互动科普

认知科学的策略和现代的脑成像技术为观察决定思维神经系统打开了一个窗口。

为什么我们在观看“哈姆雷特”时会对那位忧郁的丹麦王子产生怜悯之情，而在阅读“乌鸦”时又会感到沮丧不安?我们的脑子从我们的感官里吸收了一行印好的字母，然后把这行字母转变成精神体验和强烈的情感。但是，脑的“黑匣子”之说不能确定引起这类精神活动的特定的神经过程。哲学家们数百年来直在考虑着精神和脑之间的这种相互关系，而研究人员却直到最近才得以用分析的眼光探究这种关系—窥视这个黑匣子的内部。之所以能够这样做，是因为近几年来发展了成像技术，特别是发射正电子的x射线断层扫描和磁共振成像术(MRI)。现在，利用这些技术，配上高功能的计算机能够快速地显示与思维过程有关的心理图像。这些图像表明，当进行像阅读这样的活动时，脑的特定区域怎样“点亮”以及神经元和它们周围一套精巧的细胞怎样组织和协调其工作的。思维图像还能作为神经外科的工具，用以阐明因患精神疾病(包括忧郁症和精神分裂症)而丧失活动能力者的神经差异。

我要急于指出的是，作为现代脑图象依据的设想不同于早期的颅相学家们的设想。后者断定,通常根据头颅骨上的隆起部分来鉴别的脑的单个区域是唯一代表特定的思维和情感过程的。与此相反，现代的见解认为是严格定位的区域里的神经元网络在完成思维过程。就像大型交响乐队的专业人员精确地配合着演奏一首交响乐曲一样，进行单元运作的脑内各局部区域一起工作以显示某种可观察到的人类行为。这类分析基于这样一种想法。即复杂的行为可被分解成一组构成此行为的精神运作。例如，为了进行阅读，人必须认识到某一串字母是一个单字、然后再认识到单字，短语或句子的含义，最后形成精神图像。

当然，我们面临的挑战是要确定在完成某些工作时脑的哪些部分是活动的，哪些部分是静止的。过去，认知神经科学家们一直依靠对实验动物和对局部脑损伤的病人进行的研究来了解脑功能。而成像技术则使我们有可能对正常人脑的解剖学和功能进行无损伤的观察。

医学成像的新世代开始于70年代初。当时一项引人注目的技术用了“医学成像”这个名词。这项技术叫做X射线计算机断层扫描，简称CT，南非的一位医生Allan M.Cormack和英国的一位工程师Godfrey Hounsfield爵士不约而同地研究出了CT的原理Hounsfield在英国设计出了第帮CT设备。这两位研究人员因为作出此项贡献而荣获1979年度的诺贝尔奖。

CT利用了不同的组织会吸收不同量的x射线能量这一原理。组织越致密，吸收的x射线能量越多。通过整个机体的一束高度聚焦的x射线穿出体外时的水平将被它通过的组织和器官把它降得越来越低。从整个平面上的许多不同角度通过整个机体的一束x射线可收集到足以重建机体截面图所需的信息。得以开发出的X射线CT的关键是出现了可处理形象图像所需的大量信息的精巧的计算机技术和数学方法。如果没有灵巧的计算机，是不可能完成这项任务的。

X射线CT产生了两大影响。第一，它永远地改变了医学实践。因为它与标准的X射线检查相比有许多优点。从此以后，研究人员就能够在患者毫无不舒服感觉的情况下安全而有效地观察像脑子这样的人体活组织，而标准的X射线检查则只能显示骨骼和其周围的某些软组织。第二，它立即促使科学家们和工程师们利用类似的重组影像的数学方法和计算机技术去考虑另一些形成机体内部图像的方法。

被X射线CT提供的可能性所激励的最初几个研究小组之一是由组织放射自显影术方面的基础形成的。多年来，这项技术一直被用在动物研究中以研究器官代谢和血流。在进行组织放射自显影时，把放射性标记的化合物注入静脉。当这种化合物在所研究的器官(如脑)里积累后，就把实验动物杀死，取出该器官供研究用。把这个器官仔细地切片，再把每一片切片都放在对放射性敏感的胶片上。就像摄影机里的胶片记录下你最初看到的景像一样，这张x射线胶片会记录下放射性标记的化合物在每一张组织切片上的分布情况。

这张x射线照片经冲洗后，研究人员就会得到放射性在该器官内部的分布图像，从而可确定该器官特定的功能。获取哪一类信息取决于注入的放射性化合物。例如，用放射性标记的葡萄糖能测量脑的代谢，因为葡萄糖是神经元最主要的能源全国心理卫生研究所的Louis sokoloff于1977年在研究中引入了这种目前已在广泛使用的放射自显影术。

CT的引入使擅长使用组织放射自显影术的研究人员都着了迷。他们立即意识到，如果他们能使一束x射线通过机体从而再建某个器官的解剖学，那么他们也能重现以前使用的放射性同位素的分布情况。人们只要测定机体截面的放射性发射量就可以了。意识到这一点后就产生了对活的受试者作放射自显影的想法。

发展人体放射自显影的关键因素是选择放射性同位素。这一领域的研究人员选择了—类能发射正电子的放射性同位素。这些正电子酷似电子，只是携带的是正电荷。正电子几乎立即就会和其邻近的电子结合。它们在整个过程中将相互消灭而在过程中放射出两种r射线。正因为每一种r射线都是以几乎相反的方向运行的，所以试样周围的探测器一定能探测到这些r射线并确定其来源的位置。人体放射自显影术中正电子的关键作用是产生了正电子发射断层扫描，即PET【参阅“正电子发射断层术”．《科学》，1981，2月号]。

从70年代末到80年代初，研究人员迅速地开发PET以用于测定脑里各种不同的活动，诸如葡萄糖代谢、氧消耗、血流量及与药物的相互作用。在所有这些易变的活动中，血流量最可靠地示出了时刻变化的脑功能。

关于局部的血流量与脑功能密切有关的想法，令人惊讶地原来却是一种老的想法。英国的心理学家Charles S．Roy和Charles S．Sherrington在1890年正式提出了这一想法。他们指出有一种“自动的机制”调节对脑的供血量。血量的多少决定于脑活动的局部变化。尽管后来的实验充分地肯定了这种自动机制的存在，但是至今还没有人能完全肯定该机制确切的特性。很明显，这仍然是研究人员面临的一项挑战。

二十世纪40年代末，全国心理卫生研究所的Seymour S．Kety和他的同事们利用适合研究实验动物的放射自显影法研究出了正常人脑里血流量的PET测量法。PET测定法利用放射性标记的水，具体地说是与氧15(氧的放射性同位素)结合的氢。这种标记的水在其衰变过程中放射出大量正电子。(不能用氡的同位素，因为它不会放射正电子。)把这种标记的水注入手臂的静脉里。这种放射性标记的水只过一分钟就会积聚在脑里而形成血流的图像。

这种水的放射性不会产生有害作用。氧15的半衰期只有2分钟，整个试样几乎大约10分(5个半衰期)就可衰变成无放射性的。这样迅速的衰变实际上减少了受试者受到的具有潜在有害影响的辐照量。此外，只需要低剂量的放射性标记。

因为衰变快和用量低，所以能在一次试验中对血流量进行多次测定。这样做可以利用PET一次取得多幅脑图。每一幅图都可当作是捕捉脑内瞬间活动的快照。标准的PET系统能以几毫米的精确度定位活动的变化区。

在过去的1O年里，出现了一种利用PET描绘神经活动功能图像的特殊方法。这一方法发展了由荷兰生理学家Franelscus C．Donders在1868年首次引入生理学研究的一种设想。Donders提出了一种通用的可根据—种简单的逻辑来测定思维过程的方法。他从对光的特定颜色产生反应所需的时间中扣除了对光产生反应所需的时间(譬如说，按动按钮)。他发现区别颜色大约需时50毫秒。Donders就用这方法分离并测定了最初的精神活动过程。

现在的PET方法被设计成用来完成类似的过程，但是测定的是实现精神过程的那些脑区。特别是，把在作业开始前取得的血流图和在脑参与该作业后取得的血流图相比较。研究人员把这两个阶段分别称之为对照状态和作业状态。研究人员仔细地选定每一种状态，以便尽可能好地分离出有限数量的精神运作。从每个作业状态中减去在对照状态中测得的血流量后可看到在某个特定作业过程中活动的脑的这些部分。

PET血流图最初的几项用途之一是研究语言。在人脑里获得和构成语言技能的方式是一百多年来一直在重点研究的—个课题。这项工作真正开始于1861年。当时法国医生Pierre Paul Broea描述了一位因左额叶受损伤而丧失了语言能力的病人。(直到今天，凡因额叶受损而说话困难的病人往往都被称为Broca氏失语症。)德国的一位神经学家Carl Wernicke补充了Broea的语言定位研究。1874年，wernicke描述了难以领悟语言的人这些人的左顳叶受了隐蔽的伤害。这一区域现在通常被称为wernicke区。有了这些开端后就出现了关于人脑里语言组织的概念：由视觉和听觉接受到的信息传递到左颞叶里的各个区域以得到颁悟，然后再传递到额叶区产生言语[参阅“人脑的专门化，《科学》，1980年1月号]。

上述信息都是从脑受损的病人那里收集到的。研究人员能否从健康的脑子那里了解语言的组织呢？1988年，我的同事Steven E．Petersen，Michael I．Posner，Peter T．Fox以及Mark A．Mintun和我在华盛顿大学医学中心为解答这一问题而开始了一系列研究。最初的研究立足于对似乎很简单的一项实验所作的PET分析。实验内容是在提出了—个普通的英语名词后让受试者立即说出一个合适的动词。例如，受试者可能看到或听到“锤子”一词，对此作出的合适反应可能是“敲击”。

我们之所以选择这个课题是因为它能被分解成许多项于课题。每个子课题都可能在精心挑选实验项目后被分开来加以分析。最目显的单元包括对单诃的视黉和听觉感知，发出单词的组织和技巧(说话)以及脑赖以追溯单词含义的过程。(当然，这些作业中的每—个子项都能再细分为几个更小的的课题。)

为了鉴别特定作业所利用的脑区，我们构想了四个等级的信息处理。这样的分级方法应被进行这楚研究的实验室视为标准。第—级，要求受试者注视电视监视器屏幕上一对小的“+”字准线（看起来像排列的小“加”号)。与此同时，PET扫描测量脑里的血流量以提供精神活动的快照。

第二级，受试者在被对测量脑血流量时继续注视“+”字准线，但是在此扫描过程中，向他们呈现普通的英语名词。这些名词或者是出现在电视监视器屏幕上“+”字准线的下方，或者是通过耳机听到的（对视觉呈现和听觉呈现分开扫描)。第三级，要求受试者朗读他们看到或听到的单词。最后，第四级，受试者大声说出和这个名词相对应的动词。

从第二级减去第一级后分离出与视觉接受和听觉接受单字有关的脑区。从第三级减去第二级可指出脑中和说话有关的部分。从第四级减去第三级后就确定了和对显示的名词选择出合适动词有关的脑区。

最后一次减去(读出名词而不提出动词)特别值得注意，因为它提供了纯精神活动的型式(感知和说话——进和去——已被去掉)。这—图像使我们得以看到，当我们理解单词的含义并且反过来又利用它们来表达含义时，在我们脑子里发生的情况。它显示了看得见的感知功能因为我们的许多思想都是依靠由单词表示的概念和想法来实现的。

这项研究的结果清楚地证明脑部成像术是怎样把行为作业的精神运作和协调完成每项运作的特定脑区网络联系在一起的。正如认知科学家们和神经科学家们所预料到的那样，针对呈现的名词产生一个动词的这样一项看来简单的的作业，不是由脑的某一部分，而是由组织成网络的许多区域完成的。对看到的单词的感知是由脑后部的区域网络实现的，那虽有着脑的视觉系统的许多组织部分。对听到的单词的感知是由完全不同的另一个区域网络(在我们的额叶里)实现的。

言语的产生(即只是大声重复呈现的名词)可以预料会涉及脑的运动区域。被认为是Broca区和Wernicke区的那些区域看来通并不参与这类言语的产生过程。许多人可能会认为，这对大多数能流畅地说母语的人来说完全是自然的活动这一研究结果暗示出我们也许已经推测到的事实，即我们偶尔会在并未有意识地考虑后果的情况下说出些什么来。

左额叶和颞叶的区域(通常分别与Broca区和Wernicke区相对应的那些区域)只在被加上两项作业时才开始活跃。这两项作业是有意识地确定单词的含义和选择合适的反应。此外，在此情况下另外还有两个区开始起作用，从而形成由四个脑区组成的网络。有意思的是，通常用于重复单词的那两个区却阻断了。这种短路表明针对呈现的名词而发出动词的要求，并不只基于单单读出名词的作业而是就脑来说，针对呈现的名词读出一个动词的活动和读出一个名词的活动是不相同的。

上述发现促使我们去暂时停下来并考虑，如果我们给受试者几分钟的时间去预习其发出动词的作业，那将会出现什么情况呢?尽管受试者最初发现很难快速形成动词(名词每隔1.5秒钟呈现一次)，但是他们在操作15分钟臂就变得轻松和熟练了。对经过训练后的脑进行的测定表明，预习彻底改变了复原的神经回路。负责名词重复的这个神经回路现在能发出动词了。因此，预先操作不仅使受试者变得熟练(我们早已知道)。而且还改变了我们的脑组织自身活动的方式(有些方面我们可能还不完全知道)。

正当认知科学的神经学家们展现了PET技术的实用性时，又迅速出现了一种更新的其功能可与PET相媲美的方法。磁共振成像术(MRI)现在已相当普遍墙角乎诊断组织损伤。最新的研究结果甚大大加快了MRI的成像速度，从而使它通用于认知神经科学的研究。

MRI是—种用来探测分子详细的化学特性的，叫做核磁共振术(NMR)的有效的实验室技术演变而来的。它的发明者斯坦福大学的Felix Bloch和哈佛大学的Edward M．Purcell为此而获得1952年度的诺贝尔奖。这种方法的依据是存在磁场时许多原子的行为就像小的罗盘针。研究人员可以巧妙地操纵磁场使原子排列成行。对处于这种情况下的试样施加无线电波脉冲可以精确地干扰原子。结果是，这些原子发射出可检测到的无线电信号。

这些信号是试样中特定原子的数量和状态所特有的。仔细调整磁场和无线电波脉冲可得到有关所研究试样特有的信息。

自从伊利诺斯大学的Paul C．Lauterbur发现NMR可通过检测质子而形成图像以后，NMR就由实验室进入临床研究。质子很有用，因为在人体里有许多质子，而且它们像小罗盘针那样会敏感地对磁场作出反应。利用这些质子可产生极好的器官解剖图。这些图像在细节上远远超过由X射线CT产生的图像[参阅：“医学中NMR成像技术”，《科学》，1982年9月号]。因为“核”这个专用名词使这种方法的名称听起来颇使人恐惧，所以很快就把它称之为“磁共振成像术”。

现在，MRI之所以令人振奋是因为这种技术能够检测到PET扫描无法检测到的信号。具体地说，它能够检测加强了的神经元活动区里氧量的增加情况。这种检测能力的依据是神经元利用氧的方式。PET扫描已经揭示，从功能上诱发血流量增加的同时脑消耗的葡萄糖量也在起变化，但它所利用的氧量不变。实际上，在神经元活动激增的过程中，正常的人脑要求助于厌氧代谢。几乎没有什么人想到过，脑也许会依靠类似于短跑运动员的肌肉所用的策略。事实上，在正常的脑里实现这种形式的代谢并不在乎是否存在丰富的氧。关于脑为什么以这种方式活动的问题是值得详细研究的一个谜。

更多的血进入睹部而同时又不增加耗氧量的结果，是使氧大量浓集在向活跃的神经中枢排放氧气的小静脉里。其原因是增加了供氧量，但没有需求。因此，被送到脑的活动区的多余的氧只是用排放到静脉里的方法又回到了全身的循环里。

为什么氧在脑的MRI研究中起关键作用呢?答案在于诺贝尔奖获得者Linus C．Pauling于1935年的—项发现。他发现，由血红蛋白(输送氧并使血液成红色的分子)携带的氧量会影响血红蛋白的磁特性。1990年，美国电话电报公司Bell实验室的Seiji Ogawa和他的同事们证明，MRI能够检测到这些小小的磁性变化。有几个研究小组立即意识到这一发现的重要意义。到1991年中，研究人员们证明MRI能检测到人脑里功能性诱发的血液充氧量的变化。MRI检测功能性诱发血液充氧量变化的这种能力，使许多人都把这种技术称之为功能性MRI，或简称MRI。

和X射线CT以及其他成像技术相比，功能性MRI有如下一些优点。第一，信号直接来自从功能上诱发的脑组织里的变化，即静脉里氧浓度的变化。不需要注入任何东西(放射性的或其他的)即可获得信号。第二，MRI能提供每个受试者的解剖学信息和功能信息，因此使研究人员能够对活动区进行精确的结构鉴定。第三，空间清晰度非常好，可以分辨小到1—2毫米的部分(比PET的清晰度更好)。第四，如果装备适当的附件(即赋予平面回声能力)，MRI能够及时地监视由血流量诱发的氧信号的变化。

最后一点，MRI几乎投有生物学的风险。有些研究人员曾担心组织接触到的磁场强度。迄今为止，大多数研究都发现其影响是有益的。最大的缺点是有些受试者可能会出现悠闲恐怖。在大多数测试仪表的设计中，整个躯体必须放进一个比较狭窄的管道里。

去年报导了几项有关功能性MRI的引人注目的研究结果。耶鲁大学的Robert G．Shuiman和他的同事们证实了有关脑内语言组织的PET研究结果。匹茨堡大学的Walter Schneider和Jonathan D．Cohen以及他们的同事用猴子作试验，证实了灵长类的视觉皮层可组织成这样一些定位图，在我们看到外部世界时，这些图反映出了外部世界的空间组织。另一些研究小组正在积极地试图观察到另一些类型的精神活动，如我们创造精神图像和记忆的途径。

MRI系统及时地监测氧信号的能力表明，有可能用它来测量不同脑区交换信息所需的时间。因此，人们可以把脑区的网络设想成群身处电话会议中间的个体。被迫索到短暂信息等于知道了谁在讲话，还可能知道谁是负责人。这样的信息对于搞清楚特定的脑区怎样协调成一个网络以产生行为的问题是至关重要的。

但是，面临的障碍是与充氧水平变化速率相比的神经元活动的速度。来自脑的某一部分的信号能在0.01秒或更少的时间内传到脑的另部分。难办的是血流量和血内充氧量的变化都要慢得多，大约发生在几百毫秒到几秒之后。MRI当然跟不上脑区之间的“通话”。唯一能以足够快的速度作出响应的方法是电记录技术。这类方法包括能够检测到来自头皮的脑电活性的脑电图(EEG)和可用来测量由脑阿电活性所产生磁场的脑磁图技术(MEG)。

为什么研究人员不利用EEG或MEG去完成绘制脑功能图的全部工作呢?局限性在于其空间清晰度和敏感性不够。即使在清晰度上有了很大的改进(特别是MEG)，利用电记录仪仍然难以精确地确定脑活性发源处的位置。此外，我们越深入脑部绘制图像，其分辨率就越差。

无论是MRI还是PET都有上述难以解决的问题。这两种方法能以同样的空间分辨率和灵敏度描绘出脑所部分的图像。因此，看来要结合使用PET和MRI以及电记录法。已经确定配合使用的PET和MRI能够判明作为所研究的某种行为基础的神经回路的解剖学，而电记录技术则能揭示这些在空间上已确定的神经回路中短暂活动的过程。

尽管最终将具体地混合使用上述方法去绘制人脑功能图，但是这一领域需要非同一般的设备。昂贵的装备支配着这项工作的展开。MRI、PET和MEG等设备价值200—400万美元，还有昂贵的设备维护费用。此外，必须由每天使用这些装备进行研究的科学家和工程师们组成的多学科研究小组紧密配合才能取得成功。有幸拥有这些必不可少的设备的研究单位必须使那些运气差的研究单位里的科学家们也能得以使用这些设备。虽然某些放射学部门拥有这类设备，但是通常这些设备主要是供医疗病人用的。

这些试验除了绘制出脑活动图外，还能提供大量信息。这些信息的积累不仅能解答实验时提出的问题，而且还能为深入研究提供非常宝贵的信息。在这个研究领域里的某些人已经多次惊喜地注意到了这个情况。最近在建立神经科学数据库方面作出的努力，可能组织并很快地传播这样的数据库。

合理地利用这些高效能的新工具以及由它们提供的数据，能帮助我们了解和护理从发育性学习失调症到由(譬如说)中风引起的失语症的病人。研究人员已经开始利用功能性脑图去了解精神病(如忧郁症)患者的心境障碍。这种技术能在神经外科医生切除脑肿瘤时起引导作用，使他们得以判定怎样去掉这种组织才不会伤害病人。世界各地的研究中心都在研究其他一些精神活动，如注意力、记忆、感知、运动控制和情绪。很明显，我们对人的精神活动和人脑之间关系的了解已经大为深入了。

   [颂平译 赵裕卿校]