我们理解大脑的方式，可能是错的

人们所熟悉的认知功能类别，如知觉、记忆和注意，反映了我们对自我的体验，但它其实误导了我们对大脑工作方式的理解。越来越多更具启发性的方法正在揭示这一点。

图片来源 : ezhikoff, CC BY 2.0

来源 Quanta Magazine

作者 Jordana Cepelewicz

翻译 管榕

编辑 魏潇

神经科学家是大脑不同区域的 ' 绘图师 '。他们绘制的 ' 地图 ' 上展示着定义这些脑区的特征和活动，将它们连接起来的 ' 小道 ' 和 ' 公路 '，以及将它们分隔开的边界。在大脑的前部，也就是额头的后方，是前额叶皮层（prefrontal cortex），掌控着与决策相关的认知活动。前额叶皮层的后面是运动皮层（motor cortex），负责计划和协调动作。它们的两侧是颞叶（temporal lobe），对记忆和情感处理至关重要。在颞叶的上方是躯体感觉皮层（somatosensory cortex）；在颞叶的后方是视皮层（visual cortex）。

美国东北大学（Northeastern University）的心理学家 Lisa Feldman Barrett 表示，学者们如制图师一般在大陆上绘制国家地图般描绘大脑及其功能，而且是 ' 以传统的方式 ' 绘制大脑地图。' 他们根据自己在心理、精神、行为等不同层面上感兴趣的方面来分析大脑，' 然后将这些功能分配给不同的神经元网络，'（他们认为）大脑就像乐高积木一样，不同脑区之间有清晰的边界。'

但是，这种带有整齐边界的大脑地图不仅仅是过度简化，更是一种误导。Barrett 说：'100 多年来，科学家们一直在寻找思考、感觉、决策、记忆、运动和其他日常经验之间的大脑区域的边界，但毫无结果。' 而最近的一系列神经学研究进一步证实，这些心理类别（mental category）' 并不能很好地帮助我们理解大脑是如何构建或工作的 '。

神经科学家们普遍认同大脑的物理结构是由特定的区域、网络和各种细胞构成。但当涉及到将这些物理构成与大脑可能执行的任务（知觉、记忆、注意、情绪或行动等）联系到一起时，' 事情就变得相当棘手了 '，美国纽约大学（New York University）的神经科学家 David Poeppel 说道。

没有人质疑视皮层负责视觉认知，听皮层（auditory cortex）负责听觉认知，或者海马体（hippocampus）对记忆至关重要等传统概念。这些区域的损伤会影响相关能力，而且研究者们已经确定了这些区域的基本机制。但是，记忆也需要海马体以外的大脑网络，并且除了负责记忆之外，越来越多的研究逐渐揭示海马体还是许多其他认知过程的关键。有时这种重叠性如此之大，令大脑的功能分区逐渐失去了意义。

Barrett 说：' 有些观点认为，神经科学家们所试图了解的不同心理活动和实现这些心理活动的神经网络之间存在平行对应关系，这种想法是错误的。'

加拿大蒙特利尔大学（University of Montreal）的神经科学家 Paul Cisek 则表示，虽然目前的脑功能分区已经带来了许多重要见解，但 '（这种框架式想法）让我们陷入了某些会扼杀研究的陷阱'。这同时也直接妨碍了神经和精神疾病治疗方法的发展。

这就是为什么 Barrett、Cisek 和其他科学家为此争论——为了真正了解大脑的工作机制，该领域的核心概念可能需要修改，也许是彻底的修改。在他们与这个挑战格斗的过程中，新的思路出现了，而且带来了新的答案。2021 年 8 月，这种全新的方式帮助研究者们揭示了记忆形成和代谢调节之间的意外联系。但是，即使一个新框架成功地解释了大脑的运作，一些研究人员依旧怀疑这种成功的代价是否断绝了我们与过去获得的经验和知识。

身份危机

当功能性磁共振成像（fMRI）和其他强大的技术使得人们可以用越来越复杂的方式检测活动的大脑时，神经科学家们开始热切地寻找人类认知能力的物理基础。在理解知觉、注意、学习、记忆、决策、运动控制和其他典型心理活动的神经基础方面，科学家们已经取得了巨大进展。

但他们也发现了令人不安的证据，因为这些心理活动的分类和支持它们的神经网络并不像预期那样（具有高度匹配性）。Barrett 说，这不仅仅是大脑的结构忽视了这些既定类别之间的界限。支撑不同心理活动类别的神经网络间的重合度过高，导致单个神经网络的别名 ' 比夏洛克・福尔摩斯的还要多 '。

例如，最近的一项研究发现，三分之二的脑区参与了简单的眼球运动。同时，一半的脑区在呼吸时被激活。2019 年，几个研究团队发现，动物大脑中视皮层等负责知觉的区域的大部分神经活动是在编码运动相关信息，而不是感觉的输入。

这种大脑的 ' 身份危机 ' 并不局限于负责知觉或其他认知功能的神经中枢。小脑（cerebellum）是所有脊椎动物的脑结构之一，人们起初认为它几乎只负责运动的控制，但科学家们发现小脑在注意过程、情绪调节、语言处理和决策中也起到了作用。基底神经节（basal ganglia），另一个长期以来被认为与运动控制有关的区域，也同样被证明参与了多种高级认知过程。

在这些令人困惑的结果中，有些问题可能出自实验方法。例如，为了找到大脑执行不同功能时对应的大脑区域，神经科学家通常将认知过程与 fMRI 测量到的大脑活动模式联系起来。但研究表明，科学家们需要对与任务无关的肌肉抽动和（被试的）姿势调整更加警惕，因为这些微小的活动可能会玷污数据的真实性。

美国纽约大学医学院（NYU School of Medicine）的神经科学家 György Buzsáki 说：' 你以为实验结果能告诉你一些关于大脑高级认知的真相。但事实上，它反映的可能只是（被试的）眼睛随着实验进行在移动而已。'

但他和其他科学家认为，最近的发现还突出了神经科学中一个更深层次的概念性问题。Buzsáki 说：' 我认为，我们根据先入为主的概念来划分大脑的区域，并错误地假设这些概念与大脑功能一样存在同样的边界。'

2019 年，美国斯坦福大学（Stanford University）的神经科学家 Russell Poldrack 和同事开始测试公认的心理功能类别是否准确。他们从研究不同类型认知控制的实验中获得了大量的行为 - 神经数据，其中包括工作记忆（working memory）、反应抑制（response inhibition）和学习（learning），并利用机器学习算法将心理功能进行分类。结果打破了人们的预期：算法将传统类别下的大脑数据混在了一起，并根据 ' 在更加泛化的构架上存在同步 ' 的理由将它们重新分组。Poldrack 说，这些构架还未被定义过，而且它们可能与我们已有的（研究）经验没有直接联系。

Poldrack 的同事进行的另一项研究发现，那些用来研究知觉或记忆的任务 ' 不是真的在测量不同的构架 '，Poldrack 说道。' 这表明这两个类别的区分并不精确 '。他强调，这并不代表 ' 知觉 ' 或 ' 记忆 ' 是一个无用的术语。但是，' 如果想了解大脑的作用，我们可能需要更精确的方法来理解特定的功能。'

Poldrack 表示，目前人们甚至不清楚应该如何区分知觉测试和记忆测试，而这代表着这些被分类的构架 ' 可能不是大脑特性的真正表征 '。

一些科学家反驳道，只要知道视皮层不只是参与视觉，或者一个记忆神经回路能做的事情比它的名字所暗示的要多，就不一定需要重新思考这些分类本身。但是，美国约翰斯 · 霍普金斯大学（Johns Hopkins University）的神经科学家 John Krakauer 说：'有时一个术语的使用范围过度宽泛和模糊，会对我们设计的实验和假设产生不利影响。'

这在关于情绪和心境的研究中可能是最明显的。

什么是恐惧？

Joseph LeDoux 是美国纽约大学（New York University）的一名神经科学家，因其在杏仁核（amygdala）方向的开创性研究而闻名。杏仁核通常被称为大脑的恐惧中心，但他说，这种框架是非常错误且有害的：' 多年来，我一直被介绍为'发现恐惧感是由杏仁核产生的人’。但每当被这样介绍时，我总是有点不情愿。我不想再忍受（这样的称呼）了。'

LeDoux 在过去十年中一直强调，杏仁核根本不参与恐惧的产生。他指出，恐惧是一种对（外部）情况的认知解释，是一种和记忆和其他过程捆绑在一起的主观体验。一些人经历的所谓 ' 恐惧 ' 的心理现象，可能会被其他人当做是非常不同的感受。研究表明，恐惧产生于前额叶皮层和相关的大脑区域。

另一方面，杏仁核参与处理和应对威胁，这是一种古老的潜意识行为和生理机制。LeDoux 表示：' 研究证据显示，恐惧并不总是影响行为。'

他继续解释道，把杏仁核称为恐惧中心似乎是无伤大雅的，但 ' 这就意味杏仁核要为所有在语义上与恐惧有关的事物负责 '。这种错误会干扰药物开发的目标，包括那些旨在减少焦虑的药物。当利用潜在的治疗方法对处于应激状态下的动物进行测试时，如果它们表现得不那么胆小或表现出较少的生理性唤醒，就通常被解释为焦虑或恐惧水平的降低。但一种药物可以改变一个人的行为或由杏仁核的输出导致的生理反应，但无法治疗焦虑带来的感觉。

LeDoux 说：' 这种混乱导致整个领域都受到了影响。'

类似的问题同样发生在其他领域。比如在关于知觉的研究中，对感官刺激的物理加工和对它的意识体验往往被捆绑在一起。但 LeDoux 认为需要将这两种类别 ' 分开考虑 '。

图片来源：'Beta lobe neurons' by NICHD NIH, CC BY 2.0

如何定义功能？

但是，由于神经系统参与特定功能的过程并不是简单的全或无，所以区分不同脑区的功能就显得更加复杂。有时这取决于大脑正在处理的内容的细节。

以内侧颞叶（medial temporal lobe）的一部分——嗅周皮层（perirhinal cortex）为例。嗅周皮层是大脑皮层 ' 经典记忆系统 ' 的重要组成部分。来自美国国家心理健康研究所（National Institute of Mental Health）的 Elisabeth Murray 和其他研究人员做了一项实验，要求人类被试和猴子从一对经过变形、彼此相似的图像中选出所需图像。

他们发现，只有当图像存在特定数量的特征重叠时，嗅周皮层才会参与到任务的执行中。当图像的相似度过高或过低时，嗅周皮层的活动便与人类被试或猴子的行为表现毫无关系。同样，传统上被赋予视觉感知角色的下颞叶皮层（inferior temporal cortex）在某些特定背景下，对记忆任务也至关重要。

在已退休的神经生物学家 Steven Wise 看来，这些发现意味着，与其按照专门的视觉（visual）、听觉（auditory）、躯体感觉（somatosensory）或执行功能（executive function）等功能来对大脑皮层进行分类，我们更应该研究这些脑区所表征的不同信息组合。某些脑区表征的是性质的简单组合，比如一个橙色正方形的 ' 橙色 ' 和 ' 方形 '。另一些脑区可能已经演化到可以表征更复杂的视觉信息，或者声音信息、定量信息的组合。

Wise 认为，这种大脑组织模式解释了为什么在心理活动的传统脑图谱中令人意外的功能重叠会如此之多。Wise 说，当每个脑区代表一个特定的信息组合时，' 它在记忆、知觉、注意和行动控制中的发挥的作用都是相同的。'

这也是为什么 Murray 在她的实验中所使用的知觉和记忆任务只在部分情况下才会涉及嗅周皮层。当实验中的图像变形之后，区分它们的信息组合也随之改变了。

Wise 的表征框架只是重新思考大脑分区的一种方式。虽然其他研究人员也同意大多数神经科学研究对大脑区域的分类存在问题，但在如何解决这个问题上却没能达成共识。

而且，即使是认为应该进行更激进的反思的科学家们也很难勾勒出来更好的框架。美国马里兰大学（University of Maryland）的神经科学家 Luiz Pessoa 说：' 证明一件事不正确是很容易的，但问题是接下来该怎么做。我（经常）发现自己使用了一大堆自己正在批判的术语。但是怎么能在不使用'注意’、'情绪’、'动机’这些词的前提下来解释一切呢？'

Cisek 是首次尝试从演化的角度重建概念类别的研究人员之一。在过去的五年里，他一直在苦心钻研脊椎动物的演化，尤其是行为系统的特化过程。

他说：' 功能分区在大脑中确实存在，而且拥有一段演化历史。如果我们能明确那段历史，就可以帮助我们更好地确定这些概念。'

Cisek 已经用他对大脑活动的新分类来解释其原因。例如，基底神经节在一些决策任务中起着关键作用，而在其他任务中却没有。他这样解释：'你要知道，无论是'决策’还是'注意’，这些术语都不对应于大脑中的实际结构。相反，大脑中存在的实际回路负责的是'靠近’或是'避开’。...... 其中一些回路的表现看起来有点像注意。'

Buzsáki 也持类似观点。他说：' 我们必须先研究大脑的机制，弄清楚这些机制为何、如何被演化出来。' 例如，记忆、未来规划和想象力都有一部分是由相同的神经机制编码的，从演化的角度来看，这是有道理的，因为同一个系统可以被用于不同目的。他说：' 或许你最好把所有的（神经机制）视为一个整体。'

这种新的看法已经激发了许多有趣的新发现。多年来，Buzsáki 一直在研究尖波波纹（sharp wave-ripple），这是海马体中的一种神经电活动，使记忆的存储和提取成为可能。但在 8 月的《自然》（Nature）杂志上，他的前博士生 David Tingley 和实验室的其他人揭示了这种电活动的一种全新功能：帮助调节血糖水平。

Buzsáki 说：' 我们正在将（生命活动中）截然不同的两极联系起来 '，一个是基础代谢过程，一个是高级认知过程。现在，他希望发现这两者之间更深层次的联系，并深入了解参与身体调节的尖波波纹是如何被重新用于记忆形成。

不必惊慌

研究心理类别的其他方法也是可能的。例如，Barrett、Pessoa 和其他研究人员正在将大脑整体的神经活动和多类别行为放在一起同时考虑。Barrett 说：' 研究整个系统是因为它的各个部分存在相互作用。' 如此一来，记忆、知觉和注意等功能类别便可以被理解为 ' 大脑状态的不同特征 '。

由于 Poldrack 在早期对行为数据的研究中发现了反直觉的分组类别，他将继续探寻无模型、数据驱动型的新分类。他认为心理概念有可能以计算术语的方式重写，类似于一个用来定义人工神经网络的简化版数学描述。

当然，这些潜在的解决方案都有其不足之处。但是，Barrett 表示：' 你不能用旧方法未能解决的所有问题来评估新方法是否可取。评估新方法的依据应该是它激发了哪些新问题。'

她补充道：'没有正确的方法，只有更好的方法和更坏的方法。'

Poldrack 表示同意，并解释道：' 我们并不是想告诉人们不要再使用'记忆’这个词。' 但是为了理解大脑，我们可能需要挑战对大脑工作机制的直觉性理解，' 就像量子力学挑战了我们对世界上所有物理现象的理解一样。'

另一个值得考量的重点是这个新的框架最终可能具备多大意义。Krakauer 说：' 你可能在知识层面上有所收获，但实际上你可能不再能（靠它）了解自己。'

Krakauer 解释道，当我们想了解大脑如何工作时，我们想知道的是：当人坠入爱河时，或感到兴奋时，大脑中发生了什么。如果我们偏离自身主观经验和熟悉的认知概念太远，他担心我们对大脑的了解可能会像小说《银河系漫游指南》（The Hitchhiker ’ s Guide to the Galaxy）中宇宙之谜的最终答案是 '42' 一样：这是一个正确的答案，但并不解决我们心中的问题。Krakauer 问到：' 那么问题来了，我们是否愿意接受这种结局呢？'