導語 / Introduction

神經科學家們的目標是將一系列認知功能與大腦分區對應起來，但近來的新研究顯示，大腦區域的定義和分區方式通常是由任務背景決定的。

神經科學家是大腦的測繪員，他們負責觀察并描述各個區域的特征與活動、找尋不同區域間的大道與小徑，以及區分各領域的分界線。位于我們大腦前端、額頭附近的區域叫做前額葉皮質，它是大腦中的決策者。位于前額葉之后的則是運動皮層，它主要負責動作的規劃及協調。在它的兩側是顳葉，這部分腦區對于記憶以及情緒加工至關重要。在這些區域之上的是軀體感覺皮層。視覺皮層則位于這些區域之后。

美國東北大學的心理學家莉薩·費爾德曼·巴瑞特（Lisa Feldman Barrett）表示，研究者們不僅僅在對大腦結構及其功能劃分上表現得像地圖繪制員，甚至他們的分類方式也跟古時的繪制員如出一轍。“在給腦區分界這件事上，心理、精神和行為學家有不同的劃分標準”，他們基于這些標準，給不同的網絡或神經元指配功能，“就像在玩樂高積木一樣”。這些研究者似乎認為不同腦區間存在著堅固的邊界線。

“大腦地圖”的問題在于，它不僅把問題過分簡單化，還可能將我們帶離正確的研究方向。“在過去的一個世紀中，科學家們徒勞無功地尋找著思考、感受、決策、記憶、運動等一系列日常體驗對應的腦區之間的邊界線。”巴瑞特說道。近來，多篇神經科學研究的作者也對這種觀點表示贊同。他認為這種心理學分類“無法指導我們理解大腦的結構與運作方式”。

神經科學家們普遍認同，作為一個生理組織，大腦中會有不同的腦區、網絡以及細胞類型。但當我們將它們與知覺、記憶、注意、情緒或行為聯系起來時，“事情就變得有些可疑了”，來自紐約大學的神經科學家大衛·波佩爾（David Poeppel）說道。

沒有人會否認視覺皮質帶來了視力，聽覺皮質讓我們能聽見聲音，或是海馬體對于記憶至關重要。這些區域的損傷會嚴重影響對應的認知能力，科學家們也逐漸闡明了大腦損傷造成認知損傷的一些機制。但我們還不清楚這些區域本身與認知功能之間的對應關系。舉個例子，記憶不僅需要海馬體，還需要大腦中的其他網絡；盡管海馬體與記憶相關，一系列研究表明該區域還明顯調控著許多其他的認知功能。對應關系之間的重合是如此之大，讓單一的標簽失去了意義。

雖然我們目前的框架為我們帶來了許多重要的啟示，但“這種框架就像陷阱一般，限制了新的研究發展”。蒙特利爾大學的神經科學家保羅·西塞克（Paul Cisek）說道。這個局面同樣束縛著神經及心理障礙治療方法的開發。

因此，巴瑞特、西塞克及其他科學家認為，要想真正理解大腦的運作方式，我們急需修正領域中的核心概念。針對當下的挑戰，他們提出了探索大腦的新框架。這個新框架帶來了新答案：就在這個月，新的研究方法揭示了記憶形成以及代謝調控間出乎意料的聯系。不過，就算新框架能更好地解釋大腦的運作方式，還是有一部分研究者認為，新方法或許忽略了人類體驗的重要性。

美國東北大學的心理學家巴瑞特認為，人們熟悉的心理功能類別，如感知和記憶，"對理解大腦的結構或工作方式的指導意義不大"。

Matthew Modoono/Northeastern University

福爾摩斯的化名

功能性核磁共振成像（fMRI）等工具讓我們得以更精確地研究大腦的運作方式。神經學家們利用這些技術，將心理功能與大腦的生理基礎聯系起來，從而深入理解知覺、注意、學習、記憶、決策等一系列“經典”的認知功能。

但在這類研究中，他們發現了令人不安的跡象：這些認知功能分類以及支持它們的神經網絡并不如我們預想的那樣運作。這些發現不僅僅反映出大腦的結構不符合現有的認知功能分類，還說明單個大腦網絡能支持截然不同的認知功能。巴瑞特表示，“這些神經網絡的化名比夏洛克·福爾摩斯的還要多。”

近來一項研究顯示，簡單的眼部動作就需要利用到大腦中三分之二的區域。與之類似，人們在呼吸時，大腦中半數區域都會激活。2019年，來自不同團隊的科學家們發現，“知覺區域”（如視覺皮質）的神經活動在大部分時間里都在編碼動物的動作，而非知覺刺激。

不同腦區的“身份危機”不僅僅局限于負責感知及其他認知功能的神經加工中心。科學家們曾一度認為，脊椎動物大腦中特有的結構——小腦，專門負責動作控制。但近來科學家們發現，小腦在注意、情緒調控、語言處理以及決策執行等認知過程中都發揮著作用。研究發現，同樣被認為與動作控制相關的另一個古老腦區——基底神經節，也會調控許多高級認知功能。

這些令人困惑的發現可能源于有問題的研究方法。比方說，神經學家通過把不同認知過程與特定的大腦活動規律相聯系，來尋找這些認知功能與哪部分腦區相關。在這些研究中，科學家一般使用fMRI來測量大腦活動。然而新的發現警示我們：科學家需要更加警惕無關的肌肉活動對測量數據的污染。

- Jon Han -

“你可能覺得你的結果回答了與高水平認知功能相關的問題。”來自紐約大學醫學院的神經科學家尤里·布扎基（Gy?rgy Buzsáki）說到，“而實際上，你測量出的數據差異，可能僅僅是由被試完成不同任務時不同的眼動方式造成的。”

他與許多科學家一樣，相信這些新發現強調了神經科學面臨著嚴重的概念問題。“我們像做地產分割一樣，根據過時的認知功能概念把大腦分割成不同的區域，并錯誤地假定這些認知功能之間存在明確界限，而這些認知界限還對應著大腦功能的界限。”布扎基說道。

在2019年，一位來自斯坦福大學的神經科學家拉塞爾·波爾德瑞克與同事一同檢測了人們沿用已久的心理功能分類的合理性。他們搜集了大量的行為實驗數據，這些實驗數據測量了不同認知調控過程，包括工作記憶、反應抑制和學習，并將這些數據輸入機器學習分類器。最終的分類結果與我們的預期不符：許多我們一度認為相互獨立的認知功能被混合了起來，“形成了重疊的結構”。波爾德瑞克說道。目前，我們還沒有針對這些結構的命名系統。此外，這些結構也可能與我們的意識體驗沒有直接的對應關系。

斯坦福大學的神經科學家拉塞爾·波爾德瑞克（Russell Poldrack）曾利用機器學習，對大規模的行為學數據進行分類。研究的分類結果并不與我們長久以來認同的認知功能分類一一對應。

另外一項來自波爾德瑞克同事的研究發現，用于測量知覺和記憶的任務“并沒有真正測量不同的結構”，波爾德瑞克說道，“這代表知覺與記憶的類別并不準確。”他強調，這個結果并不代表“知覺”或“記憶”的分類是無用的。但“如果我們想要了解大腦如何進行加工，我們或許還需通過更加精確的方式來研究這些的認知功能。”

目前我們還無法明確的區分測試知覺和測試記憶的任務，或許代表這些認知定義“沒有真正反映出心理的建構特征”，波爾德瑞克表示。

一些科學家反對這種觀點。他們認為，即便我們知道視覺皮質不僅僅負責視覺加工，記憶網絡不止負責記憶功能，也并不代表我們需要全盤否定認知功能的類別定義。但是“有時候過于廣泛模糊的定義，可能對實驗以及假設的建立造成極為不利的后果。”來自霍普金斯大學的神經科學家約翰·克拉考爾（John Krakauer）說道。

這種后果在情緒情感研究中尤為顯著。

- Jon Han -

恐懼與困惑

約瑟夫·勒杜（Joseph LeDoux）是紐約大學的神經科學家，他因針對杏仁核的開拓性研究而知名。杏仁核常被稱作大腦的恐懼中心，但這種定義不僅錯誤，還非常有害。“這些年來，人們常常稱我為‘那個發現恐懼來自杏仁核的人’。”他說道，“我不喜歡這個稱號。終于有一天，我覺得我受夠了。”

勒杜在過去的幾十年中一直強調，杏仁核并不負責生成恐懼。他指出，恐懼是我們對情境作出的一種認知解讀，這是一種與記憶及其他功能緊密相連的主觀體驗。被許多人認作恐懼的心理現象，在另一些人中可能會出現截然相反的解讀。研究顯示，對恐懼的感受可能來自前額葉皮質，并與其他腦區有關。

而杏仁核與對威脅的處理以及反應有關。這是一種古老的，下意識的行為心理機能。“證據顯示，行動的源頭往往并非恐懼。”勒杜說道。

把杏仁核稱為恐懼中心看似無害，但“這種說法會讓杏仁核披上恐懼的語義外衣”。這樣的誤解可能影響藥物研究的方向，這其中包括針對焦慮癥的治療藥物。當我們在焦慮的動物身上測試研發中的藥物時，倘若動物看起來更大膽了，或表現出更低水平的生理激起，我們就常常把它們的行為表現解讀為焦慮或恐懼水平的降低。但另一種可能是，藥物沒有影響施用對象的焦慮水平，而只是影響了其受杏仁核調控的行為或心理表現。

“整個（藥物開發）領域都為這種困惑所擾。”他說道。

他補充說，同樣的問題還發生在其他領域中。比方說在知覺研究中，對感覺刺激的生理加工以及對這種加工的意識體驗往往被混為一談。勒杜相信這兩種認知過程的研究都“繼續我們厘清認知功能的定義”。

環境中的認知功能

但對不同大腦區域的劃分還面臨著更復雜的問題：研究發現，不同神經系統在認知功能中不是以“全或無”的方式運作的。有時候，處理對象也會影響系統對于功能的作用。

讓我們以對經典“記憶”系統起到重要作用的皮質單元——內側顳葉中的外嗅皮質（perirhinal cortex）為例。來自美國國立衛生研究院（NIMH）的伊麗莎白·默里（Elisabeth Murray）與同事們以人類及猴子作為被試，要求他們從一對相似的圖片中選出想要的那一張。研究者操縱了任務中圖片對之間的相似程度。

該研究發現，只有在圖片對之間的相似度處于一定水平時，外嗅皮質才會激活；更高或更低的相似度下，外嗅皮質活動水平都與被試的任務表現無關。與之類似，研究發現，通常認為與視感覺相關的顳下皮質也在記憶任務中發揮作用，但該區域與記憶的相關性也由特定任務背景決定。

在同樣曾在NIMH任職，如今已經退休的神經生物學家史蒂芬·懷斯（Steven Wise）看來，這些新發現意味著，與其去劃分不同的皮質區域，并將各區域與相應的視覺、聽覺、軀體感覺或執行功能聯系起來，研究者更應該尋找各區域表征什么樣的“信息組合”。一個神經區域可能負責表征一系列不同視覺特征，如橙色方塊刺激中的“橙色”以及“正方形”特征。而其他的區域或許負責表征更加復雜的視覺、甚至聽覺或數量感信息的特征組合。

懷斯認為，這種大腦組織方式也能解釋近來研究中與經典心理活動地圖相左的認知功能重合現象。倘若每個區域表征的都是特定信息組合，“在記憶、知覺、注意過程以及運動控制中，可能都運用了這種表征方式。”懷斯說道。

這也是為什么在穆里的知覺及記憶研究中，外嗅皮質僅僅有時發揮作用：隨著圖片對在每個任務中相似程度的變化，用以分辨圖片的視覺特征組合也隨之改變。

- Jon Han -

懷斯的表征框架只是代表了重構大腦組成結構的其中一種可能性。盡管研究者普遍認同目前的神經科學研究方式存在問題，但至于未來該如何改變，我們仍未能找到普遍認同的答案。

即便是思想更加激進的科學家們也認為目前的困境難以解決。“指出某種方法存在問題非常簡單。真正困難的事情是考慮如何做出改變。”來自馬里蘭大學的神經科學家魯伊茲·佩索阿（Luiz Pessoa）說道。“我時常猛然發現自己在使用我一直以來批判的詞匯。可我們又怎么能做到完全規避使用像‘注意’、‘情緒’、‘動機’這樣的經典詞匯呢？”

蒙特利爾大學的神經科學家保羅·西塞克（Paul Cisek），通過有脊椎動物的演化進程在大腦中尋找心理活動分類。

University of Montreal

許多研究者開始從演化的角度重塑我們熟悉的概念分類系統，來自蒙特利爾的西塞克是其中之一。在過去的五年中，他費盡周折，探索行為系統隨著脊椎動物的演化而形成的分化。

“大腦中確實存在著功能性的細分。”他說道，“這種細分功能存在演化歷史。如果我們能從歷史中找到證據，就能更好的定義這些細分概念。”

西塞克的研究已經發現，對大腦活動的推倒重建能夠解釋為何基底神經節僅僅在某些特定的決策任務中發揮作用。“你會發現無論是‘決策’還是‘注意’，它們都不對應著大腦中的某種過程。”他說道，“大腦中存在著一些更加實用的環路，這些環路遵循的規則是‘執行’或‘規避’??在某些任務中，它們可能看起來像是注意。”

- Jon Han -

布扎基的觀點與之類似。“我們需要從大腦機制入手，進一步推演大腦機能。”他說道。舉個例子，記憶、未來規劃以及想象等認知功能都部分通過同一神經機制編碼，從演化角度來看，這種現象是合理的：同一系統應當能夠用于不同目的。“將所有的認知功能看作是同一種，或許更加有利。”他說道。

這種視角已經帶來了許多發現。布扎基多年以來的研究關注尖波漣漪（sharp wave-ripples）。這是一種在海馬體發現的大腦神經活動，與記憶的存儲與提取相關。本月，曾在布扎基實驗室工作的博士生大衛·廷利（David Tingley）與同事發現了該神經活動的另一種新功能：調控血糖水平。

一邊是基礎的代謝過程，而另一邊是高水平的認知功能，“我們正在把道路的兩個盡頭連接起來。”布扎基說道。如今，他希望找到二者之間更加深層的連接，進一步揭示能夠調節身體代謝的尖波漣漪是如何促進記憶形成的。

Don’t Panic !

除此之外，對于心理分類，我們還有別的探究方式。巴瑞特、佩索阿以及其他的研究者正在考慮將全腦神經活動與行為相連。“我們研究整個系統，盡管這個系統中的某些部分相互作用。”巴瑞特說道。我們可以把諸如記憶、知覺以及注意之類的功能性分類視作“大腦狀態的特征。”

由于在早期研究的行為學數據中發現了許多違背直覺的發現，波爾德瑞克仍舊傾向于通過非模型、數據驅動的研究來尋找新的心理機能分類方式。他認為，與用來定義人工神經網絡層級的簡化數學描述類似，心理概念或許能夠以計算模型的方式重新定義。

上述所有方法都存在著短板。“可你不是通過新方法能夠回答哪些過去無法解釋的問題來評判它們的。”巴瑞特說道，“真正重要的是：通過這些新方法，我們能夠提出什么樣的新問題。”

“不存在真正正確的方法。”她補充道，“只有更好的方法和更差的方法。”

波爾德瑞克贊成這種觀點。“我不認為有誰想要告訴大家：別再用‘記憶’這樣的舊定義了。”他說道。但想要真正了解大腦，我們或許需要挑戰過去習以為常的理解——“就像我們曾經認為自己完全理解了世界的物理運作，直到量子理論向我們的理解提出挑戰。”

另一個極為重要的考量是：新的框架最終能為我們帶來什么。“我們或許會更了解大腦，但這些知識無法幫助我們了解自己。”克拉考爾說道。

他解釋到，在研究大腦的運作方式時，我們真正想知道的是：當我們墜入愛河時，在我們相擁而泣時，大腦中發生了什么？他擔憂的是，如果我們逐漸遠離主觀體驗和熟悉的認知概念，我們最終獲得的，會是《銀河系漫游指南》（The Hitchhiker’s Guide to the Galaxy）中的終極答案“42”——如果我們不知曉真正的問題，答案于我們而言還有何意義？“這會是我們想要窮盡一生追尋的答案嗎？”克拉考爾如此問道。

作者：Jordana Cepelewicz | 封面：Lenka Simeckova

翻譯：山雞 | 審校：阿莫東森 | 排版：北方

編輯：山雞

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