脑区的身份危机：大脑不似你所想

导语 / Introduction

神经科学家们的目标是将一系列认知功能与大脑分区对应起来，但近来的新研究显示，大脑区域的定义和分区方式通常是由任务背景决定的。

神经科学家是大脑的测绘员，他们负责观察并描述各个区域的特征与活动、找寻不同区域间的大道与小径，以及区分各领域的分界线。位于我们大脑前端、额头附近的区域叫做前额叶皮质，它是大脑中的决策者。位于前额叶之后的则是运动皮层，它主要负责动作的规划及协调。在它的两侧是颞叶，这部分脑区对于记忆以及情绪加工至关重要。在这些区域之上的是躯体感觉皮层。视觉皮层则位于这些区域之后。

美国东北大学的心理学家莉萨·费尔德曼·巴瑞特（Lisa Feldman Barrett）表示，研究者们不仅仅在对大脑结构及其功能划分上表现得像地图绘制员，甚至他们的分类方式也跟古时的绘制员如出一辙。“在给脑区分界这件事上，心理、精神和行为学家有不同的划分标准”，他们基于这些标准，给不同的网络或神经元指配功能，“就像在玩乐高积木一样”。这些研究者似乎认为不同脑区间存在着坚固的边界线。

“大脑地图”的问题在于，它不仅把问题过分简单化，还可能将我们带离正确的研究方向。“在过去的一个世纪中，科学家们徒劳无功地寻找着思考、感受、决策、记忆、运动等一系列日常体验对应的脑区之间的边界线。”巴瑞特说道。近来，多篇神经科学研究的作者也对这种观点表示赞同。他认为这种心理学分类“无法指导我们理解大脑的结构与运作方式”。

神经科学家们普遍认同，作为一个生理组织，大脑中会有不同的脑区、网络以及细胞类型。但当我们将它们与知觉、记忆、注意、情绪或行为联系起来时，“事情就变得有些可疑了”，来自纽约大学的神经科学家大卫·波佩尔（David Poeppel）说道。

没有人会否认视觉皮质带来了视力，听觉皮质让我们能听见声音，或是海马体对于记忆至关重要。这些区域的损伤会严重影响对应的认知能力，科学家们也逐渐阐明了大脑损伤造成认知损伤的一些机制。但我们还不清楚这些区域本身与认知功能之间的对应关系。举个例子，记忆不仅需要海马体，还需要大脑中的其他网络；尽管海马体与记忆相关，一系列研究表明该区域还明显调控着许多其他的认知功能。对应关系之间的重合是如此之大，让单一的标签失去了意义。

虽然我们目前的框架为我们带来了许多重要的启示，但“这种框架就像陷阱一般，限制了新的研究发展”。蒙特利尔大学的神经科学家保罗·西塞克（Paul Cisek）说道。这个局面同样束缚着神经及心理障碍治疗方法的开发。

因此，巴瑞特、西塞克及其他科学家认为，要想真正理解大脑的运作方式，我们急需修正领域中的核心概念。针对当下的挑战，他们提出了探索大脑的新框架。这个新框架带来了新答案：就在这个月，新的研究方法揭示了记忆形成以及代谢调控间出乎意料的联系。不过，就算新框架能更好地解释大脑的运作方式，还是有一部分研究者认为，新方法或许忽略了人类体验的重要性。

美国东北大学的心理学家巴瑞特认为，人们熟悉的心理功能类别，如感知和记忆，"对理解大脑的结构或工作方式的指导意义不大"。

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Matthew Modoono/Northeastern University

福尔摩斯的化名

功能性核磁共振成像（fMRI）等工具让我们得以更精确地研究大脑的运作方式。神经学家们利用这些技术，将心理功能与大脑的生理基础联系起来，从而深入理解知觉、注意、学习、记忆、决策等一系列“经典”的认知功能。

但在这类研究中，他们发现了令人不安的迹象：这些认知功能分类以及支持它们的神经网络并不如我们预想的那样运作。这些发现不仅仅反映出大脑的结构不符合现有的认知功能分类，还说明单个大脑网络能支持截然不同的认知功能。巴瑞特表示，“这些神经网络的化名比夏洛克·福尔摩斯的还要多。”

近来一项研究显示，简单的眼部动作就需要利用到大脑中三分之二的区域。与之类似，人们在呼吸时，大脑中半数区域都会激活。2019年，来自不同团队的科学家们发现，“知觉区域”（如视觉皮质）的神经活动在大部分时间里都在编码动物的动作，而非知觉刺激。

不同脑区的“身份危机”不仅仅局限于负责感知及其他认知功能的神经加工中心。科学家们曾一度认为，脊椎动物大脑中特有的结构——小脑，专门负责动作控制。但近来科学家们发现，小脑在注意、情绪调控、语言处理以及决策执行等认知过程中都发挥着作用。研究发现，同样被认为与动作控制相关的另一个古老脑区——基底神经节，也会调控许多高级认知功能。

这些令人困惑的发现可能源于有问题的研究方法。比方说，神经学家通过把不同认知过程与特定的大脑活动规律相联系，来寻找这些认知功能与哪部分脑区相关。在这些研究中，科学家一般使用fMRI来测量大脑活动。然而新的发现警示我们：科学家需要更加警惕无关的肌肉活动对测量数据的污染。

- Jon Han -

“你可能觉得你的结果回答了与高水平认知功能相关的问题。”来自纽约大学医学院的神经科学家尤里·布扎基（György Buzsáki）说到，“而实际上，你测量出的数据差异，可能仅仅是由被试完成不同任务时不同的眼动方式造成的。”

他与许多科学家一样，相信这些新发现强调了神经科学面临着严重的概念问题。“我们像做地产分割一样，根据过时的认知功能概念把大脑分割成不同的区域，并错误地假定这些认知功能之间存在明确界限，而这些认知界限还对应着大脑功能的界限。”布扎基说道。

在2019年，一位来自斯坦福大学的神经科学家拉塞尔·波尔德瑞克与同事一同检测了人们沿用已久的心理功能分类的合理性。他们搜集了大量的行为实验数据，这些实验数据测量了不同认知调控过程，包括工作记忆、反应抑制和学习，并将这些数据输入机器学习分类器。最终的分类结果与我们的预期不符：许多我们一度认为相互独立的认知功能被混合了起来，“形成了重叠的结构”。波尔德瑞克说道。目前，我们还没有针对这些结构的命名系统。此外，这些结构也可能与我们的意识体验没有直接的对应关系。

斯坦福大学的神经科学家拉塞尔·波尔德瑞克（Russell Poldrack）曾利用机器学习，对大规模的行为学数据进行分类。研究的分类结果并不与我们长久以来认同的认知功能分类一一对应。

另外一项来自波尔德瑞克同事的研究发现，用于测量知觉和记忆的任务“并没有真正测量不同的结构”，波尔德瑞克说道，“这代表知觉与记忆的类别并不准确。”他强调，这个结果并不代表“知觉”或“记忆”的分类是无用的。但“如果我们想要了解大脑如何进行加工，我们或许还需通过更加精确的方式来研究这些的认知功能。”

目前我们还无法明确的区分测试知觉和测试记忆的任务，或许代表这些认知定义“没有真正反映出心理的建构特征”，波尔德瑞克表示。

一些科学家反对这种观点。他们认为，即便我们知道视觉皮质不仅仅负责视觉加工，记忆网络不止负责记忆功能，也并不代表我们需要全盘否定认知功能的类别定义。但是“有时候过于广泛模糊的定义，可能对实验以及假设的建立造成极为不利的后果。”来自霍普金斯大学的神经科学家约翰·克拉考尔（John Krakauer）说道。

这种后果在情绪情感研究中尤为显著。

- Jon Han -

恐惧与困惑

约瑟夫·勒杜（Joseph LeDoux）是纽约大学的神经科学家，他因针对杏仁核的开拓性研究而知名。杏仁核常被称作大脑的恐惧中心，但这种定义不仅错误，还非常有害。“这些年来，人们常常称我为‘那个发现恐惧来自杏仁核的人’。”他说道，“我不喜欢这个称号。终于有一天，我觉得我受够了。”

勒杜在过去的几十年中一直强调，杏仁核并不负责生成恐惧。他指出，恐惧是我们对情境作出的一种认知解读，这是一种与记忆及其他功能紧密相连的主观体验。被许多人认作恐惧的心理现象，在另一些人中可能会出现截然相反的解读。研究显示，对恐惧的感受可能来自前额叶皮质，并与其他脑区有关。

而杏仁核与对威胁的处理以及反应有关。这是一种古老的，下意识的行为心理机能。“证据显示，行动的源头往往并非恐惧。”勒杜说道。

把杏仁核称为恐惧中心看似无害，但“这种说法会让杏仁核披上恐惧的语义外衣”。这样的误解可能影响药物研究的方向，这其中包括针对焦虑症的治疗药物。当我们在焦虑的动物身上测试研发中的药物时，倘若动物看起来更大胆了，或表现出更低水平的生理激起，我们就常常把它们的行为表现解读为焦虑或恐惧水平的降低。但另一种可能是，药物没有影响施用对象的焦虑水平，而只是影响了其受杏仁核调控的行为或心理表现。

“整个（药物开发）领域都为这种困惑所扰。”他说道。

他补充说，同样的问题还发生在其他领域中。比方说在知觉研究中，对感觉刺激的生理加工以及对这种加工的意识体验往往被混为一谈。勒杜相信这两种认知过程的研究都“继续我们厘清认知功能的定义”。

环境中的认知功能

但对不同大脑区域的划分还面临着更复杂的问题：研究发现，不同神经系统在认知功能中不是以“全或无”的方式运作的。有时候，处理对象也会影响系统对于功能的作用。

让我们以对经典“记忆”系统起到重要作用的皮质单元——内侧颞叶中的外嗅皮质（perirhinal cortex）为例。来自美国国立卫生研究院（NIMH）的伊丽莎白·默里（Elisabeth Murray）与同事们以人类及猴子作为被试，要求他们从一对相似的图片中选出想要的那一张。研究者操纵了任务中图片对之间的相似程度。

该研究发现，只有在图片对之间的相似度处于一定水平时，外嗅皮质才会激活；更高或更低的相似度下，外嗅皮质活动水平都与被试的任务表现无关。与之类似，研究发现，通常认为与视感觉相关的颞下皮质也在记忆任务中发挥作用，但该区域与记忆的相关性也由特定任务背景决定。

在同样曾在NIMH任职，如今已经退休的神经生物学家史蒂芬·怀斯（Steven Wise）看来，这些新发现意味着，与其去划分不同的皮质区域，并将各区域与相应的视觉、听觉、躯体感觉或执行功能联系起来，研究者更应该寻找各区域表征什么样的“信息组合”。一个神经区域可能负责表征一系列不同视觉特征，如橙色方块刺激中的“橙色”以及“正方形”特征。而其他的区域或许负责表征更加复杂的视觉、甚至听觉或数量感信息的特征组合。

怀斯认为，这种大脑组织方式也能解释近来研究中与经典心理活动地图相左的认知功能重合现象。倘若每个区域表征的都是特定信息组合，“在记忆、知觉、注意过程以及运动控制中，可能都运用了这种表征方式。”怀斯说道。

这也是为什么在穆里的知觉及记忆研究中，外嗅皮质仅仅有时发挥作用：随着图片对在每个任务中相似程度的变化，用以分辨图片的视觉特征组合也随之改变。

- Jon Han -

怀斯的表征框架只是代表了重构大脑组成结构的其中一种可能性。尽管研究者普遍认同目前的神经科学研究方式存在问题，但至于未来该如何改变，我们仍未能找到普遍认同的答案。

即便是思想更加激进的科学家们也认为目前的困境难以解决。“指出某种方法存在问题非常简单。真正困难的事情是考虑如何做出改变。”来自马里兰大学的神经科学家鲁伊兹·佩索阿（Luiz Pessoa）说道。“我时常猛然发现自己在使用我一直以来批判的词汇。可我们又怎么能做到完全规避使用像‘注意’、‘情绪’、‘动机’这样的经典词汇呢？”

蒙特利尔大学的神经科学家保罗·西塞克（Paul Cisek），通过有脊椎动物的演化进程在大脑中寻找心理活动分类。

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University of Montreal

许多研究者开始从演化的角度重塑我们熟悉的概念分类系统，来自蒙特利尔的西塞克是其中之一。在过去的五年中，他费尽周折，探索行为系统随着脊椎动物的演化而形成的分化。

“大脑中确实存在着功能性的细分。”他说道，“这种细分功能存在演化历史。如果我们能从历史中找到证据，就能更好的定义这些细分概念。”

西塞克的研究已经发现，对大脑活动的推倒重建能够解释为何基底神经节仅仅在某些特定的决策任务中发挥作用。“你会发现无论是‘决策’还是‘注意’，它们都不对应着大脑中的某种过程。”他说道，“大脑中存在着一些更加实用的环路，这些环路遵循的规则是‘执行’或‘规避’⋯⋯在某些任务中，它们可能看起来像是注意。”

- Jon Han -

布扎基的观点与之类似。“我们需要从大脑机制入手，进一步推演大脑机能。”他说道。举个例子，记忆、未来规划以及想象等认知功能都部分通过同一神经机制编码，从演化角度来看，这种现象是合理的：同一系统应当能够用于不同目的。“将所有的认知功能看作是同一种，或许更加有利。”他说道。

这种视角已经带来了许多发现。布扎基多年以来的研究关注尖波涟漪（sharp wave-ripples）。这是一种在海马体发现的大脑神经活动，与记忆的存储与提取相关。本月，曾在布扎基实验室工作的博士生大卫·廷利（David Tingley）与同事发现了该神经活动的另一种新功能：调控血糖水平。

一边是基础的代谢过程，而另一边是高水平的认知功能，“我们正在把道路的两个尽头连接起来。”布扎基说道。如今，他希望找到二者之间更加深层的连接，进一步揭示能够调节身体代谢的尖波涟漪是如何促进记忆形成的。

Don’t Panic !

除此之外，对于心理分类，我们还有别的探究方式。巴瑞特、佩索阿以及其他的研究者正在考虑将全脑神经活动与行为相连。“我们研究整个系统，尽管这个系统中的某些部分相互作用。”巴瑞特说道。我们可以把诸如记忆、知觉以及注意之类的功能性分类视作“大脑状态的特征。”

由于在早期研究的行为学数据中发现了许多违背直觉的发现，波尔德瑞克仍旧倾向于通过非模型、数据驱动的研究来寻找新的心理机能分类方式。他认为，与用来定义人工神经网络层级的简化数学描述类似，心理概念或许能够以计算模型的方式重新定义。

上述所有方法都存在着短板。“可你不是通过新方法能够回答哪些过去无法解释的问题来评判它们的。”巴瑞特说道，“真正重要的是：通过这些新方法，我们能够提出什么样的新问题。”

“不存在真正正确的方法。”她补充道，“只有更好的方法和更差的方法。”

波尔德瑞克赞成这种观点。“我不认为有谁想要告诉大家：别再用‘记忆’这样的旧定义了。”他说道。但想要真正了解大脑，我们或许需要挑战过去习以为常的理解——“就像我们曾经认为自己完全理解了世界的物理运作，直到量子理论向我们的理解提出挑战。”

另一个极为重要的考量是：新的框架最终能为我们带来什么。“我们或许会更了解大脑，但这些知识无法帮助我们了解自己。”克拉考尔说道。

他解释到，在研究大脑的运作方式时，我们真正想知道的是：当我们坠入爱河时，在我们相拥而泣时，大脑中发生了什么？他担忧的是，如果我们逐渐远离主观体验和熟悉的认知概念，我们最终获得的，会是《银河系漫游指南》（The Hitchhiker’s Guide to the Galaxy）中的终极答案“42”——如果我们不知晓真正的问题，答案于我们而言还有何意义？“这会是我们想要穷尽一生追寻的答案吗？”克拉考尔如此问道。

作者：Jordana Cepelewicz | 封面：Lenka Simeckova

翻译：山鸡 | 审校：阿莫東森 

编辑：山鸡 | 排版：北方

原文：www.quantamagazine.org/mental-phenomena-dont-map-into-the-brain-as-expected-20210824/