本文轉載自“環球科學ScientificAmerican”。
撰文 | 金伯莉•諾布林（Kimberly Noble）
翻譯 | 王軼楠 李子逸 甘霖
審校 | 劉嘉
在智商、閱讀和其他測試中，來自貧窮家庭的孩子整體表現均不及同齡人。對他們來說，從高中畢業、被大學錄取、獲得學位的難度更大，而且成年後拿到的薪水更低，也更容易失業。這些關聯並不令人感到驚奇，大腦發育水平也僅僅是導致這些後果的眾多因素之一。那麼，貧窮究竟會對大腦發育產生怎樣的影響？直到最近十年，我們對此的看法仍然很模糊。
我的實驗室同其他幾個實驗室一起，開始探討家庭的社會經濟地位（socioeconomic status，SES）——一種涵蓋收入、受教育程度和職業聲望的衡量指標——和兒童大腦健康之間的關係。我們發現，兒童大腦在大小、形狀以及實際功能上的差異與SES有關。
認識到貧窮對大腦發育的潛在危害之後，我們想要找出一種簡易可行的方法來減輕貧窮帶來的傷害。為此，我們計劃研究通過發放補貼來緩解家庭經濟壓力對兒童大腦健康的影響。這是第一例探究適度提高收入是否有助於大腦發育的研究。如果得到肯定的結論，它將為我們清晰地指出一條從基礎腦科學通往公共政策的道路。
SES與大腦
當我於15年前開始這項研究時，我還只是一名賓夕法尼亞大學的研究生。當時，我的導師瑪莎•法拉（Martha Farah）想要了解貧窮是如何影響大腦早期發育的。幸運的是，我成為了第一位挑戰這個問題的學生。
我們的專案需要慎重選擇研究方法。當時最吸引人的技術是腦成像——通過功能強大的機器給大腦拍攝照片，進而揭示大腦的結構和功能。腦成像技術的效果令人振奮，但它也是極其昂貴的：單次掃描通常需要花費數百美元，這還不包括支付給受試者和分析資料的研究助理的報酬。
考慮到這是一個從未被研究過的問題，我們決定尋找更加簡易、廉價的方法，這樣我們就可以招募儘可能多的受試者。最終，我們決定選擇一種直截了當的解決方案：使用標準化的手段測定認知能力。與之前的研究不同，我們不再依賴廣義的成就指標，如高中畢業率，因為大腦中沒有哪個區域是負責高中畢業的。很多截然不同的大腦回路負責著各式各樣的認知技能，其中有許多技能對於學業和生活成就來說都是十分重要的。例如，如果有人大腦左半球的韋尼克區（Wernicke’s area）出現損傷，他們在理解語言時就會出現障礙。同時，神經影像學的研究也指出，健康的人在傾聽他人說話時使用的也是該腦區。科學家由此推斷，當健康個體進行一項需要傾聽和理解語言的任務時，都會使用韋尼克區。這樣，無需對所有人的腦部結構進行掃描，我們同樣可以得出這條結論。
因此，我們決定用成熟的心理測試方法評估兒童的語言能力，不進行腦部掃描。我們要研究的問題是：SES差距與大腦功能的關係是怎樣的？
我們招募了幾組家庭社會經濟背景不同的孩子作為受試者，他們的年齡從學齡前到青春期不等。在試驗中，他們接受了一系列認知測試，以此檢測各部分大腦回路結構的完整性。我們從多次試驗中得出高度一致的結論。總體來說，家庭背景較貧窮的孩子往往在語言、記憶力、自控力和專注力的測試中表現更差。
另一方面，對於我們以及其他從事類似研究的團隊來說，確實需要更加先進的腦成像技術，從而驗證家庭SES是否影響到兒童參與高階認知過程的核心腦區的形態和大小。4個彼此獨立的研究團隊最近報告稱，那些父母收入較高的孩子往往也有著更大的海馬體（一個位於大腦深處，負責記憶編碼的結構）。而其他的一些研究則在關注貧窮對大腦皮層（由負責認知加工過程的腦細胞組成的外側褶皺層）形態、大小的影響。其中，一些早期研究已經檢驗了SES與大腦皮層的體積之間是否存在關聯。
為了理解何謂大腦皮層體積，大家可以想象眼前有一瓶湯罐頭，我們通過測量罐頭的高度和底面積，將兩者相乘算出內容物湯的體積。在腦科學中，大腦皮層的厚度相當於罐頭的高度，而大腦皮層的表面積就相當於罐頭的底面積。兩者相乘，就得到了大腦中的“湯”——大腦皮層的體積。
在測量皮層體積時必須格外小心。因為一個大的皮層表面積乘以一個小的皮層厚度，或者是大的皮層厚度乘以小的皮層表面積，都有可能得到相同的皮層體積，所以研究者很容易被誤導。皮層厚度隨著年齡增加而減小，就好比是我們假想的湯罐頭被壓縮成金槍魚罐頭那麼矮；與此同時，皮層表面積卻隨著年齡增加而增大，就好比我們開始有一小罐番茄醬，然後它的底面積慢慢增加，最終變得像湯罐頭一樣大。
最近，我們使用一套測量軟體，檢驗了SES的差距是否會同時影響大腦皮層的表面積與厚度。這是迄今為止關於該問題規模最大的一項研究，成果發表在2015年的《自然• 神經科學》（Nature Neuroscience）期刊上。我們分析了來自全美10個地區的、擁有不同SES的1099名兒童和青少年的大腦結構。我們發現，父母的受教育程度和家庭收入均與兒童大腦皮層的表面積相關。家庭年收入低於2.5萬美元的兒童的皮層表面積比超過15萬美元的兒童小6％。這種相關性廣泛存在於大腦的眾多區域，並尤為明顯地體現在一些負責語言加工、衝動抑制及其他自我調節的腦區中，而此前的研究已經反覆證實，這些能力受SES影響。
在這項研究中，我們考慮了幾個關鍵變數。首先，我們將每位受試者的遺傳背景，即基因來自6個主要人群（非洲、中亞、東亞、歐洲、美洲原住民和大洋洲）的比例作為種族因素加以控制。資料分析顯示，我們發現的SES差異對大腦結構的影響與種族因素無關。
此外，我們還發現了巨大的個體差異。例如，一些來自貧窮家庭的兒童和青少年擁有更大的皮層表面積，而一些家庭條件優越的孩子的皮層表面積卻更小。這種情況類似於性別和身高的關係：我們知道，童年時，男孩一般比女孩長得高，但在每一間小學教室裡，都有一些女孩比一些男孩長得高。同理，雖然來自較高收入家庭的兒童往往擁有更大的皮層表面積，但是我們的研究團隊並不能根據家庭收入情況直接預測出某一個兒童的大腦皮層表面積。
家庭收入和大腦皮層表面積的相關性在收入最底層的人群中表現得最為明顯，而在家庭收入較高的群體中卻趨於減弱。換句話說，在最貧窮的家庭中，家庭收入差異對大腦結構的影響更大。
在近期發表的另一項研究中，我們探討了SES差異和皮層厚度之間的關係。一般而言，皮層厚度會隨著年齡增長而減小。但是我們的研究表明，家庭的SES會對變化趨勢造成影響。當家庭SES較低時，兒童的大腦皮層厚度在早期往往急劇減小，進入青春期後下降趨勢變緩；而當SES較高時，一直到青春期後期，皮層厚度隨年齡增長而減小的趨勢都更加平緩。
這項發現與其他實驗室的研究結果一致，這表明，在一些情況下，逆境可以加速腦的成熟，使幼兒的大腦更快速地成長。窮人家孩子的大腦皮層厚度快速減小，這表明他們的大腦缺乏“可塑性”，這種能力可以改變大腦結構，從而與童年和青春期的學習相適應。
當然，我們需要回答的最重要的問題之一是，大腦結構的差異是否會影響兒童的認知能力。我們的研究在一定程度上驗證了此前的觀點，即家庭收入較高的兒童更能集中注意力、抑制不恰當的反應。威斯康星大學麥迪遜分校的塞思•波拉克（Seth Pollak）與麻省理工學院的約翰•加布裡埃利（John Gabrieli）各自的研究也都表明，大腦結構（皮層體積或厚度）的差異或許可以解釋，低收入家庭背景的青少年學業成績為什麼比其他人低15%~44%。
此類研究取得了引人注目的成果，但它們仍處於起步階段，我們還需要繼續尋找究竟是什麼導致了SES和大腦發育的關聯。是營養、鄰居、學校質量、父母教養方式、家庭壓力，還是這些因素的綜合作用？我們是否可以確定，所有的這些差異都可以用後天的經歷加以解釋，還是遺傳也在其中起到了作用？
目前的研究很難直接回答這些問題。不過，聖路易斯華盛頓大學的瓊•盧比（Joan Luby）團隊的最新研究表明，收入差距帶來的生活壓力和父母教養方式的不同，可以導致兒童大腦結構出現差異。在低收入家庭中，父母給孩子的支援較少，孩子也更容易產生敵對心理，這會導致負面結果——在該項研究中，就是使得海馬體更小。而我們實驗室則在考察，長期的壓力、親子間語言交流的不足能否在一定程度上解釋這些發現。
另一個由來已久的問題是：貧窮的孩子在人生早期所經歷的困難是可以追根溯源到胚胎時期，還是受到出生後家庭收入的影響？我們團隊在近期發現，嬰兒在出生後4天內的腦功能與其父母的收入和受教育程度無關，這也就證實了，SES通過後天經歷來影響腦結構的發育。但是這項結果仍有待更多研究的佐證，因為我們研究中的樣本僅包含了66個家庭。值得一提的是，一些研究團隊已經發現，兒童在出生一年後才會出現顯著的大腦結構和功能差異。
總而言之，目前我們仍沒有足夠的證據來解釋家庭、社會地位和經濟條件與兒童大腦發育之間的關係。在今後的研究中，理清SES、童年的早期經歷與大腦發育之間的關係依然會是優先考慮的方向。
相關不等於因果
儘管已經有大量研究為家庭收入與大腦發育之間的關係提供證據，然而一個關鍵問題仍未得到解決。人們常說“相關性並不等於因果性”，說明了這一揮之不去的不確定因素：較低的大腦發育水平是由貧窮的家庭環境導致的，還是不同的成長過程使得一些孩子在課業或未來的工作中步履維艱？
神經科學研究在因果關係問題上始終保持沉默。為了研究因果關係，我們需要運用科學實驗的黃金法則：隨機對照試驗。其中，隨機分配的“治療”組會接受某種干預，而同樣隨機分配的另一組則接受“對照”措施，這讓我們能夠判斷這種干預對大腦發育的影響。
在此類研究中，研究人員需要找出能有效縮小SES差異的干預措施。已經有一些基於學校和家庭的干預措施旨在減小兒童成績的差異，例如開端計劃（Head Start）。事實證明，很多措施頗具成效，然而這些干預措施常常面臨巨大的挑戰：高質量的干預措施十分昂貴，而且很難在更大範圍內施行。此外，它們常常會“漸隱消失”——當兒童不再享受這一計劃的服務時，干預的積極影響便會隨著時間的推移而減弱。
鑑於這些困難，我們決定考慮一種更為簡易的干預措施，它易於操作，並且擁有近乎完美的社會接納度。我們的計劃是向家庭發放現金補貼，並研究該舉措是否會影響兒童大腦發育。現金補貼與提供諮詢、兒童護理等其他服務不同，它讓父母有可能為自己和子女作出他們心目中的最佳財務決策。在美國和發展中國家開展的研究均表明，直接的收入補貼或許是一種可行的方案。提供基本收入保障的想法正在逐步受到認可，一些慈善機構及政府已開展試點。
但時至今日，沒有一項研究真正測定了收入補貼對於兒童大腦發育的影響。近日，我們集結了來自社會科學和神經科學領域的多位專家共同探討這一問題，包括加利福尼亞大學歐文分校的經濟學家格雷格•鄧肯（Greg Duncan）、威斯康星大學麥迪遜分校的發育心理學家凱瑟琳•馬格努森（Katherine Magnuson）、紐約大學的發育心理學家吉川裕和（Hirokazu Yoshikawa）和經濟學家莉薩•熱納蒂安（Lisa Gennetian）。我們正在籌措資金，用以開展第一項旨在檢驗扶貧和大腦發育之間因果關係的隨機對照試驗。儘管這一研究的前提假設簡單明瞭，但我們的目標卻富有雄心。我們計劃在一開始招募1000位正好有孩子出生的美國低收入母親，每個月隨機給她們333美元或20美元的補貼。
如果在醫院剛生完孩子的母親同意參與這項研究，那麼就會有一筆錢打到她們的借記卡上。隨著研究的繼續，她們的借記卡每個月都會自動轉入一筆錢。我們對於如何使用這些錢並沒有限制。在孩子出生後的前3年，我們會對家庭進行跟蹤，進而評估無條件的現金補貼是否會對兒童的認知能力和大腦發育產生影響。
我們也會仔細分析家庭生活的各個方面，包括壓力、家庭關係的質量以及父母如何用這筆錢。最近，一項持續一年、包含30位低收入母親的初步研究表明，我們的方法可行性很高，借記卡能夠成為一種向母親提供補貼的可靠手段。儘管很多受試者之前從未用過借記卡，但幾乎沒人在借記卡啟用、提現或POS機使用中遇到問題。這給了我們足夠的信心，我們相信這些手段可以擴充套件到一項完整的研究。
我們提出的假說是，家庭收入的增加會給貧窮家庭帶來一連串的積極效應。當孩子們度過早期童年階段時，他們在視覺、聽覺和其他關鍵的認知技能上會有更好的發展，和高收入家庭的孩子旗鼓相當。
如果我們的假說成立，那麼，我們的試驗有可能會影響到社會政策的制定，這些政策會影響上百萬有孩子的貧窮家庭的生活。在我們看來，這些政策或許可以通過一種並不複雜的管理體制來落實。儘管收入可能並不是決定一個孩子發展軌跡的唯一因素，但從政策實施角度來看它卻是最容易改變的。至少，它可以成為促進孩子大腦健康發育的“首付”。
作者簡介：
金伯莉•諾布林是哥倫比亞大學教育學院的神經科學和教育學副教授，主要研究社會經濟差距對兒童認知能力和大腦發育的影響。