要。
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赋予白色物质颜色的髓磷脂一直充满神秘感。一个多世纪以来，科学家们通过显微镜观察神经元，看到长长的纤维，即轴突，从一个神经元细胞体延伸到相邻的神经元细胞体，就像伸出的细长的手指。人们发现每个轴突都覆盖着厚厚的结晶凝胶。解剖学家推测，这种脂肪覆盖物一定像铜线上的橡胶护套一样绝缘轴突。然而，奇怪的是，许多轴突，特别是较小的细丝，根本没有被覆盖。即使沿着绝缘纤维，绝缘层中也大约每毫米左右出现间隙。裸露的点后来被称为郎飞结，以法国解剖学家路易斯-安托万·郎飞的名字命名，他首先描述了这些点。
现代研究表明，当神经冲动被髓磷脂包裹时，其在轴突中传播的速度比没有包裹时快 100 倍左右——并且髓磷脂以类似于电工胶带的方式铺设在轴突上，在每个结之间缠绕多达 150 次。这种物质由两种神经胶质细胞以片状形式制造。这些细胞不是神经元，但它们在大脑和神经系统中很普遍[参见R. 道格拉斯·菲尔兹的“大脑的另一半”；《大众科学》，2004 年 4 月]。一种章鱼状的神经胶质细胞，称为少突胶质细胞，负责包裹。电信号无法通过鞘泄漏出去，而是从一个结到另一个结迅速地沿着轴突跳跃。在大脑和脊髓外的神经中，一种香肠状的神经胶质细胞，称为雪旺细胞，形成髓磷脂。
没有髓磷脂，信号会泄漏和消散。为了获得最大的传导速度，绝缘层厚度必须与内部纤维的直径严格成比例。裸轴突直径除以总纤维直径（包括髓磷脂）的最佳比率为 0.6。我们不知道少突胶质细胞如何“知道”需要 10 层还是 100 层绝缘层才能在不同直径的轴突上创建合适的厚度。但最近，德国哥廷根马克斯·普朗克实验医学研究所的生物学家克劳斯-阿明·纳韦发现，雪旺细胞会检测到一种称为神经调节蛋白的蛋白质，该蛋白覆盖在轴突上，如果这种蛋白质的量增加或受到抑制，雪旺细胞会在轴突周围包裹更多或更少的髓磷脂层。有趣的是，许多患有双相情感障碍或精神分裂症的人在其调节这种蛋白质产生的基因中存在缺陷。
包裹发生在不同的年龄段。髓磷脂仅在出生时的大脑少数区域普遍存在，呈脉冲式扩展，并且在某些部位直到 25 或 30 岁才完全铺设完成。髓鞘形成通常在我们成长为成年人的过程中，从大脑皮层的后部（衣领）到前部（前额）呈波浪式进行。额叶是髓鞘形成最后发生的部位。这些区域负责更高级别的推理、计划和判断——这些技能只有通过经验才能获得。研究人员推测，前脑髓磷脂不足是青少年不具备成人决策能力的原因之一。这些观察结果表明，髓磷脂对于智力很重要。
据推测，大脑在成年早期之前不会完成人类轴突的包裹，因为在那段时间里，轴突会继续生长，获得新的分支，并根据经验修剪其他分支。一旦轴突被髓鞘化，它们可以发生的改变就会变得更加有限。尽管如此，长期以来，一个问题仍然存在：髓磷脂的形成是完全程序化的，还是我们的生活经历会改变包裹的程度，从而改变我们的学习效果？髓磷脂是否真的构建了认知能力，还是认知仅仅在尚未形成的区域受到限制？
钢琴演奏家弗雷德里克·乌伦决定找出答案。乌伦恰好也是瑞典斯德哥尔摩大脑研究所的副教授。2005 年，他和他的同事使用一种称为弥散张量成像 (DTI) 的新型脑部扫描技术来研究专业钢琴家的脑部。DTI 是使用医院中常见的同类型磁共振成像机完成的，但涉及不同类型的磁场和不同的算法来创建许多脑部图像切片，这些切片被组装成三维图像。切片显示了组织中扩散的水的向量（数学上定义为张量）。在灰质中，DTI 信号很低，因为水对称扩散。但水沿着轴突束不对称扩散；这种不规则的模式照亮了白色物质，暴露了在脑区之间流动的主要信息高速公路。纤维越紧密且髓磷脂涂层越厚，DTI 信号就越强。
乌伦发现，在专业钢琴家中，某些白色物质区域比非音乐家更发达。这些区域连接着大脑皮层的各个部分，这些部分对于手指的协调运动至关重要，并且与制作音乐时涉及的其他认知过程有关。
他还发现，音乐家长期以来每天练习的时间越多，这些白色物质束中的 DTI 信号就越强；轴突的髓鞘化程度更高或更紧密。当然，轴突可能只是简单地扩张了，需要更多的髓磷脂来维持最佳的 0.6 比率。在没有进行尸检的情况下，问题仍然悬而未决。然而，这一发现很重要，因为它表明，当学习一项复杂的技能时，白色物质——一种不包含神经元细胞体或突触，仅包含轴突和神经胶质的大脑结构——会发生明显的变化。对动物的研究（可以在其中对大脑进行物理检查）表明，髓磷脂会随着精神体验和生物的发育环境而发生变化。最近，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的神经生物学家威廉·T·格林诺夫证实，在“丰富”环境（可以接触到大量玩具和社交互动）中长大的大鼠，其胼胝体（连接大脑两个半球的粗大轴突束）中髓鞘化的纤维更多。
这些结果似乎与辛辛那提儿童医院的神经科学家文森特·J·施密特霍斯特进行的 DTI 研究相吻合，该研究比较了 5 至 18 岁儿童的白色物质。施密特霍斯特发现，白色物质结构的发育程度越高，智商就越高。其他报告显示，遭受严重忽视的儿童的胼胝体中白色物质减少高达 17%。
刺激变化
这些发现有力地表明，经验会影响髓磷脂的形成，并且由此产生的髓磷脂支持学习和技能的提高。但为了完全相信这一结论，研究人员需要对丰富的髓磷脂如何增强认知能力做出合理的解释，以及一些缺陷会损害心理能力的直接证据。
我的实验室发现了个人经历影响髓磷脂形成的几种方式。在大脑中，神经元沿着轴突释放电脉冲；通过在配备铂电极的培养皿中培养来自胎鼠的神经元，我们可以对它们施加脉冲模式。我们发现这些脉冲可以调节神经元中的特定基因。其中一个基因导致产生一种称为 L1-CAM 的粘性蛋白，这种蛋白对于在髓磷脂开始形成时将第一层膜粘贴到轴突周围至关重要。
我们还发现，神经胶质细胞可以“监听”穿过轴突的脉冲，并且听到的流量会改变髓鞘形成的程度；一种称为星形胶质细胞的神经胶质细胞在感知到脉冲流量增加时会释放一种化学因子。这种化学代码刺激少突胶质细胞形成更多的髓磷脂。患有亚历山大病（一种导致智力迟钝和髓磷脂异常的致命儿童疾病）的儿童，其星形胶质细胞基因发生突变。
逻辑也有助于解释白色物质如何影响认知能力。似乎可以通过类比互联网，大脑中的所有信息都应该尽可能快地传输。这意味着所有轴突都应该被均匀地髓鞘化。但对于神经元来说，更快并不总是更好。信息必须在大脑中心之间长距离传输。每个中心执行其特定功能，并将输出发送到另一个区域以进行下一步分析。对于复杂的学习，例如学习钢琴，信息必须在多个区域之间来回穿梭；在不同距离上传输的信息必须在特定时间同时到达一个地方。为了实现这种精确度，延迟是必要的。如果所有轴突都以最大速率传输信息，那么来自远处神经元的信号总是会比来自邻近神经元的信号到达得晚。脉冲通常需要 30 毫秒才能通过胼胝体中髓鞘化的轴突从一个大脑半球传播到另一个大脑半球，而通过未髓鞘化的轴突则需要 150 到 300 毫秒。胼胝体的轴突在出生时都没有髓鞘化，到成年时，仍有 30% 保持这种状态。这种变化有助于协调传输速度。
或许同样至关重要的是郎飞结。在过去的几年里，科学家们得出结论，郎飞结远非错误，而是充当复杂的生物电中继器——中继站，可以生成、调节和快速传播沿着轴突的电信号。通过研究猫头鹰出色的听力，神经生物学家已经表明，在髓鞘形成过程中，少突胶质细胞会插入比最佳的更快的信号传输更多的结，以减慢沿着某些轴突传播的信号。
显然，脉冲传输速度是大脑功能的一个重要方面。我们知道，当某些神经元回路连接更牢固时，就会发生记忆和学习。髓磷脂似乎可能会影响这种强度，通过调整传导速度，使来自多个轴突的电脉冲群同时到达同一个神经元。当这种汇聚发生时，各个电压突波会堆积起来，增加信号的强度，从而使所涉及的神经元之间的连接更牢固。为了探索这一理论，还需要进行更多的研究，但毫无疑问，髓磷脂会对环境做出反应并参与技能学习。
学习和精神疾病
有了这种新的视角，就不难想象错误的传输如何导致精神挑战。经过数十年在灰质中寻找精神障碍的原因，神经科学家现在有间接证据表明白色物质起着一定的作用。例如，阅读障碍是由于阅读所需回路中信息传输的时间中断造成的；脑成像显示这些束状结构中的白色物质减少，这可能导致这种中断。白色物质异常被认为既反映了髓鞘形成的缺陷，也反映了影响这些白色物质连接的神经元发育异常。
音调失聪是由于大脑皮层中分析声音的更高级别处理出现缺陷造成的；麦吉尔大学的心理学家克里斯蒂·L·海德发现，在音调失聪个体右脑前部的特定纤维束中，白色物质减少。此外，耶鲁大学的莱斯利·K·雅各布森最近的研究表明，在胎儿发育后期或青春期（当该束状结构正在进行髓鞘形成时）接触烟草烟雾会破坏白色物质。DTI 所见的结构与听力测试的表现直接相关。已知尼古丁会影响少突胶质细胞上调节细胞发育的受体。在髓鞘形成的关键时期接触环境因素可能会产生终生后果。
精神分裂症现在被理解为一种涉及异常连接的发育障碍。证据是多方面的。医生一直想知道为什么精神分裂症通常在青春期发展——但回想一下，这正是前脑正在髓鞘形成的主要年龄。那里的神经元已基本建立，但髓磷脂正在发生变化，使其成为嫌疑对象。此外，近年来近 20 项研究得出结论，精神分裂症患者大脑的几个区域的白色物质异常（少突胶质细胞比应有的少）。当基因芯片（可以一次调查数千个基因的微型诊断设备）最近上市时，研究人员惊讶地发现，许多与精神分裂症相关的突变基因都参与了髓磷脂的形成。在患有 ADHD、双相情感障碍、语言障碍、自闭症、衰老过程中的认知能力下降和阿尔茨海默病，甚至患有病理性说谎的个体中也发现了白色物质异常。
当然，髓磷脂发育不良或萎缩可能是神经元之间信号不良的结果，不一定是原因。毕竟，认知功能确实取决于皮层灰质中突触之间的神经元通讯，大多数精神药物都在那里发挥作用。然而，脑区之间的最佳通讯（这也是适当认知的根本）取决于连接这些区域的白色物质基础。2007 年，波士顿儿童医院的神经学家加布里埃尔·科法斯表明，在小鼠的少突胶质细胞（而不是神经元）中进行的基因实验性破坏会导致模仿精神分裂症的显着行为变化。并且行为影响涉及相同的基因之一，神经调节蛋白，发现在精神分裂症大脑的活组织检查中异常。
髓磷脂的变化是否会改变神经元，或者神经元模式的变化是否会改变髓磷脂的鸡和蛋问题，将以解决此类困境的相同方式解决：承认这两种机制之间存在密切的相互依赖关系。髓鞘形成神经胶质细胞可以对轴突直径的变化做出反应，但它们也调节该直径。它们还可以决定给定轴突是否存活。例如，在多发性硬化症中，轴突和神经元可能会在髓磷脂因疾病而丢失后死亡。
重塑老年
无论机制如何，随着我们的大脑从童年期成熟到成年期，区域之间连接的精确度都会提高。连接的良好程度可能决定了我们在特定年龄段学习某些技能的效果。
事实上，乌伦对有成就的钢琴家的研究揭示了一个额外的发现：在较早年龄开始学习乐器的个体中，整个大脑的白色物质都更发达。在青春期后才开始学习的人中，白色物质的发育仅在前脑中增加——前脑是仍在进行髓鞘形成的区域。
这一发现表明，神经纤维的绝缘在一定程度上决定了学习新技能的年龄限制——机会之窗或关键期，某些学习可能会发生，或者至少可以很容易地发生。在青春期后学习外语，你注定会带有口音；在儿童时期学习这门语言，你就会像母语人士一样说它。之所以出现这种差异，是因为检测语音的大脑回路会根据我们只在儿童时期听到的声音重新布线。我们实际上失去了连接，否则这些连接将使我们能够听到外语特有的声音。从进化角度来看，大脑没有理由保留连接来检测它在童年时代之后从未听过的声音。关键期也是成年人从脑损伤中恢复不如儿童好的主要原因之一。
专家们已经确定了髓磷脂中特定的蛋白质分子，这些分子会阻止轴突发芽和形成新的连接。苏黎世大学的大脑研究员马丁·E·施瓦布揭示了几种髓磷脂蛋白中的第一种，这些蛋白会导致轴突的幼芽在接触时立即枯萎。当这种蛋白（他将其命名为 Nogo，现在称为 Nogo-A）被中和时，脊髓损伤的动物可以修复其受损的连接并恢复感觉和运动。耶鲁大学的斯蒂芬·M·斯特里特马特最近发现，可以通过阻断来自 Nogo 的信号来重新打开动物通过经验布线大脑的关键期。当旧小鼠的蛋白质被破坏时，这些动物可以重新布线视觉连接。
然而，如果髓鞘形成在 20 多岁时基本完成，这是否与最近关于大脑在中老年时期仍然具有可塑性的说法相矛盾呢？例如，研究表明，一个人在 60 多岁、70 多岁和 80 多岁时进行脑力锻炼有助于延缓阿尔茨海默病的发生。一个人的智慧又如何在几十年中增长呢？答案仍在涌现。研究人员尚未在老年动物身上寻找髓磷脂的变化。其他实验表明，髓鞘形成会持续到 50 多岁中期，但程度要微妙得多。
当然，白色物质是需要长期练习和重复以及大脑皮层中高度分离的区域之间广泛整合的学习类型的关键。大脑仍在广泛髓鞘形成的儿童发现，与他们的祖父母相比，他们更容易获得新技能。对于一系列智力和运动能力，如果一个人想达到世界一流水平，他或她必须从小开始。你今天拥有的大脑是通过在你成长过程中与环境互动并且你的神经连接仍在髓鞘形成时构建的。你可以通过多种方式调整这些能力，但除非我们从小就开始训练，否则你我都不会成为世界一流的钢琴家、象棋选手或网球职业选手。
当然，老家伙仍然可以学习，但他们从事的是另一种直接涉及突触的学习。然而，强化训练会导致神经元放电，因此存在这种放电刺激髓鞘形成的可能性。也许有一天，当我们完全了解白色物质何时以及为何形成时，我们可以设计出治疗方法来改变它，即使它正在变老。为了实现这一推测，我们需要找到告诉少突胶质细胞髓鞘化一个轴突而不是附近另一个轴突的信号。这一发现深埋在灰质之下，等待着未来的探索者去发掘。