互动科普

神经科学趋势：思想机器

Tim Beardsley*

    对猴以及最近对人类大脑的研究正在揭示精神的最关键功能之一的工作记忆的神经基础。

    在马里兰州贝塞斯达市国家卫生研究所院内昏暗的地下实验室内，志愿人员躺下来两小时，把他们的头放在一个巨大的磁共振成象（MRI）机器内，同时凝视着反射到镜中的一个屏幕，即可获得100美元，该屏幕定时显示黑白图象，有些是脸，另一些图象混杂着光与阴影的组合。当一个而孔出现在屏幕上时，受试者通过按键发出信号去明这个面孔是新的或是先 前几秒钟出现过的作为“目标”而被记忆的同一面孔。

当试验进行时，MRI机器用射频波轰击志愿人员，这种波可在血流中激发氢原子，引起氢原子发射它们自己的信号。以后这种机器把所得的电磁声音异常转变成受试者整个大脑耗氧水平的图。由于神经活动增强导致耗氧量增加，所以研究人员能够分析这些脑图以了解当一个人识别一个面孔时，哪部分大脑工作最努力。

由于这种试验，研究人员正在开始推测成“工作记忆”的神经过程之基础。工作记忆是当我们领会一个句子，遵循先前决定的计划或回忆一个电话号码时所获得的当前有关信息的有限的、短期贮存。例如，当我们想起俄罗斯总统的名字时，那个信息被暂时性从长期记忆拷入工作记忆。

心理学研究已证实，工作记忆是人的推理和根据所记忆的与上下文有关的信息作出判断的能力的基础。弄清工作记忆有使人非相信不可的人道主义的理由。据信最有破坏性的精神疾病之一—精神分裂症，部分是由缺乏这种工作记忆系统而引起的。工作记忆的最杰出的研究人员之一、耶鲁大学的Patricia Goldman一Rakic说，工作记忆的分子基础研究“对药物治疗精神疾病有意义”。

    一项深入的研究已开始产生关于从事这项重要智能时所涉及的脑区域的详细信息，而且正在阐明允许这项重要智能运行的神经活动的模式。工作记忆中特定脑化学物质的重要作用也正在变得更加清楚。然而对于所有这些进展，研究人员对工作记忆怎样被控制和组织仍然有待取得一致意见。

从电极到快速磁共振成象

    对工作记忆的标准试验涉及所谓的延迟选择。一个动物或一个人在接受等待期之前，会发出信号表明先前看到了在哪里有一些特定的信号。因此，在不同的位置放两个罐子供猴子选择，而且在它指出哪一个是先前看到放有食物的罐子时就奖励它。

    这个任务不能提供测试时正确反应的线索，因此这个猴子必须依赖于它对正确位置的记忆。一项相关的实验则对记住以前作为目标而看到过的几幅图象的动物进行奖励。国家卫生研究所对志愿人员（他们正在回忆面孔）进行这种试验的一个变种。

    技术的进步已大大增强了研究人员探索这种本领的神经基础之能力。约在40年前，研究人员把电极插入猴大脑内的单个神经元中而开始研究工作记忆的大脑活动。但是这种方法有它的局限性。虽然猴的大脑之解剖结构明显地与人类大脑相似，但猴的行为大为简单。与人的思想作详尽的比较是有问题的。由于猴不懂语言，所以必须耐心训练猴达数周之久才能使它掌握人只需花一分钟就能学会的任务。

    对于用于人来说，电极记录技术在伦理上也是不能接受的。研究人员试图通过研究由损伤、疾病或治疗外科手术所引起损害的效应来确定我们人类大脑的哪一部分在做什么。然而患者有不同的医疗史—以及他们的脑在精确形状方面各有不同—因此解释这些临床数据充其量是靠不住的。

    在九十年代初，正电子发射照相术（即PET扫描）由于显示出了当人执行不同的任务（如听、说单词）时哪些部分大脑最忙碌，因而带来了巨大的进步。然而PET要求受试的人暴露于放射性示踪物，并保持放射剂量在可接受水平以内，所以研究人员必须使用能分辨仅离约一厘米远的大脑区域之技术。此外，在延迟选择任务期间，PET扫描太缓慢，不能区别记住一个目标的神经活动模式与在几秒钟之后目标被识别时发生的模式。

    称作功能性MRI、在国家卫生研究所和其它地方使用的这种新技术能够分辨约2毫米的活性神经元的位置，而且速度之快达到足可在大脑识别屏幕上的一个信号之前和之后研究其活动。在过去两年里获得迅速改进的技术已成为功能性脑成象的常规工艺。

猴的谜

    但是，插入猴体内的电极的试验仍然提供关键性的信息，因为它们详细地而且以每毫秒每毫秒的时刻表揭示了当这些灵长目动物对信号和奖赏作出反应时会发生什么情况。当动物进行这种工作记忆技艺时，几个脑区能起作用。可是正如加利福尼亚大学洛杉矶分校的Joachin M,Foster早在七十年代所指出的那样，总是会涉及到的一个区域是额叶前部皮质。

    额叶前部皮质是刚好位于额后的一层组织。由于神经连接到处理感知信息的几乎所有大脑区域，所以额叶前部皮质的位置很适合于保持灵活地贮存与现在任何任务有关的信息。与猴相比。在人类身上进化得最多的也正是这部分大脑。缺少某些部分的额叶前部皮质的猴能保持它们的长期记忆，但在延迟选择试验中却表现得很糟糕。有同样缺陷的人会遭受注意力广度减退和计划能力减弱的痛苦。

    Fuster以及日本京都灵长目动物中心的Kisou Kubota和Hiroaki Niki分别对猴额叶前部皮质（包括那些只有在猴的工作记忆中保持有信息时才明显是活性的额叶前部皮质）的许多神经元作过电记录。后来Goldnna一Rakic及她的同事已用更复杂的试验研究过猴的工作记忆。他们确定了，在延迟选择任务期间额叶前部的神经活动实际上完全相当于工作记忆的功能发挥。

    Goldman一Rakic及她的助手Graham  Williams把分析一直做到了亚细胞水平，证明了神经递质多巴胺的受体关键性地影响着额叶前部皮质中细胞的反应以及它们在工作记忆中的作用。Goldman一Rakic注意到，在跨越行为和亚细胞功能之间鸿沟的研究方面“我知道没有其它的例子”。她和她的同事近来已证明，对猴投与6个月抗精神分裂的药物会导致那个区域两种不同类型多巴胺受体在数量上的特异变化，这是精神分裂症一或它的治疗—改变那里的正常功能的又一个证据。

    其它科学家的研究支持额叶前部皮质能够维持工作记忆的观点。国家精神健康研究所的Robert Desimone以及Earl K. Miller, Cynthia Erickson等人发现，猴的额叶前部皮质神经元在延迟选择任务期间随着猴先前所看到的目标的不同以不同的速度激发，当出现使动物分心的刺激时，大脑其它部分的神经元一般“忘记”目标—它们的激发速度改变。相反Desimone及其同事所检查的额叶前部神经元即使在此动物看到不相干的使之分心的无关刺激之后在延迟选择任务期间也保持它们的活动速度。

    此后，某些额叶前部神经元的活性似乎直接包含此动物正在寻找的目标之外观的暂时工作记忆。其它研究人员已.发现似乎能在工作记忆中保持定位的额叶前部神经元：波伦亚大学的Giuseppe Di Pellegrino和国家精神健康研究所的 Steven Wise已发现，当一个动物必须记住它在哪里看到一个信号时，额叶前部神经元是最忙碌的。刺激不能激发同样的激动，除非它们是在当前工作目标所在的位置。

    因此，额叶前部皮质中的神经元明显能够控制动物在延迟选择任务时如何反应。该领域的开拓者之一Foster说，额叶前部皮质通过激发当时在活性状态中保持重要信息的网络而“起行为暂时组织功能中心的作用。”此外额叶前部皮质中的神经元可能也以更微妙的方式施加它们的影响。

    除直接控制延迟选择试验的反应之外，Desimone还相信，额叶前部皮质能够把视觉以及可能还有其它感觉系统调整到当前的任务上来。他提出：“负荷到工作记忆上的东西反回到感觉的处理上”。用动物和人所作的数百次实验都已证明，与不相干的刺激相比，生物远远更可能觉察出与它们当前需要相关的信号并作出反应。这种效应解释了为什么我们在饥饿时比我们刚吃过饭后更有可能注意到从邻居烘烤肉食飘来的香味。如果Desimone是正确的，额叶前部皮质能够导致动物集中注意力，并因此可能控制意识。

    用正电子发射照相术和功能性MRI进行成像研究证实了通过脑损伤所获得的证据，即人的额叶前部皮质与猴的额叶前部皮质一样。都是工作记忆的中心。现在几个研究小组已对人们时刻记住事物时额叶前部皮质的活动成象。不同的任务可能也需要紧挨头后部的其它不同脑区，然而一般对于灵长目动物来说。当目标信息被保存“在心里”时，额叶前部皮质似乎总是很忙碌的。

详情中的困难

    研究人员在已证明额叶前部皮质对工作记忆起决定性作用之后，自然想弄清它的内部结构。Goldman- Rakic及她在耶鲁的同事已发现当一个动物获得关于空间位置的信息时额叶前部活动裤局限于特定亚区域的证据。当一只动物正在记忆一个物体的外观时，在该亚区域之下的一个单独的区域是最活跃的。这些研究成果以及对神经通道的解剖学观察导致Goldman一Rakic提出。额叶前部皮质被组织到暂时贮存不同感觉范围信息的区域：一个区域用于关于空间信号的范围，一个区域用于与一个物体的外观相关的信号，也许还有些区域用于不同类型的其它信号。

此外，存在着人的额叶前部皮质可能是沿相似的特定范围线而组织的一些象征。去年国家精神健康研究所的Susan M. Courtney,Leslie G. Ungerleider及其同事报告的正电子发射照相术研究发现，对于人正如先前Goldman一Rakic对猴的研究一样，某些大脑区域在运动期间是特别活跃的。而运动对视觉详情和定位的工作记忆是一种挑战。此外，人和猴的最活跃的大脑区域都位于相似的相应位置。   

Goldman一Rakic的关于额叶前部皮质组织的建议与工作记忆不同成分的标准观点相争议：英国的心理学家Alan Baddely于1974年提出，工作记忆有等级制的结构，其中额叶前部皮质中的”执行系统”把处理资源分配到不同的‘奴隶”缓冲器中以获得口头的和空间的信息。记忆缓冲器被想象为是处于额叶前部皮质后面深处。然而Goldman一Rakic不相信脑的执行程序被限定在任何特殊的部位。此外，按照传统的模式，被范围组织的记忆将位于额叶前部皮质之后的某些地方，而不是额叶前部皮质之内。

    功能性MRI的高速成象能力现在能够帮助解决这一问题。Courtney和Ungerleiaer及其同事X997年4月发表在《自然》杂志（Nature）的一项研究指出了在工作记忆掌握了一个面孔的图象时最活跃的脑部分。那个区域一一额叶前部皮质的中部—在许多研究已被指作工作记忆的关键。

    然而Ungerleider注意到Conrtney和其同事所用的面孔识别任务并不涉及任何明显的执行功能。因此他们的研究结果与额叶前部皮质内仅存在执行功能的观点相矛盾，然而它们适合于Goldman一Rakic的方案。相似地，卡内基—梅隆大学的Jonathan D. Cohen及其合作研究者发现，额叶前部皮质的一个区域与Courtney鉴定的一个区域有部分重叠，后一区域在受试者记忆以某一顺序看到的字母时是活跃的。Cohen试验中受试者必须记忆的东西越多，他们的额叶前部区域就越活跃。因此Cohen的结果也表明，工作记忆实际上部分贮存在额叶前部皮质内a Wise说，特定范围组织是额叶前部皮质的“占优势的观点”。

    但是Wise本人并不同意那一占优势的观点。例如，他提到了麻省理工学院Miller及其同事今年五月在《科学》（Science）上报告的一项研究。这些研究人员在猴解决需要它们记住关于物体的外观和空间位置的信息的延迟选择任务时，对猴的额叶前部皮质中的神经元作了记录。Miller记录的一半以上的神经元对两个特征都是敏感的，如果特定范围组织盛行，那么不能预期会出现这样的结果，Miller说：“它与Goldman一Rakic的关于识别和位置是在额叶前部皮质的不同部分加工这一观点有争议。”

    Goldman- Rakic回答，她和她的同事最近发现了部分额叶前部皮质中的数百个细胞选择性反应，甚至未对动物进行识别物体和面孔的训练时也是如此。她断言，这再次证明在那个区域的信息部分是由感觉范围所组织。她说：“我的确觉得这个证据是占压倒优势的，额叶前部皮质中神经元的功能大部分是由神经元的感觉输入所支配”。此外，Goldman一Rakic相信技术问题引起对Miller试验的怀疑。她坚持认为他所使用的目标是太接近视野的中心，那样可能会产生假的激发。

维持自我控制

    在这一领域的另一个重要人物、麦吉尔大学的IVIiehael Petrides已对标准观点提出了一个不同的挑战。Petrides的研究指出了两个有区别的加工水平，而且都在额叶前部皮质内。按照他的看法，这两种水平主要不是由它们是否保持关于地点或物体的信息来区别（如Goldman一Rakic的看法那样），而是由它们执行的加工抽象程度来区别。等级制度中较低的水平一一大脑中具体位置较低以及理性概念上较低—从其它地方的长期记忆贮存中重新获得数据。相反，较高的背外侧的水平监视着大脑的加工，并使它追踪着多重事件的行踪。当要求受试者比如说把从1至10的每个数字随机排列的表清楚地发出声音来而又不要重复时就要请求这种较高的监视水平；受试者必须记住已选过的每一个数字。

    Petrides发现在额叶前部皮质的背外侧部分有损伤的人和猴监视自己精神加工的能力都会丧失，他们在执行他所制订的要求受试者记住他们早先在试验时的反应的特别试验中表现很差。他也引用了对健康人所作的正电子发射照相术研究该研究发现当受试者正在执行他所采用的任务时同一区域的活动增强。这一研究结果与这一任务是否涉及到空间信息是相同的。Pebides说：“材料似乎不关紧要—过程才是最关键的。”

其他研究人员已发现了支持额叶前部皮质的较高部分是自我监视的关键这一见解的证据。在宾夕法尼亚大学的Mark D' Esposito及其同事所作的试验中，志愿人员执行分别都不需要工作记忆的两个任务之一或同时执行两个任务。一个任务要求受试者说出高声朗读的一串词中哪一些是蔬菜的名字，而另一个任务要求他们在不同方向看到的几何图形的特征配对。功能性MRI证明，只有当受试者试图同时执行这两项任务时，背外侧额叶前部皮质才变为活跃的。此外在今年四月在认识神经科学学会的一次会议上，D'Esposito介绍了25个不同的神经成象研究的变位分析（meta-analysis）。该分析支持了Petrides的总的看法，即包括更多计算的任务会涉及到额叶前部皮质的较高区域。D'Esposito说：“产生的结果是令人惊奇的。”

    D'Esposito的分析还证实了先前所指出的，人远比猴更能在不同半脑中表示不同类型的信息。但是，变形分析不能检测Goldman一Rakic所相信的空间和物体工作记忆之间的上/下区别。

    人大脑半球的非对称性对于其它研究人员来说也变得越来越清楚了。斯坦福大学John D.E.Gahrieli及其同事已用功能MRI来研究正在解决图象上面的难题（如在智力测试中常常使用的那些题目）的志愿人员的大脑。这种难题分三种类型。一类是不难的，要求受试者简单地选择与样品相一致的符号。第二类是稍微较难，受试者必须选出在一系列样品图中没有的具组合特征的一幅图。第三类包含更费力的问题，这要求分析推理。

Gabrieli的研究使关于额叶前部皮质组织的争论有所明确，当志愿人员考虑任务（最相似于其他研究人员在研究工作记忆时所采用的任务）的中间类型时。额叶前部皮质较高部分的右侧是显著活跃的。此外，括动的部位是其他研究人员所发现的在贮存关于空间位置时所使用的部位。这一结果符合Goldman一Rakic的想法，即空间位置的工作记忆被贮存在额叶前部皮质的较高区域，因为这些中间任务全都要求受试人员想象到在不同位置中的特征。

    但是，当Gahrieli试验中的志愿人员在解决困难问题时，受试人员额叶前部皮质的左侧及右侧都变得更加活跃。这种额外的复杂性产生了Petrides在其自我监视试验中所发现的活化模式。

因此Gabri eli的数据提供了对Petrides的关于额叶前部皮质较高执行水平这一理论的某些支持，也提供对Goldman一Rakic关于在那里存在着特定范圈区域看法的支持。Gahrieli说：“肯定有特定范围区域，而且有超出那一区域的其它区域。”换句话说，在额叶前部皮质的特征范囿组织上争论的双方可能都有正确之处.然而今年六月牛津大学的Matthew    F.S.Rushworth及其同事在《神经科学杂志》上报道，在额叶前部皮质下部有很大损伤的猴在延迟选择试验中仍能很好进行选择。这一研究结果对那里存在有物体工作记忆的理论带来了新的疑问，而且似乎支持Petrides的观点。

要解决关于额叶前部皮质的悬而未决的问题而且脑的执行功能的运转被确认到使每个人都满意的程度可能要花很多年的时间，Goldman一Rakic左思右想，“如果你提出一种理论，人们就会攻击它，每个人都在作出一份努力。”大脑作出决定器官的运作正慢慢变得可见的。Goldman-- Rakic说：“我们正在逐渐接近于弄清认识的分子基础。”

〔刘义思 译 王世德 校）