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对脑的探索：最近的前沿

工作日志：21世纪——脑科学

心身关系问题

中枢神经系统

神经元

大脑的解剖结构

大脑皮层

大脑皮层的各脑叶

感觉运动区

发现皮层功能

功能定位的早期研究

双半球记

裂脑研究

对于胼胝体完好者的认知研究

认知神经科学

认知心理学和认知神经科学

神经科学工具箱

脑电图描记器（EEG）

CT扫描

PET扫描

MRI和fMRI

MEG

TMS

微型CT扫描

采用造影技术进行的研究：一个采用PET的实例

思考题

1. 什么是心身关系问题？

2. 认知神经科学的基本原则是什么？

3. 神经科学与认知心理学之间有什么联系？

4. 辨识中枢神经系统的主要组成部分。

5. 描述脑的基本解剖结构和功能。

6. 早期对脑的研究如何阐述脑的功能定位？

7. 成像技术如何有助于理解心理学？

8. 对裂脑人的研究如何加深我们对大脑的理解？

神经系统和自动化机械在基本原则上是相似的，他们都是做决定的设备。

——诺伯特·维纳（Nobert Weiner）

大脑真的是一款设备吗？它能像引文中所告诉我们的那样，被当做是一种机械吗？在本章中，我们通过学习大脑和神经系统的结构和功能来探索这些议题。

认知神经科学是以脑为基础研究认知心理学的途径。人类总是好奇山的那一边有什么，峡谷深处有什么，江河又是从哪里起源的。过去，伟大的探险家们——哥伦布、刘易斯、克拉克和库克——曾经目睹了非同寻常的新事物。今天，科学家正在探索一块比地球地貌更为重要的领地，她隐秘得多，她高深莫测，不肯轻易透露自己的秘密。这个为认知神经科学家们所瞩目，并不断探索、发现着的地方，就是人类大脑这一复杂世界。

尽管大脑的球体表面积很大，而且错综复杂；它的尺寸很小（其豆腐状的物质仅重约3磅），但它的信息处理能力似乎是无穷的。简单地讲，在人脑中由神经元及其相互联结所组成的错综复杂的网络，构成了人类所知的最为复杂的系统。人脑对感觉信号进行运算分析的能力，以及对自身和世界万物理解的能力，复杂得令人难以置信。我们所体验的一切——从爱到恨，我们所做的一切，从击打垒球到弹奏吉他——都源自神经元的活动。让我们一起来探究这个奇妙的运算系统以及它的物质和功能特性吧。

同时，尽管人脑的大致形态已经在早先为人所知，但是关于人脑特定形态和功能的报道至今仍然频频出现在科学文献中。

对于人脑中新领域的探索极大程度上得益于造影技术，它使得我们能够透视颅骨这层坚固的屏障。如同古代的水手在海图上标注危险的海域、安全的礁湖和多发海难的暗礁那样，心灵的制图师也在绘制着各个脑区，这些脑区中执行着视觉处理、语义分析、听觉解析等各种各样的认知功能。本章要介绍的故事就是那些有关将我们引向认知神经科学现代研究的发现，虽然各种意义上来讲，对离我们最近的领域——大脑的许多方面仍有待研究。

大脑，最后最伟大的研究前沿……是宇宙中已知的最复杂的物质。

——詹姆斯·华生（James Watson）

日常生活中的认知

吸烟成瘾

我们每天都对大脑的构型和功能获得更多的知识。最近的研究（Naqvi, Rudrauf, Damaio, Bechara, 2007）表明大脑的某个特定部分（脑岛）可能导致了吸烟成瘾者想要吸烟的强烈冲动。研究者们偶然发现一个烟龄14年，每天吸烟40根的中风患者的病例。当他从中风状态苏醒过来后，他再也不想吸烟了。他从未决定说要“戒烟”，或有意识努力地去戒除。他的大脑替他戒了烟，因为中风对脑岛造成了损伤，而脑岛已被发现控制着有意识冲动。实际上，在此之前没人知道它对吸烟成瘾来讲也是如此关键的神经基础，以至于损伤会立即导致成瘾行为的终结。为证明他们的预感，他们研究了其他发生过类似中风的烟民，并且获得了类似的结果。虽然研究样本较小（N＝20），但这一发现有力地开辟了对大脑成瘾功能定位的理解，同时也为戒除成瘾行为的药物干涉提供了出发点。最后，它强调了戒除吸烟究竟为何如此困难。大脑已因吸烟行为而被改变了，而如果不损伤这块脑区，戒烟真的是一项难题。改变想法可能是一瞬间的事，然而改变大脑却很难（虽然也并非不可能）。

认知心理学领域中大多数激动人心的内容都源于一个交叉学科的新进展，它将认知心理学和神经科学联合起来，这就是认知神经科学。“认知神经科学”（Cognitive Neuroscience）这一科学领域的名称首创于20世纪70年代后期在纽约的一辆出租车后座上。当时，裂脑人研究的先驱迈克尔·加扎尼加（Michael Gazzaniga）正和伟大的认知心理学家乔治·米勒一起乘车前往一个晚餐会，来宾是洛克菲勒大学和康奈尔大学的科学家们，他们研究的是人脑如何使心灵运作……这是一个等待命名的主题。正是在乘坐出租车的途中，认知神经科学这一术语诞生了。在探讨认知神经科学的细节之前，让我们大致地考虑一个更大的问题，即认知神经科学如何适用于身心二元论，这个曾困扰了科学家和哲学家长达几个世纪之久、最近又被认知神经科学家们借助造影技术重新加以探究的问题。

心身关系问题

为了充分体会我们将要告诉你的故事，你需要先暂时放开眼前实在的信息，用一小会儿时间想象自己正置身于早期思想家和科学家的世界中。想象即便是那时最聪明的人也不清楚意识和身体如何相互作用，以及它们是两个不同的实体还是一个相同的实体。就让我们进入笛卡尔的世界。

现代社会日常生活中的一条反射弧。

哲学家的一个早期问题就是身体究竟是如何运动的。笛卡尔举例说，一个人把手伸进火堆而感受热能，然后几乎不需要思考就会把手缩回来。为什么身体会如此运作？这究竟是某种机械特征还是有意识的思考过程的一部分？

笛卡尔相信联结手和大脑的“细丝”启动了大脑，从而释放某种流体使手臂得以将手从火堆中缩回。他将这种“细丝”称为反射弧。虽然听上去或许有点可笑，笛卡尔的这个观点是基于当时的现代化机械产生的。在这一时期，巨大的布谷鸟钟正被制造出来，并且通过齿轮和弹簧运动，每到整点就会有小人从钟里吐出。水景园在当时同样流行，其中有类似人类的自动装置利用水力挥动手臂、摆动双腿。通过将这两种技术结合，笛卡尔认为我们的神经系统采用同样的运作模式也是合情合理的。

自从笛卡尔之后，哲学家们就沉浸到有关心身关系的问题中去了。我们现在知道，任何心理层面上（心）的事件同时也都是神经层面上（身）的。值得注意的是，我们人类同时存在于这两个世界中。

由物质构成的世界，其中的事物存在于特定的时空之中，例如岩石、数目、钟表和机械。这些事物具备物理特征，遵循物理法则，比如重力法则支配下落物体，离心力法则控制旋转物体。而对于生物来讲，它们同样包含神经科学法则，从而调节着神经冲动从一个神经元向另一个神经元的传递。虽然我们不能说身体和石头（或者树木）是同一类，但它处在物理世界（例如石头和树木）中，并且一些人认为身体在根本上就是区别于意识的。

心理的世界是由记忆、思想、观念、想象等构成的。它们也同样受到法则的支配，尽管有时候发现这些法则比发现那些物理世界的法则困难得多。

由于传统上，我们采用了不同的技术分别探寻这两个世界里的规律，很多哲学家和科学家认为它们之间存在根本差异，是相互独立的。二元对立的结论就是建立于这样的假设之上：一个世界关注的是物质的领域，或曰身体；而另一个世界的核心则是精神的领域，或曰心灵。心灵和身体的分离从直观上看是合理的，或者说是不证自明的。但是，这两个世界之间的相互作用也同样是不证自明的。你无法集中精神完成测验，原因可能在于昨晚的扑克聚会对你身体造成了物理性的损害。

心身问题仍无定论。有些科学哲学家认为，心灵的世界才是唯一真实的世界，而物质的世界只是一种幻象。与此相反，一些哲学家认为唯一真实的世界是物质的世界，而心灵归根结底是脑的功能。后一种立场频频遭到的批评在于它剥夺了人性中崇高的、理想主义的精神，例如将“爱”矮化为神经放电。

尽管二元论者相信心和身可以共存，他们仍然面临一个基本问题，即指明意识是如何连接向身体，而反过来又是如何。对于心身关系问题有许许多多的观点。我们谈及意识的时候究竟指什么？我们讨论的是那些由大脑完成的事，例如思考、将事物保存在记忆中、感知和做决定，还有认知系统赋予我们的更复杂的经验，例如爱、悲恸、谱曲和开玩笑。在这层意义上，意识是由大脑执行的加工构成的。

脑具有处于持续变动的状态之中的物质属性，它由神经元组成。脑从来不会完全静息，而是永远充满着电化学活动。然而，大脑的物理结构是相对稳定的。例如神经元网络，皮层的主要地标位置，与诸如感觉经验、运动控制和视觉等功能相关的脑区都很少发生变化。而脑中所发生的——脑的处理过程——则更易发生变化。心灵似乎比脑更加变化不定。我们可以迅速改变主意而无需脑的结构（构造）发生明显的变化，即使此时电化学传递的模式可能已产生了剧变。我们的意识中的观念可以迅速地从荒诞不经转向庄严崇高，从内心世界转向外层空间，从宗教圣事转向凡间琐事，所花的时间比阅读你现在看到的这句话还要短。是神经活动的物质变化导致了心灵的变化，当然，那些大脑基本的解剖学结构仍然稳定。

这种意识持续不断的动态变化常态启示了詹姆斯提出意识流的等价概念。然而，即使心灵活动看似多变，它们自身也有一致性。我们的一般思维模式、我们对宗教的态度、我们的雄心壮志、我们对家庭的看法等等，都是相当稳固的。随着我们读完本章，可以看到认知心理学和神经科学在几个世纪的争论之后，如何在人类智慧史上第一次对这一问题提出了一些既可信又可靠的见解。

我们已经知道中枢神经系统（central nervous system，CNS）是一套比细线和流体更复杂的系统。它由脊髓和脑组成。我们的讨论以脑为中心，尤其关注那些受神经机理启发而提出的认知模型所具有的结构和过程。

神经系统的基本单元是神经元（neuron），它是一种特异化的细胞，能够在整个神经系统中传递神经信息（图2.1）。人脑由密集排布的神经元构成。有些估算认为其数量达到1000亿的数量级（相当于银河系天体的数目）。其中的每一个都能够接收并传递神经冲动到有时多达数以千计的神经元那里，这比地球上和宇宙中任何已知的系统都更为复杂。每1立方英寸的大脑皮质含有大约1万英里长的神经纤维，它们将神经细胞联接起来（Blakemore, 1977）。图2.2展示的是人脑中神经元错综交织的图景。请将其与单个神经元的图示（图2.1）相比较，并指出轴突和树突的位置（图2.2）。每时每刻，都有大量的皮层神经元处于活动状态，通常认为知觉、思维、意识和记忆等认知功能，就是由于遍布这一复杂神经网络中的神经元同时活动而产生的。同时被激活的神经元的数目之庞大，以及支撑这一系统的基础构造之复杂，这些都是难以想象的。如果这就已经超乎我们想象（或难以想象神经元可以展开至10000英里，从而连接华盛顿和东京这样的距离），那再考虑一下大脑还有其他复杂的事物又该是多么难以想象！这里存在一个悖论：因为脑是如此的复杂，它可能永远都无法充分地理解它自身，无论我们多么地努力。那么认为我们最终能理解心理如何运作是否过于乐观了呢？或许是吧，但起码我们的确已对大脑的基础材料——神经元有了许多了解。

图2.1　神经元的基本类型。

图2.2　卡哈尔（Ramon y Cajal）对中枢神经系统的第一版画像，描绘了大脑中的5种神经元。

（A）浦肯野细胞；（D）星形细胞；（F）高尔基细胞；（H）颗粒细胞；（S）篮细胞轴突。

资料来源：Instituto de Neurobiologica参见“Ramon y Cajal”西班牙，马德里。

神经元

可能存在上千种不同类型的神经元（Kandel，Schwartz， Jessell，1991），每一种都在多个位点执行特定的功能。

4种神经元的主要部分如下所示（图2.3）。

图2.3　神经元的结构。

1. 树突（dentrites），从其他神经元处接收神经冲动。树突的分叉极多，就像树的枝桠。

2. 细胞体（cell body），主要负责“家务活”，它通过具有渗透性的细胞壁摄入营养物质并排出代谢废物。

3. 轴突（axon），一根长长的管状的传递通道，由这条通道，来自细胞体的信号通过称为突触的接合物传递给其他的细胞。脑部的轴突有的极为细微，有的可长达1米甚至更长。长的轴突外包裹着一层脂肪物质，称为髓鞘（myelin sheath），起到绝缘并加速神经冲动传递的作用。

4. 轴突止于突触前末梢（presynaptic terminals），它们处在其他神经元用来接收信号的树突表面附近。虽然并未直接连接，突触前末梢和其他神经元的树突组合并形成突触。

即便突触并非一种实际结构，它可能完成着最重要的工作之一，因为一种被称为神经递质的化学物质于此在不同神经元间交换化学信息。这种化学神经递质会改变接收神经元树突的极性或电位。神经递质（neurotransmitter）是一种作用于接收神经元的树突膜上的化学信号。一类神经递质具有易化作用，使得下游的神经元更容易被激发（图2.4）；另一类则具有抑制作用，使下游的神经元更不易被激发。目前，确认或疑似具有神经递质功能的化学物质已经超过100种。有的递质似乎执行普通功能，比如维持细胞实体的完整性；还有的递质（例如乙酰胆碱）可能与学习和记忆有关。

在人出生之时，并不是所有的突触联结都已发育完全，也不是所有的神经元都已髓鞘化（图2.5），然而，不会再有新的神经元生成了。换言之，你出生带有的神经元就是你终生可用的（并且随着自然老化或损伤，你也会失去其中一部分）。有人可能假设那样的话我们应该有能力生成新的树突来在神经元之间建立更多联结。实际上，这种可能也仅限于大约2岁前。因此，在成年人身上，突触的数目不再增加，此时每个细胞体和树突通常能够与大约1000个其他神经元建立突触联系，而每条轴突通常也能够与1000个其他神经元建立突触联系。

当然这种现象也并非没有反例。在20世纪90年代晚期，在非人灵长类实验动物上进行的神经发育的研究表明，灵长类的皮层是可以形成新神经元的。然而，更近的研究又表明这种新神经元的形成实际上并非普遍现象，并且可能仅发生在海马中。

神经冲动在轴突中传导的速度和轴突的长度有关。在最细小的轴突上，神经传递大约以每秒0.5米（约合每小时1英里）的速度缓慢前行，而在最粗大的轴突上，传导速度达每秒120米（约合每小时270英里）。与可以用数千倍速度传递信息的现代计算机处理器相比，这个传导速度非常慢。脑内总是活跃地进行着电化学活动，一个兴奋的神经元发放冲动的频率可高达每秒1000次。神经元发放的次数越多，它对突触下游细胞的作用就越大。

人类的知识并非编码于任何单一的神经元之中。人类认知被认为以大尺度的神经活动模式发生，这些活动遍布整个脑内，以并行方式运行，并通过易化性和抑制性联结或“开关”的方式来发挥作用。科学家们提出了许多不同的理论，其中包括赫布（Donald Hebb，1949）的颇有影响的理论，它们都强调了不同单元之间联结的强度问题。在一种联结主义模型的简化版本中，对于任何A和B之间形成突触的神经连接，如果A激活B会导致一个符合要求的结果（认知的或行为的均可），该连接的权重就会上升，并且未来A将有更多机会激活B。这一过程的意义在于不管A→B执行的是什么认知过程，它都是适应性的，并且我们希望它是能重复执行的。然而，如果结果不符合要求，连接的权重就会被降低，最终该结果被抑制。这些神经模型与并行分布式加工模型的基本假设相类似，这一点绝非巧合。

图2.4　突触传递。

一个神经元的轴突之中的神经递质受到神经冲动的激发而被释放到突触间隙。这些神经递质会激发镶嵌在突触后神经元细胞膜上的受体分子。

图2.5　从出生到2岁的神经网络。

一个人类婴儿在初生之时已经具备了几乎所有的神经元。但是神经元之间的联结持续增加，达到天文数字。这里显示了一个很小的实例。

大脑的解剖结构

早期解剖学家通过将动物和人类死后进行解剖来探索其身体结构和功能。剖开尸体后，他们能又快又容易地看到区分的结构，并且根据那些结构来推测功能。管状结构（比如肠或者血管）可能被推测用于输送物质。囊状结构（比如胃或者膀胱）可能被推测用于存储物质。这种对于尸体的早期探索为研究身体的结构和功能提供了丰富的信息。然而，早期的大脑科学家（当时以男性为主）也面临着一些挑战。打开颅骨后，最显而易见的就是大脑看起来是由左右两半构成，并且总体来讲都是些松软的沟回。而大脑深处也再没有坚硬的结构，并且很少有能简单确认的特征。那些可以与其他部位相区别开来的结构也不能立即提供其可推测的功能。然而，大量研究的确展示了一些独立的结构。

赫布（Donald O.Hebb，1904—1985）。

神经认知领域的早期研究者，他的一些基本观念在联结主义模型中常常用到。

进化过程将脑嵌入由骨质组成的坚如磐石的外壳里，用坚韧的被膜将其层层裹缚，再将其浸浴在脑脊液中。这些保护层使得科学家们极难直接观察人脑的活动。

——高尔顿·鲍尔（Gordon Bower）

脑可以被分为两个结构相似的部分，即左右大脑半球（cerebral hemispheres）。脑半球的表面覆盖着大脑皮层（cerebral cortex），这是一层薄薄的灰色黏稠物质，密布着神经元胞体和短而无髓鞘的轴突。大脑皮层只有约1.5至5毫米（1/4英寸）厚。因为它深深地卷曲盘绕着，其表面积比看上去的要大。褶皱之间突起的脊称为脑回（gyri，单数形式为gyrus），凹槽被称为脑沟（sulci，单数形式为sulcus）。深而明显的脑沟被称为脑裂（fissures）。如果将大脑皮层平铺开来，其面积将达到324平方英寸，大约相当于原来看上去的3倍。状似核桃的卷曲盘绕的大脑皮层，增加了脑的表面积而无需增加颅骨的大小，这是一种巧妙的生物学解决方法，使得人类这种动物能够保持自身的灵动，却不必顶着一颗硕大的头颅，从而增加了成活率。人类的思维、感觉、语言加工和其他认知功能正是发生在大脑皮层中。

人类大脑。

大脑皮层

在长达一个多世纪的时间里，大脑皮层一直是被关注的焦点，因为它似乎是思维和认知的所在。虽然脑的许多区域参与认知活动（知觉、记忆、问题解决、语言加工），但是大脑皮层这块充斥着细胞的薄板，通常就被称为“脑”，尽管我们必须注意，很多复杂而必需的身体机能和认知功能都依赖于脑的其余部分。

大脑皮层是进化过程中最晚出现的脑结构。一些生物，如鱼类，根本没有大脑皮层；另有一些动物，例如爬行类和鸟类，大脑皮层的复杂程度较低。另一方面，哺乳动物，例如犬类、牛马、猫类，尤其是灵长类，有着发展完善、结构复杂的大脑皮层。在人类身上，大脑皮层从事知觉、言语、复杂动作、思维、语言加工和生成等加工过程，使得我们与其他哺乳动物有所不同。

大脑皮层的脑叶

大脑皮层可通过主要的沟回而被划分成四个主要部分。这四个区域是额叶、颞叶、顶叶和枕叶（图2.6）。虽然各个脑叶与一些特定功能有关，但很可能有许多功能分散在大脑各个部分的。

额叶，负责冲动控制、判断、问题解决、行为的控制和执行以及复杂组织。

颞叶，加工声音信号、听觉、高水平的声音加工（说话）以及面孔识别。

顶叶，整合各个感觉传递而来的信息，客体的操纵，视觉空间加工。

枕叶，视觉加工，接收从视网膜而来的信息，将信息加工后传递到相关区域，也以纹状皮层著称。

感觉运动区

针对大脑运动区的科学研究工作可以追溯到19世纪，当时有些研究将电刺激作用于轻度麻醉的狗的大脑皮层各个区域，结果导致抽搐反应，比如对前额叶施以轻微的电流，可使前肢产生反射性的反应。这些早期研究发现，这些轻微的电流得到对侧加工。也就是说，感觉信息（例如你的手摸到兔子这一信号），从脊髓进入左侧躯体，交叉后最初由右半球进行加工。同样的，每个半球的运动区控制的也是对侧的躯体。后来的加拿大研究者潘菲尔德（Roger Penfield）也为大脑电刺激研究作出了贡献，他在手术前对病人施加轻微电流刺激，使得病人能口头报告出遗忘许久的记忆。紧接着是对包括人类在内的其他哺乳动物脑部的感觉和运动区域的绘制，从而产生了关于脑区形态大小与功能关系的概括性描述。一项功能越为重要，如浣熊前爪的操作功能（浣熊依靠前爪的运动来进食和筑巢），分配给该功能的大脑皮层区域就越大。比如说，与犬类相比，浣熊与前爪有关的大脑皮层区域就相对较大（Welker，Johnson， Pubols，1964。）对感觉区域的定位研究显示，精确地刺激区域的各个部分，会使得该处大脑皮层被激活，从而产生对侧肢体上相应的感觉体验。例如，刺激手部所对应的躯体感觉区域，会产生对侧手掌麻痒的感觉。与运动皮层的分配一样，诸如人类的舌头这样感觉功能富集的部位，所占据的感觉皮层区域就比较大。大脑结构总结参见下表。

图2.6　人类大脑皮层的主要分区。

这里显示了额叶、顶叶、枕叶和颞叶，还标示了初级运动皮层（灰色）和初级本体感觉皮层（深灰色），以及两个用于生成语词和理解言语的重要功能区域：涉及言语生成的布洛卡区（初级运动皮层前方）和涉及口语理解的威尔尼克区（感觉皮层后方）。

功能定位的早期研究

人们已经通过遭受损伤、肿瘤、脑出血、中风和其他伤病的患者了解了一些关于认知和大脑之间关系的知识。唉，最早将大脑与思维联系起来的方法几乎总是对最近亡故的人进行开颅检查，然后通过大脑异常来重构其行为。而如今，活生生并且功能健全的人通过执行特定的认知活动在展现大脑的哪个部分起了作用。这一话题留到之后再说，现在还是先看看早期发现的简要历史吧！

早期的学者认为脑与思想和知觉无关。例如，亚里士多德（Aristotle）就将这些功能归之于心脏。很久以后，一种被称为颅相学（phrenology）的伪科学坚称：品质、个性、知觉、智力等等都确切地定位于脑中（图2.7）。

图2.7　美国颅相学期刊（1848）封面。

颅相学家得到了神经学者早期科研证据的支持，后者发现一些大脑功能和特定区域有关。颅相学家也相信大脑就像肌肉一样是可以得到锻炼的。他们相信个体的性格、天资和情绪都可以通过检查颅相以及外部颅骨表面的凹陷进行测量。用他们的肌肉隐喻来说，高度开发的脑区会顶出颅骨，开发程度低的则导致谷底的出现。这些特定的区域决定了与其有关的性格特质。例如，哈伯德（Silas Hubbard）发现了对应意识和夫妻恩爱的隆起。许多颅相学家没有采用逻辑实证主义，而是片面强调先天—后天频谱上的后天方面。他们还相信如果你能通过颅相学辨别某人人格上的缺陷，那么你就能发展诸如正直的性格特征。该运动的一部分也在于强调改变环境能帮助儿童成为更好的成年人。

然而，虽然他们获得了一些支持，并且助推了大脑功能的定位（localization）研究，但颅相学作为一门科学的支持证据很少。颅相学（phrenology）装扮成一门科学，但终究未能得到标准科学研究的支持。这类研究通常被称为伪科学（pseudoscience），实际上指的就是虚假的科学。其他伪科学领域还包括芬芳疗法（用精油进行治疗）、颅骨测量学（宣传头部越大就越聪明）以及相面术（脸部特征可以告诉我们一些有关个体性格特征的信息）。最近，作为进化论的一种对立学说的智慧设计论是否也属于伪科学亦引起了激烈的争论。

最早关于功能定位的例子来自一位名叫盖奇（Phineas Gage）的患者。盖奇是一个铁路工长，负责用炸药为铺铁轨做准备。铁路工人用一个巨大的、被称为捣固铁钉的铁器。其诸多功用之一便是将炸药钻入岩石缝隙。一天，炸药爆炸，将捣固铁钉扎入盖奇的下颚，穿过他的额叶皮层并从另一边钻出颅骨一段距离后才停住。尽管盖奇最初在这场事故中活了下来已经是一个奇迹，但更令人震惊的还是随后他挺过了伤口感染，而且是在19世纪后期的医疗条件下活了下来。不过在事故发生前，盖奇被公认为是一位和善、正直的男子汉，然而事故后他变得对朋友和同事无礼而目中无人。这一案例使得早期科学家相信额叶负责控制人的性情。

额叶负责控制性情的这一观点催生了20世纪30年代称为精神外科学的实践。该流派受莫伊斯（Antonio Moice）研究发现摧毁猴子额叶部分区域会导致镇静效应的影响。在此基础上，弗里曼（Walter Freeman）和他的同事发展了对人类额叶进行精神外科手术的技术，从而将他们从不良行为（例如攻击性冲动）解放。这门技术又以额叶切除术（lobotomy）闻名，而弗里曼将他的手术技术改进为只需要将冰锥实实在在地从眼窝插入大脑后加以旋转，以此破坏额叶。

精神外科手术（psychosurgery）如今仍在一些非常罕见的病例中得到采用，来控制一些诸如强迫症、抑郁和严重癫痫的疾病。

一次前脑叶白质切除术。

弗里曼正在华盛顿州的西部州立医院进行手术，1949年7月。

显然，颅相学家和切除术医生把出发点弄错了。然而，在对大脑的功能定位感到好奇这一层面上，他们又是走在正确的道路上。法国神经学家弗洛伦斯（Pierre Flourens）就认为颅相学毫无意义，因此开始着手对其进行证伪。在研究中，他切除了大脑的一小部分，然后检查手术对行为的影响。他总结认为，运动和感知功能并非像其他学者所认为的那样可在一块特定领域简单定位，而是弥散在大脑其他部分的。大脑的创伤或损伤似乎同等地影响了所有高级功能。

这一观点后来被称为整合场理论（aggregate field theory），用来对抗定位学说，并支持大脑应被看作一个整体的器官来看待，而认知加工是遍布在各区域的。还有一种妥协观点，看起来与该领域的知识兼容性最佳，那就是一些心理属性是可以定位到特定区域或大脑内部的星座区域。这包括运动反应、感觉末梢、视觉和一些语言加工。然而许多功能——特别是高级认知加工，例如记忆、知觉、思维和问题解决——会被分解为遍布大脑各个区域的下属任务功能。

早期关于功能定位的支持证据可以追溯到19世纪。尤为重要的研究工作出自法国神经病学家布洛卡（Pierre Paul Broca）之手，他研究了失语症，这是一种语言障碍，患者难以讲话。这种病症通常见于中风患者。对失语症患者的脑部进行的死后检查，显示了一个脑区的损伤，该区现被称为布洛卡区（图2.8）。1876年，年轻的德国神经病学家威尔尼克（Karl Wernicke）描述了一种新的失语症，其特点不是不能言语，而是不能理解。事实上，患者的言语是流畅的，但是毫无意义。

“哇！这个不错！霍布斯，试试看——就刺激他脑子上我的手指所在的那个地方。”

威尔尼克赞同先前学者的看法，认为某些的心理功能确有定位，但是它们绝大多数仅限于简单的知觉和运动活动。诸如思维、记忆和理解等等复杂的心智过程则是感觉和运动区域的相互作用的结果。支持这一立场的证据在世纪之交出现了，当时西班牙生理学家圣地亚哥·雷蒙·卡哈尔（Santiago Ramón y Cajal）研究表明，构成神经系统的是离散的基本单元，又称为神经元。

图2.8　失语症和语言涉及的脑区。

过去曾经认为心灵是像马赛克一样的嵌合体（从概念上来看与颅相学的观点差别并不很大，只不过不需检验头颅上的隆起而已），如今取而代之的是联结主义的概念：复杂的认知功能可被理解为以神经元之间的连接网络的形式发生。威尔尼克更进而认为，一些功能是在脑部的不同区域以并行的方式进行的。威尔尼克关于脑及其功能的假说，对现今的认知心理学家来说相当重要。

拉什利（Karl Lashley，1890—1958）。

他创立了整体活动律。1929年担任美国心理学会（APA）主席。

照片由哈佛大学档案馆提供。

平行加工理论暗含了对信息的冗余加工，这看似浪费，并且有悖于动物体系都高效贯彻的节俭原则。然而，值得说明的是，复杂的生物系统通常都是冗余的。在生殖繁衍方面就是如此，生产的卵子的数目是实际受精的数目的许多倍，而且在很多物种中，繁殖出的后代数目远远大于实际发育成熟的数目。自然界的冗余现象似乎在生存与适应中具有核心作用。也许人类对神经信息的加工处理中的冗余现象和并行处理增加了我们得以生存繁衍的机率。思维，以及我们现今乐在其中的认知科学，都不过是这些原始功能的机缘巧合的副产品。

弗洛伦斯、布洛卡和威尔尼克关于脑与行为关系的理论，在哈佛大学的美国心理学家拉什利（Karl Lashley）那里得到了拓展。不过，拉什利并不关注人类的失语症，而关注大鼠学习的脑定位。在他颇具影响的著作《脑机制与智能》（Brain Mechanism and Intelligence，1929）中，拉什利表述了他对脑损伤与行为之间关系的兴趣，目的在于阐明功能的定位说与相对的均势说的问题。为了研究这一现象，他检验了大鼠脑损伤的情况，以确定对大鼠掌握复杂迷津的能力的影响。小范围的脑损毁不会对走迷津的成绩造成大的影响。由于没有哪个特定的区域看来与学习存在直接关联，拉什利断言，学习并不局限于特定的神经元。拉什利提出了一个称之为整体活动说（mass action）的理论，该理论淡化了单个神经元的重要性，而认为记忆可能遍布于整个脑。拉什利（1950）总结道：“没有哪个特定的细胞是为特定的记忆而预留的。”他的观点的重要之处在于提示了脑的运作是以整体而非区域化的方式。［大约与此同时，俄国学者鲁利亚（Alexander Luria）也逐渐发展了类似的理论。］这些发现似乎与潘菲尔德的大脑电刺激结论相悖，因此在随后的一场论战中推翻了潘菲尔德的结果。

最近关于记忆和血液活动（通常认为它反映了神经活动）的研究表明，一些记忆功能可能与脑的特定区域存在关联，但是也许没有精确到早期资料所示的程度（Penfield，1959）。这并非是说潘菲尔德的发现就必然是错误的，而是说其很难复现。我们现在相信，脑中包含着与特定功能（如运动反应）有关的区域，但是对此类信息的完全的加工处理也需要动用脑的其余部分。其他的功能（比如思维）则似乎广泛地遍布于整个大脑。对于读者而言或可明确的一点是，大脑既以功能定位形式，又以整体活动形式运作。

我们接下来检查一个有关大脑结构和加工过程的既有实验和临床研究的例子：

·　很多心理功能似乎定位于脑内的特定区域或区域集群，例如运动区和感觉区。然而，除了汇集这些功能的特定区域以外，进一步的加工处理可能发生于不同的地方。

·　很多高级心理功能（思维、学习、记忆等等）似乎涉及大脑皮层的若干个不同区域。对此类信息的神经加工过程是冗余性的，即此类信息遍布于整个大脑并在不同位置以并行方式进行处理。

·　对脑的损伤并不总是导致认知功能的衰减。这可能由于多种原因。首先，损伤可能发生于那些与认知功能仅仅存在微弱关联，或者执行冗余功能的脑区。另外，认知功能也可能由于那些完好的联结可以接管原来的功能，或通过某种方式加以重整以完成原来的任务，从而不受影响。

就像我们之前提到的那样，如果你移开人的颅骨，你将清楚地看到人脑分为两半，每一半约有拳头大小，它们就是大脑皮层的左右两半球。尽管这两个半球看似一模一样，但在功能上却差别很大。人类身上的这种差异为人所知已经有几百年了，而且在绝大多数哺乳动物和许多脊椎动物身上也观察到了这种差异。

关于脑的最早的文字记载是在公元前17世纪的古埃及象形文字中发现的。专指脑的象形文字左图所示。

根据杰出的埃及学家布莱斯泰德（James Breasted）的统计，在古代典籍中该词共出现了8次。其中一个出处见于现存在纽约医药研究院（the New York Academy of Medicine）珍本书库的“艾德温·史密斯外科典籍”（“The Edwin Smith Surgical Papyrus”）中，作者描述了两名遭受脑外伤的患者的症状、诊断和预后症状。早期的埃及人已经知道，脑的一侧损伤会导致对侧肢体运动失控。

对侧性的目的何在，目前尚未完全理解，但是它对下述理论颇有助益，即两个半球独立地执行不同的功能。关于大脑两半球的功能，在科学界（Kandel，Schwartz Jessell，1991；Kupferman，1981，Sperry，1982）和大众当中（Ornstein，1972）可谓众说纷纭。（有人甚至提出人们可以被划分为“右脑”或“左脑”思维者）

对侧性传导的临床证据最早是由古埃及人记录的，但是对于对侧功能的科学验证直到20世纪才出现。当时脑外科医生注意到，左半球的脑肿瘤和脑切除，与右半球相应病变所产生的效果并不相同。左半球的损伤导致了言语功能缺损，而右半球受损的病人则难以自行穿衣打扮。

斯佩里（Roger Sperry，1924—1994）。

诺贝尔奖获得者，开创了裂脑研究，开辟了一个新的研究领域，对脑科学具有深远意义。

功能非对称性的进一步现象出现于20世纪50年代，当时医生对患有严重癫痫病的患者采用的疗法是切除胼胝体（corpus callosum）——连接两半球的粗大的纤维束（Bogen Vogel，1962）。外科医生希望，切断脑的两个主要部分之间的联系，这种方法称为大脑联合部切开术（cerebral commissurotomy），可以将癫痫发作的影响限制在一个半球之内。显然，这种方法奏效了。（不过，这种激进的手术今天已经很少实施了）

裂脑研究

也是在20世纪50年代，加州理工学院的斯佩里在动物身上研究了所谓裂脑疗法的影响。该研究重点在于确定与每个半球存在关联的不同功能。特别有意义的是迈耶斯和斯佩里（Myers Sperry，1953）的发现：接受这种手术的猫，从其行为表现来看，似乎有两个大脑，每一个都能够独立地对信息加以注意、学习和记忆。

采用这种被称为大脑联合部切开术（cerebral commissurotomy）的方法，斯佩里和他的同事，特别是加扎尼加，得到一个天赐良机来研究接受这种手术的人类患者。在一项研究中（Gazzaniga，Bogen Sperry，1965），他们发现，在患者右手中放一个常见物体，如硬币或梳子，他能够用言语确认该物体，因为来自右侧肢体的信息交叉传导到了左半球，而那里是语言加工的中枢。然而，如果在左手中放一个常见物体，患者就无法用语言加以描述；他能够指出该物体，但是只能用左手。这是因为右侧脑能控制左手，但同时它只能辨别物体而无法说出其名字。

该小组和其他小组所进行的研究表明，左半球确实与语言、概念加工、分析和归类等特定功能有关。与右半球相关联的则是跨时间的信息整合，例如艺术与音乐、空间处理、脸与形状的再认，以及了解我们周围的城市道路以及穿衣打扮等等日常任务。这些发现倾向于支持功能定位的观点。然而，后续的研究工作表明，与先前的看法相比，右半球能够进行的言语加工比原来认为的更多，尤其是对书面语言。此外，较年轻的患者两个半球都表现出了充分发展的加工能力（Gazzaniga, 1983）。总体而言，这些观察结果表明，发育过程中的人脑具有相当的可塑性，并且脑功能并不像人们当初认为的那样截然分开，而是由不同区域和半球共同承担的。

试一试

眼动和脑半球的加工

试试这个小实验。要求一位朋友来回答这个问题：“所谓‘事实是对知识的删减’是什么意思？”你朋友的眼睛向右转动了吗？现在问“想象一下你的家并数一下有几扇窗户。”他的眼睛转向左边了吗？一般来说（尤其是在右利手的人当中）左半球功能的激活——与语言加工有关——往往伴随着右侧肢体的活动或者转向右侧，而右半球功能的激活——与视觉和（或）空间任务有关——往往伴随着左侧肢体的运动。

由于对大脑实施侵害性手术过于激进，科学家们找到其他方法探索大脑的功能，其中就包括大脑半球特异化研究。当前在大脑半球特异化的研究领域中，很多研究工作探讨的是视觉，其有一套独特的处理对侧信息的系统。请看与两半球相结合的视觉系统解剖结构（图2.9）。

视觉系统的独特结构使我们得以研究半球的特异性。每只眼睛都被构造成这样的效果：你读到的左侧视野的文字印到了视网膜的右侧，而右侧视野的文字则印到了视网膜左侧。这里我们再次看到了对侧化原则。该原则对双眼都通用（图2.9）。眼睛中的视网膜通过很长的轴突联结外侧膝状体核。后者是视觉系统的中间加工中心。每只眼睛左侧的轴突都联结大脑左半球，而相应的，右侧轴突都联结大脑右半球。在图2.9中也能看到，这种对侧化也导致一些视觉信息必须通过视交叉来到达其被分配到的半球。由于眼睛的左侧接收到的都是来自右侧视野的视觉信息，左半球加工的也都是右侧视野文字的信息。

图2.9　视觉通路。

注意在视交叉处每只眼睛的一些纤维交叉到对侧半球，而另一些不交叉。

图2.10　裂脑人研究采用的刺激和绘画。

Gazzaniga, M.S.（1998）

如果我们在电脑屏幕的一侧快速呈现刺激（一个物体），并且使其呈现比眼睛运动的还快，视觉信息就只会印照在视网膜一侧，并且传递到一个半球。如果对象在屏幕上呈现时间更长，眼睛就有机会运动，在双侧视网膜上捕获到图像，并且传递到双侧半球。我们能通过在眼睛运动之前去除图像刺激，使得只有一个半球获得了视觉信息。

如果胼胝体在裂脑手术中被切除了，右眼右侧视网膜侦测到的信息就会被“困”在右侧半球。类似的，左侧视网膜侦测到的信息也会被局限在大脑左半球。

那么，在接受裂脑手术后，信息交换的能力就此失去了吗？（图2.10）为了探求这一问题的答案，加扎尼加采用了上面提到的方法，向一名患者的一个半球快速闪现一张写有“弓”字（BOW）的卡片，向另一半球闪现“箭”字（ARROW）。由于患者画出了弓和箭，研究者就认为两半球仍然能够相互交流——尽管胼胝体已经被切断。这是怎么回事？研究者认为可能是由于患者能分别独立地绘出两幅画而无需意识到弓和箭之间的整合概念。如果采用两个在组合后会创造出全新对象的词，就能进行更好的检测了。例如，如果呈现给患者“天空”（SKY）和“锯子”（SCRAPER）两个词，分别画出两者说明信息并未整合起来，画出一栋摩天楼（SKYSCRAPER）则说明信息得到了整合。

图2.11　对接受结合部切开术的病人进行研究时所呈现的荒诞面孔（A）。

每个半球似乎记录了不同的信息：左半球（B）记录了男性面孔，右半球（C）记录了女性面孔。当按要求对面孔进行描述时，参与者的言语报告其为男性，但是当按要求从若干面孔图片中将其选出时，参与者选出的是女性面孔。

当这样的两个词分别呈现给患者的不同侧半球，其所绘出的结果是两个分离的物体（即天空和锯子）。接下来的问题就是，这种整合能力是必须依赖于两侧半球的交流还是单侧半球也能自行整合信息呢？研究者们将形同“冰块”（ICE）和“奶油”（CREAM）的词只呈现给右半球，而参与者用左手绘出了冰激凌蛋卷而不是冰块和一杯奶油。

列维等（Levy, Trevarthen Sperry，1972）令人印象深刻地展示了大脑半球的双侧自然特性。在他们的实验中，裂脑患者被要求盯着屏幕中央的注视点，随后呈现一张由左侧是男性的脸而右侧是女性的脸合成的图片。合成后的图片在屏幕上快速闪现（图2.11）。

参与者没有报告这幅合成图有什么异常，尽管每个半球分别知觉到了一个不同的面孔。当被要求对面孔进行描述时，参与者用语言描述的是一张男性的面孔，证明语言信息中心位于左脑。然而，当被要求从一组照片中选出该面孔时，参与者选出的是女性面孔，说明图像信息中心位于右脑（Bradshaw Nettleton, 1981；Springer Deutsch, 1984）。很明显，两侧半球具有偏侧性，并且失去胼胝体的帮助后，偏侧化的能力无法被对侧半球所运用。

对于胼胝体完好者的认知研究

由于视觉加工涉及奇异的神经通路，可以对胼胝体完好的参与者进行偏侧优势实验。很显然，招募未受损伤的参与者要比寻找接受过联合部切开术的参与者要容易得多，因此，针对此类参与者群体进行了大量的认知实验。而且，研究方法也相对简单直接，仪器设备也是常规的。一般地，先根据优势手筛选参与者，因为有时左利手参与者语言区位于右脑，因此他们通常被排除在此类研究之外。之后还会根据性别筛选参与者，因为已经知道女性的胼胝体更厚，有利于大脑两半球交换信息，因此她们也经常被排除在此类研究之外。也就是说该研究天然的限制只给我们留下了男性右利手参与者。实验时要求其注视呈现在电脑屏幕或速示仪上的一个中心观察点，接着在注视点的左侧或右侧，短暂地呈现一个单词、色块或其他类型的视觉刺激。呈现在注视点右侧的信息交叉传递到左侧半球，注视点左侧的信息则传递到右半球。随后通常要求参与者就视觉信息进行一些决策（例如，是一个单词吗？），并记录其反应时间。这种实验设计的基本原理是，如果信息“投”到了某个合适的半球，那么获取该信息就比较快；如果信息起初“投”到了“错误的”半球，就必须辗转传递到“正确的”那个半球以接受加工，而这也要耗费时间。需要指出的是，这类实验中涉及的时间实在是非常短暂，50毫秒的时间差就已经被认为很长了。

研究者已经成功地运用了向左视野（visual field）或右视野短时呈现刺激的方式来对信息加工进行评价。总体而言，这些发现确实证明，左脑擅长处理字词，右脑擅长处理面孔和线条。其他研究则揭示了性别差异（Boles，1984）、听觉处理的差异（Ivry Lebby，1993）、持续性视觉注意过程的差异（Whitehead，1991）、原型形成过程中的差异（Rees，Kim Solso，1993）以及优势手方面的差异（Annett，1982）。这些研究也表明，不同类型的视觉刺激对于左右半球会产生不同的影响（Boles，1987）。

偏侧性的适应性功能始终如一地出现（尤其在人类中），然而这一事实的原因却不是那么清楚。科巴里斯（Corballis，1989）提出了一个引人注目的假设，认为这一现象可以归结于进化的原理：人类的进化史揭示了右利手、工具的使用和左脑的语言运用机制的发展，均始于两三百万年前的原始人类，并为更复杂的功能的发展创造了条件。科巴里斯写道：“大约150万年前，随着具有更大的脑容量的直立人（H.erectus）的出现，工具的使用变得更加复杂。然而，真正灵活运用工具的能力以及像现代人类那样灵活的语言的能力，可能直到距今约15万年前才发展出来，当时智人（H.sapiens）出现于非洲，并随后繁衍遍布全球”（p.499）。根据科巴里斯的看法，半球特异化可能与思维的灵活性和生成能力有关，生成能力亦即运用规则将基本元素加以组合而创造出新的联合体的能力——不管生成的是单词、句子还是更为复杂的工具。生成能力可能为人类所独有，并且与大脑左半球有关。科巴里斯的理论很吸引人，但是应该结合对黑猩猩和类人猿的语言加工和工具运用的研究（Gardner Gardner，1969）对其加以评价。该领域的进展值得关注。

尽管关于两半球差异的实验给人留下了深刻印象，但是仍需要在更大的背景下对它们加以考察。虽然大量细致周详的实验和验证都表明，一些功能定位于大脑皮层的特定区域，但是大脑加工过程也很可能遍布于脑的其余部分。即使就半球特异化这一点而言，大脑似乎也是作为一个整体的器官而运行的。需要指出的是，这里所报道的很多研究范式所用到的参与者都被切断了胼胝体，其实验设计的目的也是为了验证人脑的双侧分工特性。而在正常人身上，联结组织完好无损，两个半球之间协调运作，相互之间进行着大量的“沟通”。

之前提到的这些关于白质切除术、颅相学和功能定位的早期研究是现代认知神经科学的先驱。神经科学家是一群研究神经科学，包括神经解剖学、神经生理学、脑功能以及相关的心理学和计算机模型等分支学科的科学家。由于他们的努力，诸如记忆类型和语言加工之类的假设性的构想不再难以捉摸，而似乎与神经生理学具有特定的关联。此外，当脑的微观结构被看作神经网络时，它似乎与人类记忆、知觉、问题解决等认知活动中的重大成分存在关联。某种意义上来讲，认知神经科学是可以进一步探索由来已经的身心问题的一个根据地。就好像南加利福尼亚州大学的汤普逊（Richard Thompson）所说的那样，认知神经科学是“神经科学与认知科学的自然联姻——宽泛地讲，就是研究大脑和心灵的学科”（Thompson，2000，p.411）。

也许在后代看来，这种对大脑皮层神经活动的粗略描述以及对应的同样粗略的对思维的分类只是一种初步的尝试，即试图运用两个原本互不相干的学科的知识来理解人类认知的核心机理。然而，这种早期的工作将作为认知心理学和神经科学的转折点而被人们铭记在心，对于当代从事认知科学的学生们来说激动人心的是，他们将有幸亲眼目睹，甚至亲手创建一门研究心灵的崭新的学科。生活在这样的时代真是美妙绝伦！

认知神经科学的任务是对大脑进行反向工程：将它的计算建筑分解成功能上独立的信息加工单元，并且确定这些单元如何以计算的和物理的形式运转。

——考斯米德和托比

两个领域在这场称为认知神经科学的联姻中分别获得了什么？他们对彼此究竟有什么助益？当代的心理学家运用神经科学领域的信息和技术，神经科学家也运用认知心理学的信息和技术，这么做有几个理由：

·　需要为心灵的理论构想探寻物理上的证据。对人类心灵特性的探索甚至可以回溯到人类历史的起点，但是这种探索因为用以支持其观点的证据本身贫乏无力而频频遭遇挫折。精密设备的开发，使得人们能够从物质层面上确定重要的心理过程的存在，比如语言、知觉、形状识别、思维、记忆以及其他的认知功能。

·　神经科学家需要将他们的发现与对脑和认知的更全面的理论模型联系起来。即使能够确认神经的功能的所有细枝末节，单凭这些还是不能使我们了解神经网络和神经系统的属性，而这些知识是理解认知事件，理解我们人类如何完成各种无论琐碎还是重要的日常活动所不可或缺的。

·　临床上试图探寻脑的病理机制和行为之间的关联。多少年来，神经病学家一直都想了解脑部的外伤、损伤、梗塞、血栓和肿瘤是以怎样的方式来影响行为的，以及应该采用什么样的方法来缓解有关的症状。要解决这些问题，需要对脑的机能和心理学有确切的理解。反过来，想要用心理疗法治疗遭受器质性损伤的病人的心理学家需要更好地理解此类问题行为的生理病因。

·　神经科学层面上的功能越来越多地参与到心灵的理论模型中。认知心理学家尤其对平行分布式加工（PDP，又称为联结主义或神经网络系统）感兴趣，他们所关注的就是寻找与神经科学层面的结构和功能相一致的心理学模型。

·　一些计算机科学家试图通过开发与人脑的运行方式相类似的计算机来模拟人类的认知和智能。这种解决脑和计算机问题的方法有时被称为神经网络构造法。其中的一个分支领域是感知器，它是用计算机的构造来模拟神经网络。“感知器”这个词最早于1957年被一位康奈尔航空实验室的科学家罗森布拉特（Frank Rosenblatt）使用。他也建造了最早的神经网络之一。这些计算机的构造和功能的进展取决于对脑的构造和功能有详尽的理解。

·　技术的进步使得科学家能够深入探究人脑内部并揭示出先前闻所未闻的结构和过程。包括正电子射线断层扫描技术（PET），计算机辅助轴向断层扫描技术（CT）、磁共振成像技术（MRI）和脑电图技术（EEG）。由于计算机技术和大脑扫描技术的进展，运用这些基本上非侵入式的工具成为了可能。

理解我们的祖先所面临的适应性问题可以指引我们搜寻用来解决它们的认知模型，以及那些认知策略背后的神经基础。有四个问题可以用来考虑将认知心理学和认知神经科学绑定在一起的重要性（Cosmides Tooby，1997）：（1）大脑中用来控制特定类型认知功能的神经环路在哪儿？（2）什么类型的信息得到这些环路的加工？（3）这些环路具体表现为什么类型的认知策略？（4）这些神经环路（和其所导致的认知功能）在捕猎者群聚的环境中实现什么功能？这些问题可用来驱使我们思考认知的神经生理基础是通过自然选择形成的，并且因此一定是用来为解决我们祖先所面临的困难而服务的。

这一部分用来提供一些非常复杂的技术的基础信息。我们希望你在读完后能清楚地知道每种技术提供给研究者什么类型的信息。你将能在整本书中利用这种基础的知识辅助理解，学习本章随后介绍的研究发现。表2.1总结了这些技术。

表2.1　神经科学家的工具箱

50年前，神经学家只能采用屈指可数的几种工具和技术对人脑进行直接的观察和探索。其中包括组织切除、电极探针、脑电记录、死后检验和动物研究等。另一方面，心理学家发明了一整套的技术用以揭示心灵的奥秘，例如短暂地呈现刺激并测量反应时间。然而，最近发明的新仪器，大大加速了我们对脑的理解，并且就我们的领域来说，催生了一代新型科学家，他们一半是神经科学家，一半是认知心理学家。新的技术原本是用以诊断脑部病症的，但现在它变成了极有价值的研究工具。这些方法已经在人类的认知研究中产生了重要的新发现，并且已被证明是未来认知科学研究中不可或缺的组成部分。

脑电图描记器（EEG）

脑电图描记技术（Electroencephalography）通过放置在头皮上的电极，记录来自脑部的电信号。这些电极接收电信号并将它们发送到检测信号的仪器中，检测仪进而和“绘图笔”相连，后者将信号描记在连续移动的记录纸上。这是一种最古老的探测脑的技术，在20世纪20年代由伯杰（Hans Berger）发明。脑电图谱可以向我们展示脑花费多少时间来处理刺激，但是它们无法展示脑的构造、解剖特点和功能区域。

圣弗朗西斯科脑电系统实验室的歌汶思（Alan Gevins）及其同事开发了一种“超级”脑电系统，称为精神活动网络扫描器（Mental Activity Network Scanner，MANSCAN），它每秒钟可以记录多达250幅大脑活动图像。脑电描记也快如闪电——仅需千分之一秒，这与其他造影技术相比是真正的优势，那些技术有时需要许多秒才能摄取一幅图像。

采用类似于图2.12所示的那种设备，许多此类新技术允许我们用多种方法观察脑。在此类过程中，患者被置于扫描设备的中央，这些设备记录头颅内部或身体其他部分的影像。扫描过程会生成一幅脑部或身体其他部分的剖面图。该影像首先由电脑加以放大，而后用色彩进行编码，最后显示在电脑屏幕上。研究者通常会拍摄下屏幕内容或将其打印出来。广泛应用的脑扫描技术主要有：计算机辅助轴向断层扫描技术（CT）、正电子发射断层扫描技术（PET）、磁共振成像技术（MRI）和脑磁图（MEG）。

CT扫描

计算机辅助轴向断层扫描技术（Computed axial tomography），是采用计算机从平面（两维的）的X射线图像生成三维影像的方法。CT扫描也可以提供显示脑部结构的静态影像。扫描时，仪器围绕头部转动，用很窄的扇形X光束照射头部（图2.12B）。在波束光源的对侧有灵敏的探测器记录。这一过程和传统的X射线检查不同，后者只对身体某部分提供单一的视角。还有，采用传统的X射线，较大的微粒（如颅骨中的钙质）会吸收射线波束，而部分地遮蔽了后面的器官。CT扫描将X射线波束进行180度的旋转，对同一器官摄取大量“图像”，并生成内部的断层，或曰“切片”。这种图像式的断层称为断层图（从字面上看，即“对横断面的描绘”），它在医学诊断中已经变得至关重要了。有一种更为精密的CT技术，即动态空间重构仪（the dynamic spatial reconstructor，DSR），可以用三维空间的方式显示内部结构。CT技术的一大优势在于它的普遍适用性。在20世纪90年代中期，有超过10000台CT扫描机在美国的医院投入使用。此外，最新科技已经解决了这一技术中的一个问题。它的时间分辨率，即所谓快门速度，过去约为1秒，致使动态的过程（甚至心脏跳动）显得模糊不清。现在，已经开发了一种超快型的CT扫描机，其处理速度大大加快，先前模糊不清的影像现在也变得清晰了。

图2.12　脑部扫描技术

A.　获取脑部扫描的视频显示的总体流程。

B.　CT扫描技术，采用低密度X射线束对脑部进行扫描。

C.　PET扫描技术，通过外围感受器探测放射性示踪素。

PET扫描

正电子发射断层扫描技术（Positron emission tomography）对脑部所消耗的葡萄糖进行扫描。PET扫描与CT扫描的不同之处在于它采用探测器来测量血流中的放射性粒子，从而测量区域大脑血流量（rCBF）如图2.13。脑部活跃的部分需要更多的血流，因而有更多的放射性示踪素汇集于脑部正在运作的区域。示踪素会发射射线，射线能够被转化为可视的图谱。计算机将有关葡萄糖吸收量的数据进行编码，在一张颜色编码的“脑图”上显示不同的活动水平。红色通常表示该区域活动水平较高，蓝色则通常意味着较低的活动水平。PET扫描技术在认知神经心理学领域具有特殊的应用价值。在瑞典的兰德大学，科学家里斯伯格（Jarl Risberg）等（见Lassen, Ingvar, Skinhoj, 1979）与彼得森（Steve Petersen）等合作，开创了在认知心理学研究中运用PET扫描技术的先河（Posner, Petersen, Fox, Raichle，1988）。PET技术比CT技术更为昂贵，一些PET研究的进展主要在于诸如血液的追踪物质的类型上，早期研究基于注射放射性同位素。如今，一种新的同位素被用于静脉注射，即可获得高分辨率的“脑图”（Risberg，1987，1989；Tulving，1989a，1989b），从而为研究者收集认知数据开辟了相当广阔的天地。

图2.13　脑部血流提供了功能性MRI和PET所探测的信号。

当静息状态的神经元（上图）变得活跃时（下图），流向它们的血流增加。MRI（左图）探测的是含氧量的变化，当细胞激活时周围血管中的含氧量会升高。PET（右图）的依据是注射的放射性水流量的增加。这些水分会从血管中扩散开来，抵达脑部的所有地方。

Raichle，Scientific American, April 1994. Reprinted with permission from Jared Schneidman Design.

MRI和fMRI

磁共振成像扫描技术（Magnetic resonance imaging）可以提供脑结构的静态影像。MRI技术将身体置于非常强大的电磁场中，磁场使水中氢原子的原子核进行重新排列。通过测量，就能够推断氢原子密度以及它们和周围组织的相互作用的变化。由于氢反映了含水量，因此可以将MRI用于诊断和研究之目的。迄今为止，这一技术的一个主要的不足之处在于采用MRI生成影像所需时间较长。过去，因为需要很长的曝光时间，这种技术只可用于观察静态的生理结构，而对于与认知有关的迅速变化的功能，它几乎毫无用处。现在采用高性能的数据收集技术，使仅仅在30毫秒之内获取一幅图像成为可能，这样的速度足以记录快速活动的认知功能了。fMRI（功能性磁共振成像，functional magnetic resonance imaging）可以检测脑部活跃区域血流量的增加，从而既展现结构又展现功能。

MEG

MEG，又称为脑磁描记法（magnetoencephalography），采用一种从头部外围通过探测脑活动所产生的微弱磁场的仪器，来测量脑部的活动。MEG可以产生脑的活动地图或功能影像。在所有的脑部扫描方法中，MEG对神经细胞活动的解析度最为精确（达到毫秒级）。

TMS

一种称为穿颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation, TMS）的新技术，可以与EEG或MEG结合使用，以估计脑电活动的改变对知觉和思维的影响。一个磁性刺激由置于头部的棒体在很短的时间内定位到脑部特定的部位。这一刺激会改变神经功能，这种对脑功能的影响可在EEG或MEG的输出结果中被观察到，同时也可以在参与者当时正在进行的认知或知觉任务上的反应中体现出来。

微型CT扫描

最新的CT成像技术被称为X射线微型断层扫描技术。这种基础在微观尺度上用CT进行扫描，并且可以对非常小的结构（5毫米的鱼化石眼球，内耳的微小结构，人类臼齿根的结构，Uzon, Curthoys, Jones, 2006）形成立体影像。该技术的全面应用尚待时日。

采用造影技术进行的研究：一个采用PET的实例

认知心理学家特别感兴趣的是在记忆研究中采用皮层血流图示。正如你记得的那样，PET和fMRI测量血流量。塔尔文（Tulving）一直致力于发展一种记忆理论，该理论假定存在两种截然不同的记忆类型：情节记忆（对个人事件的记忆）和语义记忆（对一般知识的记忆），分别是关于个人事件的记忆和一般知识的记忆。在塔尔文的一项关于两类记忆的实验中（Tulving, 1989b），参与者需要先无声地思考一件生活中的事件（情节记忆），然后思考一些普遍性的事物。该研究采用PET扫描技术，还记得PET是通过将追踪物质注射入参与者血流吧！虽然完整诠释这些扫描结果需要一些专门知识，一般人也能大致看出血流模式的不同。这意味着大脑不同区域相关的神经活动增加了。基本上，似乎在情节（个人）信息的提取中大脑皮层前部区域激活程度较大，而在语义（一般性）信息的提取中后部区域的激活程度较大。虽然在做出确定无疑的理论陈述之前，还需要进行进一步的研究工作，但是我们似乎有把握断言，情节记忆和语义记忆系统涉及不同的脑加工过程，而且每一种都有各自的位置。这进一步意味着我们也许具有多重记忆系统。这种观察结果也符合脑损伤和情节记忆的并发性遗忘的病理学研究结果（Milner，Petrides Smith，1985；以及Schacter，1987）。

在另一项旨在发现认知过程和脑活动之间的直接联系的研究中，波斯纳、彼得森和他们在华盛顿大学麦当奈尔高级脑功能研究中心的同事们进行了一系列意义重大的实验，研究正常、健康的脑对单词的加工处理。采用PET扫描仪，彼得森等人（Petersen, Fox, Posner, Mintun, Raichle, 1988）在参与者体内注射了半衰期很短的放射性同位素，以追踪脑部的血流量。在该组的一项实验中，参与者要经历四个阶段：（1）休息阶段，（2）在屏幕上呈现一个单词，（3）大声地读出该单词，（4）想出该单词的一个用法（图2.14）。每一个阶段都产生了各自的激活模式，从而让研究者得以对看到、说出和想象词语有关的不同认知功能进行定位。该研究也提供了整体加工的证据，因为单词加工需要用到一大片脑区（也就是说大脑中没有一个小的“单词点”）。当参与者看屏幕上的单词，枕叶皮层被激活了；当他听到单词，皮层的中央部分被激活了；当他念出一个单词，运动区被激活了；而当他要想出单词的相关用语（例如，如果出现了单词“蛋糕”，那么参与者理应生成一个与其有关的动词，例如“吃”），其联合激活了一大片区域，当然，也发现其他一些皮层各区域的普遍激活。

图2.14　单词是在大脑相同部位被加工的吗？

根据单词加工的PET研究，并非如此。当给参与者看单词时，枕叶区域一些部分被激活（A）。当他们聆听单词时，颞上回皮层被激活（B）；当他们说话时，初级运动皮层的一些部分被激活（C）；而当他们生成动词时，额叶和颞中回皮层参与其中（D）（Petersen et al.，1988）。

斯蒂文·彼得森（Steven Petersen）。

与华盛顿大学（圣路易斯分校）的同事们一起，彼得森在PET和认知过程领域进行了开创性的研究工作。

点播台

对面孔的适应

虽然认知神经科学技术已出现一段时间，我们目前有关大脑和认知的了解很多还是来自现代造影技术广泛使用之前。在20世纪早期，研究者采用适应法帮助发现大脑的生理工作机制。吉布森等（Gibson Radner，1937）采用斜线来展示“倾斜后效”现象——当观察者注视一根非垂直的直线（如“\”），一段时间后，观察者被发现进入了一种适应状态，即他们发现真正的直线（如“|”）由于和之前注视过的斜线看起来方向不一样而显得也是倾斜的（如“/”）。吉布森用这一发现宣称存在用于给直线方向“调谐”的神经基础。赫布和韦塞尔（Hubel Weisel，1968）随后采用单细胞记录来定位猫的视觉皮层中的这些方向特异性细胞。适应现象产生的一种理论解释是：神经元特异性地被调整向适应性刺激的方向，并且因此变得疲劳。而此时垂直直线出现就会导致未疲劳的神经元“过度激活”，造成其向反方向倾斜的知觉。类似的结果也被发现于运动和颜色特异的神经元等等。采用适应方法，研究者了解了相当多的知觉和认知现象。而像面孔这样复杂客体之前通常被认为是不可能产生适应现象的，然而我们的大脑中又确实有专门用于识别面孔的区域（Maclin Webster, 2001）。研究者于是采用适应法检查了对性别和种族的脸部的神经元特异性（Ng, Claramitaro, Anstis, Boynton, Fine, 2006）。为了展现脸部的适应性如何起效，请盯着下面的三张脸看一会儿。两张脸来自美国政治家，而剩下的是两张脸的合成。如果你盯着乔治·布什总统的脸看几分钟，中间的合成脸会显得像约翰·克里。这可能是由于负责辨认布什总统的细胞产生了疲劳，因此当你看向合成脸，只有那些用于辨认克里的细胞充分发挥了作用。

学习指引

1. 几个世纪以来，人们对于心身关系问题一直争论不休。心灵这一术语指的是身体尤其是脑的功能。

2. 采用局部脑血流（rCBF）研究技术，塔尔文发现脑部某些特定的区域在情节记忆加工过程中表现活跃，另一些区域在语义记忆加工过程中表现活跃。

3. 认知神经科学是研究认知心理学和神经科学之间关系的学科。心理学和神经科学之间的联合有诸多理由。其中包括需要为心灵的理论特性寻找物理上的证据，神经科学家需要探寻脑与行为的更为全面的理论模型，需要探寻脑病变与行为之间的关系。越来越多地运用在神经科学的启发下提出的认知科学理论模型，以及新技术的开发，使我们能够更加清晰地描绘脑的结构。

4. 神经系统的基本构成单位是神经元，它的基本组成部分包括树突、细胞体、轴突，以及进行神经传递的突触联结。

5. 神经学家长期以来一直争论脑的功能能否归结于特定位置。结论是，一些粗略的功能是存在定位的（如言语），但是一般来说功能都遍布于整个大脑。

6. 最近，脑科学家已经开发出了一些技术，能够以高分辨率的图形描绘脑的活动。这些技术包括MRI、PET、CT扫描以及其他成像方法。

7. 裂脑研究和认知研究已经表明，右脑的信息加工不同于左脑。

关键词

aggregate field theory整合场理论

axon轴突

cell body细胞体

central nervous system中枢神经系统

cerebral commissurotomy大脑联合部切开术

cerebral cortex大脑皮层

cerebral hemispheres大脑半球

cognitive neuroscience认知神经科学

Computed Axial Tomography计算机辅助轴向断层扫描技术

countralaterality对侧性

corpus callosum胼胝体

dentrites树突

electroencephalography（EEG）脑电图

fissures脑裂

frontal lobe额叶

gyri/gyrus脑回

lobotomy白质切除术

localization定位说

magnetic resonance imagery（MRI）磁共振成像扫描技术

magnetoencephalography（MEG）脑磁描记法

mass action整体活动说

mind-body issue心身关系问题

neurogenesis神经发育

neuron神经元

neurotransmission神经传递

neurotransmitters神经递质

occipital lobe枕叶

parietal lobe顶叶

phrenology颅相学

positron emission tomography（PET）正电子发射断层扫描技术

presynaptic terminals突触前端

pseudoscience伪科学

psychosurgery精神外科手术

reflec arc反射弧

sulci/sulcus脑沟

synapse突触

temporal lobe颞叶

transcranial magnetic stimulation（TMS）穿颅磁刺激

vsual field视野

新起点

推荐读物

·　神经认知学相对较新，一些最好的参考资料可以在当前的期刊上找到，相关的期刊包括《科学，大脑与行为科学》（Science, Brain and Behavioral Sciences），《皮层》（Cortex），《神经生理学》（Journal of Neurophysiology），《心理生物学》（Psychobiology），《自然》（Nature），《大脑》（Brain）以及《大脑与认知》（Brain and Cognition）等等。Coballis的论文“双侧分工和人类的进化”（Laterality and Human Evolution）刊登于1989年的《心理学评论》（Psychological Review），Land　和Fernald的论文刊登于《神经科学评论年刊》（Annual Review of Neuroscience），第15卷。

·　一些受到关注的著作包括Restak的《心智》（The Mind），Blakemore的《心智的机制》（Mechanics of the Mind），Ornstein的《意识心理学》（The Psychology of Consciousness），以及Benson和Zaidel编著的《二元的大脑：人类大脑两半球的特异性》（The Dual Brain: Hemispheric Specialization in Humans）。更为专业化但强烈推荐的书有Kandel、Schwartz和Jessell的《神经科学原理》（Principles of Neural Science）第3版，Thompson的《大脑：神经科学入门》（The Brain: A Neuroscience Primer）第2版，Squire和Butters编著的《记忆的神经心理学》（Neuropsychology of Memory），以及Gazzaniga的皇皇巨著《认知神经科学》（The Cognitive Neurosciences）。在Gazzaniga编著的书别有趣的是Tulving撰写的关于记忆的章节，Schacter撰写的关于意识的章节，Pinker撰写的关于语言的章节，Kosslyn撰写的关于思维和想象的章节，以及Posner撰写的关于注意的章节。

电影

·　《无语问苍天》（Awakenings，1990）——左旋多巴效应

·　《盲区行者》（A Scanner Darkly，2007）——未来的大脑损伤药物

·　《形而上者（无中译版）》（Mind Over Matter，2006）——一位男子与脑癌的斗争

搜索词

·　神经导向（Neuroguide）

·　全脑图谱（The Whole Brain Atlas）

·　哺乳类大脑的差异集合（Comparative Mammilian Brain Collection）

·　10%大脑神话（10% Brain Myth）

·　神经心理学中心（Neuropsychology Central）