镜像神经元与自闭症

镜像神经元与自闭症

《环球科学》：镜像神经元,大脑中的魔镜

概述

◆当人类和猴子在执行某个动作或观看其他个体执行同样的动作时，大脑中的一部分神经元就会有所反应。

◆由“镜像神经元”产生的直接的内在体验，让我们能够理解他人的行为、意图或情感

◆镜像神经元也许是模仿他人动作以及学习能力的基础，从而使得镜像机制成为人与人之间进行多层面交流与联系的桥梁

约翰看见玛丽的手向一朵花伸去。约翰知道玛丽要做什么——她要摘花，可是她为什么要这样做？玛丽朝着约翰莞尔一笑，他猜她要把这朵花送给自己。这个简单的场景转瞬即逝，约翰却能立即领会玛丽的意图。为什么他能毫不费力地理解玛丽的行为和意图？

10年前，大多数神经学家和心理学家都认为，我们对他人行为，特别是他人意图的理解，是通过一个快速的推理过程完成的。这个推理过程类似于逻辑推理。也就是说，约翰大脑中有一些复杂的认知结构，它们能详尽分析感官采集的信息，并把这些信息与先前储存的经历相比较，约翰就知道了玛丽在做什么，以及她为什么要这样做。

尽管在某些情况下(特别是当某人的行为难以理解的时候)，这种复杂的推导过程或许确实存在，但当我们看到简单的行为时，往往马上就能作出判断，这是不是意味着还有更简单更直接的理解机制？20

世纪90年代初，在意大利帕尔马大学，我们的研究小组偶然发现，这个问题的答案隐藏在一群神奇的神经元之中。当猴子有目的地做出某个动作时(例如摘水果)，它大脑中的这种神经元就会处于激活状态。不过更让我们吃惊的是，当这只猴子看到同伴做出同样的动作时，这些神经元也会被激活。这类刚刚进入人们视野的细胞似乎就像一面镜子，能直接在观察者的大脑中映射别人的动作，所以我们称它们为镜像神经元(mirror neuron)。

与大脑中储存记忆的神经回路相似，镜像神经元似乎也为特定的行为“编写模板”。有了镜像神经元的这种特性，我们就可以不假思索地做出基本动作，在看到这些动作时，也能迅速理解，而不需要复杂的推理过程。约翰之所以能够领会玛丽的行为，是因为这些动作不仅发生在他眼前，而且也在他的大脑中实时模仿着。很久以前，有哲学家就认为，一个人要真正理解一件事，就必须亲身经历。对于神经学家来说，在镜像神经元中为这种哲学观点找到物质基础，代表了我们对理解过程的认识有了巨大的变化。

发现镜像神经元

在猴子、人类的大脑中，都存在镜像神经元。不论是自己做出动作，还是看到别人做出同样的动作，镜像神经元都会被激活，也许这就是我们理解他人行为的基础。

我们的研究小组发现镜像神经元其实纯属意外。当时，我们正在研究大脑的运动皮质(motor cortex)，特别是其中的F5区域，这一

区域与手部和口部运动有关。通过对运动皮质的研究，我们希望能了解处于激活状态的神经元如何编写指令，以执行特定的动作。为此，我们观测了恒河猴(macaque)大脑中个别神经元的活动。在猴子做出各种不同的动作时(例如抓取玩具或食物)，我们可以观察到，猴脑中有一群独特的神经元，会伴随特定动作而放电。

接下来，奇怪的现象发生了。当猴子看到我们的实验员抓取食物时，它的神经元就像它自己在抓取食物一样被激活了。起初，我们怀疑这可能是某种不易察觉的因素造成的，比如猴子在观察我们的动作时，是不是做了一些我们没有注意到的小动作呢？随着研究的深入，我们逐渐排除了这种可能性，还排除了其他一些干扰因素，比如猴子对食物的渴望。我们开始意识到，神经元的活动形式与猴子看到的动作有关，这是大脑对这个动作本身的真实体现，而与这个动作的执行者没什么关系。

在生物学研究中，要确定一个基因、一种蛋白或者一类细胞的功能，最直接的办法就是把它们从体系中去除，然后再看生物体的健康或行为产生了什么缺陷。不过这种方法无法用于确定镜像神经元的功能，因为我们发现镜像神经元分布十分广泛，在两个大脑半球的重要区域都有分布，包括运动前皮质(premotor cortex)和顶叶皮质(parietal cortex)。如果破坏整个镜像神经系统，就会造成巨大的影响：恒河猴的认知能力严重下降，以至于无法对我们的刺激作出反应，我们也就不可能看出去除了特定细胞后，恒河猴到底缺失了哪些功能。

镜像神经元的作用是领会一个动作的含义，还是只是直观地记录这个动作呢？为了弄清楚这个问题，我们需要找到一些办法，使恒河猴在没有真正看见动作的情况下，也能够理解某个动作的含义，然后在此过程中，观察猴脑中神经元的反应。我们推测，假如镜像神经元真的促成了对动作含义的理解，它们的活动就应该反映了动作的含义，而不是动作的视觉特征。为此我们进行了两个系列的实验。

首先，我们对F5区域的镜像神经元进行了测试，看它们是否能通过声音辨别动作。我们让猴子观察一个伴有特殊声音的手部动作(如撕纸或剥花生壳)，然后记录它的镜像神经元的活动。此后，我们又让猴子只听到声音而看不见动作。结果发现，许多在“看到动作同时听到声音”时会作出反应的F5镜像神经元，对声音本身也会作出反应。于是，我们给这类神经元取了一个形象的名称：视听镜像神经元(audiovisual mirror neuron)。

接下来，我们又提出假设，如果镜像神经元确实与理解动作的含义有关，那么即使不让猴子真正看到某个动作，只是给予足够的暗示，让它们能在大脑中模拟这个动作，猴脑中的镜像神经元也应该会放电。因此，我们先让猴子观看一个实验员的动作——伸手去抓一样食物。然后，再用一个屏风挡住猴子的视线，让它看不到实验员抓食物的动作。这时，猴子就只能依靠想象，猜出实验员在屏风背后做了什么动作。尽管如此，猴脑中一半以上的F5镜像神经元还是会放电。

这些实验证明，镜像神经元的活动是理解动作行为的基础。当对一个动作的理解并非建立在视觉基础上，而是建立在诸如声音和动作

特征之上时，镜像神经元仍能够通过放电来标明这个动作的含义。

既然猴子的大脑中都有镜像神经元，那么在人类的大脑中是否也存在镜像神经系统呢？我们对这个自然而然的推测进行了研究。首先，我们借助检测运动皮质活性变化的多种技术，设计了一系列实验，证实了人脑中的确存在镜像神经系统。例如，当参与实验的自愿者看到实验员抓取一件物品，或者做出一个手臂动作时，他们自己的手和手臂上的相应肌肉就会产生神经兴奋。这表明在自愿者的大脑运动原区域中，有镜像神经元作出了反应。在后来的研究中，我们又利用多种体外测量方法，例如脑电图(electroencephalogram)，来检测大脑皮质的活动，结果也都证实了人脑中镜像神经元系统的存在。但我们所使用的技术，都无法触及最关键的一点：自愿者观察他人动作时，到底他们大脑中的哪些具体位置被激活了呢？为了找到答案，我们利用最直观的大脑成像技术(brain-imaging technique)展开了研究。

在意大利米兰市的圣拉菲尔医院(San Raffaele Hospital)，我们进行了一组这样的实验：把自愿者分为两组，一组观看不同的手部抓握动作，另一组作为参照组，只盯着静止的物体。利用正电子断层扫描仪(positron-emission tomography，PET)，我们观察了两组自愿者大脑中神经元的活动情况。结果发现，观看他人的动作会激活大脑皮层中3个主要区域。其中一个是颞上沟(superior temporal sulcus，STS)，这个区域的神经元会在自愿者观察身体部位的运动时作出反应。另外两个区域是顶下小叶(inferior parietal lobule，IPL)和额下回(inferior frontal gyrus，IFG)，它们分别对应于猴