在天與地之間揮灑自如

重點提要

■長期以來公認只扮演被動角色的大腦白質，卻直接影響了腦的學習與功能障礙。

■雖然神經元組成的灰質執行了大腦的思考與計算，但由包覆著髓鞘的神經軸突所組成的白質，卻控制著神經元共享的訊號，協調腦區之間的正常運作。

■一種稱為擴散張量造影的磁共振新技術，首次顯現了白質的運作，並指出不為人知的功能。

■我們出生時，白質並未完全成形，一直到20歲左右，才在不同腦區逐漸發育完全。白質生長的時機與成熟程度，會影響到學習、自我控制（年少時期因缺乏自制而輕狂），以及精神疾病，像是精神分裂、自閉與病態性說謊。

想像一下，如果我們可以深入窺探頭顱，就能夠得知人腦智愚的成因，或是找出導致精神分裂症或閱讀障礙的隱藏特徵。現在科學家利用一種新的造影技術，就可以取得這樣的證據，而且結果令人驚訝：腦中只由白質組成的區域，可能會影響智力以及各種精神疾病。

位於老師喜歡嘮叨的兩耳之間是「灰質」，負責心智運算與儲存記憶。這層皮質是腦的「表土」，由神經細胞本體（神經細胞的決策中心）緊密組裝而成。皮質底下是「白質」，在人腦中幾乎佔了一半，比其他動物的比例高出許多。白質由數百萬條溝通管線組成，每一條管線都包含一根長長的軸突，外面包覆著稱為髓磷脂的白色脂質，這些白色纜線就像連接國內長途電話的中繼線一樣，會將不同腦區的神經元連接起來。

數十年來，科學家認為髓磷脂不過是種絕緣體，而包覆於內的軸突只是被動的導線罷了，因此鮮少對白質感興趣；討論學習、記憶與精神疾病的理論，都只重視神經元內和突觸（神經元間的微小接觸點）上的分子行動。不過，現在科學家了解到，對於腦區之間的正常訊號傳輸，我們低估了白質的重要性。新的研究指出，白質的多寡因人而異，隨著心智經驗或功能障礙而有不同，而且隨著學習或彈琴等技藝練習，腦中的白質也會跟著改變。雖然灰質裡的神經元執行了心智與肢體活動，但白質的正常運作卻是人類掌握心智與社交技巧，以及老狗能否玩出新把戲的重要關鍵。

白質管的事真多

賦與白質顏色的髓磷脂一直很神秘。科學家藉由顯微鏡觀察神經元已超過一個世紀，從中看到了軸突的長纖維，宛如加長的手指向外伸展，從一個神經元本體延伸到附近另一個神經元，每根軸突都包覆著厚厚的透明膠質。解剖學家猜測，這脂肪外層必然是軸突的絕緣體，就像銅絲外面的橡膠一樣。奇怪的是，許多軸突根本沒有外鞘（稱為髓鞘），較小的纖維尤其如此；即便是有外鞘的纖維，每隔幾毫米就會出現沒有髓鞘的地方，這個裸露部份稱為蘭氏結，以首位描述該結構的法國科學家蘭維爾（Louis-Antoine Ranvier）為名。

當代研究指出，軸突上神經衝動傳導的速度，有髓鞘要比沒有髓鞘快上百倍左右，而且軸突上的髓磷脂就像電線膠帶一樣，會在兩個蘭氏結之間纏繞多達150圈。髓鞘由兩種神經膠細胞以片狀方式所形成，這些細胞不是神經元，但在腦與神經系統卻非常多（參見2004年5月號〈魅影腦細胞〉）。狀似八爪章魚的寡突細胞（oligodendrocyte）纏繞在軸突外，讓電訊號不會漏流，可以從一個個蘭氏結跳著快速往下傳送。腦與脊髓之外的神經軸突髓鞘，則是由香腸狀的許旺氏細胞（Schwann cell）形成。

沒有髓鞘的話，電訊號就會漏流而消散。為了達到最快的傳導速度，絕緣層的厚度必須與其包覆的纖維粗細成一定比例。裸露軸突直徑除以包含髓鞘的纖維總直徑，最佳比值是0.6。我們不清楚寡突細胞如何「知道」不同直徑的軸突，以決定包10層還是100層的絕緣層，才能達到適當的厚度。不過，德國哥丁根馬克士普朗克實驗醫學研究所的生物學家納夫（Klaus-Armin Nave）最近發現，許旺氏細胞會偵測一種叫做神經調節素（neuregulin）的軸突表面蛋白，當神經調節素的量一有增減，許旺氏細胞纏繞軸突的圈數就會跟著增減。有趣的是，在許多躁鬱症或精神分裂症患者身上，製造這個蛋白的基因都有缺陷。

髓鞘的包圍發生於不同年齡。初生之時只有少數幾個腦區有明顯的髓鞘，之後快速增加，某些腦區要到25或30歲時才完全成熟。一般而言，在長大成人的過程中，髓鞘是從大腦皮質後部（近後頸部位）一路長到前方（前額部位）。額葉是髓鞘最後形成的腦區，這些腦區負責高階理解、策劃與判斷，這是只有透過經驗學習才能學會的技巧。研究人員推測，青少年的前腦髓鞘不成熟，是他們缺乏成人決策能力的原因之一。這些觀察指出髓鞘之於智力的重要性。

窺看白質

人類的腦子要到剛成年時，髓鞘才算完全包覆，想必是因為在這之前軸突持續生長，隨著經驗而長出新分支或減少其他分支，軸突一旦被髓鞘包覆，改變的能力就受到限制。不過仍有些問題待解：髓鞘的形成是預設好的，還是生活經驗可以改變包覆的程度，進而影響我們學習的能力呢？是髓鞘建立了認知能力，還是認知形成僅限於尚未形成髓鞘的腦區？

名鋼琴家烏蘭（Fredrik Ull幯）決定要找出原因，他也是瑞典斯德哥爾摩腦研究中心的副教授。2005年，烏蘭與同事利用擴散張量造影（DTI）這種腦掃描新技術，來研究職業鋼琴家的腦部。DTI所用的磁共振造影（MRI）機器與醫院的相同，但使用不同的磁場與演算法來產生許多腦部影像，最後這些影像如切片般合成三維圖像。切片顯現出組織裡水的擴散向量（數學定義為張量）。灰質的DTI訊號低，因為水的擴散是對稱的，但水在軸突纖維束會不對稱擴散，這種不規則模式讓白質亮了起來，顯現出流通於腦區之間的主要訊息迴路。神經纖維的髓鞘越厚越緊密者，DTI訊號就越強。

烏蘭發現，職業鋼琴家的某些白質區遠比非音樂家來得發達，這些白質區所連結的大腦皮質部位，是那些協調手指運動的重要腦區，以及與創造音樂有關的其他認知腦區。

變粗，而需要更多的髓鞘來維持0.6的最佳比值，不過目前缺乏解剖學的證據，所以還沒有答案。但這個重要的發現指出，複雜技巧的學習可以讓只有軸突與神經膠細胞的白質產生可觀變化，而不涉及神經細胞本體或突觸。透過檢視動物腦子的研究指出，髓鞘會隨動物的經驗與生長環境而改變。美國伊利諾大學香檳分校的神經生物學家葛里諾（William T. Greenough）證實，讓大鼠生長在有著許多玩具、互動豐富的環境，其胼胝體（連接兩大腦半球的密集軸突束）會有較多的髓鞘纖維。

這些研究似乎與另一項DTI研究相呼應，那是由辛辛那提兒童醫院的神經科學家許密得霍斯特（Vincent J. Schmithorst）所進行。他比較5~18歲孩童的白質之後發現，高度發展的白質構造與高IQ有直接關係。其他的研究則指出，孩童若嚴重遭受忽略，他們的胼胝體白質會減少達17%之多。…