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大脑传 [:1700672995]
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大脑传 第14章 定位：1950年至今
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在我们认识脑的漫长过程中，有一个反复出现的主题：在我们的神经系统中，特定的功能定位于特定的部位。起初，这一切都只是推测。这种想法最早的书面记载是各种版本的脑室定位论，这些理论在欧洲流行了大约一千年，直到16世纪至17世纪才开始逐渐边缘化。19世纪早期的颅相学家们则把一些模糊的心理或行为功能与颅骨上的几十个隆起对应了起来，进而又对应到了脑中一些奇特的功能单位上。从19世纪中期开始，研究者发现了某些功能——例如语言和运动控制——存在定位化的确凿证据，但几乎没有证据能支持高级智力活动的定位化。对于心理或行为任务中的脑活动，科学家们缺乏测量的方法。
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20世纪20年代，汉斯·伯格发明了脑电图，这种技术能记录整个脑的电生理活动。在这之后，研究者又先后发明了能记录脑各个区域的电活动以及细胞级电活动的技术，但这些技术都未能解决功能定位这个问题。这些技术要么像脑电图那样过于宏观，要么就过于具体，只能报告某个小区域的反应。为了更加确定某个脑区在某个过程中的独特作用，研究人员需要的是一种能同时将整体活动测量与局部变化测量结合在一起的方法。这在20世纪90年代初成为现实，一种新的脑成像技术的出现引发了大量的研究，改变了我们看待脑的方式。[1]
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早期的脑成像技术主要集中在解剖学方面。计算机体层成像（即CT扫描）在20世纪70年代开始得到广泛应用，能从患者头部周围拍摄多张X射线图像。CT扫描仪是在20世纪60年代由英国电气工程师高弗雷·豪斯费尔德（Godfrey Hounsfield）发明的，他当时不知道的是，南非物理学家阿伦·科马克（Allan Cormack）也一直在从事类似方向的理论工作。1971年，CT扫描仪首次被用于为一位额叶疑似长有肿瘤的患者进行脑成像，当外科医生最终为患者做手术时，他说他看到的肿瘤“与图像上的完全一样”。[2] 这种新的方法依赖于日益普及的计算机，通过必要的计算来生成图像，它迅速改变了我们对脑实体疾病的诊断能力。1979年，豪斯费尔德和科马克凭借他们的突破性贡献共同获得了诺贝尔生理学或医学奖。
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和单纯的X射线成像一样，CT扫描只能在相当粗糙的层面上显示结构，并不能提供有关功能的直接信息。随着正电子发射体层成像（positron emission tomography，简称PET）的发展，这种情况发生了改变。PET成像出现于20世纪70年代中期，基于的是马库斯·赖希勒（Marcus Raichle）、迈克尔·菲尔普斯（Michael Phelps）和米歇尔·特尔—波戈希安（Michel Ter-Pogossian）的研究。在给人注射一种弱放射性的示踪剂（如含有放射性氧同位素的水）后，这种技术能测量特定脑区的代谢活动：PET成像中使用的同位素会快速衰变并释放γ—射线，后者可以被PET成像仪检测到。[3] 由于这些放射性同位素能迅速融入脑的正常代谢活动中，1988年，赖希勒和同事得以使用PET来显示当受试者听到单词时其局部脑活动的变化。[4] 从他们在1988年发表的一篇论文的标题就能看出，他们的工作预示着一种新方法的到来：《人脑认知操作的定位》（Localization of Cognitive Operations in the Human Brain）。
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然而，对希望在脑结构和细微的心理功能之间确立清晰联系的研究者来说，PET扫描不仅速度太慢而且也不够精确。最重要的一点是，PET扫描需要注射放射性同位素，这限制了它的吸引力。随着最有影响力的脑成像技术——功能性磁共振成像（functional Magnetic resonance imaging，简称fMRI）的面世，决定性的突破终于到来了。fMRI通过测量原子在强磁场中的行为来成像，目前已经成为相关领域主要的脑成像方式。1991年，杰克·贝利维尔（Jack Belliveau）和同事在《科学》杂志上发表了一篇论文，展示了视觉刺激过程中视觉皮层血流的变化。这篇论文登上了当期杂志的封面（这对科学家来说是一件了不起的事），封面是一张相当特别的图片，显示了由电脑生成的头部后方的灰阶图像。头的后部被断层切开，显示出了脑表面的图像，多个小区域被标为红色和黄色，突出显示了血流变化的部位。结果确实像研究人员希望的那样令人兴奋。南希·坎维舍（Nancy Kanwisher）现在是一位顶尖的fMRI科学家，在这篇论文发表时她还是一位年轻的研究人员。她回忆了自己当时激动的反应：“这些图像改变了一切……现在，科学家们真的可以观察到正常人的脑活动随时间发生的变化，包括看见某个东西，以及思考和记忆时的变化。”[5]
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贝利维尔的方法仍然需要注射造影剂。但不到一年后，3个研究小组几乎同时取得了进一步的进展：当患者在磁共振成像仪中执行简单的心理任务时，通过观察氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白中铁原子的行为来测量特定脑区的血液氧合水平。这种测量是血氧水平依赖的（Blood Oxygen Level Dependent，简称BOLD）。
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血液中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的磁性有差异，fMRI在不同脑区中检测这种差异，并把这些差异以明亮的颜色标示在脑图像上。当受试者执行某种特定的心理活动时，用研究者的说法，脑的图像中会有一些区域“亮起来”[6] 。因此，fMRI报告的是脑的一个简单的生理指标，这个指标能够反映脑作为一个器官在我们身体中的功能，但这些图像不能直接描述任何类似脑神经元的实际活动这样的信息。fMRI扫描的脑既不是计算机，也不是神经网络，而是一个腺体。
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坎维舍在1995年第一次看到了fMRI扫描成像的结果（接受扫描的是她自己的脑），她在回忆当时的激动心情时说：
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你可以看到每个体素［成像的最小单位］fMRI反应的原始时间进程。最令人激动的是，当我看到面孔的时候，信号比我看物体的时候要强。
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就像赖希勒几年前宣称的那样，认知过程似乎确实可以定位到脑的特定区域。fMRI革命就此开始了。
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最后一步是让持怀疑态度的科学家相信，通过在测量fMRI反应的同时记录单个神经元的活动，可以证明fMRI确实能直接反映脑的神经元活动。这是一项巨大的技术挑战，一个重要原因是将电极放置在成像仪的磁场中会引起电流活动，从而很难识别电极所记录的神经元的反应。最终，尼克斯·罗格塞提斯（Nikos Logothetis）和同事在2001年——BOLD测量的突破面世10年后——发表了一篇论文，证明fMRI确实与神经活动紧密相关。[7]
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fMRI产生了非同寻常的影响力。在不到30年的时间里，研究人员已经发表了超过10万篇关于这个主题的科学论文，目前的论文年平均发表数量是大约8000篇。这些研究非常受媒体喜爱，因为它们有抓人眼球的图像，而且讲述的关于脑如何工作的故事也相对简单易懂。例如，记者告诉我们，fMRI可以解释个体差异（“赌博成瘾者的脑构造不同”），甚至可以“读心”（“fMRI知道你的秘密”）。怪异的是，这些图像有时被用来证实我们的主观体验，仿佛图像中的那些彩色斑点能让我们的感受更真实（“脑成像提供了针灸减轻疼痛的视觉证据”或者“摄入脂肪确实令人愉悦”）。[8] 还有一些虚假的说法称，脑扫描可以用来判断你是否在说谎，而事实上还没有法庭批准把这种技术应用到司法过程中。另有研究小组表示，杀人犯的脑表现出一种独特的组织方式。[9] 很明显，这些新技术某些可能的应用颇具反乌托邦色彩，因此正日益成为社会学家和伦理学家关注的焦点。[10]
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当某种特定的心理活动正在进行时，fMRI能准确地识别出脑中被激活的区域。无论是对研究人员还是普通大众，fMRI的诱人之处正是这一点。但这些直观的图像远没有它们看起来那么简单。脑是一个活的器官，一直在执行各种各样的活动，因此研究人员必须在它高水平的活动背景中找出他们感兴趣的那点变化。脑区之间BOLD水平的差异通常非常微小，而fMRI是用明亮的颜色来反映这些差异的，这意味着颜色体现的准确性和强度差异未必能真实地反映数据。对这些通常非常微小的BOLD信号差异进行计算，需要用到复杂的软件包，而这可能会产生错误。2016年，一个fMRI研究团队调查了超过300万份来自已发表论文的成像结果，他们发现“最常见的fMRI分析软件包……假阳性率高达70%，这样的结果足以对大约4万项fMRI研究的有效性提出质疑，可能会对神经成像结果的解读产生很大影响”。[11] 针对这一令人担忧的结论，一些研究者认为存在争议（4万这个数字最终被降到了几千），但许多研究者欢迎这种质疑，他们认为对于一种30年来被广泛使用的成像方法来说，这是厘清其科学基础的一个机遇。[12]
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这已经不是第一次有人对fMRI数据的解读提出质疑了。2008年，尼克斯·罗格塞提斯警告学界，许多fMRI研究中使用的方法存在重大问题。他特别强调的一点是，fMRI提供的是一种测量脑活动的替代方法，它测量的是大片脑区的血流量，尽管血流量和真正的细胞活动存在明显的相关性，但血流量不是细胞活动。罗格塞提斯指出，研究者必须牢记这一点：
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fMRI的局限性不是成像仪的物理学原理或者工程设计欠佳导致的，因此不太可能通过提高成像仪的复杂性和功率来解决。相反，导致这种局限性的是脑环路和脑功能的组织形式，以及忽视这种组织形式的不当实验方案。[13]
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这种批评在某些情境下显得尤其恰当。比如，有fMRI研究称，在感受到某种情绪时，脑的某个部位会“亮起来”。但fMRI研究者拉塞尔·波德拉克（Russell Poldrack）指出：“这样的一一对应关系很少，多数脑区在很多情境下都能被激活。”[14] 即使两者有这种紧密的关联，那也仅仅是一种相关性。想要证明某个脑区确实是特定思想或经历的唯一所在部位，需要研究这个脑区发生了病变的病人，或者以某种方式刺激这个脑区。这样的研究目前很少，而且在已经开展的研究中，有的未能证明两者存在预测的因果关系。[15]
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2009年，一家不知名的心理学杂志发表了一篇题为《社会神经科学中的巫毒相关性》（Voodoo Correlations in Social Neuroscience）的文章，引发了全球对fMRI数据解读的关注。这篇文章指出，在使用fMRI研究特定脑区与特定行为或感觉的相关性的论文中，两者的相关性都“高得令人困惑”。作者甚至说，其中一些研究的结果“高得不可思议”，并要求作者重新分析他们的数据。[16]
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出乎所有人意料的是，这个以关注统计学细节为基础的观点竟然被各界疯传。[17] （遗憾的是，就在这时，杂志的编辑们失去了勇气，坚持要求作者给文章换一个不那么张扬的标题。）混乱平息后，学界在研究的原则上达成了一项共识——fMRI研究需要改进统计检验方式并更严格地规范实验。当成像软件的问题在5年后暴露出来时，这一共识再次被重申，这似乎说明研究人员们在一段时间内会记住教训，但很快就会遗忘。
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从一些fMRI研究者日常的言语中就能看出，他们其实已经认识到这些问题了。“巫毒争端”爆发几个月后，在国际人脑图谱学会（the Organization for Human Brain Mapping）的年会上，学会主席做了发言，并描述了他认为特别有趣的一场会议报告。报告介绍的是克雷格·班尼特（Craig Bennett）和同事在一条死鲑鱼上开展的研究。班尼特对实验过程的描述值得一读：
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一条成年大西洋鲑参与了fMRI研究。这条鲑鱼长约18英寸[18] ，重3.8磅[19] ，在扫描时已经死亡。给鲑鱼的任务包括完成一个开放式的心智任务。研究人员向这条鲑鱼展示了一系列照片，这些照片描绘了在社会环境中具有特定情绪效价的鲑鱼个体。研究人员要求鲑鱼判断照片中的鲑鱼当时正在经历什么样的情绪。[20]
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当这条死鱼被询问有关这一系列照片的问题时，fMRI扫描在它脑中一个27立方毫米的小区域内发现了几个显著的反应（用专业术语来说就是p值小于0.001）。按照fMRI结果的传统解读方式，照片信息的处理发生在死鱼脑中一个非常特定的区域。这项讽刺味十足的研究还明确指出，fMRI研究需要更严格和更完善的统计方法，因为在死鱼的脑中存在BOLD信号的随机变化，足以被错误地解读为有意义的结果。论文未言明的暗示是，同样的问题也可能出现在对活的受试者的研究中。论文的更完整版本很快被发表在《偶然发现和意外结果杂志》（Journal of Serendipitous and Unexpected Results ）上，这项研究还在2012年被授予了搞笑诺贝尔奖。
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针对这个问题，更严谨的应对方法出现于2017年。由拉塞尔·波德拉克（他的一些工作也位居“巫毒论文”批评的研究中）领导的一群研究人员给出了一系列关于如何改进fMRI研究有效性的建议。[21] 他们特别建议研究应该增加实验受试者的数量，并在实验开始前明确说明要对哪些脑区开展研究（太多的研究都是在数据中挑挑拣拣地寻找某些效应，这会增加对结果产生误读的可能性）。想要消除fMRI批评者对实验设计方法论的怀疑，科学界还有很长的路要走。
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