我们如何研究大脑

我们做的每一件事、产生的每一个想法都来自大脑。但大脑到底是怎么运作的？这仍是科学界最大的谜团之一。而且，我们探索得越多，发现的惊喜似乎也越多。

—— 尼尔·德葛拉斯·泰森，天体物理学家

人类一直对大脑的机制有着无限的好奇。从19世纪末到20世纪初，西格蒙德·弗洛伊德、威廉·詹姆斯等科学家和理论家以患者自述的体验为基础（直到今天，受试者自述的体验在脑科学研究中依然至关重要），加上对人类行为的临床观察，他们试图描述人类思维和感觉的运作流程。医生的信息来源也相当丰富。事实上，在20世纪以前，我们对人类大脑的认识主要来自大脑在生病或受伤后出现的异常情况。不过，通过观察大脑的异常情况来反推它的正常机能是一回事，真正观察大脑在我们思考、睡觉、感觉、创造或者与外界互动时的响应，又是另一回事。我们能通过哪些方式来研究正常的人类大脑呢？

非侵入式技术和设备的发展让科学家得以追踪正常人类大脑的活动。在这类设备中，最早出现的是脑电图（EEG）仪。活组织会释放电信号，基于这一原理，1924年，EEG设备开始应用于人体。整个20世纪里，EEG记录仪既是诊断工具，也是科研设备。

大脑中的神经元被刺激时会产生微量电荷，如果一组神经元同时受到刺激，它们会产生一道能被仪器探测记录的“电波”，这就是EEG的工作原理。受试者把嵌有EEG电极的帽子、网或者带子套在头上，科学家就可以搜集数据，监测脑内电波的起伏。（为了便于分析，仪器会放大信号。）EEG可以追踪大脑活动，定位并显示某个“认知事件”与脑部的哪一侧有关，记录脑波的类型（脑电波分为α、β、θ、δ等几种，每种各有明确的频率范围与响应强度，所以在睡眠研究中，EEG至关重要），探测异常活动（比如说，癫痫患者的脑波图会出现异常的波峰）。精密的EEG设备可以通过68个通道每4毫秒（甚至更短）无创取样一次，记录脑部电活动的精度可达1毫秒。

认知神经学家发现，EEG在研究某些脑功能时特别有用，例如注意力、情绪响应、保存信息等。1对我们这些在实验室外面做研究的人来说，令人激动的是，EEG类仪器正在变得越来越小、越来越便携——有的EEG仪看起来就像是电脑游戏玩家戴的耳机一样。不过，EEG仪只能探测到大脑浅层的电活动，更多关键的功能发生在大脑深处。为了探索这些活动，我们需要其他工具。过去50年里，人们开始利用MRI（传统磁共振成像）、正电子发射型计算机断层扫描（PET）、单光子发射计算机断层扫描（SPECT）等技术跟踪大脑深处的血流或新陈代谢变化，据此描绘脑部活动图像。不过，MRI仪只能探测磁场和电磁波，PET和SPECT扫描则需要注射放射性同位素，这些问题限制了它们的用途。20世纪90年代，新的技术应运而生，它名叫“功能性磁共振成像”，简称fMRI。

不同的任务会激活不同的脑区。更多脑活动需要消耗更多的氧，因此流向这些区域的血液也会增加。和MRI一样，fMRI仪通过强磁场调整血液中氢原子内部的质子，然后用电磁波打乱它们的排列。MRI通过氢原子信号的差异来区分不同类型的物质。富氧血液和去氧血液内的质子重排时会释放出不同的信号——fMRI探测的数据来源。受试者进行某项活动，比如握紧一只手或者看一张特定图片时，fMRI会扫描不同脑区富氧血液与去氧血液的实时比例，或者说血氧依赖水平（BOLD）差值。然后，仪器内置的计算机通过精密的算法解析fMRI读取的数据，利用极小的三维单元（立体像素）将这些比值重新表现出来。fMRI使用不同的颜色来表示特定区域的能量活动强度，红色表示最高强度，紫色或黑色表示活动等级极低，近似于无。扫描图上的颜色越明亮，这片脑区就越活跃，所以我们常说，某片脑区被“点亮”了。

过去20年里，fMRI逐渐成为认知学家、神经学家、神经生物学家、心理学家、神经经济学家和其他科学家研究脑功能的首选方式。不过，尽管fMRI是现有的研究脑功能的最佳工具之一（也是能够帮助我们探查脑部深层结构的为数不多的工具之一），它也存在一些局限。首先，fMRI探查脑功能的方式是间接的。从本质上说，脑活动是化学和电的过程：神经元产生的电信号通过直接接触、突触或化学神经递质的方式在大脑中传播。这些活动需要氧气，而氧气是通过血液运送到大脑活跃区域的；fMRI扫描测量的正是这些血流，而不是真正的神经活动。因此，虽然fMRI扫描能告诉我们激活的是哪些脑区，却无法揭示这些脑区被激活的原因。第二，fMRI的空间分辨率很高，对脑活动的定位精度能达到2～3毫米以内，但是，由于血液流动的速度比神经活动慢得多（从神经元激活到对应脑区血流量增加，中间至少有2～5秒的延迟），对知觉或其他认知过程来说，fMRI扫描的时间精度完全无法满足定性分析的需求。（与此相对，EEG的空间分辨率很低，不过如前所述，它能够实时追踪电荷信号，时间误差能控制在1毫秒以内。）此外，不同的fMRI仪器有着细微的差别，它们使用的算法和立体像素（像素虽小，但仍比它代表的神经元大得多）的尺寸也各不相同，这都会造成问题。

对基于fMRI的脑科学研究来说，目前最主要的问题在于，它只能追踪受试者在实验室里的神经响应，无法测量日常环境中自然发生的认知活动。假如你是一位研究生，你志愿参加了一项基于fMRI扫描的研究。工作人员会要求你去某个实验室报到，并告诉你别戴任何金属制品，因为fMRI扫描仪配备了强磁铁。做过fMRI的朋友会告诉你穿暖和点儿，为了保护设备，扫描室里的温度很低。进入实验室以后，你会被工作人员领进扫描室里：甜甜圈状的巨型仪器矗立在房间里，中间的洞恰好能容纳人的身体。（幽闭恐惧症患者只消看一眼那个狭窄的入口就会觉得不舒服。）技师引导你躺在一张床一样的塑料板上，头部朝向甜甜圈入口。她告诉你这张床会向前移动，将你的头部和肩膀送到扫描仪里面。进入扫描仪以后，你会发现头顶有一面镜子，从镜子里可以看到电脑屏幕。实验开始后，你需要按照屏幕上的指示做一些事情，与此同时，仪器会记录下你的脑部活动。技师递给你一副耳塞，解释说扫描仪里面很吵；然后指给你看蜂鸣器的位置，如果你觉得不舒服无法继续，随时都可以按下按钮请求中止实验。她在你的头部下方和两侧各放了一个枕头，好让你的脑袋保持不动。“扫描过程中请尽量不要移动。”她叮嘱了一句，然后将你推入扫描仪。

到目前为止，这些流程都和MRI一模一样。不一样的是，实验开始以后，你不能光是躺在那里，你得看好头顶的镜子，伴随着fMRI启动的低沉响声，你会发现镜子里的屏幕亮了起来。你看着眼前闪过的一张张图片，跟随屏幕上的指示按动手边面板上的按钮。（有了眼球追踪技术以后，未来的志愿者或许能够歇歇手指头。）手头的任务占据了你的脑子，你不会太频繁地注意到周围的空间有多狭窄（这是件好事，不然的话，你很可能会按下蜂鸣器，让技师把你拉出去）。测试结束后，电脑屏幕熄灭，耳边的噪音也终于消失了。技师把你拉出去，感谢你拨冗参加实验，并请你预约下周的时间。你很冷，膀胱也胀得厉害，而且扫描仪里的噪音吵得你有点头疼——不过这都是为了科学，对吧？所以你同意了下周再来。

fMRI让我们看到了大脑运作的大量细节，但它无法告诉我们人类是如何与真实世界互动的。它能够扫描受试者看到快乐、悲伤、恐惧或愤怒的人脸图片时大脑的响应，却无法追踪我们在大街上与其他人的互动；它能够揭示我们在解决数学问题或者选择食物饮料时的脑部活动，却无法探查我们啃着刚摘下来的又红又脆的苹果或者在噼啪作响的壁炉前喝一杯霞多丽——更别说在珊瑚礁上浮潜时的感受。正如认知神经学家兼听觉认知、言语感知、语言理解专家戴维·珀佩尔所说：“自20世纪90年代以来，大部分脑部测绘工作都是利用fMRI完成的，目标是借助这些数据绘制大脑的完整地图。这样的努力值得赞赏，但地图并不是最终的答案，而是问题的开始。”所以，EEG和fMRI或许是现有的研究脑部的最佳工具，这两种方法综合起来，堪称“取长补短”的完美解决方案；但是，也有像我这样的科学家，我们希望探查的领域无法通过实验室里的静态设备去完成，所以我们仍在寻找其他新技术，例如弥散张量成像（DTI）、光遗传学技术甚至穿戴式FNIRS（功能性近红外光学成像）帽。DTI利用水在大脑中的扩散来跟踪遍布大脑白质的神经元轴突（它是连接不同脑区的“电缆”），由此展现信息是如何在大脑中传播的；光遗传学技术利用能插入神经元的光敏基因暂时激活或抑制部分神经元，让研究者得以确认特定神经元的功能；而fNIRS设备让科学家能够直接读取受试者在真实情景中的脑部数据。

不过，要理解人类大脑与水的关系，今天的我们可以着重关注几个有价值的信息来源。首先，我们从自我报告的体验开始：人们在水边时有什么感觉？他们受到了什么影响？第二，我们可以把“自然影响认知”当作一个整体课题，看看水对认知的影响与自然界的其他事物有何不同。第三，我们可以把眼光放宽一点，看看其他领域的发现，例如认知神经学、神经生物学、环境心理学和神经化学领域，随时问问自己：“这一点也可以套用在水和大脑的关系上吗？”

不过，我们应该从最基本的一个问题开始：大脑到底在做什么？