探索的工具：檢測大腦

學習目標問題 2-8 神經科學家們如何研究大腦與行為和心智的聯系？

在人類歷史的大部分時間里，科學家們都沒有足夠先進而溫和的工具來觀測活體大腦的活動。一些早期案例研究有助于定位大腦的一些功能。一側大腦的損傷常常會導致身體對側出現麻木或癱瘓的情況，這一情況表明，身體右側與大腦左側存在關聯，反之亦然。大腦后部的損傷會干擾視覺，而大腦左前部的損傷會導致語言障礙。漸漸地，早期的大腦探索者繪制出了大腦圖譜。

如今，人類大腦已經開發出新的方法來研究自己，新一代的神經地圖繪制者正描繪著這個宇宙中已知最神奇的器官。科學家們可以有選擇地損傷（lesion）一小簇正常或有缺陷的腦細胞，并觀察大腦功能會受到何種影響。例如，這類研究顯示，在實驗室中損傷老鼠下丘腦某一區域會讓老鼠減少進食，甚至餓死，而損傷另一個區域可能引起老鼠暴食。

現在的神經科學家可以通過電、化學或磁的方式對大腦不同部位進行刺激，并關注其效果。例如，（刺激不同的大腦部位，人們可能會相應地傻笑、幻聽、扭頭、感覺自己在墜落，或感覺自己靈魂出竅等）（Selimbeyoglu & Parvizi, 2010）。

科學家們甚至可以窺探單個神經元的信息。例如，現代微電極的尖端小到足以檢測單個神經元的電脈沖，可以準確地檢測出有人撓貓肚子時，信息到了它大腦中的哪個位置（Ishiyama & Brecht, 2017）。這類極具發展潛力的新工具還包括光遺傳學，這一技術允許神經科學家控制單個神經元活動（Boyden, 2014）。通過對神經元進行編碼，使其對光敏感，研究人員能夠研究感覺、恐懼、抑郁和物質使用障礙的生物學基礎（Dygalo & Shishkina, 2019; Firsov, 2019; Juarez et al., 2019; Nikitin et al., 2019）。

研究人員還可以探聽到數十億神經元的竊竊私語。此刻，你的心理活動正不斷釋放提示性的電信號、代謝信號和磁信號，這些信號令神經科學家得以觀察你大腦的運轉活動。大腦中數十億神經元的電活動會以有規律的電波形式傳送到大腦表面，而腦電圖（electroencephalogram，EEG）正是將這種電波放大后的結果。研究人員會通過一個類似浴帽的帽子來記錄腦電波，這個帽子中布滿了覆蓋著導電凝膠的電極。研究記錄大腦活動的腦電圖，就像是通過聆聽攪拌機的嗡嗡聲來研究其電機。由于無法直接接觸大腦，研究人員會反復刺激大腦，并讓計算機過濾掉與刺激無關的大腦活動，最終剩下的就是由刺激誘發的電波。

腦磁圖（magnetoencephalogram，MEG）是相關技術之一。為了隔離大腦磁場，研究人員搭建了特殊的房間，以抵消包括地球磁場在內的其他磁信號。研究參與者會坐在一個類似理發店熱燙機的頭部線圈下。在完成實驗要求的活動時，參與者數以萬計的神經元會產生電脈沖，接著形成磁場。而磁場的速度和強度使研究人員能夠了解某些任務影響大腦活動的方式（Eldar et al., 2018; Ruzich et al., 2019; Uhlhaas et al., 2018）。

1746年，切斯特菲爾德勛爵（Lord Chesterfield）在給兒子的信中說道：“觀察他人時，你必須審視其內在。”如今，日新月異的神經影像技術賦予了人們超級英雄般的能力，讓人們可以看到活人的大腦內部。正電子發射體層成像（positron emission tomography，PET，圖2.10）正是這類技術之一，它通過顯示各個腦區對葡萄糖這一化學燃料的消耗狀況來描述大腦活動。較為活躍的神經元會大量消耗葡萄糖，大腦雖然只占人體重量的2%，卻消耗了人體攝入熱量的20%。一個人在被注射了短效放射性葡萄糖后，PET掃描可以追蹤大腦執行任務時這種“思維的食物”所釋放的伽馬射線。就像天氣雷達顯示雨水活動一樣，PET掃描圖的“熱點”顯示了人們在進行數學計算、看面孔圖像或做白日夢時最活躍的腦區。

磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）腦部掃描將人的頭部置于一個強磁場中，磁場令大腦分子的旋轉原子排列整齊，隨后發射一個無線電脈沖瞬間改變這些原子的旋轉方向。原子恢復正常旋轉時會發出信號，提供包括大腦在內的軟組織的詳細圖像。MRI掃描圖顯示，那些能夠演奏出絕對音準的音樂家，其大腦左半球的神經區大于常人（Schlaug et al., 1995）。該掃描還發現，一些精神分裂癥患者的腦室（充滿流質的腦區）擴大了。

功能性磁共振成像（functional，fMRI）是MRI的一種特殊應用，能夠揭示大腦的功能和結構。血液會流向特別活躍的腦區。通過對連續的MRI掃描圖進行比較，研究人員可以觀察到特定腦區激活（顯示為含氧血流增加）。例如，一個人看著一個場景時，fMRI機器會檢測到血液涌向大腦后部，因此正是該區域負責處理視覺信息。而另一個技術，功能性近紅外光譜（fNIRS），則使用照射到血液分子上的紅外光來識別大腦活動。fNIRS設備可以裝進較大的背包里，方便研究人員在不便接觸的人群中進行心理生物學研究（Burns et al., 2019; Perdue et al., 2019）。

表2.2對這些成像技術進行了比較。

這些成像技術揭示了大腦活動的變化，為人們認識大腦的分工方式和應對需求變化的反應方式帶來了新見解。近期的大量fMRI研究向人們指出了在感到痛苦或被拒絕、聽見憤怒的語氣、想起可怕的事情、感覺快樂或性興奮時，哪些腦區最活躍。fMRI掃描甚至還能顯示出人們像演員一樣故意壓制自己個性的后果（Brown et al., 2019）。

腦成像可以達到讀心術的效果嗎？事實上，fMRI技術已經實現了對思想的大致竊聽。一個神經科學研究小組為129人安排了8項不同的心理任務（包括閱讀、賭博、押韻腳等），并在任務進行的過程中對這些人的大腦進行了掃描。掃描結束后，研究人員能夠以80%的準確率識別出參與者所做的心理任務（Poldrack, 2018）。其他一些研究還能夠通過大腦活動來預測公共衛生運動的效果和將來的行為，如學業表現、藥物使用以及擇友傾向等（Chung et al., 2017; Cooper et al., 2019; Kranzler et al., 2019; Zerubavel et al., 2018）。

你也許曾經見過一些五顏六色的大腦圖片，或許還帶著如“你的音樂大腦”之類的標題。盡管腦區實際上并不會“點亮”，但那些生動的大腦掃描圖像似乎總令人印象深刻。人們總認為包含神經科學內容的科學解釋更可信，也更有趣（Fernandez-Duque et al., 2015; Im et al., 2017）。但那些“神經懷疑論者”也告誡說，不要夸大神經科學預測客戶偏好、檢測謊言和預測犯罪的能力（Rose & Rose, 2016; Satel & Lilienfeld, 2013;Schwartz et al., 2016）。神經營銷學、神經領導學、神經法學和神經政治學往往只是神經炒作。腦成像技術向人們展示了大腦的結構和活動，還能夠幫助人們檢驗不同的行為理論（Mather et al., 2013），但是鑒于所有的人類經驗都以大腦為基礎，一個人在聽講座或對愛人產生欲望時，不同的腦區變得活躍也就不足為奇了。

今時今日，這些窺探大腦思維和感覺的技術對心理學的作用，就如同顯微鏡對生物學的作用，望遠鏡對天文學的作用。通過這些技術，人們在過去100年里對大腦的認識比過去10 000年還要多。隨著人們每年為大腦研究投入大量資金，未來10年間人們對大腦的認識將會更全面。為了推動腦科學的發展，歐洲的“人類大腦計劃”在2013年至2023年期間提供了10億美元的預算（Salles et al., 2019）。耗資4000萬美元的“人類連接體計劃”嘗試通過擴散譜成像（一種磁共振技術）來繪制大腦的遠距離連接（見文前彩圖2.11）。這一工作形成了一個新的大腦圖譜，其中包含100個以前沒有描述過的神經中樞（Glasser et al., 2016; Wang & Olson, 2018）。一個新的項目以這項工作為基礎，嘗試了解從36歲到100歲以上的人類大腦典型老化狀況（Bookheimer et al., 2019）。未來還會有更多迷人的發現，讓我們拭目以待。

大腦科學正處于發展的黃金時代，在今天學習神經科學，就好比在麥哲倫環球航行時代學習世界地理一般。