大脑功能背后的复杂运作方式:界限越来越模糊

我们熟悉的心智功能类别,例如感知、记忆和注意力等等,都反映了我们自身的经验,但这些功能却给我们认识大脑的工作方式带来了误导,现在研究人员在探索提出更具启发性的方法,来揭示大脑功能背后的运作方式。

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来源:quantamagazine

撰文:Jordana Cepelewicz

翻译:任天

在某种意义上,神经科学家是大脑不同区域的制图师,负责定义它们的特征和活动,了解连接它们的回路和结构,并界定这些区域的边界。大脑前部,即我们的前额后面,便是前额皮质,被称为判断中枢。前额皮质的后面是运动皮层,负责计划和协调我们躯体的运动。颞叶位于大脑的侧面,对记忆和情绪处理至关重要。在这些区域上方是躯体感觉皮层;在它们后面是视觉皮层。

神经科学研究人员不仅经常像地图绘制者那样描绘大脑及其功能,而且遵循的还是“老式的地图绘制方法”。“他们根据自己在心理、精神上或行为上的兴趣来对大脑进行分析”,然后将这些功能分配给不同的神经元网络,这就好像它们是乐高积木,之间有着明确的界限。

然而,边界分明的大脑“地图”不仅过于简化,而且还经常带来误导。100多年来,科学家们一直在寻找大脑中与思考、感觉、决策、记忆、运动和其他日常经验有关的区域界限,但一无所获。近年来的一系列神经学研究进一步证实,这些心智功能分类“无法给理解大脑的结构或工作方式提供良好的指导”。

对于大脑的生理结构如何组织的问题,神经科学家普遍持有一致的意见:可以将大脑和神经元划分为特定的区域、网络和细胞类型。不过,当涉及到大脑可能正在执行的任务——如感知、记忆、注意力、情绪或动作等——时,“事情就变得更加可疑了”。

没有人质疑视觉皮层能使人看到事物,听觉皮层能使人听见声音,以及海马体对记忆至关重要。对这些区域的损伤都会损害我们的这些能力,研究人员也已经确定了这些区域潜在的运作机制。但事情并没有如此简单。举例来说,记忆也需要除海马体之外的大脑网络,而海马体被证明在记忆之外越来越多的认知过程中发挥着关键作用。有时候,区域重叠的程度太大,以至于功能标签开始失去其意义。

有一种观点认为,不同心智类别之间存在某种强烈的并行机制,神经科学家试图以此来理解大脑和神经在心理事件中发挥的作用,但现在看这样的观点是错误的。

虽然现有的框架曾带来许多重要的见解,但“它让我们陷入了某些相当令人窒息的研究陷阱中”。由此导致的结果也直接阻碍了神经和心理疾病治疗的发展。

这就是为什么一些科学家认为,神经领域的核心概念可能需要修改——也许是彻底的修改——才能让我们真正理解大脑是如何工作的。在努力应对这一挑战的同时,他们开发了新的方法和框架,来探索有关大脑的问题,并给出了新的答案:就在近日,一种新的方法就揭示了记忆形成和代谢调节之间令人意想不到的联系。不过,即使一个新的框架能成功解释大脑的运作,一些研究人员仍然怀疑,这些成功是否会以我们失去与人类经验的联系为代价。

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美国东北大学的心理学家丽莎·费尔德曼·巴雷特认为,认知和记忆等熟悉的心理功能类别“无法给理解大脑的结构或工作方式提供良好的指导” 

“化名比福尔摩斯还多”

功能磁共振成像(fMRI)等技术的出现和发展,使神经科学家能以越来越复杂的方式检查活体大脑,他们也开始积极地寻找人类心智能力的生理基础。在理解知觉、注意力、学习、记忆、决策、运动控制和其他经典心智活动类别的神经基础方面,神经科学家们都取得了巨大进展。

与此同时,他们也发现了令人不安的证据,表明这些分类和支持它们的神经网络并没有像预期的那样发挥作用。这不仅是因为大脑结构不完全符合既定心智类别之间的界限,正是因为功能区域之间的重叠如此之多,才使同一个大脑网络“拥有比夏洛克·福尔摩斯还多的别名”。

举例来说,最近的一项研究发现,三分之二的大脑都参与了看似简单的眼球运动;在我们的呼吸过程中,有一半的大脑会被激活。2019年,多个研究小组发现,视觉皮层等“感知”区域的大多数神经活动编码的其实是动物的动作信息,而不是感官输入。

这种“身份危机”并不局限于与感知或其他认知功能有关的神经中枢。小脑是所有脊椎动物大脑中都具有的结构,被认为是运动中枢,几乎完全负责躯体的运动控制。但科学家发现,小脑在注意力过程、情绪调节、语言处理和决策等方面也发挥着作用。基底神经节是大脑中另一个古老的部分,通常与运动控制有关,但同样涉及好几个高级认知过程。

这些令人困惑的结果可能是由方法论的问题造成的。例如,为了发现人类大脑的不同功能,神经科学家往往将认知过程与fMRI测量的大脑活动模式联系起来。但有研究显示,研究人员需要更注意无关的肌肉抽搐和坐立不安所带来的影响,因为这些都可能改变读数。

研究中当你以为你的研究结果是一些与高级认知有关的东西,但实际上,这些结果可能只反映了参与任务的(实验对象的)眼睛在以不一样的方式运动。

不过,其他一些科学家也指出,近期的发现突出了神经科学中一个更深层次的概念问题,根据某些先入之见来划分大脑的区域,以为不同区域之间存在边界——这是错误的——同样的边界也存在于大脑功能中。

2019年,美国斯坦福大学的神经科学家开始测试公认的心智功能类别的合理性。他们在测试认知控制不同方面——包括工作记忆、反应抑制和学习等——的实验中收集了大量的行为数据,并在机器学习分类器中运行。研究人员发现,这些行为数据的分类结果与预期的大相径庭,传统的大脑功能类别混淆在一起,并充分划分成新的类别,似乎“在更加通用的构念层面上共同发挥作用”,这些结构没有相应的标签,并可能不直接与人类的意识经验有关。

同时进行的另一项研究发现,测量知觉或记忆的任务“实际上并没有测量不同的构念”。这表明,这两种分类其实并不精确,这并不是说“感知”或“记忆”是一个无用的术语,而是说,“如果想了解大脑的‘所作所为’,我们可能需要更精确的方法来理解特定的功能”。

事实上,研究人员甚至不清楚如何区分感知测试和记忆测试,这些分类构念可能实际上并不是大脑真正的组织特征。

一些科学家反驳称,只要我们知道视觉皮层不仅仅与视觉有关,或者记忆网络的作用不仅仅局限于记忆,我们就不一定需要重新思考这些功能分类本身。但有时候,过度宽泛、模糊地使用一个术语会对我们设计的实验类型和提出的假设产生有害影响。

在涉及情绪和情感的研究中,这种影响可能是最明显的。

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当斯坦福大学的神经科学家拉塞尔·波德瑞克使用机器学习对一个庞大的行为数据数据库进行分类时,出现的分类似乎与可识别的心智活动分类(如学习或记忆)并不相符

恐惧与困惑

约瑟夫·勒杜克斯是纽约大学的神经科学家,以其在杏仁核方面的开创性工作而闻名。杏仁核通常被称为大脑的“恐惧中枢”,但这种框架性的描述是非常错误的,也是非常有害的。“多年来,人们在介绍我的时候,都会说我发现了恐惧感是如何从杏仁核中产生的,”他说,“但是当我被这样介绍时,我总是有点退缩。最后,我受够了。”

在过去的十年里,勒杜克斯一直在强调杏仁核与恐惧感的产生完全无关,恐惧是一种对情境的认知解释,是一种与记忆和其他过程相联系的主观体验。一些人所经历的恐惧心理现象,可能在另一些人的体验中是完全不同的。研究表明,恐惧感产生于前额叶皮层和相关的大脑区域。

另一方面,杏仁核与我们对威胁的处理和反应有关,这是一种古老的、潜意识的行为和生理机制,有证据表明,并不总是恐惧导致了这种行为。

将杏仁核称为“恐惧中枢”看似无害,但这却使“杏仁核继承了所有与恐惧有关的语义包袱”。这种错误可能会导致药物开发走上弯路,包括那些旨在减少焦虑的药物。

当科学家在受到压力的动物身上试验潜在的治疗方法时,如果动物表现得不那么胆怯,或者表现出更低的生理兴奋水平,通常就会被解释为焦虑或恐惧水平的降低。然而,药物可以改变一个人的行为或生理反应——杏仁核的作用——却不能治愈焦虑的感觉。

正是由于这种混乱,整个领域都在饱受折磨,类似的问题也出现在其他领域,比如知觉研究。在知觉研究中,感官刺激的生理处理过程和意识体验往往被捆绑在一起。现在来看,这两种情况“需要被分开”。

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加拿大蒙特利尔大学的神经科学家保罗·西塞克正在利用脊椎动物的进化来识别有意义的心智活动类别

功能隐藏在情境当中

研究者发现,神经系统在特定大脑功能中的参与度并不是简单的“0”或“全部”,这使区分不同大脑区域的重要性变得更加复杂。有时,这取决于大脑所处理的功能细节。

拿内侧颞叶的嗅周皮层来说,这是大脑皮层中经典的“记忆”系统的重要组成部分。以前有过这样一个实验,让人类参与者和猴子从一对变形至不同程度的相似图像中选择自己想要的图像。

研究发现,只有当特定数量的特征重叠出现时,嗅周皮层才会参与任务的执行;如果图像更相似,或者相似度较低,嗅周皮层便与人类或猴子的表现无关。同样,传统上被赋予视觉感知作用的颞下皮层,也被发现在记忆任务中起着关键作用,但只适用于特定的情境下。

以上这些发现意味着,研究人员应该研究不同信息的组合,而不是根据特定的视觉、听觉、体感或执行功能来对大脑皮层区域进行分类。一个区域或许能表现不同特征的简单组合,例如可以将“橙色”和“正方形”组合成“橙色正方形”;另一些区域或许已经进化到能够表现更复杂的视觉特征组合,或者声音或数量信息的组合。

这种大脑组织结构解释了为什么在传统的心理活动地图中,会有如此多意想不到的功能重叠,当每个区域代表一种特定的信息组合时,它对记忆、感知、注意力和动作控制的表征也都是如此。

这也是为什么研究实验中使用的感知和记忆任务有时只涉及嗅周皮层的原因:随着每个任务中图像的变化,区分它们的特征组合也发生了变化。

表征框架只是重新思考大脑区域功能细分的一种方式。尽管其他研究者也认同大多数神经科学研究中所用的一些区域分类存在问题,但对于这些问题应该如何解决,目前几乎没有共识。

即使是那些支持对这一领域进行更彻底反思的科学家,也很难对这些问题进行阐述。现在的情况是,很容易就能看出有些事情是行不通的,但现在困难的部分在于应该往哪里走,如何在不说“注意力”、“情感”、“动机”的情况下表达这一切呢?

蒙特利尔大学的西塞克是最早从进化角度重建概念类别的几位研究人员之一。在过去五年里,他一直在努力研究脊椎动物的进化,重新审视行为系统的渐进式特化过程。“大脑中确实存在功能细分,”他说,“这其中确实存在一段进化历史。如果我们能够识别这段历史,它将帮助我们更好地辨别这些概念。”

西塞克已经运用他对大脑活动的新分类来解释为什么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。“你会意识到,无论是‘决策’还是‘注意’,这些术语实际上都与大脑中的某个东西没有关系,”他说,“相反,大脑中有一些非常实用的回路,它们会做特定的行为,比如‘接近’或‘避开’……有些行为看起来有点像‘注意’。”

所以我们必须首先研究大脑机制,以及这些机制为什么会进化出来,如何进化。例如,记忆、规划未来和想象在一定程度上都是由相同的神经机制编码的,这从进化的角度来看是有道理的,因为相同的系统可以用于不同的目的。“

这项进展已经引出了一些有趣的发现。“尖波涟漪”(sharp wave-ripples)是海马体的一种大脑活动,能存储和提取记忆。在近期的《自然》(Nature)杂志上,研究揭示了尖波涟漪的一个全新的功能:帮助调节血糖水平。

这将两个非常不同的极端过程联系在一起。一个是基本的代谢过程,一个是高水平的认知过程。现在,研究人员希望接下来的研究能发现二者之间更深层次的联系,并深入了解身体调节的尖波涟漪如何作用于记忆的形成。

不要惊慌

研究心智功能的重新分类也可能带来另一个重要的进展。例如,研究人员正在考虑同时进行全脑神经活动和各种行为的分类,诸如记忆、知觉和注意力等功能类别都可以理解为“大脑状态的特征”。

在早期的行为数据研究中,出现了一些违反直觉的分组,心理概念有可能在计算术语中被改写——可能是作为定义人工神经网络层的数学描述的简化版本。

当然,这些潜在的解决方案都有缺点。但不能用旧方法无法回答的所有问题来评估一种新方法,而要根据它所激发的那些新问题来进行评估。这有点像这个问题没有正确的解决方法,只有更好的方法和更糟的方法。

这些研究并不是想告诉人们:不要再用“记忆”这个词了。但为了理解大脑,我们可能需要挑战自己关于大脑如何工作的直觉——“就像量子力学挑战我们对世界物理现象的理解一样”。

另一个需要思考的重要问题是,一个新的框架最终可能会带来多大的意义,你可能会获得知识,但实际上你也可能会停止了解自己。

当我们思考大脑是如何工作的时候,我们想要回答的是:当我坠入爱河时,我的大脑会发生什么?当我兴奋的时候,大脑发生了什么?如果我们过于远离自身的主观经验和熟悉的认知概念,我们对大脑的了解可能会像《银河系漫游指南》里的“42”那样:这是正确的答案,但不是我们脑海中问题的答案。那么,我们愿意接受这个事实吗?

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