探索的工具：检测大脑

学习目标问题 2-8 神经科学家们如何研究大脑与行为和心智的联系？

在人类历史的大部分时间里，科学家们都没有足够先进而温和的工具来观测活体大脑的活动。一些早期案例研究有助于定位大脑的一些功能。一侧大脑的损伤常常会导致身体对侧出现麻木或瘫痪的情况，这一情况表明，身体右侧与大脑左侧存在关联，反之亦然。大脑后部的损伤会干扰视觉，而大脑左前部的损伤会导致语言障碍。渐渐地，早期的大脑探索者绘制出了大脑图谱。

如今，人类大脑已经开发出新的方法来研究自己，新一代的神经地图绘制者正描绘着这个宇宙中已知最神奇的器官。科学家们可以有选择地损伤（lesion）一小簇正常或有缺陷的脑细胞，并观察大脑功能会受到何种影响。例如，这类研究显示，在实验室中损伤老鼠下丘脑某一区域会让老鼠减少进食，甚至饿死，而损伤另一个区域可能引起老鼠暴食。

现在的神经科学家可以通过电、化学或磁的方式对大脑不同部位进行刺激，并关注其效果。例如，（刺激不同的大脑部位，人们可能会相应地傻笑、幻听、扭头、感觉自己在坠落，或感觉自己灵魂出窍等）（Selimbeyoglu & Parvizi, 2010）。

科学家们甚至可以窥探单个神经元的信息。例如，现代微电极的尖端小到足以检测单个神经元的电脉冲，可以准确地检测出有人挠猫肚子时，信息到了它大脑中的哪个位置（Ishiyama & Brecht, 2017）。这类极具发展潜力的新工具还包括光遗传学，这一技术允许神经科学家控制单个神经元活动（Boyden, 2014）。通过对神经元进行编码，使其对光敏感，研究人员能够研究感觉、恐惧、抑郁和物质使用障碍的生物学基础（Dygalo & Shishkina, 2019; Firsov, 2019; Juarez et al., 2019; Nikitin et al., 2019）。

研究人员还可以探听到数十亿神经元的窃窃私语。此刻，你的心理活动正不断释放提示性的电信号、代谢信号和磁信号，这些信号令神经科学家得以观察你大脑的运转活动。大脑中数十亿神经元的电活动会以有规律的电波形式传送到大脑表面，而脑电图（electroencephalogram，EEG）正是将这种电波放大后的结果。研究人员会通过一个类似浴帽的帽子来记录脑电波，这个帽子中布满了覆盖着导电凝胶的电极。研究记录大脑活动的脑电图，就像是通过聆听搅拌机的嗡嗡声来研究其电机。由于无法直接接触大脑，研究人员会反复刺激大脑，并让计算机过滤掉与刺激无关的大脑活动，最终剩下的就是由刺激诱发的电波。

脑磁图（magnetoencephalogram，MEG）是相关技术之一。为了隔离大脑磁场，研究人员搭建了特殊的房间，以抵消包括地球磁场在内的其他磁信号。研究参与者会坐在一个类似理发店热烫机的头部线圈下。在完成实验要求的活动时，参与者数以万计的神经元会产生电脉冲，接着形成磁场。而磁场的速度和强度使研究人员能够了解某些任务影响大脑活动的方式（Eldar et al., 2018; Ruzich et al., 2019; Uhlhaas et al., 2018）。

1746年，切斯特菲尔德勋爵（Lord Chesterfield）在给儿子的信中说道：“观察他人时，你必须审视其内在。”如今，日新月异的神经影像技术赋予了人们超级英雄般的能力，让人们可以看到活人的大脑内部。正电子发射体层成像（positron emission tomography，PET，图2.10）正是这类技术之一，它通过显示各个脑区对葡萄糖这一化学燃料的消耗状况来描述大脑活动。较为活跃的神经元会大量消耗葡萄糖，大脑虽然只占人体重量的2%，却消耗了人体摄入热量的20%。一个人在被注射了短效放射性葡萄糖后，PET扫描可以追踪大脑执行任务时这种“思维的食物”所释放的伽马射线。就像天气雷达显示雨水活动一样，PET扫描图的“热点”显示了人们在进行数学计算、看面孔图像或做白日梦时最活跃的脑区。

磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）脑部扫描将人的头部置于一个强磁场中，磁场令大脑分子的旋转原子排列整齐，随后发射一个无线电脉冲瞬间改变这些原子的旋转方向。原子恢复正常旋转时会发出信号，提供包括大脑在内的软组织的详细图像。MRI扫描图显示，那些能够演奏出绝对音准的音乐家，其大脑左半球的神经区大于常人（Schlaug et al., 1995）。该扫描还发现，一些精神分裂症患者的脑室（充满流质的脑区）扩大了。

功能性磁共振成像（functional，fMRI）是MRI的一种特殊应用，能够揭示大脑的功能和结构。血液会流向特别活跃的脑区。通过对连续的MRI扫描图进行比较，研究人员可以观察到特定脑区激活（显示为含氧血流增加）。例如，一个人看着一个场景时，fMRI机器会检测到血液涌向大脑后部，因此正是该区域负责处理视觉信息。而另一个技术，功能性近红外光谱（fNIRS），则使用照射到血液分子上的红外光来识别大脑活动。fNIRS设备可以装进较大的背包里，方便研究人员在不便接触的人群中进行心理生物学研究（Burns et al., 2019; Perdue et al., 2019）。

表2.2对这些成像技术进行了比较。

这些成像技术揭示了大脑活动的变化，为人们认识大脑的分工方式和应对需求变化的反应方式带来了新见解。近期的大量fMRI研究向人们指出了在感到痛苦或被拒绝、听见愤怒的语气、想起可怕的事情、感觉快乐或性兴奋时，哪些脑区最活跃。fMRI扫描甚至还能显示出人们像演员一样故意压制自己个性的后果（Brown et al., 2019）。

脑成像可以达到读心术的效果吗？事实上，fMRI技术已经实现了对思想的大致窃听。一个神经科学研究小组为129人安排了8项不同的心理任务（包括阅读、赌博、押韵脚等），并在任务进行的过程中对这些人的大脑进行了扫描。扫描结束后，研究人员能够以80%的准确率识别出参与者所做的心理任务（Poldrack, 2018）。其他一些研究还能够通过大脑活动来预测公共卫生运动的效果和将来的行为，如学业表现、药物使用以及择友倾向等（Chung et al., 2017; Cooper et al., 2019; Kranzler et al., 2019; Zerubavel et al., 2018）。

你也许曾经见过一些五颜六色的大脑图片，或许还带着如“你的音乐大脑”之类的标题。尽管脑区实际上并不会“点亮”，但那些生动的大脑扫描图像似乎总令人印象深刻。人们总认为包含神经科学内容的科学解释更可信，也更有趣（Fernandez-Duque et al., 2015; Im et al., 2017）。但那些“神经怀疑论者”也告诫说，不要夸大神经科学预测客户偏好、检测谎言和预测犯罪的能力（Rose & Rose, 2016; Satel & Lilienfeld, 2013;Schwartz et al., 2016）。神经营销学、神经领导学、神经法学和神经政治学往往只是神经炒作。脑成像技术向人们展示了大脑的结构和活动，还能够帮助人们检验不同的行为理论（Mather et al., 2013），但是鉴于所有的人类经验都以大脑为基础，一个人在听讲座或对爱人产生欲望时，不同的脑区变得活跃也就不足为奇了。

今时今日，这些窥探大脑思维和感觉的技术对心理学的作用，就如同显微镜对生物学的作用，望远镜对天文学的作用。通过这些技术，人们在过去100年里对大脑的认识比过去10 000年还要多。随着人们每年为大脑研究投入大量资金，未来10年间人们对大脑的认识将会更全面。为了推动脑科学的发展，欧洲的“人类大脑计划”在2013年至2023年期间提供了10亿美元的预算（Salles et al., 2019）。耗资4000万美元的“人类连接体计划”尝试通过扩散谱成像（一种磁共振技术）来绘制大脑的远距离连接（见文前彩图2.11）。这一工作形成了一个新的大脑图谱，其中包含100个以前没有描述过的神经中枢（Glasser et al., 2016; Wang & Olson, 2018）。一个新的项目以这项工作为基础，尝试了解从36岁到100岁以上的人类大脑典型老化状况（Bookheimer et al., 2019）。未来还会有更多迷人的发现，让我们拭目以待。

大脑科学正处于发展的黄金时代，在今天学习神经科学，就好比在麦哲伦环球航行时代学习世界地理一般。