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    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：讀腦術(shù)

    [美]拉塞爾·A.波德拉克 著

    伍拾一 譯

    中信出版集團(tuán)

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：目錄

    第一章 20瓦特的思想——科學(xué)的極限挑戰(zhàn)

    什么是神經(jīng)成像

    大腦好比電腦

    大腦運(yùn)算什么

    從大腦到思想

    研究思想

    神經(jīng)成像誕生之前的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)

    幸運(yùn)的fMRI

    神經(jīng)成像無(wú)能為力的事

    全書(shū)閱讀指南

    第二章 看得見(jiàn)的思想

    認(rèn)知神經(jīng)成像的誕生

    磁力相機(jī)

    “我將‘點(diǎn)亮’視覺(jué)皮質(zhì)”

    通往fMRI的“血氧水平依賴(lài)”之路

    第三章 fMRI的發(fā)展歷程

    將fMRI和神經(jīng)元聯(lián)系起來(lái)

    發(fā)現(xiàn)大腦模塊

    解碼大腦的初步探索

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：從分子到網(wǎng)絡(luò)

    “成長(zhǎng)的煩惱”

    fMRI是巫術(shù)嗎

    第四章 fMRI能“讀心”嗎

    破譯思想語(yǔ)言

    告訴我你在想什么

    解碼“心靈之眼”

    解碼腦損傷患者的意識(shí)

    你真的疼痛嗎

    第五章 大腦如何隨時(shí)間而改變

    終其一生的大腦發(fā)育

    經(jīng)驗(yàn)如何改變大腦

    大腦的波動(dòng)

    一項(xiàng)瘋狂的研究

    一個(gè)人的大腦如何隨時(shí)間而改變

    走向個(gè)性化神經(jīng)科學(xué)？

    第六章 犯罪和謊言——當(dāng)神經(jīng)成像遇見(jiàn)法律

    大腦發(fā)育和刑事責(zé)任

    法庭測(cè)謊

    fMRI能測(cè)謊嗎

    預(yù)測(cè)未來(lái)犯罪

    對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的決策來(lái)說(shuō)，fMRI可靠嗎

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：第七章 決策神經(jīng)科學(xué)——大腦的“購(gòu)買(mǎi)按鈕”成

    像

    我們?yōu)槭裁催@樣選擇

    選擇神經(jīng)科學(xué)

    學(xué)習(xí)好的東西

    我們真的有兩種思維嗎

    現(xiàn)在和以后

    “消費(fèi)神經(jīng)科學(xué)”的出現(xiàn)

    “閱讀”集體心智

    第八章 精神疾病只是一種大腦疾病嗎

    關(guān)于精神疾病，遺傳學(xué)怎么解釋

    精神疾病成像

    精神疾病成像的挑戰(zhàn)

    反思精神障礙

    大腦中的恐懼

    計(jì)算精神病學(xué)

    成癮癥是大腦疾病嗎

    對(duì)精神疾病的偏見(jiàn)

    第九章 神經(jīng)成像的未來(lái)

    磁感應(yīng)強(qiáng)度11特斯拉——高場(chǎng)MRI

    超越血氧水平依賴(lài)

    信息透明提升科學(xué)水平

    結(jié)論

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：致謝

    版權(quán)頁(yè)

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：1.人們可以用MRI測(cè)量腦組織的各個(gè)方面。左邊兩張圖表明了結(jié)構(gòu)性MRI的兩種用途：測(cè)量腦組

    織中水和脂肪的含量。右圖是fMRI顯示的大腦活動(dòng)情況——紅色區(qū)域代表在特定思維過(guò)程中大

    腦活動(dòng)增強(qiáng)的區(qū)域。將這些區(qū)域覆于結(jié)構(gòu)性MRI圖像之上以判斷它們?cè)诖竽X中的位置。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：2.1991年11月1日的《科學(xué)》期刊封面。該封面展示了杰克·貝利維爾及其同事測(cè)得的視覺(jué)皮質(zhì)

    活動(dòng)(紅黃色區(qū)域)。杰克·貝利維爾等人使用的是一種需要注射造影劑的早期fMRI技術(shù)。經(jīng)

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：版權(quán)所有者AAAS授權(quán)翻印。

    3.我的大腦底部視圖。當(dāng)我觀察人臉時(shí)，紅色區(qū)域被激活。被激活的區(qū)域沿著大腦兩側(cè)的梭狀

    回(白色虛線(xiàn)描畫(huà)的部分)分布。

    4.觀察大腦活動(dòng)與一個(gè)特定區(qū)域(“種子區(qū)域”)的關(guān)聯(lián)是分析大腦連接的一種方法。此圖顯

    示了運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)中一個(gè)與大腦活動(dòng)(紅黃色部分)相關(guān)的“種子區(qū)域”(藍(lán)色部分)。該分析復(fù)

    制了巴拉特·畢斯瓦的原創(chuàng)成果，說(shuō)明在靜息狀態(tài)下大腦兩側(cè)的運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)相互關(guān)聯(lián)。圖像由人

    類(lèi)連接組項(xiàng)目數(shù)據(jù)生成。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：5.克雷格·貝內(nèi)特在2009年提交的死鮭魚(yú)大腦活動(dòng)圖。由于沒(méi)有對(duì)多重比較進(jìn)行適當(dāng)校正，小

    紅點(diǎn)所在的位置顯示出了顯著的大腦活動(dòng)。圖片由克雷格·貝內(nèi)特提供。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：6.阿德里安·歐文在2006年發(fā)表的研究成果。紅黃色區(qū)域顯示了植物人(上)和健康對(duì)照組

    (下)想象打網(wǎng)球(左)和在自家房子內(nèi)導(dǎo)航(右)時(shí)的大腦活動(dòng)。2006年9月8日，《科

    學(xué)》，阿德里安·歐文、馬丁·科爾曼、梅拉妮·波利、馬修·戴維斯、史蒂文·勞力斯、約

    翰·皮卡德，“檢測(cè)植物人的意識(shí)”。經(jīng)版權(quán)所有者AAAS授權(quán)翻印。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：7.該圖表明，受試者在首次判斷一個(gè)單詞是抽象詞還是具體詞時(shí)，其左半腦的活躍區(qū)域要比再

    次判斷該單詞詞性時(shí)更大。紅黃色區(qū)域表示多次判斷一個(gè)單詞的詞性時(shí)，大腦活動(dòng)顯著減弱。

    圖像由開(kāi)放fMRI項(xiàng)目數(shù)據(jù)生成。

    8.大腦中的網(wǎng)絡(luò)。左圖顯示的是我右半腦中被識(shí)別出的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，仔細(xì)看中央部分。右圖顯示

    的是同屬默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)區(qū)域集(左圖星號(hào)標(biāo)記處)中的fMRI信號(hào)。盡管位于大腦的不同

    位置，但這些區(qū)域在10分鐘靜息態(tài)fMRI掃描過(guò)程中的活動(dòng)波動(dòng)情況非常相似。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：9.對(duì)Neurosynth(一個(gè)fMRI數(shù)據(jù)平臺(tái))數(shù)據(jù)進(jìn)行元分析得到的三組結(jié)果。在三組結(jié)果中，紅色

    區(qū)域與學(xué)習(xí)過(guò)程中的工作記憶相關(guān)，綠色區(qū)域與疼痛感相關(guān)，藍(lán)色區(qū)域與獎(jiǎng)勵(lì)相關(guān)。這些結(jié)果

    表明，不同的心理狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的大腦活動(dòng)模式也不盡相同。

    10.阿米特·埃特金及其同事發(fā)現(xiàn)的區(qū)域(紅色部分)。這些區(qū)域表明大腦結(jié)構(gòu)差異與常見(jiàn)的精

    神疾病有關(guān)。左圖為大腦的中部視圖，標(biāo)亮區(qū)域是前扣帶回皮質(zhì)，右圖為大腦側(cè)面視圖，標(biāo)亮

    區(qū)域是腦島(盡管大腦褶皺遮住了大部分腦島)。圖像由阿米特·埃特金提供的數(shù)據(jù)生成。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：獻(xiàn)給我的父母，感謝他們一直支持我的科學(xué)夢(mèng)想

    獻(xiàn)給太早離我們而去的邁克

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：第一章 20瓦特的思想——科學(xué)的極限挑戰(zhàn)

    理解大腦的工作原理幾乎是這個(gè)時(shí)代最大的科學(xué)挑戰(zhàn)。3磅[1]

    重的

    腦組織，其心智運(yùn)算能力怎么會(huì)超過(guò)世界上最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)，而其消耗

    的能量卻不超過(guò)一只昏暗的燈泡？為了回答這個(gè)問(wèn)題，神經(jīng)科學(xué)家從不

    同層面對(duì)大腦進(jìn)行了研究。目前我們對(duì)大腦工作原理的認(rèn)識(shí)大多來(lái)自對(duì)

    其他物種的研究，從蠕蟲(chóng)、果蠅，一直到小鼠、大鼠和猴子之類(lèi)的哺乳

    動(dòng)物。雖然這些研究帶給我們很多重要的思考，但歸根結(jié)底，我們大多

    數(shù)人想要弄清楚的是人類(lèi)大腦的工作原理，而人類(lèi)大腦的很多方面無(wú)法

    在對(duì)非人類(lèi)動(dòng)物的研究中體現(xiàn)。如果想理解人類(lèi)是如何思考的，我們就

    必須研究人類(lèi)。

    這本書(shū)講述的正是這樣的故事：一系列新技術(shù)如何使我們能夠比以

    往任何時(shí)候都更詳細(xì)地研究人類(lèi)大腦的工作原理。這些技術(shù)工具被稱(chēng)為

    神經(jīng)成像，因?yàn)樗鼈兡茏屛覀儎?chuàng)建人類(lèi)大腦的圖像，而這些圖像能告訴

    我們大腦是由什么組成的(結(jié)構(gòu))以及大腦在干什么(功能)。尤其是

    其中一種工具，徹底改變了我們?yōu)榇竽X畫(huà)像的能力，它就是MRI(磁共

    振成像)。這種不可思議的全能型技術(shù)賦予了神經(jīng)科學(xué)家安全地觀察人

    類(lèi)大腦活動(dòng)的能力，讓我們得以了解大腦執(zhí)行各種心理功能的過(guò)程。在

    某些情況下，用MRI檢測(cè)人們?cè)趫?zhí)行任務(wù)或者靜臥時(shí)的大腦活動(dòng)，我們

    甚至可以解碼他們的感受和思想。有些人大膽地稱(chēng)之為“讀心術(shù)”，但稱(chēng)

    之為解碼其實(shí)更準(zhǔn)確。MRI的作用并不局限于在固定時(shí)間點(diǎn)對(duì)大腦進(jìn)行

    研究，它還能顯示經(jīng)驗(yàn)是如何改變大腦的，以及從童年到老年，大腦隨

    時(shí)間而改變的過(guò)程。它表明，人類(lèi)大腦總體上遵循相同的原理，但也存

    在很多個(gè)體差異，這些研究使人們能夠深入了解導(dǎo)致精神疾病的大腦功

    能障礙。與此同時(shí)，MRI引發(fā)了很多超出科學(xué)范疇的追問(wèn)，這些追問(wèn)在

    本質(zhì)上關(guān)乎我們作為人類(lèi)如何看待自己這一終極命題。如果思考只是一

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：種能用MRI影像化的生物學(xué)功能，那么人類(lèi)意識(shí)還有什么神秘可言？如

    果決策只是大腦運(yùn)算的結(jié)果，那么“我們”該在何種意義上為自己的選擇

    負(fù)責(zé)？成癮癥是一種大腦疾病還是自控力差的表現(xiàn)，又或者兩者兼而有

    之？我們應(yīng)該擔(dān)心市場(chǎng)研究人員利用腦成像技術(shù)更有效地向我們推銷(xiāo)商

    品嗎？在概述神經(jīng)成像的作用和局限性之后，我們會(huì)解決這些問(wèn)題。

    [1] 1磅≈0.45千克�！�—譯者注

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：什么是神經(jīng)成像

    我使用“神經(jīng)成像”這個(gè)術(shù)語(yǔ)時(shí)，通常指的是能讓我們從外部檢測(cè)人

    類(lèi)大腦的技術(shù)。這些技術(shù)有很多種，但我主要關(guān)注的是MRI。鑒于MRI

    的安全性和靈活性，它已經(jīng)成為使用范圍最廣泛的腦成像工具。不同種

    類(lèi)的MRI可以檢測(cè)大腦的不同方面，我們把它們大致分為結(jié)構(gòu)性MRI和

    功能性MRI。結(jié)構(gòu)性MRI檢測(cè)腦組織的構(gòu)成，如水或脂肪的含量。因?yàn)?br/>
    這些物質(zhì)在大腦不同部位的含量不同，所以它們?cè)贛RI圖像上會(huì)呈現(xiàn)出

    或明或暗的顏色(見(jiàn)彩圖1)。腦組織檢測(cè)非常有助于我們發(fā)現(xiàn)大腦疾

    病和了解大腦的各個(gè)部位在大小和形狀方面的個(gè)體差異，但卻無(wú)法告訴

    我們大腦在干什么，因此，我們需要使用功能性MRI(通常縮寫(xiě)為

    fMRI)。當(dāng)研究人員發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)檢測(cè)MRI對(duì)血氧含量的影響來(lái)檢測(cè)大

    腦活動(dòng)時(shí)，fMRI就誕生了。fMRI的彩色圖像如彩圖1右半部分所示——

    大腦的有些部位似乎特別亮。我們會(huì)在第二章更詳細(xì)地探討fMRI的發(fā)

    明過(guò)程和工作原理。首先，我們需要回答一個(gè)問(wèn)題：“大腦功能”是什么

    意思？

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：大腦好比電腦

    人體的每個(gè)組織都有專(zhuān)門(mén)的生物學(xué)功能：心臟輸送血液，肺給血液

    供氧，消化系統(tǒng)從食物中吸收營(yíng)養(yǎng)，腎臟過(guò)濾血液里的垃圾。大腦的生

    物學(xué)功能是什么呢？無(wú)論功能是什么，它顯然都非常重要：大腦的重量

    只占體重的2%，但它的耗能卻占了人體耗能的20%。如果非要我概括大

    腦的功能，我會(huì)說(shuō)：處理信息。雖然肯定和筆記本電腦或智能手機(jī)處理

    信息的方式不同，但我們?nèi)匀豢梢哉J(rèn)為大腦是人體的核心運(yùn)算系統(tǒng)。它

    從物質(zhì)世界中獲取信息，并據(jù)此選擇行為方式，從而達(dá)到繁榮昌盛和繁

    衍不息(這對(duì)進(jìn)化來(lái)說(shuō)最重要)的目的。大腦并非人體內(nèi)唯一的“計(jì)算

    機(jī)”——例如，內(nèi)臟也有自己的運(yùn)算中樞，即大約包括5億個(gè)神經(jīng)細(xì)胞的

    腸道神經(jīng)系統(tǒng)，但卻是人類(lèi)之所以獨(dú)一無(wú)二的重中之重。

    盡管將大腦比作“計(jì)算機(jī)”有點(diǎn)兒道理，但它絕對(duì)不像我們?cè)谖镔|(zhì)世

    界中所熟悉的大多數(shù)計(jì)算機(jī)。硅基計(jì)算機(jī)遵循約翰·馮·諾依曼(首批真

    正的計(jì)算機(jī)科學(xué)家之一)提出的原理：它們由大量元件組成，你可以將

    這些元件看作微型開(kāi)關(guān)，它們以高度穩(wěn)定和一致的方式工作。經(jīng)歷過(guò)電

    腦“死機(jī)”的人都知道，這是某個(gè)元件發(fā)生故障的后果，由此可知，電腦

    的復(fù)原能力并不是很強(qiáng)。這些開(kāi)關(guān)的運(yùn)行速度非常快。此刻我用來(lái)寫(xiě)這

    本書(shū)的電腦的時(shí)鐘頻率達(dá)到3千兆赫，這意味著它可以每秒鐘完成30億

    次運(yùn)算。因此，這些微型開(kāi)關(guān)必須能快速被開(kāi)啟和關(guān)閉。更令人印象深

    刻的是，這些運(yùn)算大部分是串行的，也就是說(shuō)，每次傳輸一位數(shù)據(jù)(現(xiàn)

    在的大多數(shù)計(jì)算機(jī)每次能傳輸幾位數(shù)據(jù))。

    大腦和電腦有何區(qū)別？在回答這個(gè)問(wèn)題之前，我們需要了解腦細(xì)胞

    是如何處理信息的，因此，現(xiàn)在是時(shí)候?qū)Υ竽X的生理機(jī)能進(jìn)行一次徹底

    考察了。大腦主要由兩種細(xì)胞構(gòu)成。我們一般認(rèn)為神經(jīng)元對(duì)大腦運(yùn)算來(lái)

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：說(shuō)必不可少。大腦中還有一種次要的膠質(zhì)細(xì)胞，它們支撐大腦結(jié)構(gòu)并為

    神經(jīng)元提供生物學(xué)支持。直到最近，人們還認(rèn)為膠質(zhì)細(xì)胞僅僅起到了支

    持作用，但越來(lái)越清晰的事實(shí)是，它們?cè)谛畔⑻幚矸矫嫱瑯悠鸬搅酥匾?br/>
    作用。然而在這本書(shū)中，我們會(huì)聚焦于神經(jīng)元的活動(dòng)，因?yàn)樗鼈円廊皇?br/>
    神經(jīng)科學(xué)家研究的主要細(xì)胞類(lèi)型。

    為了了解神經(jīng)元的工作原理，我們需要先了解信號(hào)從外部世界進(jìn)入

    大腦的路徑。我早上沏了一杯濃咖啡，并聞了一下，這時(shí)候，咖啡的氣

    味就會(huì)以分子的形式接觸到我的嗅球——大腦少數(shù)直接暴露于外部世界

    的部位之一(就在我的鼻子里面)。這些分子撞上一種叫作嗅覺(jué)受體的

    特殊神經(jīng)元，引起細(xì)胞膜的改變，使細(xì)胞內(nèi)的電荷數(shù)量增加。當(dāng)電荷數(shù)

    量增加到一定程度時(shí)，細(xì)胞就會(huì)突然改變電學(xué)性能，釋放動(dòng)作電位——

    電荷數(shù)量突然大幅增加。通俗一點(diǎn)說(shuō)就是，神經(jīng)元在“放電”或“刺突

    化”(spiked)，因?yàn)檫@種變化十分突然。此時(shí)，動(dòng)作電位沿著該神經(jīng)元

    傳遞到與之相連的其他神經(jīng)元，于是循環(huán)開(kāi)始了——如果下一個(gè)神經(jīng)元

    接收到了足夠強(qiáng)的輸入信號(hào)，它也會(huì)“放電”。以此類(lèi)推。如果輸入信號(hào)

    足夠強(qiáng)，來(lái)自嗅覺(jué)受體的信號(hào)就會(huì)在相連的神經(jīng)元之間引起一系列活

    動(dòng)，這些活動(dòng)最終會(huì)傳遞至我的大腦皮質(zhì)，很可能會(huì)觸發(fā)我第一次去意

    大利旅游時(shí)對(duì)濃縮咖啡吧的記憶，或者激起我配上一塊巧克力或點(diǎn)心的

    渴求。

    我們把大腦神經(jīng)元比作電腦的CPU(中央處理器)，是因?yàn)閮烧哂?br/>
    一個(gè)重要的相似之處。很多神經(jīng)元的行為方式是“全有或全無(wú)”——就像

    數(shù)字晶體管一樣，一個(gè)神經(jīng)元要么放電，要么毫無(wú)動(dòng)靜，而且它的動(dòng)作

    電位在大小和時(shí)長(zhǎng)等方面基本相同。這表明，我的嗅覺(jué)神經(jīng)元不是通過(guò)

    釋放更大的動(dòng)作電位，而是通過(guò)連續(xù)多次放電或更快地放電來(lái)傳遞“咖

    啡味道很濃”的信號(hào)的(見(jiàn)圖1.1)。但是，大腦運(yùn)算幾乎在所有其他方

    面都和電腦截然不同。首先，與電腦相比，大腦的運(yùn)算速度非常慢——

    我們用納秒(十億分之一秒)衡量電腦的運(yùn)算速度，而用毫秒(千分之

    一秒)衡量神經(jīng)元的激活速度。其次，單個(gè)神經(jīng)元嘈雜又不可靠。在數(shù)

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：百萬(wàn)個(gè)對(duì)咖啡分子很敏感的神經(jīng)元中，只有個(gè)別細(xì)胞群會(huì)在我聞咖啡的

    時(shí)候被激活。最后，大腦以高度并行的方式處理信息——不同于CPU一

    次只快速地處理幾件事，大腦會(huì)同時(shí)處理很多件事，但處理每件事的速

    度相對(duì)緩慢。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：圖1.1 神經(jīng)元的刺激-反應(yīng)模式。最上邊的圖表明，即使沒(méi)有受到刺激，動(dòng)作電位也會(huì)持續(xù)形成

    尖峰；即使沒(méi)有受到刺激，多數(shù)神經(jīng)元也會(huì)隨機(jī)放電。中間的圖顯示了神經(jīng)元對(duì)弱刺激的反

    應(yīng)，最下邊的圖則顯示了神經(jīng)元對(duì)強(qiáng)刺激的反應(yīng)。注意，動(dòng)作電位并沒(méi)有隨刺激的增強(qiáng)而變

    大，僅僅是放電頻率隨之升高了。

    大腦的這些特點(diǎn)加在一起，就構(gòu)成了一種迥然不同的“計(jì)算機(jī)”，但

    這是好事。最重要的是，大腦的復(fù)原能力很強(qiáng)。如果你摔壞了筆記本電

    腦的主板，它幾乎就無(wú)法再工作了，而且也不能自我修復(fù)。相反，大腦

    非常強(qiáng)健。以我多年前從事博士后研究時(shí)遇到的莉薩為例。莉薩的童年

    生活相當(dāng)平淡，但她在大概12歲時(shí)患上了嚴(yán)重的癲癇。最后癲癇發(fā)展到

    無(wú)法控制，嚴(yán)重威脅她的生命，在她16歲時(shí)，醫(yī)生開(kāi)始寄希望于一種被

    稱(chēng)為半腦切除術(shù)的終極治療手段，也就是切除整個(gè)半腦——整整一半大

    腦皮質(zhì)(見(jiàn)圖1.2)。癲癇的病源在左半腦，而左半腦對(duì)大多數(shù)人來(lái)說(shuō)

    是主要負(fù)責(zé)語(yǔ)言功能的半腦。不幸的是，莉薩也是大多數(shù)人之一，她在

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：手術(shù)后的第一年內(nèi)，幾乎不會(huì)說(shuō)話(huà)。我們研究她時(shí)已經(jīng)是手術(shù)6年之后

    了，那時(shí)，她恢復(fù)了大部分語(yǔ)言功能。盡管就22歲的年齡而言，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)

    算不上正常，但鑒于她整個(gè)左半腦被切除的事實(shí)，這樣的恢復(fù)程度已經(jīng)

    相當(dāng)驚人了。

    這并不代表半個(gè)大腦就夠用了——她在語(yǔ)言能力方面還有嚴(yán)重的后

    遺癥，但這表現(xiàn)了大腦驚人的復(fù)原能力。我們會(huì)在第五章繼續(xù)探討莉薩

    的案例，探討如何用神經(jīng)成像觀察她的大腦自我重組的過(guò)程，正是這種

    重組使她恢復(fù)了說(shuō)話(huà)和閱讀的能力。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：圖1.2 莉薩的大腦MRI圖像。從中可以看出，腦脊液取代了她幾乎完全消失的左半腦。

    大腦和電腦還有一個(gè)重要的不同之處。在購(gòu)買(mǎi)電腦時(shí)，你可以選擇

    不同的操作系統(tǒng)(如Windows、Linux或Mac OS)和軟件程序，因?yàn)檐?br/>
    件根本上獨(dú)立于硬件，這一點(diǎn)也要感謝約翰·馮·諾依曼。與之相反，大

    腦的“硬件”和“軟件”不可分割：“程序”存儲(chǔ)在神經(jīng)元之間的連接處，我

    們的學(xué)習(xí)過(guò)程就是這些連接處的改變過(guò)程。也就是說(shuō)，事實(shí)上大腦改變

    了自身的“硬件”結(jié)構(gòu)。我們會(huì)在談到大腦可塑性時(shí)進(jìn)一步探討這個(gè)問(wèn)

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：題，因?yàn)樯窠?jīng)元連接處的這些變化對(duì)大腦的學(xué)習(xí)能力和復(fù)原能力至關(guān)重

    要。

    最后，了解大腦和電腦的不同“架構(gòu)”很重要，我所說(shuō)的“架構(gòu)”是指

    不同部分作為整體的一部分是如何工作的。電腦是模塊化架構(gòu)，這意味

    著不同的零件具有不同的功能。圖1.3是一塊標(biāo)明了各個(gè)零件名稱(chēng)的現(xiàn)

    代電腦的主板。這些零件各司其職，分別負(fù)責(zé)執(zhí)行聲音、聯(lián)網(wǎng)、存儲(chǔ)、CPU等不同的功能。我們可以通過(guò)兩種方法來(lái)識(shí)別模塊系統(tǒng)。首先，我

    們可以便捷地拆卸和更換很多零件并用其他兼容的版本取代它們。如果

    有更快的CPU或更好的顯卡，我只需要把它裝上去并重啟電腦即可，不

    出意外的話(huà)，電腦可以正常工作。其次，損壞其中一個(gè)零件通常只會(huì)產(chǎn)

    生特定的后果：如果我“小心翼翼”地弄壞網(wǎng)絡(luò)芯片(確保不會(huì)損壞其他

    零件)，那么電腦的聲音功能仍會(huì)正常工作，反之亦然。

    圖1.3 電腦主板示意圖。不同于人類(lèi)大腦，電腦是高度模塊化的，每個(gè)零件都有特定的功能。

    DRAM=動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，IDE=電子集成驅(qū)動(dòng)器，AGP=加速圖形端口，PCI=外設(shè)部件互連，CMOS=互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：如果你不是神經(jīng)科學(xué)家，那么你認(rèn)為大腦也是模塊化架構(gòu)便情有可

    原。畢竟，我們經(jīng)常聽(tīng)到神經(jīng)成像研究談?wù)摯竽X的“獎(jiǎng)勵(lì)中樞”或“面孔

    區(qū)”。正如我將在下面進(jìn)一步探討的那樣，在這些描述中，有一點(diǎn)是可

    信的，那就是，大腦功能在某種程度上是區(qū)域化的。左前額葉中風(fēng)的人

    更可能有語(yǔ)言障礙(見(jiàn)圖1.4)，而右頂葉受損的人更可能在空間意識(shí)

    和注意力方面有困難。不過(guò)，神經(jīng)科學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，沒(méi)有一個(gè)大

    腦區(qū)域是獨(dú)立運(yùn)作的——大腦中不存在聲卡或顯卡的類(lèi)似物。相反，你

    應(yīng)該把大腦想象成一個(gè)施工隊(duì)。施工隊(duì)里有維持團(tuán)隊(duì)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的總承包

    商和很多專(zhuān)業(yè)的分包商(如感知語(yǔ)音、進(jìn)行空間定位或預(yù)測(cè)他人行為的

    專(zhuān)家)。然而，這些個(gè)體都無(wú)法獨(dú)自建造樓房，他們只有通力合作，才

    能產(chǎn)生最終成果。對(duì)不同大腦區(qū)域之間溝通方式的研究，讓我們對(duì)大腦

    的運(yùn)作方式有了全新的思考：它并非一些“專(zhuān)家”的集合，而是一個(gè)集成

    網(wǎng)絡(luò)。我們將在第三章探討這一點(diǎn)。

    圖1.4 腦葉。在我的大腦表面圖像上勾勒出來(lái)的示意圖，由MRI數(shù)據(jù)生成。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：大腦運(yùn)算什么

    雖然我們對(duì)大腦的運(yùn)算方式有了些許認(rèn)識(shí)，但仍有一個(gè)問(wèn)題需要解

    決：我們對(duì)大腦投入的巨大能量能帶來(lái)什么回報(bào)呢？簡(jiǎn)而言之，我們獲

    得了適應(yīng)能力。正如人類(lèi)可以靠各種各樣的食物茁壯成長(zhǎng)一樣(因紐特

    人以海豹肉和鯨油為生，太平洋的島民吃芋頭之類(lèi)的含淀粉植物)，人

    類(lèi)大腦也能應(yīng)付各種各樣的認(rèn)知環(huán)境和挑戰(zhàn)。世界上能良好地適應(yīng)特定

    生態(tài)位的生物體很多，但像人類(lèi)這樣能廣泛適應(yīng)各種環(huán)境的生物體很

    少。

    我們認(rèn)為，大腦具備適應(yīng)能力的一個(gè)關(guān)鍵原因是，它能創(chuàng)建關(guān)于外

    部世界的預(yù)測(cè)模型。我們很容易將對(duì)周?chē)�世界的很多預(yù)測(cè)視作理所當(dāng)

    然。當(dāng)我沿著人行道行走時(shí)，誰(shuí)也無(wú)法保證混凝土不會(huì)突然變成液體把

    我吞沒(méi)，但在邁出下一步之前，我并不會(huì)思慮再三，因?yàn)槲艺J(rèn)為過(guò)去的

    經(jīng)驗(yàn)?zāi)芎芎玫刂笇?dǎo)未來(lái)。同理，當(dāng)我向同事請(qǐng)教問(wèn)題時(shí)，我認(rèn)為他會(huì)用

    英語(yǔ)短句而非意大利歌劇答復(fù)我。這些不是確鑿無(wú)疑的，但它們值得相

    信。只有當(dāng)預(yù)測(cè)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，我們才會(huì)意識(shí)到預(yù)測(cè)模型是多么重要。

    過(guò)去幾十年的大量研究表明，大腦一直在對(duì)外部世界做出預(yù)測(cè)，也

    在糾正錯(cuò)誤的預(yù)測(cè)。事實(shí)上，這些錯(cuò)誤預(yù)測(cè)正是學(xué)習(xí)的關(guān)鍵；如果我們

    表現(xiàn)完美，而且世界總是符合我們的預(yù)期，那么何必做出改變呢？神經(jīng)

    遞質(zhì)多巴胺是將學(xué)習(xí)與錯(cuò)誤預(yù)測(cè)聯(lián)系起來(lái)的關(guān)鍵物質(zhì)之一。多巴胺不同

    于在特定神經(jīng)元之間傳遞信號(hào)的神經(jīng)遞質(zhì)。我們把多巴胺稱(chēng)作“神經(jīng)調(diào)

    質(zhì)”，因?yàn)樗�能改變其他神�?jīng)元的行為方式，而非直接激活它們。多巴

    胺神經(jīng)元深藏在大腦中央，每當(dāng)外部世界發(fā)生意料之外的事情時(shí)，它就

    會(huì)發(fā)出信號(hào)。這些事情可能異于平常(圖書(shū)館里的大聲喧嘩)，也可能

    違背了我們的預(yù)期，要么是好事(在人行道上撿到100元錢(qián))，要么是

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：壞事(發(fā)現(xiàn)你的薪水低于預(yù)期)。多巴胺神經(jīng)元不斷地告訴大腦的其他

    部分，相較于我們的預(yù)期，世界多么美好。也就是，當(dāng)這個(gè)世界超出我

    們的預(yù)期時(shí)，多巴胺神經(jīng)元的活性就增強(qiáng)，而當(dāng)世界令我們失望時(shí)，多

    巴胺神經(jīng)元的活性就減弱。神經(jīng)科學(xué)的一項(xiàng)重要成就是發(fā)展出了一種理

    論，這種理論通過(guò)強(qiáng)化學(xué)習(xí)過(guò)程，將多巴胺在“預(yù)測(cè)誤差”編碼中的作用

    與我們適應(yīng)性地改進(jìn)預(yù)測(cè)的能力聯(lián)系在一起。我們將在講述大腦如何進(jìn)

    行決策的第七章中進(jìn)一步討論這個(gè)問(wèn)題。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：從大腦到思想

    我們都明白大腦是什么，它是我們能看見(jiàn)和測(cè)量的一種組織，如果

    我們是神經(jīng)外科醫(yī)生的話(huà)，我們還有機(jī)會(huì)觸摸它。但思想是什么？直覺(jué)

    上，我們都知道擁有思想是什么感覺(jué)，但它是由什么組成的呢？歷史

    上，人們對(duì)這個(gè)問(wèn)題的回答是：思想屬于另一個(gè)世界。哲學(xué)家笛卡兒有

    一個(gè)著名的觀點(diǎn)：思想(他真正所指的是“靈魂”)通過(guò)松果體與物質(zhì)世

    界相連。松果體是大腦深處的一個(gè)小型結(jié)構(gòu)。但非物質(zhì)世界怎樣和物質(zhì)

    世界互動(dòng)呢？這個(gè)問(wèn)題一直困擾著二元論——它主張思想與物質(zhì)世界無(wú)

    關(guān)。

    二元論在神經(jīng)科學(xué)時(shí)代難有作為。我們?cè)搅私獯竽X的工作原理，就

    越清楚思想和大腦實(shí)質(zhì)上是一回事。腦電刺激研究很好地證明了這一

    點(diǎn)。研究人員一般會(huì)刺激動(dòng)物的大腦并記錄數(shù)據(jù)，但這些動(dòng)物無(wú)法直接

    告訴我們它們的感受。然而在極少數(shù)情況下，研究人員能夠直接研究電

    刺激對(duì)人類(lèi)大腦的影響。當(dāng)某人有嚴(yán)重的癲癇時(shí)，外科醫(yī)生有時(shí)會(huì)嘗試

    切除其大腦中導(dǎo)致癲癇發(fā)作的部分——莉薩被切除了整個(gè)左半腦，但通

    常情況下，患者只會(huì)被切除一小部分腦組織，這將大大降低手術(shù)對(duì)人體

    功能的有害影響。雖然外科醫(yī)生的目標(biāo)是切除導(dǎo)致癲癇發(fā)作的腦組織，但卻很難從外部辨別出哪個(gè)部分是有問(wèn)題的，因此，他們有時(shí)會(huì)在患者

    的大腦中植入電極，并在一周或更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)記錄這些電極傳遞的數(shù)據(jù)。

    在此期間，患者坐在醫(yī)院里，腦袋上纏著繃帶，等待著癲癇再次發(fā)作，他們通常很愿意通過(guò)參與研究來(lái)打發(fā)無(wú)聊的時(shí)光。

    研究人員可以做的一件事就是，向患者大腦中的電極輸入微量電流

    來(lái)刺激其大腦。這不足以誘發(fā)癲癇或損害大腦，但足以以激進(jìn)或古怪的

    方式改變患者的意識(shí)體驗(yàn)。我的同事約瑟夫·帕維齊和卡蘭妮特·格里爾-

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：斯佩克特在一位癲癇患者身上做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，他們刺激了包括患者

    的“面孔區(qū)”在內(nèi)的部分腦組織。和論文同時(shí)公布的患者體驗(yàn)視頻表明，少量電流就能改變他們的意識(shí)體驗(yàn)：

    帕維齊：看著我的臉，告訴我當(dāng)我這么做的時(shí)候你有什么感覺(jué)，好

    嗎？準(zhǔn)備。(沒(méi)有刺激。)

    病人：沒(méi)感覺(jué)。

    帕維齊：我會(huì)再做一次，看著我的臉。準(zhǔn)備。(向患者的“面孔

    區(qū)”輸入4毫安電流。)

    病人：你剛才變成了另一個(gè)人。你的臉變形了。你的鼻子歪到了左

    邊。你看起來(lái)像我以前見(jiàn)過(guò)的一個(gè)人——我在一次旅行中見(jiàn)過(guò)的一個(gè)

    人。

    不需要?jiǎng)邮中g(shù)，使用一種被稱(chēng)為經(jīng)顱磁刺激的技術(shù)就可以刺激大

    腦，盡管這種刺激的針對(duì)性不是很強(qiáng)。經(jīng)顱磁刺激指的是在顱骨上放一

    個(gè)電磁線(xiàn)圈，然后向線(xiàn)圈輸入持續(xù)時(shí)間極短(不到千分之一秒)的脈沖

    電流。當(dāng)電磁體產(chǎn)生脈沖時(shí)，線(xiàn)圈之下的磁場(chǎng)以及正下方的腦組織會(huì)迅

    速發(fā)生變化。切記，神經(jīng)元是電流的導(dǎo)體，就像小小的生物電線(xiàn)。物理

    學(xué)告訴我們，一個(gè)不斷變化的磁場(chǎng)會(huì)在導(dǎo)體中產(chǎn)生電流，也就是說(shuō)線(xiàn)圈

    下方的神經(jīng)元會(huì)有電活動(dòng)。如果脈沖足夠強(qiáng)，就可能誘發(fā)癲癇，但研究

    人員使用的脈沖很弱，因此，它們能在改變大腦活動(dòng)的同時(shí)避免誘發(fā)癲

    癇。通過(guò)使用不同強(qiáng)度的脈沖，研究人員能刺激線(xiàn)圈下方的神經(jīng)元，也

    能讓這些神經(jīng)元停止活動(dòng)。

    我在20世紀(jì)90年代親自體驗(yàn)過(guò)經(jīng)顱磁刺激，當(dāng)時(shí)，我志愿參與我的

    博士后同事約翰·德斯蒙德主持的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。約翰希望用經(jīng)顱磁刺激來(lái)

    檢驗(yàn)干擾大腦頂葉中的特定區(qū)域是否會(huì)影響記憶能力，也就是我們所說(shuō)

    的工作記憶。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員會(huì)給我看一組字母，我必須記住它

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：們，并在幾秒鐘后說(shuō)出它們。在幾次嘗試中，他會(huì)用經(jīng)顱磁刺激刺激我

    的頂葉，希望擾亂那里的活動(dòng)，擾亂我的記憶。我認(rèn)為經(jīng)顱磁刺激對(duì)我

    的記憶并沒(méi)有很大的影響，但它確實(shí)產(chǎn)生了另一種非常顯著的效果：每

    當(dāng)他開(kāi)啟經(jīng)顱磁刺激的時(shí)候，我的半個(gè)舌頭就像嘗到了金屬味的東西。

    這表明，經(jīng)顱磁刺激脈沖也能刺激臉部負(fù)責(zé)感知味覺(jué)的神經(jīng)，從而使我

    產(chǎn)生這種體驗(yàn)。這同時(shí)凸顯了用經(jīng)顱磁刺激來(lái)研究大腦所面臨的一項(xiàng)挑

    戰(zhàn)——它的影響相當(dāng)廣泛，但最多只針對(duì)一個(gè)大致相當(dāng)于高爾夫球大小

    的區(qū)域，也經(jīng)常會(huì)刺激大腦外的神經(jīng)或肌肉。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：研究思想

    我前面說(shuō)過(guò)，大腦和思想完全是一回事，這可能會(huì)讓你以為研究思

    想和研究大腦也是一回事，但并非如此。我們稱(chēng)大腦研究人員為“神經(jīng)

    科學(xué)家”，而稱(chēng)思想研究人員為“心理學(xué)家”。我特別要提一提實(shí)驗(yàn)心理

    學(xué)家，他們用實(shí)驗(yàn)的方法，通過(guò)檢驗(yàn)關(guān)于人們?cè)谀承┣闆r下的行為的假

    設(shè)，試圖弄明白思想是如何發(fā)揮作用的。這是我最初的研究領(lǐng)域，直到

    1995年作為博士后來(lái)斯坦福大學(xué)工作后，我才開(kāi)始用神經(jīng)成像研究大

    腦。

    實(shí)驗(yàn)心理學(xué)研究的一個(gè)優(yōu)秀案例是圣路易斯華盛頓大學(xué)心理學(xué)家杰

    夫·卡爾匹克和人稱(chēng)“羅迪”的亨利·勒迪格共同開(kāi)展的一項(xiàng)研究：我們?nèi)?br/>
    何才能最有效地學(xué)習(xí)和記住新信息。在這項(xiàng)研究中，他們會(huì)給受試者看

    一些有關(guān)海獺、太陽(yáng)等各種話(huà)題的短文章。受試者被分為三組：第一組

    受試者被要求閱讀四遍文章(沒(méi)有任何測(cè)試)；第二組受試者被要求閱

    讀三遍文章，并就文章內(nèi)容接受一次測(cè)試；第三組受試者被要求閱讀一

    遍文章，并接受數(shù)次測(cè)試。隨后，研究人員詢(xún)問(wèn)所有受試者自認(rèn)為對(duì)材

    料的記憶程度如何，結(jié)果清晰地表明，第一組受試者對(duì)自己掌握的知識(shí)

    更有自信。研究人員還在五分鐘和一周后分別對(duì)三組受試者進(jìn)行了記憶

    測(cè)試。即時(shí)測(cè)試的結(jié)果與受試者的自我預(yù)測(cè)一致：多次閱讀文章的人記

    得更牢。然而，一周后的測(cè)試結(jié)果截然相反：自信滿(mǎn)滿(mǎn)的受試者忘得最

    多，而只閱讀了一遍文章的受試者卻記得最牢。根據(jù)這項(xiàng)研究，研究人

    員提出了一個(gè)理論：回憶信息實(shí)際上是鞏固記憶以形成長(zhǎng)期記憶的最有

    效的方式。

    有一點(diǎn)非常關(guān)鍵，那就是，雖然勒迪格和卡爾匹克研究的是大腦的

    工作原理，但他們并沒(méi)有直接檢測(cè)大腦，他們的論文也從未提及大腦。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：你可以通過(guò)檢測(cè)行為來(lái)研究大腦，而不必觀察大腦本身。不過(guò)，現(xiàn)在大

    多數(shù)心理學(xué)研究人員認(rèn)為理解思想的最好方法是同時(shí)研究行為和大腦。

    這也是認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的基本觀點(diǎn)，我認(rèn)為自己是這一領(lǐng)域的一員。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：神經(jīng)成像誕生之前的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)

    本書(shū)的主題“神經(jīng)成像”是當(dāng)今認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)最重要的研究工具。然

    而，早在神經(jīng)成像出現(xiàn)以前，認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)就存在了。據(jù)說(shuō)“認(rèn)知神經(jīng)

    科學(xué)”這一名稱(chēng)是邁克爾·加扎尼加和喬治·米勒在20世紀(jì)70年代末同乘一

    輛出租車(chē)時(shí)想出來(lái)的。米勒是著名的實(shí)驗(yàn)心理學(xué)家，也許最為人所知的

    就是他在1956年發(fā)表的論文《神奇的數(shù)字：7±2》。該論文指出，人類(lèi)

    一次只能處理不同領(lǐng)域內(nèi)的少量信息(通常是7件事)。加扎尼加被認(rèn)

    為是認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)之父，他以研究“裂腦”患者而聞名。該研究表明了兩

    個(gè)半腦是如何各自獨(dú)立工作的。這兩位研究人員所設(shè)想的科學(xué)領(lǐng)域?qū)⒔Y(jié)

    合心理學(xué)和神經(jīng)科學(xué)的研究方法，以更好地理解大腦是如何產(chǎn)生思想

    的。

    在神經(jīng)成像出現(xiàn)之前，了解大腦功能的唯一方法是研究腦損傷患

    者，并檢測(cè)特定損傷是如何引發(fā)特定的認(rèn)知問(wèn)題的。這種方法最早出現(xiàn)

    在19世紀(jì)，當(dāng)時(shí)保羅·布羅卡和卡爾·韋尼克等歐洲神經(jīng)科學(xué)家檢測(cè)了中

    風(fēng)患者去世后的大腦，發(fā)現(xiàn)不同的中風(fēng)位置對(duì)應(yīng)不同類(lèi)型的語(yǔ)言功能障

    礙。從某種意義上說(shuō)，這是大自然在替我們做實(shí)驗(yàn)。不過(guò)，大自然是一

    個(gè)不可靠的實(shí)驗(yàn)伙伴：中風(fēng)可能是廣泛而混亂的，因此，其結(jié)果往往很

    難解釋。但在極少數(shù)情況下，大自然的實(shí)驗(yàn)的針對(duì)性可能極強(qiáng)。少數(shù)

    烏-維氏綜合征患者提供了很好的例子，來(lái)自加州理工學(xué)院的拉爾夫·阿

    道夫及其同事數(shù)年來(lái)一直在研究這些患者。這種疾病主要影響皮膚，但

    對(duì)大腦也有特定影響，可導(dǎo)致杏仁核退化，而杏仁核與情緒和恐懼有

    關(guān)。這些患者有正常的智力，其中大多數(shù)人也有正常的認(rèn)知功能，但他

    們確實(shí)表現(xiàn)出一種特定的缺陷：他們中的大部分人不懂得恐懼。在一項(xiàng)

    研究中，研究人員向一位烏-維氏綜合征患者(她的姓名縮寫(xiě)是“S.

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：M.”)展示了會(huì)讓我們大多數(shù)人瑟瑟發(fā)抖的刺激物：活生生的蛇和蜘

    蛛，鬼屋以及《女巫布萊爾》和《閃靈》等恐怖電影的片段。這些東西

    都無(wú)法令她感到困擾。事實(shí)上，研究人員報(bào)告說(shuō)，在鬼屋里，“她用微

    笑、大笑回應(yīng)怪物，還嘗試和它們交談”。經(jīng)確認(rèn)，這些患者唯一恐懼

    的東西是窒息。這類(lèi)研究給我們提供了與恐懼體驗(yàn)有關(guān)的大腦系統(tǒng)的重

    要線(xiàn)索。研究人員也用這種方法研究了很多其他心理功能，受試者是有

    各種腦損傷或大腦疾病的患者。腦損傷研究仍舊在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域起

    著至關(guān)重要的作用，因?yàn)樗鼈兡茏屛覀兲岢鲇嗅槍?duì)性的問(wèn)題：特定的大

    腦區(qū)域?qū)μ囟ǖ恼J(rèn)知功能來(lái)說(shuō)是必要的嗎？神經(jīng)成像無(wú)法回答這個(gè)問(wèn)題

    ——一個(gè)人在執(zhí)行一項(xiàng)任務(wù)時(shí)，某個(gè)大腦區(qū)域會(huì)變得活躍，但該區(qū)域的

    損傷有時(shí)實(shí)際上并不會(huì)損害他執(zhí)行任務(wù)的能力。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：幸運(yùn)的fMRI

    自研究人員在20世紀(jì)90年代早期發(fā)明fMRI以來(lái)，它就超越了認(rèn)知

    神經(jīng)科學(xué)的其他所有方法，包括腦損傷研究和其他神經(jīng)成像方法�；仡�

    歷史，fMRI的出現(xiàn)令人驚訝。它的成功取決于一系列恰到好處的化學(xué)

    和生物學(xué)成就，就像大自然也在幫助我們更容易地(盡管只是一點(diǎn)點(diǎn))

    理解大腦的工作原理一樣。

    使fMRI成為可能的第一個(gè)生物學(xué)事實(shí)是，神經(jīng)元放電范圍僅限于

    整個(gè)大腦。以大腦中處理視覺(jué)信息的區(qū)域?yàn)槔�，神�?jīng)科學(xué)家非常有創(chuàng)意

    地將其稱(chēng)為“視覺(jué)皮質(zhì)”。在大腦的這一區(qū)域中，不同的區(qū)塊對(duì)不同的外

    部視覺(jué)信息做出反應(yīng)。大腦中的一個(gè)區(qū)域——在顳葉中(聽(tīng)覺(jué)皮質(zhì))

    ——對(duì)聲音做出反應(yīng)，還有一個(gè)區(qū)域(運(yùn)動(dòng)皮質(zhì))能使我在打字時(shí)移動(dòng)

    手指。大腦的不同區(qū)域似乎主管不同的事情(也就是說(shuō)，大腦具有一定

    的模塊性，我們之前討論過(guò)這一點(diǎn))，功能的區(qū)域化最終使我們僅僅通

    過(guò)觀察大腦活動(dòng)就能解碼一個(gè)人在干什么或想什么——我之前介紹過(guò)解

    碼的概念�？梢韵胂螅�進(jìn)化或許會(huì)以完全不同的方式構(gòu)造大腦，將每種

    功能平均分配給每個(gè)區(qū)域。事實(shí)上，直到20世紀(jì)中葉，有些非常著名的

    神經(jīng)科學(xué)家(比如卡爾·拉什利)依然相信這種觀點(diǎn)。然而，特定腦損

    傷對(duì)特定人體功能的明確影響，最終讓神經(jīng)科學(xué)界相信了大腦功能的區(qū)

    域化，至少在某種程度上是這樣。

    使fMRI成為可能的第二個(gè)生物學(xué)事實(shí)是，個(gè)體大腦的組織方式比

    較類(lèi)似。每個(gè)人(事實(shí)上幾乎是所有哺乳動(dòng)物，除了鴨嘴獸或針鼴等單

    孔目動(dòng)物以外)的大腦后部都有視覺(jué)皮質(zhì)接收來(lái)自眼睛的輸入信號(hào)，進(jìn)

    行與視覺(jué)相關(guān)的活動(dòng)。同理，大多數(shù)哺乳動(dòng)物的大腦額葉邊緣也都有控

    制手、觸須、爪子或蹼的運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)。同樣，我們可以再次想象，進(jìn)化過(guò)

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：程給了我們隨機(jī)的、隨意的大腦區(qū)域組織，這些區(qū)域在不同個(gè)體之間有

    所不同，就像花斑貓身上的斑點(diǎn)一樣。如果是這樣的話(huà)，我們就很難結(jié)

    合個(gè)體的神經(jīng)成像數(shù)據(jù)，通過(guò)求平均值獲得統(tǒng)計(jì)功效。我們也不能對(duì)照

    動(dòng)物研究的結(jié)果，從而更好地洞悉特定大腦區(qū)域里正在發(fā)生什么。實(shí)際

    上，動(dòng)物研究已經(jīng)為fMRI研究的結(jié)果提供了重要的證明。人類(lèi)個(gè)體的

    神經(jīng)成像數(shù)據(jù)遠(yuǎn)非完全一致，但它們足夠整齊，足以讓我們把不同個(gè)體

    的數(shù)據(jù)放到一起，進(jìn)行整體分析。

    使fMRI成為可能的第三個(gè)生物學(xué)事實(shí)是，神經(jīng)元放電會(huì)導(dǎo)致局部

    的血流量發(fā)生變化。當(dāng)特定大腦區(qū)域的神經(jīng)元變得活躍時(shí)，附近區(qū)域的

    血流量就會(huì)增加(雖然我們還沒(méi)有完全理解為何如此)。如果沒(méi)有如此

    明顯的區(qū)域化特征，我們雖然能看到血流量的變化，但卻不能將之與引

    發(fā)變化的神經(jīng)元聯(lián)系起來(lái)。

    從某種重要意義上說(shuō)，這種由活躍的神經(jīng)元區(qū)域?qū)е碌难�流量變�?br/>
    是一種過(guò)度反應(yīng)——至少就氧氣而言。這是使fMRI成為可能的最后一

    個(gè)生物學(xué)事實(shí)。血液給神經(jīng)元帶來(lái)了很多重要的物質(zhì)，其中最重要的是

    葡萄糖和氧氣。我們發(fā)現(xiàn)，大腦似乎能提供恰當(dāng)數(shù)量的葡萄糖以彌補(bǔ)神

    經(jīng)元放電時(shí)所消耗的能量，但它輸送的氧氣遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)神經(jīng)元的消耗量。

    雖然學(xué)術(shù)界對(duì)其中的細(xì)節(jié)存在激烈爭(zhēng)論，但我們確信，正是血液的這種

    過(guò)量含氧使我們能用fMRI檢測(cè)神經(jīng)元的活動(dòng)。

    諾貝爾獎(jiǎng)得主、化學(xué)家萊納斯·保林在20世紀(jì)30年代發(fā)現(xiàn)了使fMRI

    成為可能的化學(xué)基礎(chǔ)。他當(dāng)時(shí)正在研究血紅蛋白分子的磁性，血紅蛋白

    分子是血液中負(fù)責(zé)輸送氧氣的分子。他發(fā)現(xiàn)，含氧血紅蛋白(它是新鮮

    血液呈現(xiàn)紅色的原因)沒(méi)有磁性，但脫氧血紅蛋白具有順磁性。順磁性

    物質(zhì)本身不是磁體，但能在磁場(chǎng)中呈現(xiàn)出磁性。比如，回形針本身沒(méi)有

    磁性，但它被放到磁鐵旁邊時(shí)，就會(huì)變得有磁性。鑒于血液的含氧量與

    磁性特征的關(guān)系，研究人員用MRI(以特定的方式)檢測(cè)其中的差異，從而發(fā)明了fMRI。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：神經(jīng)成像無(wú)能為力的事

    雖然fMRI展現(xiàn)了令人難以置信的力量，但自2007年以來(lái)，人們對(duì)

    它的使用始終超出了其實(shí)際適用范圍。2007年11月11日，《紐約時(shí)報(bào)》

    刊登了一篇題為“這就是你們的政治頭腦”的專(zhuān)欄文章。文章作者是知名

    的神經(jīng)科學(xué)家和政治學(xué)家，他們報(bào)告了一項(xiàng)研究的結(jié)果。在這項(xiàng)研究

    中，他們用fMRI檢測(cè)了所謂“中間選民”觀看當(dāng)年美國(guó)大選初選期間候選

    人的視頻片段時(shí)的大腦活動(dòng)情況。根據(jù)這些選民在觀看視頻時(shí)被激活的

    大腦區(qū)域，他們得出了一些有關(guān)選民情況的一般結(jié)論。文章的一個(gè)結(jié)論

    是：

    選民對(duì)希拉里·克林頓的情緒相當(dāng)復(fù)雜。在問(wèn)卷調(diào)查中認(rèn)為克林頓

    夫人不討喜的選民似乎并沒(méi)有完全接受自己對(duì)她的評(píng)價(jià)。在觀看關(guān)于她

    的視頻時(shí)，這些選民的前扣帶回皮質(zhì)表現(xiàn)得極為活躍。前扣帶回皮質(zhì)是

    大腦的情緒中心，當(dāng)一個(gè)人感覺(jué)自己被要求必須從兩種不同的行動(dòng)方案

    中二選一時(shí)，它就會(huì)被喚醒。他們似乎在和喜歡克林頓夫人的隱秘沖動(dòng)

    作戰(zhàn)。相反，那些認(rèn)為她比較討喜的選民在觀看她的視頻時(shí)，前扣帶回

    皮質(zhì)并不太活躍。

    以下是關(guān)于巴拉克·奧巴馬的結(jié)論：

    在問(wèn)卷調(diào)查中，選民對(duì)奧巴馬先生的評(píng)價(jià)相對(duì)較高，但在觀看視頻

    前的奧巴馬先生的靜態(tài)圖像時(shí)，男女選民的大腦活動(dòng)比觀看其他候選人

    的圖像時(shí)都要和緩一些。奧巴馬先生的視頻導(dǎo)致男性選民大腦中與積極

    情緒相關(guān)的一些區(qū)域被激活，但在女性選民的大腦中卻沒(méi)引發(fā)什么變

    化。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：讀到這篇文章時(shí)，我非常氣憤。我專(zhuān)門(mén)研究神經(jīng)成像數(shù)據(jù)能反映以

    及不能反映的各種事情，得出的最明顯的結(jié)論之一就是：就其本身而

    言，一個(gè)特定大腦區(qū)域被激活，并不能表明它的主人是否正在經(jīng)歷恐

    懼、被獎(jiǎng)勵(lì)或其他心理狀態(tài)。事實(shí)上，當(dāng)人們聲稱(chēng)特定大腦區(qū)域被激活

    表明其主人正在經(jīng)歷恐懼或被獎(jiǎng)勵(lì)的心理狀態(tài)時(shí)，他們犯了一個(gè)基本的

    邏輯錯(cuò)誤，也就是我們現(xiàn)在所說(shuō)的反向推理。我擔(dān)心《紐約時(shí)報(bào)》專(zhuān)欄

    文章對(duì)fMRI數(shù)據(jù)的這種輕率解釋會(huì)讓讀者錯(cuò)誤地認(rèn)同這種推理，也會(huì)

    讓其他領(lǐng)域的科學(xué)家對(duì)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)嗤之以鼻。

    反向推理有何問(wèn)題？以發(fā)燒為例。假設(shè)我們發(fā)現(xiàn)孩子發(fā)燒了，我們

    其實(shí)無(wú)法判斷他得了什么病，因?yàn)楹芏嗖煌�的疾病都�?huì)引起發(fā)燒癥狀

    (流感、肺炎、細(xì)菌感染，僅舉幾例)。相反，假設(shè)我們看到了突起的

    圓形紅色皮疹，我們就能斷定這是由癬菌病引起的，因?yàn)楹苌儆衅渌��?br/>
    病會(huì)引起這種特殊癥狀。在對(duì)大腦活動(dòng)進(jìn)行解釋時(shí)，我們同樣需要提出

    類(lèi)似的問(wèn)題：有多少種不同的心理過(guò)程可能會(huì)引起這些大腦活動(dòng)？如果

    我們知道只有心理沖突才能激活前扣帶回皮質(zhì)，我們就可以根據(jù)前扣帶

    回皮質(zhì)的活動(dòng)情況，比較明確地得出“觀看希拉里·克林頓視頻的人正在

    經(jīng)歷心理沖突”的結(jié)論。相反，如果很多事情都能激活該區(qū)域，那么我

    們就不能明確地得出這一結(jié)論。圖1.5列舉了這兩種不同情況。我在

    2006年出版的作品中表明，單個(gè)大腦區(qū)域并非只對(duì)應(yīng)于一種心理功能

    (換言之，它更像發(fā)燒而非圓形皮疹)，因此，這種簡(jiǎn)單的反向推理是

    有問(wèn)題的。前扣帶回皮質(zhì)就是最好的例子�？v觀后來(lái)數(shù)以千計(jì)的神經(jīng)成

    像研究的成果，我們發(fā)現(xiàn)其中約有14的研究提到了該區(qū)域被激活，而

    這些研究囊括了許多不同類(lèi)型的認(rèn)知任務(wù)。這意味著我們根本無(wú)法根據(jù)

    前扣帶回皮質(zhì)的活動(dòng)情況來(lái)判斷一個(gè)人在干什么。

    在本書(shū)中，我會(huì)回歸“心理狀態(tài)和特定大腦區(qū)域的活動(dòng)之間并不存

    在簡(jiǎn)單的一對(duì)一映射”的事實(shí)。我們將會(huì)看到，有時(shí)用fMRI解碼一個(gè)人

    的思想是可能的，但這需要復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)分析和詳細(xì)的解釋。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：圖1.5 你能根據(jù)被激活的大腦區(qū)域推理出相應(yīng)的心理功能嗎？如果大腦區(qū)域和心理功能之間存

    在一對(duì)一映射，如左圖所示，那么基于被激活區(qū)域的反向推理是可能的——杏仁核被激活意味

    著主人正在體驗(yàn)恐懼，腹內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)被激活意味著主人正在被獎(jiǎng)勵(lì)。然而，大腦的組織方

    式實(shí)際上更接近右圖所示——所有心理功能都牽涉多個(gè)大腦區(qū)域。針對(duì)不同的心理功能，這些

    大腦區(qū)域的組合方式也不同。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：全書(shū)閱讀指南

    本章旨在為認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)家提出的各種問(wèn)題提供一些背景知識(shí)，以

    此奏響我們用神經(jīng)成像來(lái)驗(yàn)證它們的序曲。在本書(shū)的其余部分，我會(huì)講

    述神經(jīng)成像是如何產(chǎn)生的，它能告訴我們什么，它不能告訴我們什么，以及它前景如何。

    本書(shū)的第一部分關(guān)注的是神經(jīng)成像作為大腦和思想的研究工具的發(fā)

    展。我會(huì)在第二章敘述20世紀(jì)80年代的研究人員是怎樣開(kāi)始使用一種被

    稱(chēng)為PET(正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層顯像)的方法來(lái)研究大腦活動(dòng)與心

    理功能的相關(guān)性的，其基礎(chǔ)正是前述“大腦活動(dòng)與血流量有關(guān)”的觀點(diǎn)。

    基于生物學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)的奇妙融合，他們的發(fā)現(xiàn)催生了fMRI——

    如今測(cè)量人類(lèi)大腦活動(dòng)的最主要的技術(shù)。我會(huì)在第三章討論fMRI是如

    何從一種新技術(shù)發(fā)展成神經(jīng)科學(xué)的最強(qiáng)大工具的。我們會(huì)看到研究人員

    是如何利用它來(lái)測(cè)量大腦活動(dòng)并提出有關(guān)大腦組織方式的具體問(wèn)題的。

    在第四章中，我會(huì)進(jìn)一步探討fMRI是如何被用于解碼心理活動(dòng)以期實(shí)

    現(xiàn)“讀心”的目標(biāo)的。我會(huì)在第五章探討fMRI是如何向我們展示經(jīng)驗(yàn)改變

    大腦的方式以及個(gè)體大腦隨時(shí)間而變化的過(guò)程的。

    本書(shū)的第二部分聚焦于神經(jīng)成像在實(shí)驗(yàn)室之外對(duì)世界的影響。在第

    六章中，我將討論目前在法庭上使用神經(jīng)成像證據(jù)的嘗試，包括嘗試用

    fMRI進(jìn)行測(cè)謊以及這種嘗試暫時(shí)還行不通的原因。我會(huì)在第七章探討

    如何運(yùn)用神經(jīng)成像方法更好地了解人類(lèi)的決策過(guò)程，并最終通過(guò)消費(fèi)神

    經(jīng)科學(xué)的研究，更有效地實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)售目標(biāo)。在第八章中，我將探討認(rèn)知神

    經(jīng)科學(xué)在提高我們對(duì)精神疾病的理解方面所發(fā)揮的作用，以及將精神疾

    病和成癮癥視作大腦疾病所面臨的倫理和社會(huì)挑戰(zhàn)。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：最后，我將在第九章討論fMRI的未來(lái)，以及如何用其他新方法來(lái)

    克服其局限性。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：第二章 看得見(jiàn)的思想

    通常，頭被磚塊砸到這種事并不能在科學(xué)史上占據(jù)一席之地，但意

    大利人米歇爾·貝爾蒂諾就遇到了這樣的事。1877年的一天，他站在村

    莊里的鐘塔旁邊，塔頂?shù)囊幻�工人從大約40英尺[1]

    的高處扔下來(lái)一塊

    磚，砸到了貝爾蒂諾的頭。你可以想象，在沒(méi)有抗生素和清潔手術(shù)的年

    代，這肯定是致命的，但貝爾蒂諾活了下來(lái)，盡管存在一個(gè)小問(wèn)題：由

    于當(dāng)時(shí)重建手術(shù)尚未出現(xiàn)，他的顱骨上留下一個(gè)洞。在發(fā)生事故的幾個(gè)

    月后，恢復(fù)健康的貝爾蒂諾去拜訪(fǎng)都靈大學(xué)的教授兼醫(yī)師安杰洛·莫

    索。莫索發(fā)明了一種測(cè)量血壓的方法，他通過(guò)貝爾蒂諾顱骨上的洞去測(cè)

    量后者的大腦脈動(dòng)。他做過(guò)很多不同的測(cè)量，其中幾次測(cè)量的是貝爾蒂

    諾在思考時(shí)其大腦中發(fā)生了什么，這幾次測(cè)量對(duì)神經(jīng)科學(xué)至關(guān)重要。莫

    索發(fā)現(xiàn)，思考導(dǎo)致了貝爾蒂諾的大腦脈動(dòng)加劇——他的手腕脈搏沒(méi)有變

    化(見(jiàn)圖2.1)。莫索由此想到了腦循環(huán)與心理活動(dòng)是相對(duì)應(yīng)的——他

    出版了著作《論人腦中的血液循環(huán)》，這在19世紀(jì)80年代是革命性的思

    想。

    莫索的下一個(gè)實(shí)驗(yàn)性舉動(dòng)同樣是未來(lái)的預(yù)兆。他推斷，如果心理活

    動(dòng)會(huì)引起大腦中血流量的增加，那么頭部與身體的相對(duì)重量也會(huì)改變。

    為了對(duì)此進(jìn)行檢驗(yàn)，他建造了一種他稱(chēng)之為“人體循環(huán)平衡”的裝置，這

    種裝置基本上就是一張以幾何中心作為平衡點(diǎn)的床——盡管它實(shí)際上要

    復(fù)雜得多，因?yàn)樗�必須平衡由呼吸造成的床的活�?dòng)。一旦受試者躺在床

    上的時(shí)間足以讓血液流遍全身，他就讓他們閱讀從簡(jiǎn)單(報(bào)紙文章)到

    復(fù)雜(哲學(xué)或數(shù)學(xué)文章)的材料。他發(fā)現(xiàn)，隨著受試者心理活動(dòng)強(qiáng)度的

    提升，原本平衡的床漸漸向頭部?jī)A斜。這些非正式實(shí)驗(yàn)提供了一些證

    據(jù)，但也留下了很多問(wèn)題。不過(guò)，雷丁大學(xué)的戴維·菲爾德和勞拉·英曼

    對(duì)血液循環(huán)模式的現(xiàn)代化重建證實(shí)了莫索的觀點(diǎn)。他們建造了一種類(lèi)似

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：的裝置，在其前端底部用靈敏的天平來(lái)檢測(cè)臺(tái)面的運(yùn)動(dòng)。在一次測(cè)試

    中，他們讓受試者屏住呼吸。這會(huì)導(dǎo)致受試者血液中的二氧化碳含量增

    加，大腦的血流量隨之增加。通過(guò)觀察天平，他們可以看到臺(tái)面前端的

    重量在受試者屏住呼吸(引起血流量增加)時(shí)緩慢上升，這表明他們的

    平衡裝置能夠成功地測(cè)量大腦的血流量。隨后，他們檢驗(yàn)了心理刺激是

    否能引起類(lèi)似的血流量變化。在一次實(shí)驗(yàn)中，受試者受到了持續(xù)2秒鐘

    的聽(tīng)覺(jué)刺激(音樂(lè))；而在另一次實(shí)驗(yàn)中，受試者在接受聽(tīng)覺(jué)刺激的同

    時(shí)觀看用微軟的媒體播放器生成的音樂(lè)圖案。研究人員發(fā)現(xiàn)，受試者的

    大腦血流量在只有聽(tīng)覺(jué)刺激的實(shí)驗(yàn)中并未明顯增加(可能是因?yàn)樗麄兊?br/>
    實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有問(wèn)題)，而在有聽(tīng)覺(jué)視覺(jué)刺激的實(shí)驗(yàn)中確實(shí)增加了。菲爾

    德和英曼的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，莫索確實(shí)建造了一個(gè)19世紀(jì)版本的大腦成像

    系統(tǒng)，盡管它對(duì)整個(gè)大腦進(jìn)行測(cè)量的手段十分粗糙。

    圖2.1 安杰洛·莫索對(duì)貝爾蒂諾的大腦脈動(dòng)進(jìn)行測(cè)量。莫索著作中的一幅插圖(左)展示了他

    用來(lái)測(cè)量貝爾蒂諾的大腦脈動(dòng)的裝置圖；另一幅插圖(右)顯示了貝爾蒂諾應(yīng)對(duì)不同事件大腦

    脈動(dòng)的變化情況(下方曲線(xiàn))，但他的手臂血壓一直保持不變(上方曲線(xiàn))。

    莫索的發(fā)現(xiàn)還啟發(fā)了其他研究人員用動(dòng)物模型來(lái)研究人類(lèi)大腦血流

    量，其中包括查爾斯·謝靈頓(后因在神經(jīng)元功能方面的發(fā)現(xiàn)于1932年

    獲得諾貝爾獎(jiǎng))和C. S.羅伊，他們都于19世紀(jì)末期在劍橋大學(xué)工作。他

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：們開(kāi)始通過(guò)研究狗、貓、兔子的大腦，來(lái)了解影響大腦血流量的因素。

    在很多實(shí)驗(yàn)中，他們發(fā)現(xiàn)大腦脈動(dòng)僅僅反映了腦外血壓的變化；但有一

    個(gè)實(shí)驗(yàn)提供了大腦中血流量控制的關(guān)鍵證據(jù)。(警告：以下內(nèi)容不適合

    動(dòng)物愛(ài)好者閱讀。)一只狗被放血而死，它的大腦被磨碎后混入鹽水溶

    液。研究人員的想法是，當(dāng)血流量很小時(shí)，腦組織會(huì)釋放出化學(xué)物質(zhì)，而這些化學(xué)物質(zhì)會(huì)導(dǎo)致健康生命體的大腦血流量增加。隨后研究人員將

    這種混合物注入另一只狗的血液中，并測(cè)量了其腦循環(huán)和體循環(huán)中的血

    流量。他們發(fā)現(xiàn)，這只狗的大腦膨脹了，這是血流量增加的跡象，但它

    的腦外血壓并沒(méi)有改變。他們由此得出結(jié)論：

    在我們看來(lái)，這些事實(shí)表明存在一種自動(dòng)機(jī)制，通過(guò)這種機(jī)制，大

    腦中的所有區(qū)域的血液供應(yīng)，都會(huì)隨著構(gòu)成該區(qū)域功能作用基礎(chǔ)的化學(xué)

    變化而變化�？紤]到有充分的證據(jù)表明大腦的功能具有區(qū)域化特征，我

    們認(rèn)為，上述根據(jù)功能作用的不同而提供不同的血液供給的自動(dòng)機(jī)制同

    樣如此。

    羅伊和謝靈頓不知道的是，他們所揭示的機(jī)制在100多年會(huì)讓神經(jīng)

    科學(xué)家得以看見(jiàn)“活生生”的思想，其細(xì)節(jié)水平他們幾乎無(wú)法想象。

    [1] 1英尺=12英寸=0.3048米�！�—譯者注

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：認(rèn)知神經(jīng)成像的誕生

    盡管莫索、羅伊和謝靈頓等人對(duì)工作充滿(mǎn)熱情，但直到20世紀(jì)80年

    代，隨著PET的出現(xiàn)，通過(guò)測(cè)量血流量來(lái)理解思想的觀念才真正占據(jù)上

    風(fēng)。PET充分利用了這一事實(shí)：特定放射性同位素在分解時(shí)會(huì)釋放出一

    個(gè)被稱(chēng)為正電子(也叫陽(yáng)電子)的粒子。被射出的正電子會(huì)在短距離運(yùn)

    動(dòng)后撞上一個(gè)電子，然后發(fā)生湮滅，從而產(chǎn)生兩個(gè)反方向運(yùn)動(dòng)的高能光

    子。為了創(chuàng)建PET圖像，研究人員會(huì)為受試者注入一種放射性示蹤劑，并在其頭部周?chē)鷶[一圈探測(cè)器用以探測(cè)發(fā)射的光子，同時(shí)跟蹤探測(cè)器環(huán)

    被擊中的位置。PET的“斷層掃描”指的是這樣一種方法：人們可以根據(jù)

    這些光子通過(guò)大腦的路徑信息，來(lái)重建放射性衰變最明顯的位置的圖

    像。

    PET掃描儀現(xiàn)在在醫(yī)院中被普遍使用，特別是在癌癥檢測(cè)方面。其

    原因在于，和健康組織相比，腫瘤往往會(huì)有比較大的血流量和葡萄糖消

    耗量。血液會(huì)攜帶我們注入的放射性示蹤劑(如放射性水)流動(dòng)，而血

    流量增加的區(qū)域最終會(huì)接收更多的示蹤劑，這樣的話(huà)，我們就會(huì)在PET

    掃描儀的圖像上看見(jiàn)更明顯的放射性衰變。同理，如果將放射性同位素

    附著在葡萄糖分子上，我們就能生成葡萄糖消耗量增加的區(qū)域的圖像。

    事實(shí)證明，在這兩種情況下，神經(jīng)元都很活躍，因此PET能被用來(lái)創(chuàng)建

    神經(jīng)元的圖像，雖然大多數(shù)研究使用的是衰變更快的放射性氧(大約2

    分鐘，而以放射性氟標(biāo)記的葡萄糖大約要用2小時(shí))。

    神經(jīng)成像首次被用于心理功能研究源于兩位研究先鋒的合作。他們

    來(lái)自不同領(lǐng)域，但都受到了一位不可能的“紅娘”的鼓動(dòng)。其中一位研究

    先鋒是著名神經(jīng)科學(xué)家馬庫(kù)斯·賴(lài)希勒，你會(huì)在本書(shū)的多個(gè)地方看見(jiàn)他

    的名字(見(jiàn)圖2.2)。賴(lài)希勒是一位訓(xùn)練有素的神經(jīng)科醫(yī)生，越南戰(zhàn)爭(zhēng)

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：期間，他在航空航天醫(yī)學(xué)院任職，于1971年轉(zhuǎn)至圣路易斯華盛頓大學(xué)，之后一直在那里任教。他在20世紀(jì)80年代早期見(jiàn)證了PET掃描儀的發(fā)

    明，推動(dòng)該發(fā)明的主要是圣路易斯華盛頓大學(xué)的另一位年輕研究員邁克

    爾·費(fèi)爾普斯。費(fèi)爾普斯和賴(lài)希勒在米歇爾·特爾-波戈森實(shí)驗(yàn)室一起工作

    過(guò)。既然費(fèi)爾普斯和特爾-波戈森為PET發(fā)明了物理機(jī)械(通常被稱(chēng)

    為“相機(jī)”)，那么賴(lài)希勒和他的團(tuán)隊(duì)就有責(zé)任為分析PET數(shù)據(jù)發(fā)明一些

    新技術(shù)。

    圖2.2 圣路易斯華盛頓大學(xué)的馬庫(kù)斯·賴(lài)希勒博士和一臺(tái)早期PET掃描儀。

    二人組中的另一位是來(lái)自俄勒岡大學(xué)的認(rèn)知心理學(xué)先驅(qū)邁克爾·波

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：斯納。波斯納早期通過(guò)反應(yīng)時(shí)間研究，對(duì)認(rèn)知的很多不同方面進(jìn)行了探

    討，如注意力、記憶和分類(lèi)。后來(lái)，他開(kāi)始饒有興致地研究產(chǎn)生這些功

    能的基礎(chǔ)，即大腦系統(tǒng)，最終以合作者的身份加入了圣路易斯華盛頓大

    學(xué)團(tuán)隊(duì)。波斯納也和賴(lài)希勒有特別的聯(lián)系：波斯納的哥哥、紐約神經(jīng)科

    醫(yī)生杰里早年曾是賴(lài)希勒的導(dǎo)師。正如波斯納在自傳中所說(shuō)：“神經(jīng)成

    像研究開(kāi)始之初，我在圣路易斯華盛頓大學(xué)神經(jīng)內(nèi)科和神經(jīng)外科系的3

    年時(shí)間里，杰里弟弟這一身份幫我融合了心理學(xué)和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)這兩個(gè)

    領(lǐng)域，我所在的系當(dāng)時(shí)對(duì)此都持懷疑態(tài)度�！边@段話(huà)表明，心理學(xué)、認(rèn)

    知神經(jīng)科學(xué)和影像學(xué)的融合有時(shí)會(huì)令人不安：很多神經(jīng)科學(xué)家和影像學(xué)

    家仍然認(rèn)為，人們無(wú)法對(duì)轉(zhuǎn)瞬即逝的思想進(jìn)行科學(xué)研究。

    還有一個(gè)人在科學(xué)領(lǐng)域沒(méi)什么作為，但在神經(jīng)成像誕生的過(guò)程中發(fā)

    揮了至關(guān)重要的作用，他就是圣路易斯的航空業(yè)先鋒詹姆斯·S.麥克唐納

    (家人和朋友稱(chēng)他為“麥克先生”)。麥克唐納是航空業(yè)的巨頭，先后創(chuàng)

    辦了麥克唐納飛行器公司和麥克唐納·道格拉斯公司，但他一直對(duì)思想

    和超自然現(xiàn)象充滿(mǎn)興趣。按照麥克唐納兒子的說(shuō)法就是：

    在人類(lèi)認(rèn)知領(lǐng)域，他終生著迷于大腦和思想的工作機(jī)制。聽(tīng)說(shuō)圣路

    易斯華盛頓大學(xué)的團(tuán)隊(duì)研發(fā)出PET后，麥克先生立即召集該大學(xué)的頂尖

    科研人員開(kāi)會(huì)討論神經(jīng)元活動(dòng)如何影響心理活動(dòng)和行為。他要求在場(chǎng)人

    員準(zhǔn)備一份真正的革命性研究提案供麥克唐納基金會(huì)審議。當(dāng)1980年5

    月科研人員拿出提案時(shí)，麥克先生已經(jīng)中風(fēng)一次，此后他因接連中風(fēng)于

    同年8月逝世。盡管如此，他仍要求科研團(tuán)隊(duì)繼續(xù)完善提案，并撥款500

    萬(wàn)美元，用于資助大腦高級(jí)功能研究中心，這是他在進(jìn)入下一階段(他

    對(duì)死亡的特別說(shuō)法)之前的最后舉動(dòng)之一。

    邁克爾·波斯納對(duì)當(dāng)時(shí)情況的描述略有不同：

    詹姆斯·S.麥克唐納希望創(chuàng)立一家研究超感知覺(jué)的機(jī)構(gòu)，但圣路易

    斯華盛頓大學(xué)方面不同意。相反，后者贊成建立大腦高級(jí)功能研究中

    心。一位研究大腦功能的心理學(xué)家正如他們所希望的那樣神秘，而馬庫(kù)

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：斯·賴(lài)希勒和他在圣路易斯華盛頓大學(xué)的同事也都認(rèn)為，用PET來(lái)闡明

    高級(jí)心理功能問(wèn)題很重要。

    正是麥克唐納基金會(huì)提供的資金使賴(lài)希勒和波斯納以及他們的實(shí)習(xí)

    生史蒂文·彼得森和彼得·�？怂怪�間的合作得以順利開(kāi)展。在接下來(lái)的

    幾年內(nèi)，麥克唐納基金會(huì)不但提供了培訓(xùn)支持，還給認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域

    的很多科研人員提供了資金，我也是受益者之一。

    圣路易斯華盛頓大學(xué)團(tuán)隊(duì)的研究顛覆了我們研究思想與大腦之間關(guān)

    系的方式。他們遵循的一個(gè)最重要的思想是“扣除法”。最早提出這一概

    念的是19世紀(jì)的荷蘭心理學(xué)家F. C.東德斯，他致力于研究不同心理過(guò)程

    所需要的時(shí)間。為了理解扣除法，假設(shè)我們想知道大腦處理詞意需要多

    長(zhǎng)時(shí)間。為了對(duì)時(shí)長(zhǎng)做出判斷，受試者需要完成某種處理詞意的認(rèn)知任

    務(wù)，以便我們測(cè)量該過(guò)程需要的時(shí)長(zhǎng)。假設(shè)我讓受試者盡快告訴我一個(gè)

    單詞是動(dòng)物名還是植物名——這顯然要求受試者理解這個(gè)單詞的意思。

    我請(qǐng)受試者按下鍵盤(pán)上的兩個(gè)按鍵之一來(lái)作答。假設(shè)我給出的單詞

    是“胡蘿卜”，受試者用800毫秒(45秒)按下了正確的按鍵。我們不能

    就此推斷詞意處理需要800毫秒，因?yàn)樵撨^(guò)程中的其他方面也需要時(shí)

    間，比如用眼睛看單詞、識(shí)別字母以及按下按鍵。東德斯認(rèn)為，通過(guò)比

    較不同的心理任務(wù)，他能用它們各自的反應(yīng)時(shí)間來(lái)判斷心理過(guò)程中的不

    同“階段”所需要的時(shí)間。例如，為了判斷處理詞意的過(guò)程所需要的時(shí)

    間，我們可以比較受試者在動(dòng)物名植物名任務(wù)中的反應(yīng)時(shí)間，與完成

    另一項(xiàng)任務(wù)，即受試者判斷一串字母是單詞(比如“piglet”)或不是單詞

    (如“flxvbd”)所需要的時(shí)間。不同任務(wù)所需要的反應(yīng)時(shí)間的差異，能

    讓我們“扣除”任務(wù)中的很多其他方面——如用眼睛識(shí)別字母以及按下按

    鍵所需要的時(shí)間，從而確切地判斷理解詞意所需要的時(shí)間。

    圣路易斯華盛頓大學(xué)團(tuán)隊(duì)采納了東德斯的扣除法，并將之應(yīng)用到與

    反應(yīng)時(shí)間全然不同的大腦活動(dòng)上。1988年，他們?cè)谥�名期刊《科學(xué)》和

    《自然》上發(fā)表了兩頁(yè)紙的研究成果。在一組實(shí)驗(yàn)中，他們讓受試者完

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：成一組旨在區(qū)別語(yǔ)言處理各個(gè)方面的任務(wù)。最簡(jiǎn)單的任務(wù)是被動(dòng)地觀看

    屏幕上的單詞，比較簡(jiǎn)單的任務(wù)是盯著屏幕上的固定點(diǎn)(一個(gè)“+”符

    號(hào))，而比較復(fù)雜的任務(wù)則包括大聲讀出單詞或者生成與屏幕上的名詞

    意義相關(guān)的動(dòng)詞。每個(gè)受試者都接受了幾次掃描。掃描時(shí)，研究人員先

    給受試者注射以放射性氧標(biāo)記的水，然后要求他們執(zhí)行時(shí)長(zhǎng)為40秒鐘的

    不同任務(wù)，與此同時(shí)，研究人員會(huì)用PET掃描儀檢測(cè)受試者大腦的放射

    性。生成的圖像顯示了受試者在執(zhí)行任務(wù)期間大腦的整體血流量——其

    中一些與執(zhí)行任務(wù)有關(guān)，但大部分與執(zhí)行任務(wù)無(wú)關(guān)，只是反映了腦組織

    的高代謝需求。為了弄清楚參與不同心理過(guò)程的是哪些大腦區(qū)域，他們

    要“扣除”執(zhí)行某些任務(wù)的圖像——?jiǎng)釉~生成任務(wù)期間所得的圖像和讀單

    詞任務(wù)期間所得的圖像之間的差異，表明了大腦為了生成相關(guān)動(dòng)詞所需

    要的理解詞意的額外活動(dòng)。

    得到這些數(shù)據(jù)后，還必須解決一個(gè)問(wèn)題。幸運(yùn)的是，賴(lài)希勒的團(tuán)隊(duì)

    已經(jīng)在著手研究了。他們面臨的挑戰(zhàn)是找出求多人數(shù)據(jù)平均值的辦法，以克服個(gè)體差異導(dǎo)致的數(shù)據(jù)“噪聲”。在大小和形狀方面，每個(gè)人的大腦

    各不相同。此外，每個(gè)人的頭部在PET掃描儀中的位置也略有差別。因

    此，為了求平均值，研究人員必須設(shè)法將這些個(gè)體數(shù)據(jù)與一個(gè)通用參考

    框架結(jié)合起來(lái)。為此，賴(lài)希勒及其團(tuán)隊(duì)使用法國(guó)神經(jīng)外科醫(yī)生讓·塔萊

    拉什發(fā)明的一種方法，將不同的大腦圖像排列在了一起。他們利用PET

    掃描期間同步得到的X射線(xiàn)圖像，移動(dòng)并拉伸PET圖像(好比大腦的一

    組扁平切片)，直到PET圖像與塔萊拉什開(kāi)發(fā)的大腦圖譜相匹配，這樣

    一來(lái)，所有的大腦圖像大致都能對(duì)上。然后，他們就能求取來(lái)自不同個(gè)

    體的數(shù)據(jù)的平均值，并計(jì)算統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以找到他們確信其活動(dòng)是信號(hào)而

    非噪聲的區(qū)域。

    利用這些方法，該團(tuán)隊(duì)確定了一組大腦區(qū)域，它們?cè)谕瓿商囟ㄕJ(rèn)知

    任務(wù)對(duì)的過(guò)程中活動(dòng)情況有所不同。通過(guò)比較受試者在最簡(jiǎn)單的單詞任

    務(wù)(看單詞或聽(tīng)單詞)中和盯著屏幕上的固定點(diǎn)時(shí)的大腦活動(dòng)情況，他

    們確定了大腦視覺(jué)皮質(zhì)和聽(tīng)覺(jué)皮質(zhì)的活動(dòng)區(qū)域。這不是什么新發(fā)現(xiàn)，但

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：卻讓大家堅(jiān)信這種方法是有效的。當(dāng)他們研究生成動(dòng)詞時(shí)比讀單詞時(shí)表

    現(xiàn)得更活躍的大腦區(qū)域時(shí)，真正的驚喜出現(xiàn)了�？�爾·韋尼克開(kāi)創(chuàng)的腦

    損傷研究表明，意義處理主要發(fā)生在大腦的顳葉中(見(jiàn)圖2.3)。但PET

    數(shù)據(jù)顯示的結(jié)果并非如此——在意義處理中，比較活躍的區(qū)域是額葉中

    的兩個(gè)不同區(qū)塊。不管受試者是讀單詞還是聽(tīng)單詞，表現(xiàn)活躍的都是相

    同的大腦區(qū)域。這一發(fā)現(xiàn)開(kāi)啟了長(zhǎng)達(dá)10年的研究，以探索前額葉皮質(zhì)在

    意義處理中的作用——10年后我也參與了這種探索，開(kāi)始了神經(jīng)成像研

    究�，F(xiàn)在，我們認(rèn)為前額葉皮質(zhì)的不同區(qū)塊在語(yǔ)言處理中起著不同的作

    用，一個(gè)更靠前的區(qū)塊對(duì)檢索詞意來(lái)說(shuō)至關(guān)重要；研究人員認(rèn)為意義本

    身主要存儲(chǔ)在顳葉之中。彼得森團(tuán)隊(duì)的研究成果之所以一石激起千層

    浪，部分原因在于，他們首次公布了對(duì)大腦認(rèn)知過(guò)程的初步理解，而另

    一部分原因則在于，他們表明了神經(jīng)成像事實(shí)上能告訴我們一些從人類(lèi)

    腦損傷研究或動(dòng)物研究中無(wú)法獲悉的東西。

    圖2.3 韋尼克區(qū)域(研究人員期望在這里找到與意義處理相關(guān)的活動(dòng))和彼得森團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的在

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：意義處理過(guò)程中被激活的左前額葉區(qū)域。

    新成果帶來(lái)的興奮很快就被PET的某些固有局限所沖淡。首先，它

    需要將受試者暴露在放射性中，這限制了來(lái)自個(gè)體的數(shù)據(jù)量，也意味著

    不能對(duì)兒童進(jìn)行掃描。其次，PET設(shè)備非常昂貴，而且很難買(mǎi)到。最

    后，PET存在分辨率問(wèn)題。在現(xiàn)代社會(huì)，1000萬(wàn)像素以上的數(shù)碼相機(jī)非

    常普遍。像素越高越好的原因是，它能提供更高的空間分辨率，也就是

    說(shuō)，它能讓我們辨別出圖像中更小的物體。相對(duì)于遠(yuǎn)景中指示牌上的字

    母可能模糊得難以辨認(rèn)的老式相機(jī)來(lái)說(shuō)，空間分辨率有所提高的現(xiàn)代相

    機(jī)可以幫助我們更好地辨認(rèn)這些細(xì)微特征(見(jiàn)圖2.4)。PET的空間分辨

    率大約是1厘米，這比大多數(shù)腦組織要大得多。例如，大腦皮質(zhì)由很多

    被稱(chēng)為“皮質(zhì)柱”的小單元組成，一個(gè)皮質(zhì)柱就是一組緊密相連、處理類(lèi)

    似信息的神經(jīng)元。在對(duì)視覺(jué)運(yùn)動(dòng)敏感的大腦區(qū)域中，每個(gè)皮質(zhì)柱都對(duì)特

    定方向的運(yùn)動(dòng)很靈敏。這些皮質(zhì)柱的寬度都不超過(guò)1毫米，這意味著我

    們需要有比PET高得多的空間分辨率才能識(shí)別它們。

    除了拍攝清晰的大腦活動(dòng)圖像，我們還想提高拍攝速度。影響拍攝

    速度的是時(shí)間分辨率。假設(shè)我們要拍攝奧運(yùn)會(huì)100米短跑比賽中兩名選

    手穿過(guò)終點(diǎn)線(xiàn)的照片。如果照相機(jī)拍照用了1秒鐘，那么選手的身影會(huì)

    模糊不清，而我們也無(wú)從知道誰(shuí)是第一名。為了清晰地拍到選手穿過(guò)終

    點(diǎn)線(xiàn)的照片，拍攝速度必須非�？觳判校�2016年奧運(yùn)會(huì)上使用的照相機(jī)

    每秒鐘能拍攝10000張照片。PET在這方面非常落后：至少要用幾十秒

    鐘才能收集到足夠的數(shù)據(jù)來(lái)生成一張圖像，這意味著PET充其量只能讓

    我們看到一張極其模糊的大腦活動(dòng)圖像。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：圖2.4 不同空間分辨率、時(shí)間分辨率的拍攝效果�？臻g分辨率反映了圖像在空間上的清晰度，低空間分辨率照片整張都顯得模糊不清。時(shí)間分辨率反映了圖像在時(shí)間上的清晰度，低時(shí)間分

    辨率照片上快速運(yùn)動(dòng)的物體看起來(lái)很模糊。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：磁力相機(jī)

    20世紀(jì)80年代，MRI在醫(yī)學(xué)成像中的地位日漸重要。MRI的基礎(chǔ)概

    念早在此10年前就已被提出，但MRI掃描儀直到20世紀(jì)80年代才開(kāi)始在

    世界各地的醫(yī)院大量出現(xiàn)。MRI是一種非常驚人和安全的技術(shù)。對(duì)藥劑

    師來(lái)說(shuō)，用PET給一種新型生化過(guò)程成像的唯一方式是將放射性示蹤劑

    附著在該過(guò)程涉及的分子上。這不僅是一項(xiàng)充滿(mǎn)技術(shù)挑戰(zhàn)的工作，而且

    使用的化學(xué)藥品必須經(jīng)過(guò)安全測(cè)試才能被注入人體。相反，MRI不存在

    電離輻射，也不需要向人體注射任何東西(盡管有時(shí)會(huì)注入所謂“造影

    劑”，好讓某些類(lèi)型的人體組織更清晰地顯現(xiàn)出來(lái))——通常來(lái)說(shuō)，要

    想用MRI檢測(cè)人體組織的某個(gè)方面，只需要為MRI掃描儀寫(xiě)一個(gè)相應(yīng)的

    計(jì)算機(jī)程序(被稱(chēng)為“脈沖序列”)即可。沒(méi)有輻射還意味著一個(gè)人可以

    被安全地掃描很多次——該事實(shí)對(duì)于我在第五章探討的一項(xiàng)研究十分重

    要——我在兩年時(shí)間內(nèi)被掃描了100多次。

    MRI建立在“核磁共振”概念的基礎(chǔ)之上，該概念出現(xiàn)在20世紀(jì)中

    葉。“磁共振成像”去掉了“核”這個(gè)字，某種程度上是擔(dān)心這個(gè)字會(huì)嚇到

    患者，因?yàn)樗�和電離輻射、原子武器有關(guān)�！按殴舱癯上瘛钡摹按拧笔侵杆�

    檢測(cè)的是物質(zhì)被放置于磁場(chǎng)中時(shí)發(fā)生的一種特別共振(核磁共振)。如

    果物質(zhì)沒(méi)有被放置于磁場(chǎng)中，那么原子核就會(huì)隨機(jī)朝著某個(gè)方向旋轉(zhuǎn)

    ——想象一下在失重狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)的陀螺。當(dāng)我們將物質(zhì)放置于磁場(chǎng)中

    時(shí)，一些原子核就會(huì)和磁場(chǎng)對(duì)齊。它們現(xiàn)在朝著相同的方向，但旋轉(zhuǎn)并

    不同步——想象一下正在桌子上旋轉(zhuǎn)的一組陀螺，每一個(gè)陀螺開(kāi)始旋轉(zhuǎn)

    的時(shí)間都不相同。我們最后可以玩?zhèn)�花樣，向該物質(zhì)施加一個(gè)能量脈沖

    ——這里施加的是RF(射頻)脈沖，好讓旋轉(zhuǎn)的原子核整齊有序。這

    就是我們所說(shuō)的“共振”。就像鋼琴共振時(shí)發(fā)出的聲波一樣，我們用合適

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：的天線(xiàn)就能接收到被RF脈沖激活的物質(zhì)所發(fā)出的電磁信號(hào)。

    我們還需要解釋的是“磁共振成像”的“成像”部分。上述過(guò)程能讓我

    們用天線(xiàn)接收到一個(gè)信號(hào)，但并不能告訴我們?cè)撔盘?hào)來(lái)自該組織的哪個(gè)

    部位——我們只得到了該組織發(fā)出的一個(gè)信號(hào)。為了生成可以顯示該組

    織內(nèi)不同部位情況的圖像，我們還需要做幾件事。首先，我們可以只刺

    激該組織的局部原子核。為此，我們可以利用這一事實(shí)：磁場(chǎng)強(qiáng)度決定

    原子核的旋轉(zhuǎn)速度，而刺激只影響以特定速度旋轉(zhuǎn)的原子核。MRI掃描

    儀的構(gòu)造原理如下：磁場(chǎng)的強(qiáng)度會(huì)隨著核磁管(我們稱(chēng)之為“孔”)的長(zhǎng)

    度逐漸變化，一端較高而另一端較低。這意味著原子核在核磁管內(nèi)各個(gè)

    位置的旋轉(zhuǎn)速度也略有不同，因此，我們可以用與該位置的速度相對(duì)應(yīng)

    的RF脈沖來(lái)刺激該組織的特定部位。雖然這讓我們了解到該組織的局

    部情況，但仍舊無(wú)法告訴我們信號(hào)具體來(lái)自局部的什么位置。為此，我

    們需要把一些信息加到信號(hào)中——我們稱(chēng)之為“編碼”——以便于分析不

    同的信號(hào)具體來(lái)自什么位置。編碼的方法有很多，但都得用特定的相位

    和頻率來(lái)標(biāo)記特定位置的信號(hào)。然后，我們就能用一種叫作傅里葉變換

    的數(shù)學(xué)方法將源自不同位置的信號(hào)分離開(kāi)來(lái)，將它們重建成一張圖像。

    MRI掃描儀用到的磁場(chǎng)非常強(qiáng)——足以在幾英尺外把一個(gè)人手里的

    鉗子吸過(guò)去。磁場(chǎng)的計(jì)量單位叫特斯拉：一塊小磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度約為

    0.01特斯拉，地球的磁場(chǎng)強(qiáng)度約為0.00005特斯拉。大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)臨床MRI

    掃描儀的磁場(chǎng)強(qiáng)度是1.5特斯拉，而研究用MRI掃描儀的磁場(chǎng)強(qiáng)度則為

    3~11特斯拉。雖然這些磁場(chǎng)很強(qiáng)，但人們認(rèn)為MRI對(duì)人類(lèi)來(lái)說(shuō)通常是安

    全的，除非他們體內(nèi)有可能會(huì)受磁場(chǎng)影響的醫(yī)療植入物或裝置。不過(guò)，磁場(chǎng)也會(huì)造成明顯的影響，尤其是在非常高的磁場(chǎng)強(qiáng)度下。強(qiáng)磁場(chǎng)(7

    特斯拉以上)造成的一個(gè)有趣影響是：如果頭部在磁場(chǎng)中移動(dòng)得太快，就會(huì)有某種類(lèi)似暈動(dòng)病的體驗(yàn)。這是因?yàn)閮?nèi)耳中感應(yīng)頭部運(yùn)動(dòng)的微觀晶

    體“耳石”受到了磁場(chǎng)的輕微作用力。因此，當(dāng)一個(gè)人置身于高場(chǎng)MRI掃

    描儀內(nèi)時(shí)，活動(dòng)檢查床必須移動(dòng)得非常緩慢，以免他惡心頭暈。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：早期MRI掃描儀生成的圖像主要與大腦的組織結(jié)構(gòu)相關(guān)，如水含量

    或脂肪含量(見(jiàn)彩圖1)。這些圖像對(duì)確診大腦疾病(如多發(fā)性硬化癥

    或腦瘤)非常有用，但并不能隨時(shí)告訴我們大腦在干什么(它的功

    能)。fMRI的出現(xiàn)是一次技術(shù)性突破，使研究人員可以開(kāi)始研究大腦

    的功能，而不僅僅是大腦的結(jié)構(gòu)。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：“我將‘點(diǎn)亮’視覺(jué)皮質(zhì)”

    科學(xué)發(fā)現(xiàn)取決于很多因素，包括勤奮、毅力、運(yùn)氣，也許最重要的

    是時(shí)機(jī)。這些因素杰克·貝利維爾都具備，他還具有更多其他因素。每

    個(gè)認(rèn)識(shí)杰克的人都會(huì)用“不同凡響”和“無(wú)比熱情”來(lái)形容他。20世紀(jì)80年

    代初，杰克在哈佛醫(yī)學(xué)院讀完生物物理學(xué)研究生之后，進(jìn)入了麻省總醫(yī)

    院，致力于用MRI研究大腦。他周?chē)�的人都在�?zhēng)先恐后地將MRI應(yīng)用到

    很多不同的身體部位和疾病上，但似乎只有他提出了用MRI研究心智的

    想法，這顯然得益于他想要記錄和存儲(chǔ)意識(shí)以便日后重播的夢(mèng)想。不過(guò)

    至少可以說(shuō)，他的發(fā)現(xiàn)之路是曲折的。起初，他在生物物理學(xué)家埃里克

    ·福賽爾的實(shí)驗(yàn)室工作，但因?yàn)榕獕牧艘慌_(tái)設(shè)備而被踢出了實(shí)驗(yàn)室。這

    簡(jiǎn)直是一件幸運(yùn)的事，原因有二：一是他得以進(jìn)入湯姆·布雷迪的實(shí)驗(yàn)

    室，繼續(xù)追求大腦成像的夢(mèng)想；二是后來(lái)哈佛醫(yī)學(xué)院發(fā)現(xiàn)福賽爾篡改科

    學(xué)數(shù)據(jù)而將他開(kāi)除了。在布雷迪的實(shí)驗(yàn)室里，杰克遇見(jiàn)了另一位年輕研

    究員布魯斯·羅森，后者是他未來(lái)的良師益友和合作伙伴，也是麻省總

    醫(yī)院核磁共振中心——現(xiàn)在被稱(chēng)作馬蒂諾生物醫(yī)學(xué)成像中心——未來(lái)的

    領(lǐng)導(dǎo)者。1999—2002年，我曾在麻省總醫(yī)院核磁共振中心工作。當(dāng)時(shí)我

    很少看見(jiàn)杰克，但他的傳說(shuō)無(wú)處不在。雖然他于2014年英年早逝，但他

    的傳說(shuō)仍在繼續(xù)。

    推動(dòng)fMRI發(fā)展的研究始于一群研究肝臟的科學(xué)家(他們的同事稱(chēng)

    他們是“行走的肝臟”)。他們開(kāi)發(fā)出一種快速給肝臟成像的方法，只要

    向動(dòng)物體內(nèi)注入“造影劑”(它會(huì)使圖像在亮度方面有所不同，我們通常

    稱(chēng)之為“對(duì)比劑”)，他們就能看到MRI信號(hào)的變化。根據(jù)物理學(xué)知識(shí)，他們認(rèn)為在注入造影劑后圖像應(yīng)該變得更亮，但實(shí)際上他們卻看到圖像

    變得更暗了。麻省總醫(yī)院年輕的德國(guó)神經(jīng)科醫(yī)生阿爾諾·維林格開(kāi)始專(zhuān)

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：心研究這個(gè)問(wèn)題。他和同事發(fā)現(xiàn)，肝臟圖像亮度的降低與造影劑對(duì)“磁

    化率”——也就是組織在磁場(chǎng)中被磁化了多少——的影響有關(guān)。這是解

    決如何用MRI研究大腦功能問(wèn)題的關(guān)鍵。杰克·貝利維爾開(kāi)始使用一臺(tái)

    全新的1.5特斯拉實(shí)驗(yàn)用MRI掃描儀對(duì)此進(jìn)行探索。這臺(tái)掃描儀當(dāng)時(shí)剛剛

    被送到麻省總醫(yī)院，采用的是EPI(回波平面成像)技術(shù)，成像速度要

    比醫(yī)院里的標(biāo)準(zhǔn)MRI掃描儀快得多。這臺(tái)掃描儀大到足以放進(jìn)去一個(gè)

    人，但杰克還是選擇先在狗身上驗(yàn)證他的想法，因?yàn)樗�能更�?yán)密地控制

    狗的生理機(jī)能。他首先復(fù)制了維林格之前的實(shí)驗(yàn)(用的是大鼠)，和預(yù)

    料的一樣，在注入造影劑后，圖像的亮度降低了。接著，他增加了血液

    中二氧化碳的濃度并進(jìn)行觀察，試圖將上述情況和血流量聯(lián)系起來(lái)。他

    發(fā)現(xiàn)，隨著血液中二氧化碳含量的增加，造影劑引發(fā)的大腦信號(hào)也在增

    強(qiáng)，這表明他正在對(duì)血流量成像。

    到目前為止，他們完成了血流量成像，但還沒(méi)有將血流量和大腦活

    動(dòng)直接聯(lián)系起來(lái)。1990年，杰克·貝利維爾和同事戴維·肯尼迪前往達(dá)特

    茅斯學(xué)院認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)暑期研討班，碰巧和來(lái)自圣路易斯華盛頓大學(xué)的

    彼得·�？怂固接懥艘环�。彼得是賴(lài)希勒?qǐng)F(tuán)隊(duì)的一員，也是1988年具有

    重要影響的關(guān)于用PET進(jìn)行神經(jīng)成像研究的論文的合著者。杰克借了福

    克斯和賴(lài)希勒在PET研究中用于刺激視覺(jué)系統(tǒng)的一副閃光護(hù)目鏡，隨后

    開(kāi)始嘗試用它和MRI復(fù)制那些研究。他們用查爾斯鎮(zhèn)麻省總醫(yī)院核磁共

    振中心3號(hào)站的實(shí)驗(yàn)用MRI掃描儀，分別檢測(cè)了在閃光護(hù)目鏡開(kāi)啟和關(guān)

    閉狀態(tài)下視覺(jué)皮質(zhì)被注入造影劑后發(fā)出的MRI信號(hào)。他們發(fā)現(xiàn)，無(wú)論在

    哪種情況下注入造影劑，信號(hào)都會(huì)減弱，而在閃光護(hù)目鏡開(kāi)啟時(shí)減弱得

    更厲害，并且大腦有所反應(yīng)的位置和此前PET研究的發(fā)現(xiàn)相同。這是研

    究人員首次使用MRI直接檢測(cè)大腦功能，該研究成果刊登在1991年11月

    的《科學(xué)》期刊上，封面圖就是其中一張圖像(見(jiàn)彩圖2)。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：通往fMRI的“血氧水平依賴(lài)”之路

    貝利維爾團(tuán)隊(duì)具有里程碑意義的研究表明，MRI可被用于檢測(cè)大腦

    活動(dòng)，但他們的方法有一個(gè)重要缺陷，即需要注入造影劑。除了不方便

    之外，這些造影劑還會(huì)產(chǎn)生副作用，其中一個(gè)副作用雖然罕見(jiàn)但并非沒(méi)

    有可能，那就是造成腎病或肝病患者死亡。在貝利維爾的論文的啟發(fā)

    下，科研人員開(kāi)始爭(zhēng)相研究不需要注射造影劑的大腦成像方法。到1991

    年年底，從事無(wú)造影劑fMRI研究的有三個(gè)團(tuán)隊(duì)。

    第一個(gè)團(tuán)隊(duì)里有貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究員小川誠(chéng)二，他于1990年在大鼠

    身上證明了MRI對(duì)血氧含量很靈敏。他將之稱(chēng)作“血氧水平依賴(lài)”對(duì)比，這個(gè)稱(chēng)呼從此就被用于描述fMRI的測(cè)量機(jī)制。盡管對(duì)大鼠的研究并沒(méi)

    有直接檢測(cè)神經(jīng)元的活動(dòng)，但他仍在1990年的論文中指出，在檢測(cè)大腦

    的功能性活動(dòng)方面，血氧水平依賴(lài)對(duì)比可以與PET相媲美。為了在人類(lèi)

    身上驗(yàn)證這個(gè)觀點(diǎn)，小川和他在貝爾實(shí)驗(yàn)室的前同事、土耳其物理學(xué)家

    卡米勒·烏古爾比爾展開(kāi)合作。烏古爾比爾轉(zhuǎn)到了明尼蘇達(dá)大學(xué)，并且

    正在著手制定一套針對(duì)高場(chǎng)MRI的研究方案：當(dāng)時(shí)，他和他的團(tuán)隊(duì)正在

    研發(fā)一臺(tái)用于人類(lèi)的4特斯拉MRI掃描儀，這臺(tái)掃描儀將于1990年交付

    明尼蘇達(dá)大學(xué)。1991年初，明尼蘇達(dá)大學(xué)團(tuán)隊(duì)嘗試在人類(lèi)身上開(kāi)展血氧

    水平依賴(lài)fMRI研究，他們同樣使用了閃光護(hù)目鏡來(lái)刺激視覺(jué)皮質(zhì)；要

    不是新的MRI掃描儀在從德國(guó)運(yùn)來(lái)的途中受損，他們幾乎肯定能率先收

    集到血氧水平依賴(lài)fMRI的數(shù)據(jù)。

    推動(dòng)血氧水平依賴(lài)fMRI研究發(fā)展的第二個(gè)團(tuán)隊(duì)來(lái)自麻省總醫(yī)院。

    在那里，杰克·貝利維爾已經(jīng)和另一位研究員肯·鄺(Ken Kwong)開(kāi)始

    合作研發(fā)不需要注射造影劑的fMRI技術(shù)。鄺在1991年5月9日首次成功

    完成了實(shí)驗(yàn)，他如此寫(xiě)道(見(jiàn)圖2.5)：

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：1991年5月9日的實(shí)驗(yàn)異常順利，沒(méi)有出現(xiàn)任何問(wèn)題。我從貝利維爾

    博士的Gd-DTPA(造影劑名)fMRI實(shí)驗(yàn)中借了一副閃光護(hù)目鏡作為視覺(jué)

    刺激器，這副閃光護(hù)目鏡也是貝利維爾博士從彼得·�？怂共┦磕抢锝�

    來(lái)的，后者曾在20世紀(jì)80年代早期的刺激速率實(shí)驗(yàn)中使用過(guò)它(�？怂�

    和賴(lài)希勒，1985)。我向戴維·肯尼迪博士請(qǐng)教了V1區(qū)在大腦中的位

    置，這樣我就能選擇合適的大腦區(qū)塊并對(duì)其成像。刺激方案是一種塊模

    式，即在70個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，交替以關(guān)閉或開(kāi)啟的方式輸入閃光視覺(jué)信

    號(hào)……令人驚訝的是，視覺(jué)皮質(zhì)在第一次梯度回波實(shí)驗(yàn)中就隨著MRI信

    號(hào)的改變“亮了起來(lái)”。

    鄺試圖在磁共振醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)的年會(huì)——該領(lǐng)域的研究人員參加的主要

    會(huì)議——上提交他的研究成果，但他提交的論文不知道為什么在郵寄過(guò)

    程中丟失了。不過(guò)，麻省總醫(yī)院核磁共振中心主任湯姆·布雷迪在會(huì)議

    上發(fā)表主題演講時(shí)提到了鄺的研究成果。1991年8月12日，除了鄺的同

    事外，全世界的研究人員第一次得知這一新發(fā)現(xiàn)，明尼蘇達(dá)大學(xué)的研究

    人員也第一次意識(shí)到競(jìng)爭(zhēng)是多么激烈。在這次會(huì)議上，貝利維爾發(fā)表了

    他在有造影劑的fMRI研究方面的成果(幾個(gè)月后被刊登在《科學(xué)》期

    刊上)，還因此獲得了醫(yī)學(xué)磁共振學(xué)會(huì)的青年科學(xué)家獎(jiǎng)。

    參與競(jìng)爭(zhēng)的第三個(gè)團(tuán)隊(duì)是一匹出人意料的黑馬：團(tuán)隊(duì)成員是密爾沃

    基一所名不見(jiàn)經(jīng)傳的醫(yī)學(xué)院——威斯康星醫(yī)學(xué)院的兩名研究生。彼得·

    班代蒂尼和埃里克·王沒(méi)有借用小川誠(chéng)二發(fā)現(xiàn)的血氧水平依賴(lài)信號(hào)，而

    是受到了法國(guó)物理學(xué)家德尼·勒貝漢的啟發(fā)——他提出了一種通過(guò)檢測(cè)

    微觀的水運(yùn)動(dòng)(被稱(chēng)作“擴(kuò)散”)來(lái)鑒別血流量變化的方法，正在合作研

    發(fā)大腦成像技術(shù)。1991年8月，當(dāng)他們?cè)诖殴舱襻t(yī)學(xué)學(xué)會(huì)的年會(huì)上聽(tīng)到

    布雷迪的演講時(shí)，班代蒂尼說(shuō)：“當(dāng)我和埃里克坐在觀眾席上時(shí)，我們

    靈光乍現(xiàn)�！彼麄円猜�(tīng)了貝利維爾關(guān)于有造影劑的fMRI研究的演講�；�

    到密爾沃基后，他們開(kāi)始復(fù)制鄺的實(shí)驗(yàn)。1991年9月14日，他們首次在

    自愿充當(dāng)受試者的班代蒂尼身上成功完成了實(shí)驗(yàn)。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：圖2.5 圖像摘自鄺具有里程碑意義的論文，它表明被激活的運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)(控制手部運(yùn)動(dòng))與受試

    者的手部運(yùn)動(dòng)是一致的。

    在磁共振醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)1991年年會(huì)的激勵(lì)下，率先發(fā)表研究成果成了大

    家競(jìng)爭(zhēng)的目標(biāo)，因?yàn)橐豁?xiàng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)通常會(huì)歸功于率先發(fā)表研究成果的

    人。1991年10月，鄺的團(tuán)隊(duì)將他們的論文提交給《自然》期刊，但驚訝

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：地發(fā)現(xiàn)論文被退稿了：審稿人顯然認(rèn)為它并不比貝利維爾先前發(fā)表的論

    文高明多少。參照《自然》審稿人的意見(jiàn)，他們修改了論文，又投給了

    《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》。1992年6月，論文刊出。明尼蘇達(dá)大學(xué)團(tuán)隊(duì)

    同樣向《自然》投了稿，也被退稿了，于是他們?cè)卩椀膱F(tuán)隊(duì)投稿5天

    后，也將論文投給了《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》。1992年7月，他們的論

    文也發(fā)表了。最后開(kāi)始血氧水平依賴(lài)fMRI實(shí)驗(yàn)的密爾沃基團(tuán)隊(duì)反而第

    一個(gè)發(fā)表了論文。他們沒(méi)有選擇《自然》之類(lèi)的知名度很高的期刊，而

    是將論文投給了專(zhuān)業(yè)期刊《磁共振醫(yī)學(xué)》。他們的論文同樣在1992年6

    月刊出，但要比鄺的團(tuán)隊(duì)的論文早幾天。不過(guò)，考慮到班代蒂尼和王是

    在磁共振醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)的年會(huì)上從布雷迪的演講中聽(tīng)說(shuō)麻省總醫(yī)院和明尼蘇

    達(dá)大學(xué)團(tuán)隊(duì)的研究的，這一發(fā)現(xiàn)仍然歸功于后兩個(gè)團(tuán)隊(duì)，盡管其論文發(fā)

    表的時(shí)間稍晚一些。

    20世紀(jì)90年代初，我正在讀研究生，聽(tīng)說(shuō)了很多關(guān)于fMRI的宣

    傳，但它在我就讀的伊利諾伊大學(xué)并不普及。1995年，我去斯坦福大學(xué)

    從事博士后工作，起初并沒(méi)打算做fMRI研究，但卻被這種令人振奮的

    新技術(shù)吸引住了。我們會(huì)在下一章看到，fMRI很快就成了用來(lái)研究大

    腦如何產(chǎn)生思想的首要方法。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：第三章 fMRI的發(fā)展歷程

    檢測(cè)是科學(xué)研究的核心，而新的檢測(cè)工具通常會(huì)使科學(xué)研究取得突

    破。然而，任何新的檢測(cè)工具都必須經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，以確保其檢測(cè)的正是它

    試圖檢測(cè)的東西。我們有初步證據(jù)證明，fMRI信號(hào)真實(shí)地反映了大腦

    的活動(dòng)，這些證據(jù)就是，fMRI研究的結(jié)果和我們從神經(jīng)科學(xué)研究和動(dòng)

    物研究中獲悉的情況相一致：在視野的不同位置進(jìn)行的視覺(jué)刺激，可以

    激活視覺(jué)皮質(zhì)的相應(yīng)區(qū)域，運(yùn)動(dòng)行為可以激活運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)，等等。不過(guò)，我們還沒(méi)有直接證據(jù)可以將fMRI信號(hào)和神經(jīng)元的活動(dòng)聯(lián)系起來(lái)，這意

    味著，我們?cè)谑褂眠@個(gè)檢測(cè)方法的時(shí)候，并不知道它到底在檢測(cè)什么。

    因此，很多神經(jīng)科學(xué)家(尤其是那些直接在動(dòng)物身上研究記錄神經(jīng)元活

    動(dòng)的神經(jīng)科學(xué)家)對(duì)fMRI非常不屑——我在1998年應(yīng)聘教師職位時(shí)就

    見(jiàn)過(guò)這種態(tài)度。除非我們能直接證明fMRI信號(hào)和神經(jīng)元活動(dòng)之間的關(guān)

    系，否則fMRI的研究之路不可能順暢。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：將fMRI和神經(jīng)元聯(lián)系起來(lái)

    fMRI被發(fā)明后不久，研究人員開(kāi)始嘗試弄清楚血氧水平依賴(lài)fMRI

    信號(hào)和神經(jīng)元放電之間的關(guān)系。如果說(shuō)有什么能讓一個(gè)系統(tǒng)更容易被科

    學(xué)地理解，那一定是該系統(tǒng)的輸入和輸出之間有直接關(guān)系，即科學(xué)家所

    說(shuō)的“線(xiàn)性”。對(duì)一個(gè)線(xiàn)性系統(tǒng)而言，輸出可以通過(guò)轉(zhuǎn)換和加總輸入而被

    描述。例如，單次交易額的累加決定了我的活期存款賬戶(hù)的余額。從這

    個(gè)意義上說(shuō)，我的活期存款賬戶(hù)也算是線(xiàn)性系統(tǒng)。事實(shí)上，它是一種特

    殊類(lèi)型的線(xiàn)性系統(tǒng)，我們稱(chēng)之為“時(shí)不變”，因?yàn)樗�和單次交易發(fā)生的時(shí)

    間無(wú)關(guān)——只要將單次交易累加就行。世界上的很多系統(tǒng)都是線(xiàn)性的

    ——或者起碼正如科學(xué)家所言，“線(xiàn)性至第一個(gè)近似值”。這句話(huà)的意思

    是，即使模型并不完美，我們也可以假設(shè)它們是線(xiàn)性的，還能把它們解

    釋得很好。不過(guò)，世界上也有很多無(wú)法用線(xiàn)性解釋的系統(tǒng)。如果山的一

    邊落滿(mǎn)太多的雪，就會(huì)導(dǎo)致雪崩，但你不能把雪分成10份，然后期望得

    到10次小的雪崩。在一個(gè)線(xiàn)性系統(tǒng)中，多就是多，但在一個(gè)非線(xiàn)性系統(tǒng)

    里，多的意義就不同了。

    在fMRI被發(fā)現(xiàn)后的幾年里，研究人員開(kāi)始嘗試弄清楚fMRI信號(hào)是

    不是神經(jīng)元活動(dòng)的線(xiàn)性函數(shù)。亦即，如果神經(jīng)元放兩次電，那么fMRI

    的反應(yīng)強(qiáng)度也會(huì)是單次放電時(shí)的兩倍嗎？事實(shí)證明，回答這個(gè)問(wèn)題非常

    具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)槲覀儫o(wú)法直接測(cè)得人體內(nèi)神經(jīng)元的放電量——我們只

    知道我們需要受試者完成的任務(wù)種類(lèi)和fMRI信號(hào)的變化情況。為了研

    究這個(gè)問(wèn)題，斯坦福大學(xué)的杰夫·博因頓及其同事充分利用神經(jīng)科學(xué)家

    已經(jīng)了解的一個(gè)事實(shí)：猴子視覺(jué)系統(tǒng)內(nèi)的神經(jīng)元如何對(duì)不同類(lèi)型的視覺(jué)

    刺激做出反應(yīng)，以及人腦和猴腦的工作原理非常相似。博因頓和他的博

    士后同事史蒂夫·恩格爾各自在MRI掃描儀中躺了幾個(gè)小時(shí)，其間一直

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：盯著每秒鐘閃現(xiàn)8次的棋盤(pán)圖案，目的是檢測(cè)他們的視覺(jué)皮質(zhì)隨棋盤(pán)閃

    現(xiàn)時(shí)間和棋盤(pán)黑白部分對(duì)比度——兩者都是明顯影響視覺(jué)皮質(zhì)神經(jīng)元放

    電的已知因素——的變化而變化的情況。他們發(fā)現(xiàn)，隨著刺激時(shí)間的延

    長(zhǎng)和對(duì)比度的提升，MRI信號(hào)也在增強(qiáng)，正好和他們對(duì)猴子的研究的預(yù)

    期一致。檢測(cè)線(xiàn)性度的關(guān)鍵是看能否通過(guò)加總對(duì)短時(shí)刺激的反應(yīng)來(lái)預(yù)測(cè)

    對(duì)長(zhǎng)時(shí)刺激的反應(yīng)，這是線(xiàn)性模式的一個(gè)關(guān)鍵預(yù)測(cè)。他們成功了——雖

    然不完美，但足以讓大多數(shù)人認(rèn)同線(xiàn)性模式是分析fMRI數(shù)據(jù)的一種合

    理手段。目前，線(xiàn)性假設(shè)幾乎是所有fMRI數(shù)據(jù)分析法的基礎(chǔ)。

    博因頓等人的研究證明了fMRI信號(hào)和神經(jīng)元活動(dòng)之間存在比較緊

    密的聯(lián)系，但仍存在一個(gè)缺陷：除非有人能記錄下同一個(gè)大腦的單個(gè)神

    經(jīng)元活動(dòng)和fMRI信號(hào)，否則就無(wú)法肯定fMRI反映的是單個(gè)神經(jīng)元的活

    動(dòng)。神經(jīng)科學(xué)家尼科斯·洛戈塞蒂斯接受了這個(gè)挑戰(zhàn)，他任職于德國(guó)圖

    賓根大學(xué)的馬克斯·普朗克生物控制論研究所，是研究猴子視覺(jué)系統(tǒng)中

    不同部位的神經(jīng)元反應(yīng)的專(zhuān)家。他對(duì)視覺(jué)感知更復(fù)雜的方面越來(lái)越感興

    趣，如我們從雜亂背景中挑選出目標(biāo)物體的能力。他意識(shí)到，要理解這

    些更復(fù)雜的現(xiàn)象，需要研究整個(gè)系統(tǒng)而不只是研究少數(shù)神經(jīng)元。因此，當(dāng)fMRI問(wèn)世后，他開(kāi)始致力于找到一種在猴子身上做fMRI研究并同步

    記錄其神經(jīng)元電活動(dòng)的方法。這種方法在某種意義上可謂是fMRI的“圣

    杯”，因?yàn)樗�結(jié)合了fMRI的全腦寬度和單個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)記錄的精度。要

    知道，記錄神經(jīng)元電活動(dòng)的連接著小電線(xiàn)的電極，是用來(lái)記錄細(xì)胞的電

    活動(dòng)的，你知道這有多難了吧。那些變化極其細(xì)微，是微伏級(jí)(千分之

    一伏特)的。還有一點(diǎn)也很重要，即當(dāng)金屬被置于MRI掃描儀中時(shí)，用

    來(lái)生成MRI圖像的磁場(chǎng)變化會(huì)導(dǎo)致電流流過(guò)金屬，該電流會(huì)比神經(jīng)元引

    起的變化大很多。因此，如果不用一些非常先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)，你幾

    乎不可能觀察到微弱的神經(jīng)信號(hào)。洛戈塞蒂斯團(tuán)隊(duì)用了幾年時(shí)間來(lái)解決

    這些問(wèn)題，直到2000年，他們才成功地在進(jìn)行fMRI研究時(shí)同步記錄下

    了神經(jīng)元信號(hào)，研究對(duì)象是一只被麻醉的猴子。

    洛戈塞蒂斯的研究成果為神經(jīng)元活動(dòng)和fMRI之間的聯(lián)系提供了直

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：接證據(jù)，使得很多因?yàn)椴涣私鈾z測(cè)效果而對(duì)采用這種新技術(shù)抱有懷疑態(tài)

    度的神經(jīng)科學(xué)家“放下了戒備”。同時(shí)，該成果使得像我這樣的fMRI研究

    人員可以回答縈繞在某些同行心頭的“fMRI究竟檢測(cè)了什么”的疑問(wèn)了。

    洛戈塞蒂斯團(tuán)隊(duì)的做法是將猴子放在一個(gè)閃光的棋盤(pán)前，同時(shí)檢測(cè)

    fMRI信號(hào)和猴子的神經(jīng)元活動(dòng)。也許你會(huì)驚訝于研究人員竟然能夠從

    一只被麻醉的動(dòng)物身上得到有效數(shù)據(jù)，事實(shí)上視覺(jué)皮質(zhì)神經(jīng)元在清醒狀

    態(tài)下和麻醉狀態(tài)下的反應(yīng)差不多。他們用fMRI看到了視覺(jué)皮質(zhì)活動(dòng)的

    明顯證據(jù)，并且看到這種活動(dòng)隨著棋盤(pán)黑白部分對(duì)比度的提升而更加劇

    烈(正如博因頓和恩格爾的大腦中發(fā)生的情況一樣)。在檢測(cè)單個(gè)神經(jīng)

    元的電活動(dòng)時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)這種電活動(dòng)也與血氧水平依賴(lài)信號(hào)的變化有直

    接聯(lián)系。不僅如此，他們發(fā)現(xiàn)這種電活動(dòng)與局部場(chǎng)電位有更緊密的聯(lián)

    系。局部場(chǎng)電位被用來(lái)檢測(cè)比神經(jīng)元放電速度慢的電子信號(hào)的變化，科

    學(xué)家認(rèn)為它反映的不是神經(jīng)元的放電而是神經(jīng)元的輸入。自2001年洛戈

    塞蒂斯發(fā)布研究成果以來(lái)，大多數(shù)在大鼠身上進(jìn)行的fMRI新實(shí)驗(yàn)都運(yùn)

    用了一種被稱(chēng)為“光遺傳學(xué)”的技術(shù)，光遺傳學(xué)能讓研究人員用光源來(lái)激

    活特定類(lèi)型的神經(jīng)元。這時(shí)，科學(xué)界已經(jīng)普遍接受了“fMRI信號(hào)是神經(jīng)

    元活動(dòng)的直接反映，尤其是神經(jīng)元的輸入而非神經(jīng)元本身的電活動(dòng)的反

    映”的觀點(diǎn)，即使它的確切運(yùn)作原理仍有待挖掘。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：發(fā)現(xiàn)大腦模塊

    20世紀(jì)中葉以來(lái)，大多數(shù)神經(jīng)科學(xué)家都認(rèn)為，至少有一些心理功能

    取決于大腦中的特定區(qū)域。fMRI的出現(xiàn)給精確標(biāo)出這些區(qū)域化的功能

    帶來(lái)了希望，率先應(yīng)用這種技術(shù)的一項(xiàng)研究是對(duì)視覺(jué)物體的識(shí)別——明

    確地說(shuō)，就是人臉識(shí)別。我們已經(jīng)知道，對(duì)視覺(jué)對(duì)象的識(shí)別取決于顳葉

    的底部(“下顳葉”)，因?yàn)檫@一區(qū)域受損會(huì)導(dǎo)致人們不能從視覺(jué)上識(shí)別

    物體，即使他們?nèi)匀徽J(rèn)識(shí)該物體，并且能通過(guò)觸摸來(lái)識(shí)別該物體。我們

    也有理由相信，大腦對(duì)人臉的處理方式不同于其他物體，因?yàn)楹币?jiàn)

    的“人臉失認(rèn)癥”會(huì)讓人不能識(shí)別人臉但仍能識(shí)別其他物體。早期的PET

    研究，特別是麥吉爾大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家朱斯蒂娜·塞爾讓特的研究也表

    明，比起處理其他物體，顳葉中有些區(qū)域會(huì)更多地參與對(duì)人臉信息的處

    理。

    麻省理工學(xué)院的神經(jīng)科學(xué)家南希·坎維舍被fMRI揭示大腦生物學(xué)奧

    秘的潛能迷住了。利用麻省總醫(yī)院核磁共振中心貝利維爾和鄺最初用來(lái)

    做fMRI研究的那臺(tái)MRI掃描儀，坎維舍(跟她的實(shí)習(xí)生喬�！�麥克德莫

    特和馬爾文·千一起，他們?nèi)蘸蟮目茖W(xué)生涯同樣令人印象深刻)發(fā)現(xiàn)，與其他類(lèi)型的刺激相比，有一個(gè)大腦區(qū)域?qū)θ四樀姆磻?yīng)要激烈得多。他

    們幾乎在每個(gè)人(15個(gè)人中有12個(gè)人)的梭狀回(分布在顳葉底部)位

    置都觀察到了這種反應(yīng)(見(jiàn)彩圖3)。這個(gè)區(qū)域并非只對(duì)人臉有反應(yīng)，但他們?cè)跈z測(cè)過(guò)該區(qū)域?qū)ζ渌�物體的反應(yīng)后發(fā)現(xiàn)，不論在哪種情況下，梭狀回對(duì)人臉的反應(yīng)強(qiáng)度至少是對(duì)其他物體的兩倍。這些反應(yīng)還顯示出

    長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持高度一致的特性——一位受試者(其實(shí)就是南�！た簿S舍

    自己)在6個(gè)月內(nèi)接受了多次掃描，每次在他身上觀察到的活動(dòng)模式都

    非常相似。他們將這個(gè)區(qū)域命名為“梭狀回面孔區(qū)”。此后20年中，我們

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：獲得了更多有關(guān)梭狀回面孔區(qū)的信息，其中包括“顳葉底部不只有一個(gè)

    區(qū)域，而是有幾個(gè)區(qū)域會(huì)對(duì)人臉信息有反應(yīng)”(見(jiàn)彩圖3)。我們還知道

    這些區(qū)域?qū)θ四樞畔⑻幚韥?lái)說(shuō)必不可少。第一章提到的那位癲癇患者，也是因?yàn)樯鲜鰠^(qū)域受到刺激，才導(dǎo)致感知人臉的能力受損。坎維舍等人

    進(jìn)一步證明了顳葉的其他部位也會(huì)選擇性地對(duì)其他類(lèi)型的刺激產(chǎn)生反

    應(yīng)，其中包括身體部位、單詞和場(chǎng)景。

    坎維舍和她的同事對(duì)感知面部的區(qū)域提出了相當(dāng)有力的主張，但并

    沒(méi)有得到伊莎貝爾·戈捷的認(rèn)同，后者是一位視覺(jué)研究者，曾研究過(guò)我

    們識(shí)別視覺(jué)物體的能力是如何通過(guò)練習(xí)而改變的。她在研究中訓(xùn)練人們

    識(shí)別一種被稱(chēng)作“格里博”的人造物體，它們看上去有點(diǎn)兒像外星來(lái)的花

    園精靈。由于可以用電腦為格里博繪制出很多不同種類(lèi)的視覺(jué)特征，因

    此它能被用來(lái)研究人們是怎樣變成區(qū)分不同視覺(jué)特征的專(zhuān)家的。戈捷在

    研究中發(fā)現(xiàn)，人們能夠通過(guò)練習(xí)提高識(shí)別格里博的能力。這時(shí)，格里博

    會(huì)像人臉一樣激活大腦的右側(cè)梭狀回區(qū)域。這使她提出了一個(gè)新理論：

    梭狀回面孔區(qū)實(shí)際上不是一個(gè)“面孔區(qū)”，更像是一個(gè)“技能區(qū)”(或者說(shuō)

    是一個(gè)“靈活的梭狀回區(qū)”)。人們?cè)谧R(shí)別他們非常了解的物體時(shí)，這個(gè)

    區(qū)域就會(huì)被激活，尤其是當(dāng)他們必須區(qū)分同一類(lèi)事物的不同個(gè)體時(shí)。

    戈捷開(kāi)始進(jìn)一步驗(yàn)證這個(gè)理論，她研究了非常擅長(zhǎng)識(shí)別特定物體的

    人：鳥(niǎo)類(lèi)觀察家和汽車(chē)專(zhuān)家。我們已經(jīng)有理由認(rèn)為，視覺(jué)技能涉及的大

    腦區(qū)域和那些用來(lái)識(shí)別普通物體的大腦區(qū)域不同：在一些罕見(jiàn)情況下，鳥(niǎo)類(lèi)觀察家會(huì)喪失識(shí)別鳥(niǎo)類(lèi)的能力，汽車(chē)專(zhuān)家也會(huì)喪失識(shí)別汽車(chē)的能

    力，但他們識(shí)別其他物體的能力并不會(huì)因此受損。戈捷在研究中招募了

    一組志愿者，他們要么是鳥(niǎo)類(lèi)觀察家，要么自詡是汽車(chē)專(zhuān)家。她向他們

    展示了很多不同類(lèi)型的物體，包括人臉、鳥(niǎo)類(lèi)、汽車(chē)等。研究結(jié)果證實(shí)

    了梭狀回面孔區(qū)是一個(gè)“技能區(qū)”的假設(shè)：汽車(chē)專(zhuān)家的梭狀回面孔區(qū)對(duì)汽

    車(chē)產(chǎn)生反應(yīng)，鳥(niǎo)類(lèi)觀察家的梭狀回面孔區(qū)對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)產(chǎn)生反應(yīng)。更重要的

    是，梭狀回面孔區(qū)對(duì)非擅長(zhǎng)領(lǐng)域物體的反應(yīng)極其微弱。這似乎決定性地

    表明了梭狀回面孔區(qū)針對(duì)的是視覺(jué)技能而非人臉本身。但坎維舍及其合

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：伙人沒(méi)有被說(shuō)服，反而對(duì)數(shù)據(jù)和解釋提出了很多批判。大約在同一時(shí)

    間，另一位研究人員的研究破壞了這場(chǎng)關(guān)于梭狀回面孔區(qū)的爭(zhēng)論，也為

    分析fMRI數(shù)據(jù)的一種全新方式鋪平了道路。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：解碼大腦的初步探索

    吉姆·哈克斯比在某種程度上和南�！た簿S舍截然相反�？簿S舍熱情

    外向、充滿(mǎn)活力，而哈克斯比的熱情則隱藏在輕聲細(xì)語(yǔ)和柔和的外表

    下。20世紀(jì)90年代初，哈克斯比在美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院開(kāi)始了他的科研

    生涯，用PET研究大腦處理不同類(lèi)型物體的方式。在一定程度上，正是

    這項(xiàng)研究啟發(fā)了坎維舍在顳葉中尋找與人臉相關(guān)的活動(dòng)。在他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)

    始使用fMRI后，他被坎維舍“梭狀回面孔區(qū)專(zhuān)門(mén)對(duì)人臉做出反應(yīng)”的研究

    結(jié)果觸動(dòng)了，但他并不接受坎維舍團(tuán)隊(duì)的解釋。隨著他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)始自己

    做人臉感知的fMRI研究，他困惑于這些看似特別針對(duì)人臉的區(qū)域?yàn)槭?br/>
    么也會(huì)對(duì)其他類(lèi)型的刺激產(chǎn)生強(qiáng)烈反應(yīng)，這讓人十分懷疑它們的針對(duì)

    性。哈克斯比和坎維舍看到了相同的數(shù)據(jù)，卻得出了大相徑庭的結(jié)論。

    哈克斯比想到一個(gè)主意，事實(shí)證明，它將顛覆我們分析fMRI數(shù)據(jù)

    的方式。在那之前，fMRI研究人員只關(guān)注“激活”——也就是一個(gè)大腦區(qū)

    域在哪種情況下更活躍。這些信息通常呈現(xiàn)為明亮的圖像，這表明這些

    區(qū)域發(fā)出的信號(hào)強(qiáng)度足以達(dá)到“具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義”的標(biāo)準(zhǔn)。換言之，我們

    非�？隙�，這些區(qū)域的活動(dòng)差異不僅僅是由隨機(jī)波動(dòng)造成的。哈克斯比

    的想法是，觀察整個(gè)區(qū)域的活動(dòng)模式，看看它是否因情況而異。例如，假設(shè)要通過(guò)鼓掌情況來(lái)判斷人群對(duì)一場(chǎng)政治辯論中三位候選人的反應(yīng)

    (見(jiàn)圖3.1)。你可以考慮是否有一部分人總體上會(huì)更多地為其中一位

    候選人鼓掌：找出人群中對(duì)某位候選人具有“選擇性”的區(qū)域，這就相當(dāng)

    于激活分析。在這個(gè)例子中，人群的第一部分更愿意為用圓圈表示的候

    選人鼓掌，我們會(huì)說(shuō)他們對(duì)用圓圈表示的候選人是有選擇性的。但你也

    可以反過(guò)來(lái)問(wèn)：我們能根據(jù)整個(gè)房間里的鼓掌模式來(lái)判斷是哪位候選人

    在發(fā)言嗎？我們稱(chēng)之為“解碼”，它已經(jīng)變成了fMRI數(shù)據(jù)分析的核心部

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：分，也是我們?cè)诒緯?shū)的其余部分要討論的主要內(nèi)容。

    在了解解碼的工作原理之前，我們還需要再了解一些有關(guān)fMRI數(shù)

    據(jù)性質(zhì)的細(xì)節(jié)。我們用fMRI生成的大腦圖像由大量的立方體構(gòu)成，我

    們將這些邊長(zhǎng)為1~3毫米的立方體稱(chēng)作“體素”(好比顯示器的像素，只

    不過(guò)它們是立體的)。每一個(gè)體素都包含了數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的神經(jīng)元，而

    fMRI信號(hào)反應(yīng)的是這些神經(jīng)元活動(dòng)情況的平均值。當(dāng)一張人臉出現(xiàn)

    時(shí)，如果一個(gè)體素包含很多放電的神經(jīng)元，那么這個(gè)體素就會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈

    的fMRI信號(hào)，但它也可能包含少數(shù)“喜歡”其他物體(如房子或椅子)的

    神經(jīng)元。為了進(jìn)一步對(duì)人群這個(gè)例子進(jìn)行說(shuō)明，假設(shè)我們?cè)谟脭U(kuò)音器檢

    測(cè)每一部分人群的反應(yīng)，擴(kuò)音器會(huì)告訴我們?cè)摬糠秩巳旱恼坡暤钠骄��?br/>
    量。在這個(gè)例子中，每個(gè)人代表一個(gè)神經(jīng)元，擁有擴(kuò)音器的每一部分人

    群代表一個(gè)體素。在圖3.1中，我們會(huì)看到有些人群在為某位候選人鼓

    掌時(shí)掌聲更加響亮(平均值)：這就像人臉信息比其他類(lèi)型的刺激更能

    激活神經(jīng)元一樣。你也可以想象，分散在人群中的人對(duì)三位候選人各有

    偏愛(ài)，因此，即使在“選擇性”不那么高的區(qū)域，你也會(huì)發(fā)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)鼓

    掌模式的差別，這會(huì)提示你正在發(fā)言的是哪位候選人。圖3.1顯示了在

    一種檢測(cè)鼓掌音量的新方法的幫助下，我們是如何根據(jù)人群各個(gè)部分的

    鼓掌模式與已知模式的相似程度來(lái)解碼發(fā)言人的身份的。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：圖3.1 展示fMRI解碼的工作原理，以觀眾對(duì)三位候選人的反應(yīng)作類(lèi)比。上邊的圖表示觀眾被分

    成九個(gè)部分(類(lèi)似fMRI體素)：每個(gè)部分由很多個(gè)體組成，每個(gè)個(gè)體都只為一位候選人(分別

    用圓點(diǎn)、加號(hào)和菱形表示)鼓掌。這些個(gè)體代表一個(gè)fMRI體素中的神經(jīng)元。下邊左側(cè)的圖顯示

    了九個(gè)部分的觀眾為每位候選人鼓掌的相對(duì)數(shù)量：你可以看到，每位候選人在各部分觀眾中都

    有一個(gè)非常不同的鼓掌模式。假設(shè)我們有一種檢測(cè)鼓掌情況的新方法(下邊右側(cè)的圖)，我們

    想解碼正在發(fā)言的是哪位候選人。我們可以計(jì)算新鼓掌模式和已知的每一種鼓掌模式的相關(guān)性

    (箭頭旁邊的數(shù)字)：在此例中，新鼓掌模式與加號(hào)所代表的候選人發(fā)言時(shí)我們觀察到的鼓掌

    模式高度相關(guān)，因此，我們可以預(yù)測(cè)，當(dāng)這些數(shù)據(jù)出現(xiàn)時(shí)，是加號(hào)所代表的候選人在發(fā)言。

    哈克斯比用這個(gè)方法來(lái)驗(yàn)證他的假設(shè)——大腦對(duì)各種視覺(jué)信息的處

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：理分布于整個(gè)顳葉。也就是說(shuō)，雖然有些大腦區(qū)域?qū)θ四樀姆磻?yīng)比對(duì)其

    他物體的反應(yīng)更強(qiáng)烈，但它們并非視覺(jué)系統(tǒng)中處理人臉相關(guān)信息的唯一

    區(qū)域。在研究中，哈克斯比對(duì)正在觀看包括人臉、房屋、椅子、瓶子、貓、鞋子和剪刀在內(nèi)的不同物體的照片的受試者進(jìn)行了掃描。每個(gè)受試

    者在觀看一種物體時(shí)都會(huì)被掃描10次(我們稱(chēng)之為“回合”)。為了檢驗(yàn)

    他是否能解碼受試者正在觀看的物體，他首先每隔一個(gè)回合(如奇數(shù)回

    合)就收集一次數(shù)據(jù)，并檢測(cè)每個(gè)體素對(duì)不同物體的反應(yīng)。接著，他收

    集偶數(shù)回合的數(shù)據(jù)，并對(duì)每一個(gè)回合提出以下問(wèn)題：以當(dāng)前活動(dòng)模式為

    參照，奇數(shù)回合中的哪一種活動(dòng)模式與其最相似？這讓他能夠解碼受試

    者正在觀看什么。例如，如果當(dāng)前的模式(來(lái)自偶數(shù)回合)和奇數(shù)回合

    中看貓的平均活動(dòng)模式最接近，那么他就可以預(yù)測(cè)，當(dāng)從某個(gè)偶數(shù)回合

    中收集到這樣的數(shù)據(jù)時(shí)，受試者是在看一只貓。哈克斯比將這種方法用

    于分析他的數(shù)據(jù)，他發(fā)現(xiàn)他能以超過(guò)90%的準(zhǔn)確率解碼受試者正在觀看

    的物體——事實(shí)上，對(duì)人臉來(lái)說(shuō)，準(zhǔn)確率是100%!為了驗(yàn)證他的主

    張，即大腦對(duì)物體的處理過(guò)程不是局部化的而是分布于整個(gè)顳葉，他想

    知道在神經(jīng)元活動(dòng)對(duì)特定物體不具有選擇性的區(qū)域，這樣的解碼是否有

    效。例如，假設(shè)去掉對(duì)人臉比對(duì)其他物體反應(yīng)更靈敏的體素，他能將人

    臉和其他物體區(qū)分開(kāi)來(lái)嗎？答案是肯定的——他仍能以極高的準(zhǔn)確率識(shí)

    別出一個(gè)人正在看一張人臉，即使他只觀察了“面孔區(qū)”以外部分的體

    素。和大多數(shù)科學(xué)爭(zhēng)論一樣，從個(gè)體研究中不能得出結(jié)論性的答案，因

    此，自哈克斯比發(fā)表他的原創(chuàng)性論文后，關(guān)于人臉信息處理的局部化的

    爭(zhēng)議就一直沒(méi)有停過(guò)。但最重要的是，他的論文將“用fMRI數(shù)據(jù)解碼心

    理活動(dòng)”的觀點(diǎn)引進(jìn)了認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域。

    我在第一章介紹過(guò)“反向推理”的概念——你可以通過(guò)觀察活躍的大

    腦區(qū)域來(lái)判斷一個(gè)人在想什么，并解釋了為什么將這種推理應(yīng)用到《紐

    約時(shí)報(bào)》有關(guān)2008年美國(guó)大選的專(zhuān)欄文章上是有問(wèn)題的。你已經(jīng)讀過(guò)這

    一章，所以，你也許清楚反向推理的概念與吉姆·哈克斯比的解碼概念

    并非截然不同。你是對(duì)的，在這兩種情況下，我們都是在用神經(jīng)成像數(shù)

    據(jù)去嘗試推斷一個(gè)人的心理狀態(tài)。其主要區(qū)別在于，我所嘲諷的《紐約

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：時(shí)報(bào)》專(zhuān)欄文章中的反向推理并非基于一個(gè)規(guī)范的統(tǒng)計(jì)模型，而是基于

    研究人員的自我判斷。但我們還是有可能建立統(tǒng)計(jì)模型，從而精確量化

    我們根據(jù)fMRI數(shù)據(jù)解碼一個(gè)人的思想的能力，這也是哈克斯比及其同

    事采用的方法。后來(lái)的研究為fMRI解碼思想的能力提供了更多證據(jù)，我會(huì)在下一章更詳細(xì)地探討。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：從分子到網(wǎng)絡(luò)

    關(guān)于大腦如何識(shí)別人臉的爭(zhēng)論主要集中于，信息是局限在一個(gè)特定

    區(qū)域內(nèi)，還是分布于整個(gè)顳葉。不過(guò)這個(gè)問(wèn)題掩蓋了一個(gè)重點(diǎn)：識(shí)別人

    臉的行為需要顳葉中的這些區(qū)域與大腦中涉及社會(huì)認(rèn)知處理、行動(dòng)、記

    憶和情感等的其他區(qū)域進(jìn)行溝通。隨著fMRI的發(fā)展，研究人員開(kāi)始研

    究不同的大腦區(qū)域如何相互溝通。

    1992年，就在班代蒂尼和王首次完成fMRI掃描之后，研究生巴拉

    特·畢斯瓦到了威斯康星醫(yī)學(xué)院。出于項(xiàng)目的要求，他開(kāi)始研究fMRI數(shù)

    據(jù)里的各種“噪聲”來(lái)源，如心跳和呼吸，它們對(duì)fMRI信號(hào)造成了嚴(yán)重影

    響。為了更好地理解這些信號(hào)，他嘗試了一個(gè)技巧：提取大腦左側(cè)運(yùn)動(dòng)

    皮質(zhì)的一個(gè)體素的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，然后檢測(cè)大腦其余部位的信號(hào)在掃描

    期間是如何與這個(gè)體素產(chǎn)生聯(lián)系的。他預(yù)測(cè)這個(gè)體素附近的體素是互相

    關(guān)聯(lián)的(因?yàn)樗鼈儞碛蟹磻?yīng)方式相似的神經(jīng)元)，他確實(shí)看到了這一

    點(diǎn)，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了一些意外情況：大腦右側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)同樣顯示了與左

    側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)中那個(gè)體素高度相關(guān)的信號(hào)(見(jiàn)彩圖4)，即使這個(gè)人只是

    躺在MRI掃描儀中，沒(méi)做任何動(dòng)作。事實(shí)上，他用靜息態(tài)fMRI檢測(cè)左右

    側(cè)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)相關(guān)性時(shí)得到的圖像，與他在對(duì)比雙手運(yùn)動(dòng)和雙手靜止時(shí)得

    到的圖像非常相似，這意味著，即使受試者一動(dòng)不動(dòng)，我們也能用靜息

    態(tài)fMRI來(lái)識(shí)別其運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)。畢斯瓦于1995年發(fā)表了這些成果，但研究

    人員用了大約10年的時(shí)間才意識(shí)到該成果的重要性。我們會(huì)在第五章看

    到，目前人類(lèi)神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域最強(qiáng)大的技術(shù)之一，就是研究躺在MRI掃描

    儀中靜止不動(dòng)的人的大腦。

    研究人員開(kāi)始研究大腦不同區(qū)域的連接方式，他們采用了幾項(xiàng)新技

    術(shù)。畢斯瓦所檢測(cè)的不同大腦區(qū)域間的fMRI信號(hào)相關(guān)性，其實(shí)就是我

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：們所說(shuō)的“功能連接”——不同大腦區(qū)域的活動(dòng)隨時(shí)間而變化的程度。這

    并沒(méi)有告訴我們這些區(qū)域是不是通過(guò)大腦白質(zhì)實(shí)現(xiàn)了“結(jié)構(gòu)連接”——白

    質(zhì)是連接不同大腦區(qū)域的“電纜”。兩個(gè)大腦區(qū)域可以通過(guò)白質(zhì)(我們稱(chēng)

    之為“纖維束”)直接相連——好比連接洛杉磯和舊金山的101公路，但

    功能連接可以跨越不止一個(gè)大腦區(qū)域——就像駕車(chē)從洛杉磯途經(jīng)拉斯維

    加斯到達(dá)舊金山一樣。如果我們想搞清楚大腦的布線(xiàn)圖，這就是一個(gè)關(guān)

    鍵問(wèn)題。人類(lèi)曾經(jīng)在動(dòng)物身上做過(guò)追蹤白質(zhì)纖維束的研究，方法是向一

    個(gè)大腦區(qū)域注入放射性示蹤劑，然后觀察它在沿著大腦軸突移動(dòng)的過(guò)程

    中會(huì)停在哪里。我們不能在活人身上這樣做，于是MRI再次成了我們的

    救星——通過(guò)一種叫作“DWI”(擴(kuò)散加權(quán)成像)的技術(shù)，我們可以給大

    腦中的水分子運(yùn)動(dòng)造像。我們之所以能用DWI給白質(zhì)纖維束造像，是因

    為組成纖維束的軸突包裹著一層具有隔絕作用的脂肪物質(zhì)(髓磷脂)，就像包裹著電線(xiàn)的塑料皮一樣。由于水分子很難穿過(guò)細(xì)胞膜及其隔絕物

    髓磷脂，它們更容易沿著軸突的方向移動(dòng)。通過(guò)檢測(cè)水分子在不同方向

    的擴(kuò)散情況，我們可以用纖維束成像技術(shù)來(lái)判斷大腦區(qū)域之間白質(zhì)的連

    接情況。

    把用fMRI測(cè)得的功能連接信息和用DWI測(cè)得的結(jié)構(gòu)連接信息合

    并，我們就可以描繪出“連接組”：大腦所有區(qū)域之間的連接目錄。很多

    人熟悉這個(gè)詞是因?yàn)槿�巴斯蒂安·相的同名�?shū)籍，他還做過(guò)一次題為“我

    是我的連接組”的TED演講，說(shuō)的是，使我們每個(gè)人獨(dú)一無(wú)二的每種事

    物都存儲(chǔ)在大腦神經(jīng)元間的特定連接里。相的研究關(guān)注的是單個(gè)神經(jīng)元

    之間的特定連接，也就是我們所說(shuō)的微觀連接組，這樣的研究目前只能

    在動(dòng)物身上進(jìn)行。相反，神經(jīng)成像著重于大腦不同區(qū)域之間的大型連

    接，也就是我們所說(shuō)的宏觀連接組。我們希望這兩條研究路線(xiàn)最終能交

    匯于一點(diǎn)，盡管在人類(lèi)身上做微觀連接組研究一直很難(可能性極

    小)。認(rèn)識(shí)到大腦布線(xiàn)圖的重要性之后，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院(美國(guó)生

    物醫(yī)學(xué)研究的主要資助機(jī)構(gòu))在2010—2014年將3000萬(wàn)美元用于人類(lèi)連

    接組項(xiàng)目，目的是描繪出一份詳細(xì)的人類(lèi)大腦連接圖譜。其間，人類(lèi)連

    接組項(xiàng)目收集了1200個(gè)人的MRI數(shù)據(jù)、心理測(cè)驗(yàn)和基因材料，并向全世

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：界的科學(xué)家開(kāi)放(正如他們?cè)鵀槿祟?lèi)連接組項(xiàng)目做過(guò)的一樣)。這些數(shù)

    據(jù)促成了大腦功能研究的幾項(xiàng)重要突破，形成了一份人類(lèi)大腦的新圖譜

    ——發(fā)現(xiàn)了新的大腦區(qū)域，描述了大腦組織方式的個(gè)體差異。

    人們對(duì)連接組學(xué)越來(lái)越感興趣的情況與網(wǎng)絡(luò)科學(xué)的廣泛發(fā)展是同步

    的——網(wǎng)絡(luò)科學(xué)是一門(mén)有關(guān)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)，研究范圍涵蓋大腦中的連

    接、臉書(shū)上的友誼和機(jī)場(chǎng)之間的航班，等等。很多人都熟悉“六度分割

    理論”，“在互聯(lián)網(wǎng)電影數(shù)據(jù)庫(kù)中，幾乎每位演員都能通過(guò)6位或少于6位

    的合演者聯(lián)系到凱文·貝肯”這個(gè)論證尤其讓它出名。這一現(xiàn)象說(shuō)明，復(fù)

    雜網(wǎng)絡(luò)通常具備一種特殊結(jié)構(gòu)，能夠非常有效地連接整個(gè)網(wǎng)絡(luò)——這就

    是我們后來(lái)所說(shuō)的小世界網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)小世界網(wǎng)絡(luò)中少量高度相關(guān)的元素

    (可能是人、大腦區(qū)域或者機(jī)場(chǎng))，我們稱(chēng)之為“樞紐”。例如，從某種

    意義上說(shuō)，希斯羅國(guó)際機(jī)場(chǎng)和紐瓦克國(guó)際機(jī)場(chǎng)都是樞紐，因?yàn)樗鼈冇酗w

    往許多不同機(jī)場(chǎng)(包括其他樞紐)的航班，而紐約、伊薩卡、加利福尼

    亞、弗雷斯諾的機(jī)場(chǎng)可能只有飛往其他一兩個(gè)機(jī)場(chǎng)的航班。神經(jīng)成像研

    究表明，人類(lèi)大腦具備很多小世界網(wǎng)絡(luò)的特性，而網(wǎng)絡(luò)分析工具的應(yīng)用

    則帶來(lái)了很多關(guān)于大腦功能的新發(fā)現(xiàn)，我們將在第五章進(jìn)一步探究這個(gè)

    問(wèn)題。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：“成長(zhǎng)的煩惱”

    當(dāng)一種新的檢測(cè)工具出現(xiàn)時(shí)，科學(xué)界通常會(huì)盡力弄清楚它處理數(shù)據(jù)

    的方式和局限性，fMRI也不例外。事實(shí)上，由于人們的高度關(guān)注，fMRI研究成了一個(gè)容易受到研究人員非難的目標(biāo)。

    fMRI分析的一大主要挑戰(zhàn)是，我們需要同時(shí)收集很多數(shù)據(jù)。在心

    理學(xué)研究中，我們也許只需要測(cè)量5到10個(gè)不同的變量，但在fMRI研究

    中，我們經(jīng)常需要從大腦中10萬(wàn)多個(gè)位置收集數(shù)據(jù)。fMRI發(fā)展史上的

    一件趣事，給這個(gè)處理海量數(shù)據(jù)的獨(dú)特挑戰(zhàn)增添了濃墨重彩的一筆。

    2009年，我在人類(lèi)大腦圖譜組織擔(dān)任項(xiàng)目委員，該組織負(fù)責(zé)審核科

    研人員提交的材料，確保它們符合組織的標(biāo)準(zhǔn)，以便將其在年會(huì)上介紹

    給大家。其中一項(xiàng)退稿標(biāo)準(zhǔn)涉及材料的嚴(yán)肅性，一位審稿人因此標(biāo)記了

    一篇特別的文章。文章題為“大西洋鮭魚(yú)死后種間視角的神經(jīng)關(guān)聯(lián)：多

    重比較校正論證”，看上去確實(shí)不像玩笑，但仔細(xì)閱讀文章后你會(huì)發(fā)現(xiàn)

    審稿人的憂(yōu)慮所在：

    對(duì)象：一條參與fMRI研究的成熟大西洋鮭魚(yú)(安大略鮭)。它長(zhǎng)約

    19英寸、重約3.81磅，在掃描期間已經(jīng)死亡。

    任務(wù)：鮭魚(yú)需要完成一項(xiàng)開(kāi)放式心理學(xué)任務(wù)。研究人員向鮭魚(yú)展示

    處于社會(huì)情境中的人類(lèi)個(gè)體的照片，照片上標(biāo)有詳細(xì)的情緒效價(jià)。研究

    人員要求鮭魚(yú)判斷照片中的個(gè)體當(dāng)時(shí)正在經(jīng)歷何種情緒。

    做這項(xiàng)研究的克雷格·貝內(nèi)特和他的同事把一條死鮭魚(yú)放進(jìn)MRI掃

    描儀中，交給它一項(xiàng)“任務(wù)”，然后記錄下了fMRI數(shù)據(jù)。他們隨即用一種

    特殊方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鮭魚(yú)的大腦對(duì)該任務(wù)有明顯反應(yīng)

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：(見(jiàn)彩圖5)。他們這樣做不是為了證明鮭魚(yú)死后還存在某種心理能

    量，而是為了證明fMRI數(shù)據(jù)分析的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)——這個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)我們?cè)?br/>
    很多年前就知道了，但許多認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)界的研究人員一直對(duì)它視而不

    見(jiàn)。

    記住，fMRI數(shù)據(jù)是通過(guò)測(cè)量大腦中的許多小立方體(體素)得來(lái)

    的。在一次標(biāo)準(zhǔn)的fMRI掃描中，我們可以收集5萬(wàn)至20萬(wàn)個(gè)體素的數(shù)

    據(jù)。為了判斷對(duì)任務(wù)有反應(yīng)的是哪個(gè)大腦區(qū)域，我們需要計(jì)算出每個(gè)體

    素的統(tǒng)計(jì)數(shù)值。如果該部位確實(shí)對(duì)任務(wù)有所反應(yīng)，那么統(tǒng)計(jì)數(shù)值就能告

    訴我們這個(gè)體素的信號(hào)波動(dòng)方式與我們的預(yù)期在多大程度上是一致的。

    接著，我們必須判斷哪個(gè)區(qū)域的反應(yīng)強(qiáng)烈到無(wú)法用隨機(jī)波動(dòng)解釋?zhuān)�而�?yīng)

    該用統(tǒng)計(jì)學(xué)來(lái)檢驗(yàn)。如果體素內(nèi)的反應(yīng)強(qiáng)烈到我們認(rèn)為不能用偶然性解

    釋?zhuān)�那么我們就把它視為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的反應(yīng)。為此，我們需要確定

    我們有多愿意接受假陽(yáng)性結(jié)果——也就是，雖然數(shù)據(jù)并不代表有實(shí)際信

    號(hào)，但仍被視為具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的結(jié)果(“第一類(lèi)誤差”)。我們可能還

    會(huì)犯一種錯(cuò)誤，即體素內(nèi)確實(shí)存在反應(yīng)活動(dòng)，但我們沒(méi)能找到一個(gè)具有

    統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的結(jié)果——我們稱(chēng)之為“假陰性”或“第二類(lèi)誤差”。這兩類(lèi)統(tǒng)

    計(jì)學(xué)錯(cuò)誤存在于一種微妙的平衡中——保持其他條件不變，我們對(duì)假陽(yáng)

    性容忍度的提高會(huì)導(dǎo)致假陰性率降低，反之亦然。

    我們?cè)敢饨邮艿募訇?yáng)性率一般是5%。如果使用這個(gè)閾值，那么我

    們會(huì)在5%的檢驗(yàn)中犯下假陽(yáng)性錯(cuò)誤。如果我們只做一次檢驗(yàn)，那么這

    似乎是合理的——我們?cè)?0次檢驗(yàn)中應(yīng)該會(huì)得出19次正確結(jié)果。但如果

    我們同時(shí)做數(shù)千次統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，結(jié)果會(huì)怎樣呢？我們?cè)诜治鰂MRI數(shù)據(jù)時(shí)

    就是這樣做的。如果使用5%的標(biāo)準(zhǔn)，那么我們犯錯(cuò)誤的次數(shù)就等于0.05

    乘以檢驗(yàn)次數(shù)，這表示面對(duì)10萬(wàn)個(gè)體素，我們幾乎肯定會(huì)犯下數(shù)以千計(jì)

    的假陽(yáng)性錯(cuò)誤，而這其實(shí)正是貝內(nèi)特及其同事所發(fā)現(xiàn)的。他們寫(xiě)

    道：“我們能從這些數(shù)據(jù)中得出鮭魚(yú)正在執(zhí)行換位思考任務(wù)的結(jié)論嗎？

    當(dāng)然不能。我們能確定的是，如果多重比較不受控制，那么(fMRI)

    時(shí)間序列中的隨機(jī)‘噪聲’就可能產(chǎn)生欺騙性的結(jié)果。”不幸的是，人們?cè)?br/>
    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：媒體上討論這些結(jié)果時(shí)，經(jīng)常會(huì)忘記他們的上述結(jié)論，從而產(chǎn)生一種誤

    導(dǎo)性的印象，即fMRI數(shù)據(jù)不可信。

    事實(shí)上，神經(jīng)成像研究者早在PET成像時(shí)期就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了“多重

    比較”的問(wèn)題，而統(tǒng)計(jì)學(xué)家也提出了很多不同的應(yīng)對(duì)方法。最簡(jiǎn)單的方

    法(以數(shù)學(xué)家卡洛·邦費(fèi)羅尼的名字命名)是用每次檢驗(yàn)的假陽(yáng)性率除

    以檢驗(yàn)次數(shù)。這雖然能控制假陽(yáng)性率，但通常過(guò)于保守，意味著實(shí)際的

    假陽(yáng)性率將會(huì)小于5%。這是有問(wèn)題的，因?yàn)槲以谏衔奶岬竭^(guò)，假陽(yáng)性

    率和假陰性率之間存在一種“你高我低”的關(guān)系，因此，過(guò)于保守的檢驗(yàn)

    也會(huì)導(dǎo)致假陰性率升高，這意味著研究人員無(wú)法找到真實(shí)存在的反應(yīng)效

    果。不管怎樣，研究人員不必過(guò)于保守而又能控制假陽(yáng)性率的方法有很

    多種。在神經(jīng)成像發(fā)展早期，沒(méi)有經(jīng)過(guò)適當(dāng)統(tǒng)計(jì)校正的fMRI論文比比

    皆是，而現(xiàn)在，幾乎每篇fMRI論文都會(huì)進(jìn)行多重比較校正。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：fMRI是巫術(shù)嗎

    另一個(gè)廣為人知的對(duì)fMRI的批判集中于神經(jīng)成像研究的常見(jiàn)課

    題，即人的行為差異和大腦活動(dòng)差異之間的關(guān)系。可以將我和同事薩布

    里納·湯姆、克雷格·�？怂埂⒖死锼雇懈ァぬ乩锱翣栕龅囊豁�(xiàng)研究作為例

    子，該研究旨在弄清楚為何有些人比其他人更愿意冒險(xiǎn)。我將在第七章

    探討這項(xiàng)研究。我們?cè)?6名受試者接受fMRI掃描期間向他們展示了各

    種賭博(比如，贏得26美元或輸?shù)?4美元的概率均為50%)，并詢(xún)問(wèn)他

    們是否愿意參與賭博。為了確保意愿的真實(shí)性，我們?cè)趻呙杞Y(jié)束后隨機(jī)

    選擇了幾名受試者，如果他們表示愿意參與賭博，我們就以現(xiàn)金為賭

    注，拋硬幣定輸贏。一般來(lái)說(shuō)，人們都厭惡損失，這意味著大多數(shù)人不

    會(huì)愿意，除非他們可能贏得的現(xiàn)金兩倍于他們可能輸?shù)舻默F(xiàn)金。但是，我們也發(fā)現(xiàn)，人們?cè)趽p失厭惡方面存在很大差異：有些人只要可能贏得

    的現(xiàn)金比可能輸?shù)舻默F(xiàn)金多一點(diǎn)兒，就會(huì)愿意參與(比如，贏得14美元

    或輸?shù)?2美元的概率均為50%)，而其他人則在可能贏得的現(xiàn)金幾倍于

    可能輸?shù)舻默F(xiàn)金時(shí)才會(huì)愿意參與。

    為了理解這一點(diǎn)，我們開(kāi)始分析他們的大腦對(duì)提高收益和提高損失

    的反應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在他們的選擇中，一些大腦區(qū)域與我們觀察到的損

    失厭惡之間的關(guān)系非常密切，也就是我們所說(shuō)的“神經(jīng)損失厭惡”，這反

    映為大腦更容易被收益激活，而不是被損失“凍結(jié)”。事實(shí)上，我們發(fā)現(xiàn)

    行為和大腦活動(dòng)之間的關(guān)系非常緊密。我們用一個(gè)叫作“相關(guān)系數(shù)”的統(tǒng)

    計(jì)數(shù)值來(lái)定義大腦活動(dòng)和行為之間的關(guān)系，數(shù)值從1(意味著變量完全

    相關(guān))到0(意味著變量完全無(wú)關(guān))，再到-1(意味著變量反向變

    動(dòng))。我們發(fā)現(xiàn)，受試者的行為和大腦信號(hào)的相關(guān)系數(shù)是0.85(摘自研

    究論文的圖3.2表明了這種高度相關(guān)性)。這個(gè)結(jié)果似乎好得令人難以

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：置信——但是物理學(xué)家理查德·范曼說(shuō)過(guò)：“(科學(xué)的)第一原則是你不

    能欺騙自己，因?yàn)槟闶亲钊菀妆黄垓_的人。”我們?cè)�本�?yīng)該回歸研究，復(fù)制這一發(fā)現(xiàn)，然后再發(fā)表論文，但是fMRI研究要花費(fèi)成千上萬(wàn)美元

    和幾個(gè)月的時(shí)間。新發(fā)現(xiàn)帶來(lái)的興奮戰(zhàn)勝了我們的懷疑精神，論文被提

    交給知名期刊《科學(xué)》，并于2007年被刊出。

    與此同時(shí)，埃德·武爾和哈爾·帕什勒正在合作撰寫(xiě)一篇論文。這篇

    論文會(huì)震驚fMRI界，并導(dǎo)致嚴(yán)重的公共危機(jī)。武爾和帕什勒看到了其

    他研究人員公開(kāi)的數(shù)據(jù)，它們和圖3.2的數(shù)據(jù)非常接近。這讓他們產(chǎn)生

    了“數(shù)據(jù)完美得不現(xiàn)實(shí)”的想法。他們懷疑，這種量級(jí)的真實(shí)相關(guān)性只有

    在相關(guān)基礎(chǔ)變量高度可信的情況下才有可能——這里的“可信”指的是，如果進(jìn)行兩次測(cè)量，我們應(yīng)該得到相同的數(shù)值。事實(shí)上，有一條統(tǒng)計(jì)規(guī)

    則就是，兩個(gè)變量之間的真實(shí)相關(guān)性不可能比其中一次測(cè)量的可信度高

    出很多。我們知道對(duì)這種賭博任務(wù)的心理測(cè)量的可信度很少高于0.8，這原本應(yīng)該能阻止我們。我們和其他人還對(duì)跨時(shí)fMRI測(cè)量的可信度進(jìn)

    行了研究，我們知道它同樣很少超過(guò)0.8，而且通常要低很多。那么，研究是如何發(fā)現(xiàn)這種高度相關(guān)性的呢？

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：圖3.2 這張圖摘自我們?cè)?007年發(fā)表的論文，顯示了行為損失厭惡和神經(jīng)損失厭惡之間奇怪的

    高度相關(guān)性。造成這種高度相關(guān)性的部分原因在于分析的非獨(dú)立性。

    武爾及其同事直覺(jué)上知道這是由一種被稱(chēng)為“非獨(dú)立性”或“循環(huán)

    性”的統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤造成的。如果我告訴你一個(gè)新發(fā)現(xiàn)，即斯坦福大學(xué)學(xué)生

    的高考分?jǐn)?shù)明顯高于一般學(xué)生，你立即就會(huì)嘲笑我說(shuō)：“那是當(dāng)然!”斯

    坦福大學(xué)學(xué)生的高考分?jǐn)?shù)一定比一般學(xué)生高，因?yàn)楦呖挤謹(jǐn)?shù)正是大學(xué)錄

    取他們的變量之一。至于fMRI，我們對(duì)所有的體素進(jìn)行了大量的相關(guān)

    性檢測(cè)。如果我們篩選出相關(guān)性最高的檢測(cè)結(jié)果并記錄下來(lái)，那么數(shù)值

    看起來(lái)會(huì)大得驚人，但這是我們?nèi)藶椴倏v的結(jié)果。事實(shí)上，你可以用這

    種分析方法(也就是我們?cè)?017年發(fā)表的論文中所用的方法)從完全隨

    機(jī)的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)離譜的高度相關(guān)性。你可以想象一種不同的分析方法：

    我們用一組數(shù)據(jù)來(lái)查找感興趣的區(qū)域，然后用另一組獨(dú)立的數(shù)據(jù)計(jì)算相

    關(guān)性，也就是武爾所說(shuō)的獨(dú)立性分析。和非獨(dú)立性分析不同，這種方法

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：不受循環(huán)性的影響。

    武爾之所以著眼于社會(huì)神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，部分是因?yàn)榇竽X-行為相關(guān)

    性分析在這一領(lǐng)域非常普遍。他請(qǐng)求很多作者提供有關(guān)分析方法的信

    息，然后將所有分析分成獨(dú)立性分析和非獨(dú)立性分析兩類(lèi)。結(jié)合研究成

    果，他發(fā)現(xiàn)使用非獨(dú)立性分析方法的研究得出的相關(guān)性數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于使

    用獨(dú)立性分析方法的研究，而且?guī)缀跛�有相關(guān)性高于0.8的研究都使用

    了非獨(dú)立性分析方法。

    武爾團(tuán)隊(duì)對(duì)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域發(fā)起了一場(chǎng)咄咄逼人的挑戰(zhàn)，并將批

    評(píng)文章命名為“社會(huì)神經(jīng)科學(xué)的巫術(shù)相關(guān)性”。2008年，在這篇文章發(fā)表

    之前的某個(gè)時(shí)間，我收到了一份復(fù)印件。我在閱讀論文的時(shí)候有一種不

    祥的預(yù)感：雖然我們2007年發(fā)表在《科學(xué)》上的那篇論文并未被列入他

    們的清單，但我看得出來(lái)，我們犯了同樣的非獨(dú)立性錯(cuò)誤。我仍然認(rèn)為

    我們的大部分結(jié)果是可靠的，因?yàn)閳D3.2所示的相關(guān)性主要是用于例

    證，而且其基本結(jié)果也經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格的多重比較校正，但我還是擔(dān)憂(yōu)這張

    示意圖會(huì)誤導(dǎo)讀者。我開(kāi)始采用一種被稱(chēng)為“交叉驗(yàn)證”(我會(huì)在第四章

    詳細(xì)探討)的技術(shù)來(lái)重新分析數(shù)據(jù)，這種技術(shù)不受非獨(dú)立性的影響，能

    檢驗(yàn)我們對(duì)獨(dú)立數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)能力。我發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用恰當(dāng)?shù)莫?dú)立性分析方

    法時(shí)，相關(guān)性仍然有效，但比使用非獨(dú)立性分析方法時(shí)降低了大約

    40%。因此，我們的結(jié)論仍然有效，但沒(méi)有我們?cè)瓉?lái)認(rèn)為的那么令人印

    象深刻。

    罕見(jiàn)的是，科學(xué)界對(duì)數(shù)據(jù)分析方法的爭(zhēng)論登上了《新聞周刊》的版

    面，但也預(yù)示了一場(chǎng)由這篇論文引起的腥風(fēng)血雨。它還鼓動(dòng)fMRI研究

    人員和統(tǒng)計(jì)學(xué)家發(fā)表了一組激烈的回應(yīng)文章，他們中的大多數(shù)人都認(rèn)可

    武爾的批判的實(shí)質(zhì)內(nèi)容，并認(rèn)為如果武爾的語(yǔ)氣不那么危言聳聽(tīng)就更好

    了。但也有人持不同觀點(diǎn)。公平地說(shuō)，大家認(rèn)為馬特·利伯曼(當(dāng)時(shí)他

    和我在加州大學(xué)洛杉磯分校共事)是武爾的主要目標(biāo)。他于2003年發(fā)表

    的論文出現(xiàn)在武爾所認(rèn)定的“巫術(shù)”示例清單的開(kāi)頭，武爾還宣布，他已

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：經(jīng)發(fā)現(xiàn)了利伯曼團(tuán)隊(duì)在分析方面的一個(gè)統(tǒng)計(jì)誤差。利伯曼和他的同事埃

    利奧特·貝爾克曼、托爾·韋杰回應(yīng)說(shuō)，“這篇文章發(fā)表前的大部分影響得

    益于它咄咄逼人的語(yǔ)氣，這在科學(xué)文獻(xiàn)領(lǐng)域幾乎史無(wú)前例，也使得這篇

    文章易于在新聞報(bào)道中病毒式地?cái)U(kuò)散”。他們還想繼續(xù)論證研究人員并

    不想故意夸大統(tǒng)計(jì)相關(guān)性——但這在當(dāng)時(shí)很難被證明，正如武爾回應(yīng)此

    事時(shí)指出的一樣，有些研究人員在新聞發(fā)布會(huì)上稱(chēng)他們得出的相關(guān)

    性“高得嚇人”。

    武爾及其同事的批判徹底震撼了我，促使我反思我們是怎樣做

    fMRI研究的。我一直認(rèn)為自己是一名相當(dāng)懂行和謹(jǐn)慎的研究人員，但

    事實(shí)上，我被那些看似很高的相關(guān)性欺騙了，這表明我還有很長(zhǎng)的路要

    走。在接下來(lái)的幾年里，我們?cè)絹?lái)越留意數(shù)據(jù)分析方法可能讓我們犯的

    錯(cuò)誤，并且認(rèn)為這些改進(jìn)提高了研究的可信度。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：第四章 fMRI能“讀心”嗎

    在青少年時(shí)代看過(guò)的電影中，《頭腦風(fēng)暴》給我留下的印象非常深

    刻。在影片里，克里斯托弗·沃肯飾演的科學(xué)家發(fā)明了一種設(shè)備，能夠

    記錄一個(gè)人的全部意識(shí)體驗(yàn)，并允許其他人對(duì)其進(jìn)行復(fù)制。我們想到

    的“讀心”概念，通常出現(xiàn)在這類(lèi)科幻場(chǎng)景中，但在某些fMRI研究人員看

    來(lái)，這與科學(xué)事實(shí)很接近。2009年，電視臺(tái)記者萊斯利·斯塔爾采訪(fǎng)了

    卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)的馬賽爾·朱斯特，后者是fMRI解碼領(lǐng)域的早期研究

    者。部分采訪(fǎng)內(nèi)容如下：

    斯塔爾：你認(rèn)為有一天，天知道是未來(lái)的哪一天，會(huì)出現(xiàn)能夠讀取

    復(fù)雜思想的機(jī)器嗎，比如“我討厭某人”或“我喜歡芭蕾是因

    為……”？

    朱斯特：當(dāng)然，而且用不了二十年，我想三五年內(nèi)這種機(jī)器就會(huì)出

    現(xiàn)。

    斯塔爾：(有點(diǎn)懷疑)三年？

    朱斯特：好吧，五年(笑)。

    你覺(jué)得幸運(yùn)也好，不幸也好，我們還沒(méi)走到那一步——但此類(lèi)研究

    已經(jīng)開(kāi)始有所發(fā)現(xiàn)，很多人認(rèn)為這些發(fā)現(xiàn)相當(dāng)于“讀心術(shù)”。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：破譯思想語(yǔ)言

    大約在我公開(kāi)批判反向推理的2006年，認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的研究人

    員對(duì)挑戰(zhàn)fMRI在判斷人類(lèi)思想方面的極限越來(lái)越感興趣——他們有時(shí)

    會(huì)充滿(mǎn)新意地稱(chēng)之為“讀心”，但更準(zhǔn)確的叫法應(yīng)該是“解碼”。我在第一

    章提到過(guò)專(zhuān)欄文章“這就是你們的政治頭腦”中的反向推理，又在上一章

    探討過(guò)哈克斯比的人臉信息解碼研究：兩者的目標(biāo)在本質(zhì)上有些相似，都是意圖通過(guò)大腦活動(dòng)來(lái)判斷人的思想；但兩者采用的方法截然不同，因?yàn)楹笳哂媒y(tǒng)計(jì)學(xué)工具精確量化了我們能在多大程度上解碼一個(gè)人正在

    想什么或經(jīng)歷什么。

    所謂大腦解碼，你可以把它理解成大腦試圖在兩種語(yǔ)言，也就是人

    類(lèi)的自然語(yǔ)言和大腦中思想的生物“語(yǔ)言”之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。我們無(wú)法直

    接“聽(tīng)見(jiàn)”大腦的語(yǔ)言，因此，要實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換，就要借助一組傳感器

    (如MRI掃描儀)。我們稍后會(huì)談及，僅用fMRI來(lái)實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換非常困

    難，幾乎不可能。然而，一個(gè)更容易實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是：編寫(xiě)一部詞典，將

    fMRI信號(hào)模式與特定心理狀態(tài)或體驗(yàn)一一對(duì)應(yīng)起來(lái)。而這正是fMRI研

    究領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者之一杰克·加朗思考的問(wèn)題：

    原則上，你能解碼大腦中正在產(chǎn)生的各種思想……你可以把這想象

    成編寫(xiě)一部詞典。假設(shè)你是一位人類(lèi)學(xué)家，你到了一個(gè)陌生的島上，島

    上居民說(shuō)著一種你從未聽(tīng)過(guò)的語(yǔ)言，你也許會(huì)指著一棵樹(shù)說(shuō)“樹(shù)”，再

    聽(tīng)島上居民用他們的語(yǔ)言說(shuō)“樹(shù)”，隨著時(shí)間的推移，你就能編出一部

    詞典，用來(lái)將這種外語(yǔ)翻譯成你的語(yǔ)言。本質(zhì)上，我們神經(jīng)科學(xué)家也在

    做同樣的游戲。

    這樣一部詞典不會(huì)呈現(xiàn)給我們大腦語(yǔ)言的完整句子，但至少能呈現(xiàn)

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：給我們單詞——而這通常足以讓我們走得相當(dāng)遠(yuǎn)。到目前為止，你可以

    認(rèn)為，幾乎所有fMRI“讀心”方面的研究工作都在為編寫(xiě)這樣一部詞典而

    努力。對(duì)此我想說(shuō)，這部收錄了大腦語(yǔ)言中簡(jiǎn)單、常用單詞的詞典非常

    不錯(cuò)。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：告訴我你在想什么

    哈克斯比及其同事的研究表明，你可以非常準(zhǔn)確地將fMRI信號(hào)解

    碼成視覺(jué)感知內(nèi)容。但是，很多研究者對(duì)此并不感到特別驚訝，因?yàn)槲?br/>
    們已經(jīng)知道，用來(lái)處理視覺(jué)信息的大腦區(qū)域是顳葉，即使是處于麻醉狀

    態(tài)的動(dòng)物，其顳葉中的神經(jīng)元也會(huì)對(duì)視覺(jué)物體產(chǎn)生反應(yīng)——這意味著，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中甚至不需要?jiǎng)游镉幸庾R(shí)地看著視覺(jué)物體。那么有意識(shí)的思

    考過(guò)程呢？約翰·迪倫·海恩斯回答了這個(gè)問(wèn)題。20世紀(jì)中期，他在倫敦

    大學(xué)學(xué)院維康信托神經(jīng)成像中心，也就是認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究人員所熟知

    的“功能成像實(shí)驗(yàn)室”從事博士后工作。當(dāng)時(shí)的功能成像實(shí)驗(yàn)室是(現(xiàn)在

    仍然是)世界頂尖的神經(jīng)成像中心之一，而和海恩斯共事的是一位名叫

    杰倫特·里斯的年輕教授，他因?yàn)檠芯俊拔覀兪侨绾我庾R(shí)到視覺(jué)物體

    的”這一問(wèn)題而廣為人知。他們共同發(fā)表了一系列研究成果，展現(xiàn)了如

    何用神經(jīng)成像來(lái)解碼人類(lèi)有意識(shí)的視覺(jué)體驗(yàn)的內(nèi)容。在其中一項(xiàng)研究

    中，他們用不同的顏色對(duì)一名受試者的每只眼睛進(jìn)行視覺(jué)刺激，這會(huì)造

    成一種叫作“雙眼拮抗”的現(xiàn)象，也就是受試者的意識(shí)感知間或會(huì)在兩只

    眼睛之間轉(zhuǎn)換。在對(duì)受試者進(jìn)行fMRI掃描時(shí)，他們記錄了受試者在每

    個(gè)時(shí)間點(diǎn)感知到的色彩。結(jié)果表明，他們能通過(guò)fMRI數(shù)據(jù)，相當(dāng)準(zhǔn)確

    地解碼受試者在每個(gè)時(shí)間點(diǎn)感知到的色彩。

    很多人可能覺(jué)得，對(duì)視覺(jué)體驗(yàn)的解碼還不能被稱(chēng)作成熟的“讀心

    術(shù)”，但海恩斯的下一項(xiàng)研究讓你很難對(duì)此持有異議。他要搞清楚他是

    否能夠通過(guò)fMRI數(shù)據(jù)來(lái)解碼一個(gè)人的行動(dòng)意圖。為此，他給受試者布

    置了一項(xiàng)任務(wù)：受試者必須選擇進(jìn)行加法還是減法運(yùn)算。在每次實(shí)驗(yàn)

    中，受試者首先會(huì)看到一個(gè)提示，從而決定進(jìn)行加法還是減法運(yùn)算，幾

    秒鐘后屏幕上會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)數(shù)字。受試者有一段時(shí)間進(jìn)行加法或減法運(yùn)

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：算，接著他們會(huì)看到一組包含運(yùn)算結(jié)果的備選數(shù)字，并被要求從中選出

    他們之前選擇的運(yùn)算的結(jié)果。隨后，海恩斯提出一個(gè)疑問(wèn)：他能否通過(guò)

    初始提示階段(此時(shí)受試者只是在想自己將會(huì)怎么做)的fMRI信號(hào)，來(lái)預(yù)測(cè)每個(gè)人實(shí)際會(huì)選擇哪種運(yùn)算(海恩斯根據(jù)這個(gè)人在調(diào)查中選擇的

    數(shù)字得出結(jié)論)。結(jié)果令人吃驚：有幾個(gè)大腦區(qū)域的活動(dòng)能預(yù)示一個(gè)人

    將會(huì)做什么。這種預(yù)測(cè)不算完美——準(zhǔn)確率大約為70%，而隨機(jī)猜測(cè)也

    能達(dá)到50%的準(zhǔn)確率，但卻強(qiáng)有力地證明了fMRI能夠解碼人們內(nèi)心深處

    的抽象思考。

    哈克斯比、海恩斯等人的研究有一個(gè)嚴(yán)重的缺陷：在每種情況下，預(yù)測(cè)只針對(duì)特定的人。也就是說(shuō)，完成這種預(yù)測(cè)的前提是從一個(gè)人身上

    收集某些數(shù)據(jù)，然后用這些數(shù)據(jù)去調(diào)整統(tǒng)計(jì)模型，以便之后能根據(jù)從這

    個(gè)人身上收集到的其他數(shù)據(jù)做出預(yù)測(cè)。他們沒(méi)有在不同的人身上檢驗(yàn)這

    種預(yù)測(cè)能力。因此，研究顯示的實(shí)際結(jié)果和媒體上的一些討論之間產(chǎn)生

    了嚴(yán)重錯(cuò)位，這引發(fā)了人們對(duì)用fMRI預(yù)測(cè)犯罪和其他行為的關(guān)注�？�

    了海恩斯的研究成果后，我開(kāi)始對(duì)這個(gè)問(wèn)題感興趣：如果我們從未見(jiàn)過(guò)

    某個(gè)人的大腦，是否有可能通過(guò)fMRI數(shù)據(jù)來(lái)解碼他的精神狀態(tài)呢？為

    此，我們從130個(gè)人身上收集了數(shù)據(jù)，他們每個(gè)人都在我的實(shí)驗(yàn)室中參

    加過(guò)8項(xiàng)不同的研究之一。這些研究涉及不同的認(rèn)知任務(wù)，從讀單詞到

    參與****，再到學(xué)習(xí)新的物體分類(lèi)。我突然想到，我們可以建立一

    個(gè)統(tǒng)計(jì)模型來(lái)預(yù)測(cè)他們正在進(jìn)行哪一項(xiàng)認(rèn)知任務(wù)。我和羅格斯大學(xué)的史

    蒂夫·漢森和瓦里克·哈爾琴科進(jìn)行了合作，他們是開(kāi)發(fā)這類(lèi)模型的專(zhuān)

    家。他們的研究領(lǐng)域充滿(mǎn)了各種術(shù)語(yǔ)，比如“機(jī)器學(xué)習(xí)”、“統(tǒng)計(jì)學(xué)

    習(xí)”和“模式分類(lèi)”——但你可以把它當(dāng)成是根據(jù)數(shù)據(jù)做出正確預(yù)測(cè)的科

    學(xué)。我們想要通過(guò)大腦成像來(lái)預(yù)測(cè)一個(gè)人在想什么，但我們使用的統(tǒng)計(jì)

    工具和臉書(shū)用來(lái)識(shí)別照片上的人臉以及谷歌用來(lái)判斷垃圾郵件的工具沒(méi)

    什么兩樣。

    我們使用了機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的一種標(biāo)準(zhǔn)方法，叫作“交叉驗(yàn)證”。哈克

    斯比和海恩斯在我們之前也用過(guò)這種方法。交叉驗(yàn)證能讓我們知道我們

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：的統(tǒng)計(jì)模型能在多大程度上推廣至新數(shù)據(jù)。原則上，我們可以通過(guò)建立

    另一個(gè)數(shù)據(jù)集來(lái)驗(yàn)證這一點(diǎn)，即看看根據(jù)第一個(gè)數(shù)據(jù)集建立的模型能否

    很好地適用于第二個(gè)數(shù)據(jù)集，但我們常常沒(méi)辦法收集到其他數(shù)據(jù)集。交

    叉驗(yàn)證的原理既簡(jiǎn)單又非常有效。首先，我們將數(shù)據(jù)分成子集。為了簡(jiǎn)

    便起見(jiàn)，子集越小越好，每個(gè)子集可以代表一名受試者。這樣的話(huà)，對(duì)

    于130名受試者而言，我們會(huì)有130個(gè)子集。接著，我們留下一個(gè)子集，然后分別用其他所有子集的數(shù)據(jù)來(lái)建立統(tǒng)計(jì)模型，并用模型對(duì)預(yù)留的數(shù)

    據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。例如，第一輪，我們會(huì)將1—129號(hào)受試者的數(shù)據(jù)擬合到模

    型中，再用模型來(lái)檢驗(yàn)130號(hào)受試者的數(shù)據(jù)。第二輪，除129號(hào)受試者

    外，我們會(huì)將其他受試者的數(shù)據(jù)擬合到模型中，再用模型來(lái)檢驗(yàn)129號(hào)

    受試者的數(shù)據(jù)。以此類(lèi)推，直到我們檢驗(yàn)完所有可能的子集。這種技術(shù)

    叫作“留一法”交叉驗(yàn)證，聽(tīng)起來(lái)很好理解。對(duì)于每一個(gè)預(yù)留的數(shù)據(jù)集，我們都會(huì)檢驗(yàn)我們的預(yù)測(cè)和實(shí)際情況的匹配度。在這種情況下，我們知

    道每個(gè)人在執(zhí)行8項(xiàng)任務(wù)中的哪一項(xiàng)，也能根據(jù)他的大腦活動(dòng)，用統(tǒng)計(jì)

    模型來(lái)預(yù)測(cè)他在執(zhí)行哪一項(xiàng)任務(wù)：我們數(shù)一下正確預(yù)測(cè)的次數(shù)，就可以

    得出準(zhǔn)確率。我們能夠以大約80%的準(zhǔn)確率預(yù)測(cè)受試者正在執(zhí)行什么任

    務(wù)——如果我們僅靠猜測(cè)的話(huà)，準(zhǔn)確率只有13%。這項(xiàng)研究首次明確地

    證明了，即使統(tǒng)計(jì)模型基于其他人的數(shù)據(jù)，我們?nèi)杂锌赡芡ㄟ^(guò)fMRI數(shù)

    據(jù)來(lái)解碼一個(gè)人的心理狀態(tài)。這為將來(lái)進(jìn)一步推動(dòng)大腦解碼的研究奠定

    了基礎(chǔ)。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：解碼“心靈之眼”

    到目前為止，我們討論過(guò)的fMRI解碼研究都集中于在少數(shù)可能的

    狀態(tài)中進(jìn)行選擇的能力——如哈克斯比的研究中的8種不同的圖片(第

    三章)，但真正的“讀心術(shù)”意味著能夠根據(jù)大腦活動(dòng)重建任意思想或圖

    像。發(fā)表于2008年的兩項(xiàng)研究成果表明，基于貝特朗·蒂里翁領(lǐng)導(dǎo)的一

    個(gè)法國(guó)團(tuán)隊(duì)的早期工作，這是可能的。這兩項(xiàng)研究使用的方法與先前的

    研究截然不同：先前的解碼研究使用的是通用機(jī)器學(xué)習(xí)法(用它很容易

    就能預(yù)測(cè)出你打算在亞馬遜網(wǎng)站上買(mǎi)什么)，而這兩項(xiàng)較新的研究使用

    的是模擬人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的模型。

    肯德里克·凱和伯克利大學(xué)的杰克·加朗合作，想要檢驗(yàn)是否有可能

    從很多圖像中識(shí)別出自然圖像。凱和他的同事托馬斯·納斯拉里斯分別

    在MRI掃描儀中待了幾個(gè)小時(shí)，觀看了近2000幅不同的自然圖像。他們

    用對(duì)應(yīng)于其中1750幅圖像的大腦反應(yīng)創(chuàng)建了一個(gè)由人類(lèi)視覺(jué)皮質(zhì)結(jié)構(gòu)決

    定的統(tǒng)計(jì)模型。這一“定量感受野模型”大體能算出每一個(gè)視覺(jué)皮質(zhì)體素

    對(duì)視覺(jué)世界的哪部分是敏感的，我們通常將這些部分稱(chēng)作“感受野”(見(jiàn)

    圖4.1)——你可以將它想象成一幅地圖，地圖上標(biāo)明了特定大腦部位

    關(guān)注的是視覺(jué)世界的哪一部分。通過(guò)將很多體素中與視覺(jué)世界相對(duì)應(yīng)的

    部分組合在一起，他們生成了整個(gè)視覺(jué)皮質(zhì)的模型。接著，他們利用剩

    余的120幅圖像的數(shù)據(jù)，試圖了解該模型能否僅僅通過(guò)fMRI數(shù)據(jù)識(shí)別出

    當(dāng)時(shí)他們正在看的圖像(在120幅圖像中)。為了做到這一點(diǎn)，他們了

    解了每幅圖像所引發(fā)的實(shí)際大腦活動(dòng)情況，并將其與由每幅圖像的模型

    所預(yù)測(cè)的大腦活動(dòng)情況進(jìn)行比較，看看正在被觀看的圖像所引發(fā)的實(shí)際

    大腦活動(dòng)情況，是否比其他119幅圖像所引發(fā)的情況更接近模型的預(yù)

    測(cè)。如果讓你猜的話(huà)，你猜對(duì)的概率不足1%。但在兩次實(shí)驗(yàn)中，凱和

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：加朗都以很高的準(zhǔn)確率選對(duì)了圖像(一次的準(zhǔn)確率是92%，另一次的準(zhǔn)

    確率是72%)。這表明，我們解碼視覺(jué)圖像內(nèi)容的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了以往

    所研究的少數(shù)類(lèi)別，但還沒(méi)有達(dá)到完全重建任意圖像的地步。

    圖4.1 2008年，肯德里克·凱的研究重建了單個(gè)體素的“感受野”。圖片顯示了大腦中不同體

    素對(duì)視野中不同位置的刺激的反應(yīng)情況——每個(gè)體素都有自身的小區(qū)域。圖中亮點(diǎn)表明這個(gè)體

    素對(duì)哪一部分視覺(jué)場(chǎng)景——也就是視野中央偏右的一小塊——是敏感的。感謝肯德里克·凱提

    供的未發(fā)表圖片。

    日本京都大學(xué)學(xué)者神谷之康和他的同事在重建圖像的研究上又邁進(jìn)

    了一步。他們構(gòu)建了一整套的簡(jiǎn)單解碼器，每個(gè)解碼器都要學(xué)習(xí)，如根

    據(jù)來(lái)自一小部分視覺(jué)皮質(zhì)的數(shù)據(jù)來(lái)解碼一小部分視覺(jué)圖像的信號(hào)。這種

    方法與凱和加朗所用的方法基本類(lèi)似。接著，他們用機(jī)器學(xué)習(xí)法來(lái)學(xué)習(xí)

    如何將這些解碼器組合起來(lái)以便最有效地重建圖像。結(jié)果令人印象深

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：刻，他們重建了簡(jiǎn)單的幾何圖形和單詞“神經(jīng)元”(neuron)，后者是最

    終發(fā)表這項(xiàng)研究成果的期刊的名字。

    完全重建自然圖像的最后一步同樣由伯克利大學(xué)的加朗團(tuán)隊(duì)完成，但這次的領(lǐng)導(dǎo)者是托馬斯·納斯拉里斯。這項(xiàng)研究取得了兩大進(jìn)展，從

    而讓研究人員能夠重建自然圖像。首先，他們采用了貝葉斯分析法，將

    數(shù)據(jù)和先驗(yàn)知識(shí)相結(jié)合，以確定最佳重建方法。從互聯(lián)網(wǎng)上隨機(jī)選擇的

    600萬(wàn)幅圖像構(gòu)成了該研究的先驗(yàn)知識(shí)。他們的做法本質(zhì)上是用fMRI數(shù)

    據(jù)創(chuàng)建一幅預(yù)測(cè)圖像，然后看600萬(wàn)幅實(shí)際圖像中的哪一幅最接近預(yù)測(cè)

    圖像。其次，他們?yōu)槊恳环�目�?biāo)圖像手動(dòng)生成了有關(guān)場(chǎng)景語(yǔ)義類(lèi)別的信

    息(如有生命和無(wú)生命、室內(nèi)和室外)。再次，他們使用了來(lái)自更高視

    覺(jué)區(qū)域(已知該區(qū)域會(huì)對(duì)物體類(lèi)別做出響應(yīng))的數(shù)據(jù)來(lái)檢驗(yàn)現(xiàn)有分類(lèi)。

    把這些結(jié)合起來(lái)，他們就能完成令人印象深刻的“重建”——每幅圖像實(shí)

    際上都是從600萬(wàn)幅圖像中選出的最接近真實(shí)情況的圖像。最后，他們

    還用這種方法重建了電影畫(huà)面。你可以質(zhì)疑這算不算真正意義上的重

    建，但所有能根據(jù)大腦活動(dòng)成功解碼圖像的模型，可能都必須用到關(guān)于

    自然圖像特征的強(qiáng)大先驗(yàn)信息，正如我們的視覺(jué)系統(tǒng)在識(shí)別圖像時(shí)會(huì)用

    到這些信息一樣。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：解碼腦損傷患者的意識(shí)

    神經(jīng)科學(xué)家擔(dān)憂(yōu)的所有事情當(dāng)中，嚴(yán)重的外傷性腦損傷一定排在首

    位。車(chē)禍或摔倒對(duì)頭部的撞擊可以瞬間讓一個(gè)健康、認(rèn)知功能完好無(wú)損

    的人變得意識(shí)全無(wú)，而在受到這樣的傷害之后，你所能期望的最好結(jié)果

    就是基本的生活自理能力，智力和性格上的完全康復(fù)根本不可能。急救

    技術(shù)的進(jìn)步使越來(lái)越多的人在嚴(yán)重的腦損傷中存活下來(lái)，但這些幸存者

    的意識(shí)狀態(tài)通常會(huì)發(fā)生變化。意識(shí)的最低層次是昏迷，昏迷的人完全沒(méi)

    有反應(yīng)(即使是對(duì)痛覺(jué)刺激)，也不會(huì)睜開(kāi)眼睛。昏迷和“腦死亡”不

    同：“腦死亡”代表的是一種更嚴(yán)重和不可逆轉(zhuǎn)的腦損傷，而昏迷者仍有

    腦電活動(dòng)，雖然這些活動(dòng)很不正常。隨著時(shí)間的流逝，昏迷者一般會(huì)表

    現(xiàn)出一些大腦功能的跡象，比如睜開(kāi)眼睛，但依然沒(méi)有反應(yīng)，也不會(huì)表

    現(xiàn)出任何有意識(shí)的外部跡象。這就是“植物人”狀態(tài)，如果他能通過(guò)管子

    進(jìn)食且得到其他方面的照料，那么這種狀態(tài)有時(shí)能持續(xù)多年。在其他情

    況下，這個(gè)人開(kāi)始表現(xiàn)出越來(lái)越多的有意識(shí)跡象，并且經(jīng)常處于一種最

    低意識(shí)狀態(tài)中——他時(shí)而清醒時(shí)而昏迷，有時(shí)能和別人互動(dòng)，有時(shí)則沒(méi)

    有反應(yīng)。

    長(zhǎng)期以來(lái)，人們認(rèn)為“植物人”沒(méi)有意識(shí)，因?yàn)樗麄兯坪鯖](méi)有知覺(jué)，并且通過(guò)EEG(腦電圖)測(cè)得的他們的腦電活動(dòng)也不正常。但我們知道

    在一些案例中，看似沒(méi)有反應(yīng)的人可能有完整的意識(shí)——這就是罕見(jiàn)

    的、由腦干損傷引起的閉鎖綜合征，患者雖然完全清醒，但除了眨眼和

    轉(zhuǎn)動(dòng)眼球外，無(wú)法做任何動(dòng)作。如果一些被認(rèn)為是“植物人”的患者實(shí)際

    上有意識(shí)，只是無(wú)法表達(dá)，就像意識(shí)被鎖住一樣呢？阿德里安·歐文在

    過(guò)去20年里一直試圖回答這個(gè)問(wèn)題。他是一位認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)家，起初用

    PET來(lái)研究基本的認(rèn)知過(guò)程，但從某個(gè)時(shí)刻起，他開(kāi)始沉迷于探索有意

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：識(shí)知覺(jué)，并用fMRI來(lái)判別意識(shí)障礙患者的有意識(shí)知覺(jué)。

    歐文的方法非常簡(jiǎn)單。他讓受試者進(jìn)入MRI掃描儀，然后要求他們

    做兩件不同的事情：要么想象打網(wǎng)球，要么想象在自家房子內(nèi)導(dǎo)航。他

    選擇這兩項(xiàng)任務(wù)是因?yàn)樗�知道，根�?jù)對(duì)健康人的研究，如果受試者正確

    執(zhí)行任務(wù)的話(huà)，這兩項(xiàng)任務(wù)應(yīng)該會(huì)喚起截然不同的大腦活動(dòng)模式。他用

    這個(gè)方法測(cè)試了一名23歲的女性，她5個(gè)月前在車(chē)禍中遭受了嚴(yán)重的腦

    損傷，陷入了“植物人”狀態(tài)，對(duì)刺激完全沒(méi)有反應(yīng)。盡管無(wú)反應(yīng)意味著

    她沒(méi)有完整的認(rèn)知功能，但fMRI卻得出了不同的結(jié)果。當(dāng)研究人員讓

    她想象打網(wǎng)球時(shí)，她的運(yùn)動(dòng)前區(qū)皮質(zhì)開(kāi)始變得活躍；當(dāng)研究人員讓她想

    象在自家房子內(nèi)導(dǎo)航時(shí)，她的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出健康人在空間導(dǎo)航過(guò)程中

    才會(huì)出現(xiàn)的大腦活動(dòng)(見(jiàn)彩圖6)。這一標(biāo)志性發(fā)現(xiàn)激發(fā)了更廣泛的分

    析，同時(shí)也表明，“植物人”通過(guò)有意識(shí)知覺(jué)測(cè)試的比例相對(duì)較低——在

    隨后由馬丁·蒙蒂主導(dǎo)的一項(xiàng)研究中，54名“植物人”中只有5名表現(xiàn)出有

    意識(shí)跡象。

    用神經(jīng)成像來(lái)檢測(cè)腦損傷患者的有意識(shí)知覺(jué)是一項(xiàng)重大進(jìn)展，它表

    明了fMRI解碼在現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)用性。同時(shí)，這些研究也引發(fā)了一些

    倫理問(wèn)題和醫(yī)學(xué)問(wèn)題。首先，“植物人”能回答問(wèn)題，意味著他們基本上

    會(huì)被問(wèn)及一個(gè)最難回答的問(wèn)題：他們還想活下去嗎？這些人無(wú)法自己進(jìn)

    食，只能靠管子維生，理論上他們可以要求終止生命。我們?cè)撊绾闻袛?br/>
    他們?cè)谧鲞@個(gè)決定時(shí)，是否有足夠的推理能力？我們又該如何回應(yīng)？健

    康人認(rèn)為這些“植物人”會(huì)選擇結(jié)束他們的生命，但這種想法毫無(wú)意義，因?yàn)橐恍┳C據(jù)揭示的結(jié)論恰好相反。尤其是，一項(xiàng)評(píng)估閉鎖綜合征患者

    主觀幸福感的研究表明，大多數(shù)患者覺(jué)得活著很幸福，只有7%的患者

    要求終止生命。護(hù)理人員和醫(yī)師也需要深入考慮，用fMRI了解患者的

    有意識(shí)知覺(jué)以及向他們提問(wèn)，將會(huì)改變前者對(duì)待患者的方式。護(hù)理人員

    和醫(yī)師會(huì)嘗試為一次危險(xiǎn)的、很可能帶來(lái)消極后果的手術(shù)尋求患者的同

    意嗎？我們還需要知道，這些有意識(shí)跡象是否預(yù)示著患者未來(lái)會(huì)康復(fù)、會(huì)康復(fù)到什么程度，以及如果不能提供任何有效的臨床指導(dǎo)的話(huà)，了解

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：患者的認(rèn)知狀態(tài)是否有實(shí)用價(jià)值。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：你真的疼痛嗎

    我聽(tīng)過(guò)一位著名的疼痛研究專(zhuān)家的講座，他一開(kāi)場(chǎng)就提出了一個(gè)似

    乎顯而易見(jiàn)的觀點(diǎn)：大腦感受疼痛。他指的是，我們對(duì)疼痛的天然厭惡

    取決于大腦對(duì)從末梢神經(jīng)輸入的刺激做出反應(yīng)的方式。如果錘子意外地

    砸到了我的大拇指，大拇指上的專(zhuān)門(mén)神經(jīng)受體就會(huì)向我的大腦發(fā)送一個(gè)

    信號(hào)，告訴大腦發(fā)生了不好的事情，而這些神經(jīng)刺激對(duì)我來(lái)說(shuō)就是令人

    厭惡的疼痛體驗(yàn)。疼痛令人討厭但卻不可缺少，它提醒我們要保護(hù)受傷

    部分，從而防止進(jìn)一步受傷，同時(shí)也提醒我們尋求必要的治療。疼痛的

    重要性對(duì)那些受先天性鎮(zhèn)痛癥折磨的人來(lái)說(shuō)非常明顯——他們生來(lái)就無(wú)

    法感受疼痛。莫·康斯坦丁這樣描述患有這種疾病的青少年阿什利的情

    況：

    剛出生的時(shí)候，她很少發(fā)出聲音；長(zhǎng)乳牙的時(shí)候，她差點(diǎn)咬掉自己

    的一半舌頭。在成長(zhǎng)過(guò)程中，她父親忘記關(guān)掉的高壓清洗機(jī)灼傷了她手

    掌上的皮膚；有一次，她父母隔了整整兩天才發(fā)現(xiàn)她的一個(gè)腳踝受傷

    了。她曾經(jīng)被幾百只火螞蟻包圍、咬傷，曾經(jīng)把手伸進(jìn)開(kāi)水里，曾經(jīng)因

    為無(wú)數(shù)其他原因受傷，但從來(lái)沒(méi)有感覺(jué)。

    研究人員一直在用fMRI研究急性疼痛，通常是用熱探針對(duì)受試者

    進(jìn)行疼痛刺激(在內(nèi)臟痛研究中會(huì)使用直腸氣囊)。這種急性疼痛會(huì)激

    活一系列大腦區(qū)域，我們稱(chēng)之為“疼痛矩陣”——它包括接收來(lái)自身體的

    感覺(jué)輸入的軀體感覺(jué)區(qū)、腦島、前扣帶回皮質(zhì)等區(qū)域。因?yàn)槟阋呀?jīng)在本

    書(shū)的多個(gè)地方讀到過(guò)后者，所以你可能會(huì)問(wèn)，這些區(qū)域是否只能被疼痛

    感激活，答案是否定的。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，研究人員開(kāi)始考慮

    是否能根據(jù)大腦活動(dòng)來(lái)解碼疼痛體驗(yàn)。托爾·瓦格是科羅拉多大學(xué)博爾

    德分校的一名研究人員，他領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究，開(kāi)發(fā)了一種他稱(chēng)之為“疼

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：痛神經(jīng)信號(hào)”的技術(shù)。在發(fā)表于2013年的具有里程碑意義的論文中，他

    的團(tuán)隊(duì)證明，他們可以用fMRI和一種能以最佳方式將不同大腦區(qū)域數(shù)

    據(jù)組合在一起的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)疼痛級(jí)別。根據(jù)一個(gè)人的大腦

    圖像，他們能預(yù)測(cè)這個(gè)人在9分疼痛量表上的得分，誤差大約只有1分，即他們判斷一個(gè)人是否感到疼痛的準(zhǔn)確率超過(guò)90%。

    疼痛有哪些不同的類(lèi)型呢？所有因?yàn)槭�戀而心碎的人都知道，這種

    痛楚不同于生理上的急性疼痛，但它還是讓人難受。為了檢驗(yàn)他們的模

    型能不能區(qū)別生理疼痛和心痛，瓦格和他的同事招募了一組剛剛分手的

    受試者。在掃描期間，受試者觀看了前任戀人和其他朋友的照片，同時(shí)

    也單獨(dú)接受了一次生理疼痛掃描。雖然前任戀人的照片和生理疼痛引發(fā)

    了很多相同大腦區(qū)域的活動(dòng)，但算法還是能準(zhǔn)確區(qū)分這兩種疼痛。

    急性疼痛是幫助預(yù)防和減少傷害的有效信號(hào)，但當(dāng)它變成慢性疼痛

    時(shí)會(huì)造成痛苦、殘疾，甚至自殺。2012年，認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)界就因?yàn)槁��?br/>
    疼痛失去了最閃耀的明星之一。倫敦大學(xué)學(xué)院的教授喬恩·德賴(lài)弗一年

    前在摩托車(chē)事故中受傷，因而遭受慢性疼痛的折磨，后來(lái)選擇了自殺。

    慢性疼痛也是很多民事訴訟的焦點(diǎn)，起訴人要求得到與所受疼痛相關(guān)的

    賠償。這些訴訟總是面臨一個(gè)挑戰(zhàn)，那就是，你不可能知道這個(gè)人是否

    真的備受其聲稱(chēng)的疼痛的折磨，還是為了得到金錢(qián)賠償而謊稱(chēng)處于疼痛

    之中。這些新的fMRI疼痛信號(hào)能更好地證實(shí)他們所聲稱(chēng)的慢性疼痛

    嗎？有可能，但我們還沒(méi)走到那一步。最重要的是，有關(guān)慢性疼痛的大

    腦工作原理似乎不同于急性疼痛。瓦尼亞·阿普卡里安及其同事的研究

    表明，慢性疼痛激活的大腦區(qū)域完全不同于急性疼痛。比起急性疼痛，慢性疼痛激活的區(qū)域更多地涉及情緒處理。這意味著瓦格團(tuán)隊(duì)研發(fā)的神

    經(jīng)疼痛信號(hào)可能無(wú)法檢測(cè)多種形式的慢性疼痛，我們需要其他工具。

    就像fMRI測(cè)謊一樣，缺乏堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)并沒(méi)有阻止人們把這些

    技術(shù)商業(yè)化并運(yùn)用到法庭上。但和fMRI測(cè)謊不同的是，疼痛檢測(cè)已經(jīng)

    被允許用作法庭證據(jù)：在科赫訴西方乳膠公司案中，卡爾·科赫就工傷

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：事故引起的慢性疼痛起訴了他的雇主，并提交了fMRI證據(jù)以證明其飽

    受疼痛折磨的事實(shí)�，F(xiàn)在美國(guó)市場(chǎng)上有很多為民事訴訟提供fMRI疼痛

    檢測(cè)服務(wù)的公司。大多數(shù)公司所使用的方法都是秘密，但有一家公司

    ——慢性疼痛診斷公司——在一份同行評(píng)議期刊上公開(kāi)了它的研究成

    果，這一點(diǎn)值得稱(chēng)贊。我們通常認(rèn)為在同行評(píng)議期刊上發(fā)表文章就代表

    行業(yè)認(rèn)可了該項(xiàng)研究的質(zhì)量，但情況并不總是如此，因?yàn)檫@取決于評(píng)議

    人是否具備發(fā)現(xiàn)缺陷的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，尤其是像機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)這種令人棘手

    的新方法。就慢性疼痛診斷公司的研究來(lái)看，缺陷很明顯：樣本量太

    小，不具有任何參考意義——每個(gè)小組只有13名受試者。該研究聲稱(chēng)他

    們檢測(cè)出慢性疼痛的準(zhǔn)確率高達(dá)92%，但法國(guó)機(jī)器學(xué)習(xí)專(zhuān)家格爾·瓦羅科

    的研究早已表明，小樣本量可能會(huì)導(dǎo)致人們高估這種檢測(cè)的準(zhǔn)確率。此

    外，受試者可能故意欺騙掃描儀的問(wèn)題依然存在(我們?cè)诘诹�章討�?br/>
    fMRI測(cè)謊的時(shí)候會(huì)再提到這一點(diǎn))——盡管托爾·瓦格團(tuán)隊(duì)的研究已經(jīng)

    表明神經(jīng)疼痛信號(hào)不受想象中的疼痛影響。我當(dāng)然希望，有一天fMRI

    會(huì)幫助忍受疼痛的人們伸張正義，防止法律制度的濫用，但我認(rèn)為在此

    之前還有大量艱苦的工作要做。

    顯然，fMRI解碼的影響力已經(jīng)很大了，并且會(huì)隨著機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)

    的進(jìn)步變得越來(lái)越大。在這一章，我們已經(jīng)看到了fMRI解碼在現(xiàn)實(shí)問(wèn)

    題中的很多應(yīng)用。在第六章、第七章和第八章中，我們會(huì)繼續(xù)探討

    fMRI解碼是如何開(kāi)始影響商業(yè)、醫(yī)學(xué)和法律的。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：第五章 大腦如何隨時(shí)間而改變

    2012年9月24日，我躺進(jìn)了得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的一臺(tái)MRI掃

    描儀中，彼時(shí)我還是該校的成像研究中心主任。對(duì)像我這樣的MRI研究

    人員來(lái)說(shuō)，躺進(jìn)掃描儀是常有的事：在測(cè)試一種新技術(shù)時(shí)，我們通常就

    需要躺進(jìn)掃描儀中，看看它是否有效。但這次不同，因?yàn)樗�是未�?lái)一年

    多時(shí)間里將要進(jìn)行的很多次掃描中的第一次。在接下來(lái)的18個(gè)月里，我

    會(huì)在得克薩斯大學(xué)、圣路易斯華盛頓大學(xué)和斯坦福大學(xué)接受104次MRI

    掃描。為什么我會(huì)這么做？對(duì)我來(lái)說(shuō)，這是揭示基本的科學(xué)謎團(tuán)“大腦

    如何隨時(shí)間而改變”的一種手段。

    考慮大腦的變化情況時(shí)，首先我們要明確時(shí)間尺度：我們談?wù)摰氖?br/>
    幾年、幾周，還是幾秒之內(nèi)的變化？其次，我們要追問(wèn)造成變化的原

    因。大腦的早期發(fā)育主要依賴(lài)我們的基因組，但大腦的大部分變化則依

    賴(lài)基因和環(huán)境的密切互動(dòng)。事實(shí)上，你的每一次經(jīng)歷都會(huì)通過(guò)一套被稱(chēng)

    為“神經(jīng)可塑性”的大腦機(jī)制，在你的大腦的結(jié)構(gòu)和功能方面留下印記

    (無(wú)論它們多么微小)。大腦的可塑性機(jī)制很復(fù)雜，目前研究人員仍在

    對(duì)其進(jìn)行深入研究，但有幾個(gè)事實(shí)已經(jīng)得到了證實(shí)。當(dāng)兩個(gè)神經(jīng)元同時(shí)

    放電時(shí)，它們之間的連接(即突觸)會(huì)變得更強(qiáng)。這樣一來(lái)，來(lái)自一個(gè)

    神經(jīng)元的同等信號(hào)輸入，就會(huì)在另一個(gè)神經(jīng)元中引起更強(qiáng)烈的反應(yīng)。這

    個(gè)理論最早由神經(jīng)科學(xué)家唐納德·赫布于1949年提出，因此一般被稱(chēng)

    為“赫布可塑性”——但更常見(jiàn)的表述是“一起放電的神經(jīng)元連在一起”。

    如今，神經(jīng)科學(xué)家對(duì)與這種神經(jīng)可塑性相關(guān)的生物學(xué)基礎(chǔ)有了更多了

    解，包括必不可少的分子和基因。我們還知道這種神經(jīng)可塑性對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)

    程來(lái)說(shuō)不可或缺：如果我們給一只動(dòng)物注入限制神經(jīng)可塑性的藥物，這

    只動(dòng)物的學(xué)習(xí)能力就會(huì)降低。這些神經(jīng)可塑性的變化幾乎構(gòu)成了我們所

    有學(xué)習(xí)和記憶過(guò)程的基礎(chǔ)，但可塑性具體在大腦的哪個(gè)部位產(chǎn)生，則與

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：學(xué)習(xí)內(nèi)容相關(guān)。例如，我們記住并回憶事件的能力(心理學(xué)家所說(shuō)

    的“情景記憶”)離不開(kāi)海馬體的可塑性，學(xué)習(xí)一種新的運(yùn)動(dòng)技能則離不

    開(kāi)基底核的可塑性。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：終其一生的大腦發(fā)育

    在我們的一生中，大腦一直在改變，從胎兒發(fā)育時(shí)期的出現(xiàn)到老年

    時(shí)期的功能衰退。有趣的是，我們一生中幾乎所有的神經(jīng)元都是生來(lái)就

    有的。雖然大腦的某些部分能夠在我們的一生中不斷生成新的神經(jīng)元，這對(duì)學(xué)習(xí)來(lái)說(shuō)非常重要，但人類(lèi)新生兒幾乎擁有全部1000億個(gè)神經(jīng)元，這些神經(jīng)元會(huì)伴其一生。這些神經(jīng)元之間的連接是學(xué)習(xí)的關(guān)鍵，它們?cè)?br/>
    新生兒出生的第一年里發(fā)育非�？�，隨后大腦通過(guò)“修剪過(guò)程”，開(kāi)始對(duì)

    它們進(jìn)行篩選，這一“修剪過(guò)程”會(huì)持續(xù)一生。不過(guò)，神經(jīng)成像告訴我

    們，大腦各部分的發(fā)育并不是同時(shí)進(jìn)行的。杰伊·吉德、伊麗莎白·索厄

    爾等人的研究表明，前額葉皮質(zhì)是大腦在結(jié)構(gòu)上發(fā)育最晚的一部分，直

    到成年早期才能發(fā)育成熟，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于大腦的其他部分。

    大腦發(fā)育的另一個(gè)方面和它的連接有關(guān)。我在討論使用DWI給大腦

    白質(zhì)造像的過(guò)程時(shí)提到過(guò)髓磷脂。這種包裹著神經(jīng)元的脂肪物質(zhì)能幫助

    它們更快更準(zhǔn)確地傳遞信息。DWI研究表明，白質(zhì)發(fā)育得很慢，直到一

    個(gè)人30歲時(shí)才能完全成熟。和皮質(zhì)一樣，大腦中白質(zhì)的發(fā)育也不是同時(shí)

    進(jìn)行的。連接額葉和其他大腦組織的長(zhǎng)纖維束發(fā)育得最慢，其余的纖維

    束則在一個(gè)人10歲時(shí)發(fā)育成熟。在青春期，前額葉皮質(zhì)與連接它和其他

    大腦組織的纖維束的不完全發(fā)育，可能是青少年有時(shí)似乎很容易失控的

    一部分原因，我會(huì)在第六章討論這一點(diǎn)。

    生命的另一頭是令人沮喪的衰老現(xiàn)實(shí)：一旦過(guò)了30歲，我們的大腦

    功能就開(kāi)始衰退。一些神經(jīng)元隨著我們的衰老而死亡，而更大的改變

    是，存儲(chǔ)記憶和知識(shí)的神經(jīng)元連接開(kāi)始變?nèi)酢Ａ硗�，包裹著纖維束的髓

    磷脂也開(kāi)始減少。即使是健康的衰老，這些變化也不可避免，而患有諸

    如阿爾茨海默病等老年癡呆癥的患者則面臨危害更大的變化。在這些疾

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：病中，大腦神經(jīng)元里的蛋白質(zhì)不斷受損，神經(jīng)元開(kāi)始衰弱并最終死亡。

    一些最早的變化發(fā)生在顳葉的內(nèi)嗅皮質(zhì)里，內(nèi)嗅皮質(zhì)負(fù)責(zé)向海馬體發(fā)送

    信號(hào)。因此，記憶問(wèn)題通常是患癡呆癥的第一個(gè)征兆，但要記住一點(diǎn)，即便是在未患癡呆癥的人群中，記憶力衰退也是正�，F(xiàn)象。然而，大腦

    皮質(zhì)中連接海馬體的整個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)也在發(fā)生改變。哈佛大學(xué)的蘭迪·巴

    克納等人結(jié)合結(jié)構(gòu)性MRI、fMRI和PET的研究表明，大腦中有一組特定

    的區(qū)域?qū)υ诎�爾茨海默病早期開(kāi)始衰退的記憶起著重要作用。尤其是，他們采用了一種新型的PET技術(shù)，能測(cè)得大腦中受損蛋白質(zhì)即淀粉樣蛋

    白的數(shù)量，也能證明與記憶相關(guān)的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出最大程度的萎縮、具

    有最高水平的淀粉樣蛋白。巴克納的研究是神經(jīng)成像為大腦疾病提供新

    見(jiàn)解的一個(gè)范例。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：經(jīng)驗(yàn)如何改變大腦

    大腦通常能對(duì)中風(fēng)、腦損傷等造成的損害進(jìn)行自我修復(fù)。人們?cè)��?jīng)

    認(rèn)為，大腦在青春期后就會(huì)失去大部分可塑性，但現(xiàn)在我們知道，大腦

    對(duì)腦損傷進(jìn)行修復(fù)的能力一直會(huì)延續(xù)到成年時(shí)期。還記得我在第一章提

    及的莉薩嗎？為了治療嚴(yán)重的癲癇癥，她在16歲時(shí)接受了一場(chǎng)切除左半

    腦的極端手術(shù)。她是慣用右手的孩子，這意味著，幾乎可以肯定，負(fù)責(zé)

    處理語(yǔ)言的是她的左半腦，這也符合她在手術(shù)后大約一年不會(huì)說(shuō)話(huà)的事

    實(shí)。然而，她的大腦仍保留了大部分可塑性，我們后來(lái)對(duì)她進(jìn)行的數(shù)年

    的研究證明了這一點(diǎn)。盡管她的語(yǔ)言功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上正常，但她能大聲

    閱讀簡(jiǎn)單的句子和進(jìn)行基本的對(duì)話(huà)。為了找到支撐這種新獲得的語(yǔ)言功

    能的大腦區(qū)域，在她聽(tīng)單詞或判斷書(shū)面單詞的意思時(shí)，我們對(duì)她進(jìn)行了

    fMRI掃描。在上述兩種情況下，我們能發(fā)現(xiàn)，她右半腦的活動(dòng)區(qū)域與

    我們所預(yù)期的健康人的左半腦活動(dòng)區(qū)域相匹配。不知何故，在那幾年

    里，她的大腦進(jìn)行了重新布線(xiàn)，她完整的右半腦接管了本該由被切除的

    左半腦負(fù)責(zé)的功能。

    還有證據(jù)表明，即使沒(méi)有遭受腦損傷或患上大腦疾病，人一生的經(jīng)

    驗(yàn)也會(huì)改變其大腦。音樂(lè)家是發(fā)生這類(lèi)變化的最佳研究對(duì)象之一，他們

    通常會(huì)花很多時(shí)間來(lái)學(xué)習(xí)并很好地將知識(shí)、聽(tīng)覺(jué)和運(yùn)動(dòng)技能融合在一

    起。哈佛醫(yī)學(xué)院的戈特弗里德·施勞格用了20多年時(shí)間來(lái)研究音樂(lè)經(jīng)驗(yàn)

    如何改變大腦，他和其他人的研究結(jié)果都十分清晰：音樂(lè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)芨淖兇?br/>
    腦的結(jié)構(gòu)和功能，且這種改變與經(jīng)驗(yàn)的多少直接相關(guān)。其中一個(gè)最明確

    的發(fā)現(xiàn)就是，音樂(lè)家的胼胝體(連接左右半腦的纖維束)要比一般人

    粗，這些變化在從小就開(kāi)始學(xué)習(xí)音樂(lè)的音樂(lè)家身上尤其明顯。這可能反

    映了在音樂(lè)表演過(guò)程中，左右半腦之間需要更多的溝通，特別是那些必

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：須協(xié)調(diào)雙手動(dòng)作的鍵盤(pán)樂(lè)器演奏者。另一些研究則關(guān)注了運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)的大

    小，普通人通常是優(yōu)勢(shì)半腦中的運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)更大(由于大腦和身體之間的

    所有連接都是交叉的，因此對(duì)于慣用右手的人來(lái)說(shuō)，其左半腦是優(yōu)勢(shì)半

    腦)。然而，鋼琴家左右半腦的運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)差不多大，這主要是因?yàn)樗麄?br/>
    的非優(yōu)勢(shì)半腦的運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)更大�？磥�(lái)，相較于不經(jīng)常以非慣用手使用精

    細(xì)運(yùn)動(dòng)技能的普通人，鋼琴家需要同時(shí)用到兩只手的事實(shí)，促進(jìn)了其控

    制非慣用手的大腦皮質(zhì)的發(fā)育。

    到目前為止，我討論的都是發(fā)生在幾年或幾十年內(nèi)的變化，但隨著

    經(jīng)驗(yàn)的積累，大腦活動(dòng)會(huì)發(fā)生更快的變化。神經(jīng)成像研究中最可靠的發(fā)

    現(xiàn)之一是：假如一個(gè)人重復(fù)做相同的事，其大腦激活水平就會(huì)降低。常

    見(jiàn)的例子是一種被稱(chēng)為“重復(fù)抑制”的現(xiàn)象：重復(fù)進(jìn)行某種特定的刺激

    (如同一個(gè)詞或同一張圖片)會(huì)導(dǎo)致處理該刺激的大腦區(qū)域的激活水平

    降低。例如，我給你一個(gè)名詞(如“鐵錘”)，要求你生成一個(gè)相應(yīng)的動(dòng)

    詞(你可能會(huì)說(shuō)“砸”)。當(dāng)你第一次這樣做時(shí)，你大腦中的一組網(wǎng)絡(luò)

    (涉及閱讀和語(yǔ)言處理)以及執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)(當(dāng)你做一項(xiàng)新的認(rèn)知任務(wù)

    時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)就會(huì)被廣泛地激活)就會(huì)被激活。但當(dāng)我再次給你一個(gè)相同

    的單詞并要求你做相同的事時(shí)，這些網(wǎng)絡(luò)的活躍度就會(huì)大大降低(見(jiàn)彩

    圖7)。這可能反映了兩件不同的事情。第一，再次做相同的任務(wù)時(shí)，你會(huì)做得更快，這表示在這種情況下，這些大腦系統(tǒng)能在更短的時(shí)間內(nèi)

    被激活，從而降低了平均激活水平。塔爾·雅克尼的研究表明，大腦中

    很多網(wǎng)絡(luò)的激活水平與反應(yīng)時(shí)間有關(guān)，但與這個(gè)人正在做的具體任務(wù)無(wú)

    關(guān)，這意味著，大腦中的網(wǎng)絡(luò)激活水平可能反映了任務(wù)的難易程度。第

    二，再次做相同的任務(wù)時(shí)，我們經(jīng)常會(huì)采用不同的方法。在第一次被要

    求生成一個(gè)和“鐵錘”相關(guān)的動(dòng)詞時(shí)，你必須搜索詞匯知識(shí)來(lái)查找正確的

    單詞。但是，如果我不久之后讓你再做同一件事，你可能會(huì)再次搜索詞

    匯知識(shí)，也可能只是記起了上次你說(shuō)的“砸”這個(gè)單詞。因?yàn)橛涀〈鸢竿?br/>
    常比在知識(shí)體系中搜索答案更快更容易，所以它引起的大腦激活水平也

    更低。

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：大腦的波動(dòng)

    上述研究讓我們了解到很多有關(guān)大腦變化的知識(shí)，這些變化有的發(fā)

    生得很慢(需要數(shù)年或數(shù)十年)，有的發(fā)生得很快(只需要幾分鐘)。

    我的實(shí)驗(yàn)室多年來(lái)一直在研究這兩個(gè)課題，但在某個(gè)時(shí)刻我開(kāi)始意識(shí)

    到，我們對(duì)于大腦隨時(shí)間而變化的理解存在一個(gè)嚴(yán)重的缺陷，那就是，它是如何在幾天、幾周和幾個(gè)月內(nèi)發(fā)生變化的？這很重要，因?yàn)榫�神�?br/>
    患者的心理功能可能會(huì)在這個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)出現(xiàn)巨大波動(dòng)，而這種波動(dòng)一

    定是他們的大腦在這段時(shí)間內(nèi)發(fā)生改變的反映。對(duì)精神分裂癥患者和雙

    相情感障礙患者的詳細(xì)研究表明，他們的癥狀和他們?nèi)粘Ｉ�活功能的�?br/>
    體水平可能會(huì)在幾周內(nèi)出現(xiàn)劇烈波動(dòng)：在第一周內(nèi)，一個(gè)人可能完全正

    常，但在兩周后，這個(gè)人就可能完全失能。因?yàn)槲覀儫o(wú)法在弄懂健康的

    大腦如何隨時(shí)間波動(dòng)之前弄懂有病變的大腦如何變化，所以我們的科學(xué)

    知識(shí)中似乎出現(xiàn)了一個(gè)重大的空白——那時(shí)候，還沒(méi)有對(duì)這類(lèi)波動(dòng)進(jìn)行

    探討的研究。

    造成這一科學(xué)盲點(diǎn)的原因不難理解。首先，認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)家大多把

    大腦看成一個(gè)相對(duì)靜止的實(shí)體。我們知道經(jīng)驗(yàn)會(huì)改變大腦，但我們通常

    認(rèn)為在對(duì)一個(gè)人進(jìn)行掃描時(shí)，是在對(duì)他的大腦活動(dòng)拍一張有代表性的快

    照。而且，研究人員通常認(rèn)為幾周或幾個(gè)月內(nèi)的波動(dòng)沒(méi)那么有趣。其

    次，做這種縱向研究實(shí)際上很難。讓一個(gè)人接受一次MRI掃描很容易，但要讓他在幾個(gè)月內(nèi)接受多次掃描非常難——只要想象一下我要求你在

    一年內(nèi)每周來(lái)進(jìn)行一次MRI掃描就知道了。理論上，我們可以支付足夠

    的報(bào)酬以確保他們每次都能過(guò)來(lái)，但一般來(lái)說(shuō)，審批我們的研究的倫理

    委員會(huì)不會(huì)允許我們向人們支付他們認(rèn)為具有強(qiáng)制性的金額：我們的受

    試者應(yīng)該能在想要離開(kāi)時(shí)自由地遠(yuǎn)離研究，但如果依靠實(shí)驗(yàn)報(bào)酬支付房

    更多免費(fèi)書(shū)籍分享網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)：租或購(gòu)買(mǎi)食物的話(huà)，他們實(shí)際上就沒(méi)有選擇了。

    即使我能找到志愿者，也面臨著如何獲得研究資金的挑戰(zhàn)。在理想

    情況下，我能申請(qǐng)資助，以長(zhǎng)期研究一群志愿者的大腦功能�？紤]到過(guò)

    去的成就，我應(yīng)該有很好的機(jī)會(huì)獲得研究資金。但大多數(shù)資助項(xiàng)目(如

    資助美國(guó)大多數(shù)神經(jīng)科學(xué)研究的美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院和國(guó)家科學(xué)基金的

    項(xiàng)目)都不支持成果不明的探索性研究。相反，這類(lèi)研究通常會(huì)被貼上

    諸如“釣魚(yú)科研”的貶義標(biāo)簽。事實(shí)上，即使我后來(lái)向美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究

    院支持探索性研究的一個(gè)項(xiàng)目申請(qǐng)了資助，結(jié)果還是被拒絕了，因?yàn)樵u(píng)

    審人員認(rèn)為這類(lèi)研究太具探索性了。如此我就陷入了進(jìn)退兩難的境地： ......