脑功能认知研究的历史与发展-FMRI、MEG、EEG、ERP

设想一个放在你手中的奶油色物体，这是一个看起来象由两个半球组成的椭球状粘稠物，坐落在一根粗壮的茎上，在它的表面，有着各种各样深浅不一的皱褶，还可以区分出有着特定的颜色，形状和纹理的不同区域，这些区域以一定的方式互相交连折叠在一起。

这个外表奇怪的东西就是我们的大脑，那根粗壮的茎是脑干，皱褶是大脑的沟回，而彼此连接的区域是大脑的各种功能区结构。

确定这些脑区之间的连接方式和与之相应的心理功能，揭示大脑的工作机制，了解人类精神和智力的奥秘，正是千百年来人类最富吸引力也最具挑战意义的问题。

可喜的是，在今天我们终于开始有能力涉足于这个领域，尽管只是一小步小步地艰难探索，智慧女神的真实面貌还是正逐渐地呈现在我们面前。

其实，早在18世纪前叶，意大利医生和生物学家佛洛恩斯（Flourens）就已经通过观察和实验来研究脑。

他通过一定的方式，在不同的动物身上越来越多地摘除它们的脑区域，然后观察产生的结果。

他发现，摘除不同的脑区之后，并不是脑的特定功能受到损害，而是所有功能都逐渐减弱。

这样的事实清楚地表明，将不同的功能选择性地完全定位于脑的某一特定区域是不可能的。

于是，这种认为脑是均一的，没有专一功能区域的设想，就导致了脑的整体性活动概念出现。

与这种整体性脑功能活动想法相反，18世纪后期德国医生加尔（Gall）鼓吹的另一种鲜明对照的观点却久负盛名。

这种观点认为脑能够被分隔成若干固定的小室，各自有高度专一的功能。

加尔通过研究死后的人颅骨的物理特征，再与死者生前的性格特征匹配，发展出一套理论。

他和他的信徒检测颅骨的表面隆凸作为脑的特征，将头骨分成39个区域，相应地将人类复杂的心智功能也分成39种，包括“繁衍的本能”、“爱”、“友谊”、“谨慎”、“仁慈”、“希望”、“记忆”“数学概念”、“文字知觉”、“推理”、“比较”、“空间方位感”、“因果关系”、“时间知觉”、“大小知觉”等等，建立了曾经在西方广泛流传的颅相学（Phrenology）。

这种观点在当时的技术水平下，看似符合客观的科学测量标准，因此曾经在很长的一段时间里独领风骚。

但是，到19世纪后叶，对脑部损伤病人的临床观察有了很多新的发现。

法国医生布洛卡（Broca）检查了一个不会说话的病人，他可以理解语言，但在说话时只能发音“Tan”，不会发别的音。

几天后他去世，对他的大脑研究发现他大脑的损伤区域在左侧大脑半球前部，也就是脑功能结构中著名的布洛卡区。

这种病变现在被称为运动性失语症（Aphasia）。

对另一种语言障碍——感觉性失语症病人大脑的研究则发现，病人能够完全正确地发音，但说出的话语无伦次，语言的理解能力有障碍，损伤的区域在大脑下部的颞横回语言感觉区——韦尼克（Wernicke）区。

这些与颅相学预言完全不同的实际观察结果，逐渐揭示了把颅骨的表面隆凸作为衡量脑功能指标的荒唐无稽。

脑损伤的临床观察虽然把简单肤浅的颅相学从科学的研究中清理出去，对大脑功能的“狭
隘的定位论”观点却没有得到什么改变。

很短的时间内，“概念中枢”、“阅读中枢”、“书写中枢”、“空间定向中枢”等等分别在大脑皮层中确定了位置。

尤其是在20世纪初，具有讽刺意味的是，人类自己发动的世界大战为人类观察研究自身的大脑提供了许多优秀的病例——大脑受弹伤的士兵。

在对这些病例的观察研究得到的大量资料加工整理后，1934年，德国精神病学家克雷斯特（Kleist）甚至绘出了详细的大脑皮质机能定位图。

然而，从本质上而言，这些图与加尔他们的颅相学图并没有很大的差别。

到20世纪三四十年代，把心理过程直接定位在大脑特定区域的机械论观点正在把心理活动的脑功能基础研究引入歧途。

事实上，正是对这种“狭隘的定位论”的怀疑使得象Sherrington（1934，1942）这样的杰出神经科学家在晚年不得不接受把心理过程与脑的基质割裂开来，承认它们特殊的“精神本性”。

而一直以来，反对“狭隘的定位论”的代表——英国著名的神经学家Jackson的假设：对于心理过程的复杂形式的脑组织来说，从它们的结构水平立场出发，要比从大脑有限部分的立场出发更为适当，则被Monakow、Goldstein等杰出研究者继承和发展。

20世纪的第二次世界大战，又为脑损伤的研究提供了大量研究的机会。

一门新兴的独立学科神经心理学，就是在二次大战伤亡最大的两个国家——前苏联和德国的摇篮中产生的。

前苏联杰出学者Luria在1973年发表的专著：《神经心理学原理》，就是这一学科产生的标志。

神经心理学诞生早期的研究仍然集中在脑损伤病人的心理功能障碍与脑损伤的定位和性质上。

直到80年代中期以前，研究的方法范式主要还是临床的神经病学或神经外科检查，神经心理测验和病人死后的脑病理解剖学检查。

在这个时期，神经心理测验是神经科学家们异常重视的研究方法，因为通过它能够相当满意地探测脑损伤的定位问题。

在80年代后期，由于技术的迅速发展，成熟的脑CT技术（computerized tommography 计算机断层扫描术）开始在临床医学诊断和研究中普遍应用，这种可以对病人产生很少损害的成像技术，可以更加方便和精确地确定脑损伤的位置和性质，传统的神经心理学开始吸收认知心理学的精细实验方法，技术和理论概念，逐渐从临床医学的轨道中脱离，转向认知神经科学的方向。

然而，脑CT技术是基于各种脑组织对X射线吸收程度的差异而成像的技术，它测量的只能是脑的结构像信息，因而只能通过结合病人的脑损伤定位观察和行为上的心理功能障碍测量来研究脑功能，对正常人的脑功能活动的研究探索有很大的困难。

这个时候，另外两种新技术的出现和发展，为脑功能定位认知研究开拓出崭新的方向。

这两种技术就是现在应用广泛的PET技术(positron emission tommography, 正电子发射断层扫描术)和fMRI技术（functional megnetic resonance imaging 功能核磁共振成像）。

在身体的所有器官中，脑对能量的消耗是最大的。

即使在安静的状态下，脑所消耗的氧气和葡萄糖的速率也是其他组织的10倍。

当某块脑区工作的时候，它需要的能量巨增。

因此，我们如果能够追踪反映这些能量变化的生理参数，我们就能知道当脑在从事某种作业和任务相关的功能活动时，哪一部分脑区最兴奋活跃或者工作最努力。

这就是PET和fMRI 的基本原理。

其中，PET使用半衰期很短的放射性标记物如18F-2-脱氧核糖、H215O等注入人体，这些放射性示踪物在人体内放出光子，计算机控制的闪烁探头，在脑部四周旋转探测和记录光子的出现的动态过程，计算脑内葡萄糖等相关物的代谢率，可以观察人脑认知时，脑部血流量、糖代谢率和氧消耗的变化等，由此检测脑部生理代谢活动与精神和心理活动的关系。

fMRI则不需要标记物，直接通过测量血液中氧浓度变化引起的血红蛋白的磁性改变，检测脑部兴奋区域与心理功能之间的关联。

在通常的条件下，PET可以在几十秒内，得到一幅清晰的图象，其功能像的空间分辨率是厘米量级，而fMRI可以在几百毫秒的时间分辨率内，检测毫米量级的脑组织活动。

伴随技术的发展，脑功能认知研究的科学概念和理论也在不断地发展。

美国1989年发行的《认知神经科学》专业期刊和1992年出版的《认知神经科学》专著，实际上已经标志了以阐明认知活动的脑机制为研究目的的脑功能认知研究的一门独立学科——认知神经科学的产生。

认知科学理论发展的历程中出现过四种不同的理论体系：物理符号论、联结理论、模块论和生态现实理论，它们在认知神经科学中都有相应的反映。

与人工智能的物理符号论和认知心理学的信息加工学说相应，在脑功能认知研究中占主流地位的是神经生理学的特征检测和功能柱理论。

这是Hubel和Weisel采用细胞微电极记录技术对视皮层细胞功能的研究结果。

他们发现在视网膜、外侧膝状体和大脑皮层中都存在对线段方位进行特征检测的细胞，在皮层上还发现了对颜色、方位和眼优势选择性反应的功能超柱存在。

他们这件因此而获得1981年诺贝尔生理和医学奖的奠基性工作，一直都是认知科学中的主导学术方向。

与人工神经网络研究中的联结理论和并行分布式处理概念相应，神经生理学中的神经元间群编码概念，则企图从神经元的时空结构中找到认知活动的神经基础。

在视觉认知模式识别中，该理论有不少有意义的工作。

但是，离真正了解神经元间群编码与单个神经元激活各自在认知活动中的意义和它们之间的关系，还有很多没有揭开的谜题。

受计算机软件与硬件的模块性组成启发，认知功能的模块性理论把大脑看成由功能和结构上都是高度专门化的相对独立的模块结合而成。

这种精细复杂的功能和结构的结合，就是认知活动的基础。

在运动系统和记忆的研究中，有不少实验发现支持该理论。

在认知活动中机体内部的信息加工过程与外部环境作用之间的关系一直是一个争论不休的问题。

Gibson的“生态光学”与“视知觉的生态理论”认为外界环境提供了足够的信息以直接产生知觉，强调的是生物体知觉中的不变性，反对知觉是对环境的特征检测的观点。

北京认知科学开放研究实验室提出的视知觉拓扑性质检测与功能层次理论，就是对Gibson 的理论和格式塔心理学的继承和发展。

神经生理学中通过对清醒动物的单细胞记录、多细胞记录、阵列电极记录等测量细胞活动的电生理反应，以及分子神经生物学中通过组织化学等方法测量细胞活动时信息传递的化学物质变化，是在分子和细胞水平的脑功能认知研究的生理成像方式。

它们在时间和空间分辨率上都可以达到相当的要求。

与之相比，在皮层水平上对人类大脑的各种无创性认知成像技术，都有各自的缺点。

即使在理想的情况下，fMRI也只能达到100毫秒的时间量级，并且，脑区域能量代谢的变化或者血流的变化，究竟与神经元的兴奋和抑制之间的确切关系是什么，也还是一个悬而未解的问题。

这些通过测量脑血流变化或含氧浓度变化而成的功能像，并不是实际意义上的脑功能活动发生的位置和时间，从而在根本上不可避免地带有一定的空间和时间差异。

有近百年历史的脑电图技术（EEG）,在六七十年代发展出的一种被称为事件相关电位（event-related potential ERP）技术，能够通过实时记录脑功能活动时的头皮电位，测量认知活动引起的脑电变化，并可以通过偶极子定位模型，逆向求解出大致的脑内电活动的源定位。

但是，由于数学上这种逆向求解的困难和解的非唯一性，ERP的脑功能定位只能是对真实脑活动的一个相当粗略的估计。

如果能够通过某种方式有效地结合这两种成像技术，在时间与空间分辨率上同时达到一个更好的水平，在脑功能成像技术上将是一个不小的进步。

这也正是我们目前正极力发展的目标之一。

PET与fMRI在得到特定认知活动的脑功能成像时，采用的是一个状态与另一个对照状态相减的办法，认为相减后得到的兴奋区域就是与特定认知任务相关的脑区。

这种方式虽然有其在心理学实验上的基础，但它的前提是作为研究目的的认知任务能够从其他的认知活动中独立分离出来，也就意味着这种任务的认知信息加工是串行的，而且是按一定方向的层次性处理过程，没有互相反馈和影响。

但认知活动本身并不能完全满足这样的要求。

脑成像技术可以为大脑认知活动形成直观的区域性功能关系图，但在当前的功能成像意义上，脑成像的研究结果的最大意义是为认知过程提供一个生物学上的约束。

尽管离完善这些脑成像技术来探索脑功能还有很远的路要走，但通过这些技术，我们对大脑内部的工作机制的了解越来越清楚。

至少现在我们已经清楚，那种认为一个脑区就有一种特定的自主功能的观点是明显错误的，几乎所有的认知活动，都有好几个脑区的同时兴奋。

事实上，组成大脑的那些解剖学上截然不同的区域，就如同组成一支交响乐团的不同乐器一样，需要精密的协调合作，才能正确地演奏一首交响曲，实现一种认知活动。

在研究大脑对空间（space）和物体（object）这两个人感觉经验中基本而且重要的概念表征中，在人类和灵长类动物的视皮层中发现了知觉物体形状与颜色的腹侧通路和知觉空间位置与运动的背侧通路存在。

这个发现已经被广泛地接受并被认为是认知神经科学的一大成就。

但是，这两条通路之间并不是完全独立的，部分腹侧通路神经元也受运动知觉的调制；而反过来，背侧通路也有许多神经元受形状知觉的调制。

并且，我们通过fMRI结合EEG 对运动形成的图形的研究发现，运动形成的图形同时在腹侧通路和背侧通路引起大脑的兴奋，表明这两条通路之间存在某种协作的关系。

这些结果更引起了对脑功能如何组织与协作进一步研究的极大兴趣。

建立全面的脑功能图谱，完全揭开脑功能的秘密，探索人的智力与意识的本质，是科学上极富吸引力的课题。

脑功能的认知研究是现代科学的最尖端领域之一，无论是脑功能成像技术还是各种认知科学理论都在持续发展的阶段，全世界所有发达国家或组织都投入了极大的物力与人力，我们发展认知神经科学的目标，就是力图通过心理学与认知功能成像的实验研究，在这块领域里占有自己的一席之地。