| “熱”起來的大腦 |
| ——關(guān)注腦科學(xué)（上） |
競(jìng)爭(zhēng)時(shí)代開啟孩子的智慧之窗“我女兒小學(xué)二年級(jí)，每天早晨起床后練寫1小時(shí)毛筆字，7點(diǎn)去學(xué)校上課，下午放學(xué)后先做家庭作業(yè)，然后再練1小時(shí)鋼琴。”
“她感覺累不累？”
“有時(shí)挺高興的，有時(shí)也不愿意。但沒辦法，不管她是否愿意，都必須去做。現(xiàn)在社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)激烈，人家的孩子都在學(xué)，你不讓她學(xué)或不練就跟不上，在班里就得不到老師的認(rèn)可，有可能耽誤她一輩子。”
上面是年輕的媽媽們之間經(jīng)常有的對(duì)話。這時(shí)，如果有人插話，勸她們別這樣折騰孩子，她們會(huì)很不高興。她們認(rèn)為，說這話的人對(duì)孩子沒有直接責(zé)任，屬于“站著說話不腰疼”。盡管她們中不少人知道，即使獲得過國(guó)際奧數(shù)比賽大獎(jiǎng)的孩子，長(zhǎng)大成人后并沒有幾個(gè)能夠成為數(shù)學(xué)家或者從事數(shù)學(xué)研究工作，但她們似乎找不到更好的途徑培養(yǎng)自己的孩子，目前采取的措施完全是一種無奈。
實(shí)際上，年輕父母?jìng)冞@種無奈之舉緣于人類對(duì)自身大腦的工作原理知之甚少，不知如何開發(fā)利用，不知如何發(fā)現(xiàn)孩子的個(gè)性特征。也許正因此，腦與認(rèn)知科學(xué)已成為國(guó)際科學(xué)界的熱門研究課題。
最近，許多研究人員明顯感受到，關(guān)于腦認(rèn)知的研究報(bào)告不論在Scinece、Nature還是其他專業(yè)刊物上所占的比例均呈增加趨勢(shì)，而且這些報(bào)告很有吸引力。
澳大利亞與美國(guó)科學(xué)家在美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》發(fā)表文章說，大腦發(fā)育分階段，在青春期早期，叛逆的孩子大腦內(nèi)負(fù)責(zé)情緒的區(qū)域發(fā)育較正常孩子要快。經(jīng)常與父母發(fā)生沖突的孩子，大腦中與情緒相關(guān)的區(qū)域比其他孩子發(fā)育更早，但他們大腦內(nèi)控制情緒的區(qū)域發(fā)育狀況卻不佳。這可以解釋為什么叛逆的孩子更容易產(chǎn)生焦躁、反常情緒，也更不善于控制局面。但到了一定年齡，這兩個(gè)區(qū)域的發(fā)展會(huì)達(dá)到平衡。通常，人發(fā)育到20多歲時(shí)，大腦兩個(gè)區(qū)域的發(fā)展會(huì)達(dá)到平衡。
2004年，香港大學(xué)譚力海等在Nature發(fā)表文章認(rèn)為，中國(guó)人的大腦語(yǔ)言區(qū)與西方人的不盡相同，這可能是文字差異造成的。西方人使用拼音文字，語(yǔ)言功能由左腦控制；而中國(guó)人使用象形文字，語(yǔ)言功能不僅需要?jiǎng)佑米竽X的力量，而且必須有右腦的參與。他們的研究結(jié)果已被美國(guó)同行證實(shí)。譚力海認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)臨床有重要指導(dǎo)意義。如果中國(guó)人完全照搬西方人的腦外科手術(shù)方案，很可能給接受手術(shù)的中國(guó)人帶來失語(yǔ)等后遺癥。他們的這項(xiàng)成果為中國(guó)神經(jīng)外科醫(yī)生設(shè)定了有中國(guó)特色手術(shù)的腦語(yǔ)言禁區(qū)。
在中國(guó)，中科院生物物理所研究員劉力發(fā)現(xiàn)和證實(shí)了記憶在果蠅腦中儲(chǔ)存的位置。他和同事們將分子遺傳學(xué)與行為學(xué)方法結(jié)合起來，將特定的腦結(jié)構(gòu)與學(xué)習(xí)記憶功能聯(lián)系起來，首次證明了果蠅中心腦區(qū)——扇形體結(jié)構(gòu)，參與調(diào)節(jié)視覺圖形的識(shí)別過程。扇形體內(nèi)的兩層水平平行片狀結(jié)構(gòu)由兩組神經(jīng)元的末梢分支構(gòu)成，它們分別具有記憶圖形的重心高度信息和記憶圖形朝向信息的功能，從而使果蠅有效地分辨重心或朝向不同的圖形。這一發(fā)現(xiàn)表明：果蠅個(gè)體很小，腦功能卻相當(dāng)復(fù)雜，其視覺記憶功能需要腦中特定神經(jīng)元形成回路來完成。其工作也使果蠅成為研究神經(jīng)結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系的模型之一。他們的這一成果以長(zhǎng)文的方式發(fā)表在Nature上?？梢灶A(yù)見，科學(xué)家們?cè)诓痪玫膶砜赡軐ふ也⒍ㄎ蝗祟愑洃浀臏?zhǔn)確腦區(qū)。
一旦科學(xué)家弄清大腦每個(gè)精細(xì)部位的功能，媽媽培養(yǎng)孩子必定有更科學(xué)的方法，而不是像現(xiàn)在這樣無奈地給孩子增加有用或無用的壓力。
科研成果直接聯(lián)系經(jīng)濟(jì)行為腦認(rèn)知的研究成果，不僅與教育、醫(yī)療密切相關(guān)，而且已愈來愈多地影響著人們經(jīng)濟(jì)行為的策略。
2008年12月，美國(guó)加利福尼亞理工學(xué)院的科學(xué)家在Science上公布了一項(xiàng)引人注目的成果：他們使用功能性磁共振（fMRI），觀察到人在面對(duì)風(fēng)險(xiǎn)和不確定因素時(shí)作出決定的整個(gè)過程，包括主管感情和理智的腦區(qū)在這個(gè)過程中所起的不同作用。Science為此發(fā)表述評(píng)，分析了這一研究結(jié)果所蘊(yùn)涵的經(jīng)濟(jì)學(xué)價(jià)值，其最有說服力的例子是：賭博和保險(xiǎn)兩大產(chǎn)業(yè)都依賴于人類對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的態(tài)度。
在這方面，中國(guó)科學(xué)家也開展了很有趣的研究。他們?cè)O(shè)計(jì)了這樣的問題：假設(shè)你現(xiàn)在有一筆5000元的獎(jiǎng)金，你可以作兩個(gè)不同選擇：選擇一是現(xiàn)在就拿到5000元獎(jiǎng)金去好好消費(fèi)，犒勞自己一年的辛苦；選擇二是把這些獎(jiǎng)金存起來或投資，一年后可以得到5500元。請(qǐng)問你會(huì)選擇哪一種？
另一個(gè)問題是：假設(shè)你上個(gè)月刷卡消費(fèi)了5000元，今天是本月的還款日，你可以作兩個(gè)不同選擇：選擇一是現(xiàn)在就還款5000元；選擇二是付出一些利息，一年以后還款5500元。請(qǐng)問你會(huì)選擇哪一種？
行為決策領(lǐng)域的研究已經(jīng)證明，在面對(duì)“損失”或者“獲得”的跨期選擇時(shí)，人們對(duì)未來“獲得”的時(shí)間折扣率大于對(duì)“損失”的折扣率，這在學(xué)術(shù)界被稱為“符號(hào)效應(yīng)”?；谶@一現(xiàn)象，中科院自動(dòng)化所蔣田仔研究員，徐麗娟、王坤博士與中科院心理所李紓研究員、梁竹苑博士后，合作進(jìn)行了一項(xiàng)fMRI研究，首次考察并比較了“獲得”與“損失”領(lǐng)域中時(shí)間折扣的神經(jīng)機(jī)制。
他們發(fā)現(xiàn)，在對(duì)“獲得”和“損失”的時(shí)間折扣中，對(duì)“獲得”和“損失”進(jìn)行折扣的神經(jīng)機(jī)制并不對(duì)稱。一般來說，當(dāng)被試對(duì)未來的“獲得”與“損失”進(jìn)行選擇時(shí)，大腦側(cè)額葉和后頂葉區(qū)域發(fā)生激活，但在折扣“損失”時(shí)，不僅這兩個(gè)區(qū)域的腦激活更強(qiáng)，腦島、丘腦、背側(cè)紋狀體等區(qū)域也顯著激活；而如果被試需要對(duì)即刻的選項(xiàng)進(jìn)行選擇時(shí)，后扣帶回和內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)都會(huì)發(fā)生激活，但在折扣損失時(shí)，前扣帶回、腦島和額上回都會(huì)發(fā)生激活。
這些結(jié)果說明，人類的大腦對(duì)未來“損失”比對(duì)未來的“獲得”更加敏感，而這可能是由諸如恐懼、厭惡之類的負(fù)性情緒所驅(qū)動(dòng)。這一研究結(jié)果為揭開時(shí)間折扣的神經(jīng)機(jī)制提供了新的證據(jù)。他們根據(jù)研究結(jié)果撰寫的報(bào)告，近期已在線發(fā)表在SCI索引期刊——愛思唯爾雜志《腦研究》（BrainResearch）上，后續(xù)研究成果也正在撰寫之中。
“Global-first”（大范圍首先）取得理論上的突破研究人員告訴記者，如果追溯腦與認(rèn)知科學(xué)的研究歷史，至今已有200年。200年來，在理論上，認(rèn)知領(lǐng)域的一些科學(xué)家從“原子論”和“整體論”兩種角度開展了研究，形成了不同的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)，因而存在一些爭(zhēng)論。最近半個(gè)世紀(jì)以來，“原子論”占據(jù)認(rèn)知科學(xué)的主導(dǎo)地位。其中，較有影響的近代知覺理論主要有：美國(guó)麻省理工大學(xué)Marr的計(jì)算理論、加州大學(xué)伯克利分校Treisman的特征整合理論、貝爾實(shí)驗(yàn)室Julesz的質(zhì)地子理論。他們都持“原子論”的觀點(diǎn)，認(rèn)為知覺過程是“由局部到大范圍”。
1982年，中科院生物物理所陳霖在Science上發(fā)表了不同于其他學(xué)者的一個(gè)理論猜想——《視知覺中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)》（Topological structure in visual perception）。在這篇文章中，陳霖認(rèn)為，知覺活動(dòng)以拓?fù)湫问襟w現(xiàn)——“從大范圍向局部推進(jìn)”。陳霖的觀點(diǎn)向權(quán)威們提出了挑戰(zhàn)，包括諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、著名裂腦研究專家R.W. Sperry。他曾在1991年指出，精神和意識(shí)是大腦的整體性質(zhì)。在認(rèn)知過程中，神經(jīng)元事件可看成是嵌入在更高層次的因果現(xiàn)象之中。在大腦活動(dòng)的因果鏈中，意識(shí)經(jīng)驗(yàn)以不可還原的突現(xiàn)形式出現(xiàn)在大腦過程的認(rèn)知層次上。這些突現(xiàn)的心靈實(shí)體不僅在認(rèn)知水平上相互作用，而且對(duì)作為組成成分的神經(jīng)元的活動(dòng)實(shí)施自上而下的控制。
但20余年來，陳霖帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)所完成的一系列研究為他們的猜想提供了更多的依據(jù)，相關(guān)研究成果發(fā)表在2003年美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》上，表述了視覺過程是“從大范圍拓?fù)湫再|(zhì)”知覺組織開始的；拓?fù)湫再|(zhì)作為最基本層次的各個(gè)層次的幾何不變性質(zhì)，是圖形知覺的基本表達(dá)。這一猜想，目前已成為國(guó)際上比較公認(rèn)的拓?fù)湫再|(zhì)初期知覺學(xué)說。
Visual Cognition的主編Humphreys在2005年出版陳霖的研究專集時(shí)說：“這篇文章是許多年來關(guān)于人類知覺信息決定性因素研究的豐富和重要的總結(jié)。我相信，這項(xiàng)工作是對(duì)許多當(dāng)前知覺觀點(diǎn)的重大挑戰(zhàn)。在這一期雜志中，這篇文章將由這個(gè)領(lǐng)域的一些領(lǐng)軍人物來評(píng)論。我相信這篇文章有開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。”
美國(guó)科學(xué)院院士Desimone說：“近來神經(jīng)生理學(xué)數(shù)據(jù)提示，陳的模型的確是正確的。它從大范圍到局部知覺拓?fù)淠Ｐ停瑢⒓?lì)神經(jīng)生理學(xué)家對(duì)視覺特征分析，采取強(qiáng)調(diào)物體特征在變換下不變性質(zhì)上開展新方向的研究工作。”
Minnesota大學(xué)副教授H’S認(rèn)為：“陳和他的同事們?cè)谶^去20多年積累了令人印象極其深刻的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，毫無疑問地動(dòng)搖了我們現(xiàn)在理解視覺過程的基礎(chǔ)，拓?fù)渲X理論對(duì)我們最終理解視覺的貢獻(xiàn)是很難估量的。”
最近，哈佛大學(xué)教授Wolfe總結(jié)概括陳霖的理論為“陳氏Global-first”（大范圍首先）理論。
陳霖對(duì)記者這樣解釋他的理論：一塊橡皮上如果有個(gè)洞，不論你怎樣揉搓變形，這個(gè)洞的形狀也隨之改變，但它一直存在。這就是典型的拓?fù)湫再|(zhì)。人類大腦對(duì)信息的處理，遵循這個(gè)基本規(guī)律。這個(gè)理論回答了“什么是知覺信息的基本表達(dá)”——這一知覺研究最根本的問題，為腦科學(xué)家們提供了一個(gè)統(tǒng)一的科學(xué)描述認(rèn)知的理論框架，如同基因概念之于生物學(xué)、比特概念之于信息科學(xué)的意義。
由于“原創(chuàng)性地提出和系統(tǒng)地發(fā)展了拓?fù)湫再|(zhì)初期知覺理論”，陳霖獲得了2004年求是科技基金會(huì)的杰出科學(xué)家獎(jiǎng)，并當(dāng)選中國(guó)科學(xué)院院士。
研究工作呈三大特征“腦認(rèn)知科學(xué)的發(fā)展目前呈現(xiàn)3個(gè)特征：在科學(xué)上，腦認(rèn)知科學(xué)容納了越來越多的其他學(xué)科內(nèi)容，成為典型的多學(xué)科交叉研究領(lǐng)域，如數(shù)學(xué)、物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、心理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、遺傳學(xué)甚至哲學(xué)與社會(huì)科學(xué)等，都逐漸滲透到腦與認(rèn)知科學(xué)中來；在研究方法上，越來越多地應(yīng)用無創(chuàng)技術(shù)，過去的科學(xué)家依靠解剖等手段，打開大腦開展研究，而現(xiàn)在可以通過腦成像技術(shù)等進(jìn)行分析；腦認(rèn)知研究成果不僅直接應(yīng)用于精神健康、學(xué)習(xí)記憶等，而且直接影響社會(huì)生產(chǎn)和生活的多個(gè)方面。”中科院生物物理所副所長(zhǎng)赫榮喬研究員接受采訪時(shí)說。
“目前，關(guān)于大腦記憶功能的存儲(chǔ)與提取問題，是本世紀(jì)的重大科學(xué)問題，成為相關(guān)研究人員的工作重點(diǎn)”。
他還介紹，在中科院生物物理所，郭愛克院士領(lǐng)導(dǎo)的課題組發(fā)現(xiàn)，正常野生型果蠅（WTB）可以根據(jù)線索強(qiáng)度對(duì)比變化，果斷地作出最為有利的選擇，而通過基因突變或生化方法導(dǎo)致果蠅腦中蘑菇體缺失的果蠅則猶豫不決，不能作出穩(wěn)定的抉擇。蘑菇體是果蠅腦內(nèi)的重要結(jié)構(gòu)，1850年蘑菇體的發(fā)現(xiàn)者曾經(jīng)猜想它是果蠅腦內(nèi)負(fù)責(zé)“自由意志”和實(shí)施“智能控制”的地方。郭愛克課題組推測(cè)，蘑菇體結(jié)構(gòu)能通過抑制作用調(diào)控果蠅的某些行為，也可能以此方式調(diào)節(jié)多通路感覺輸入信息的綜合處理，使果蠅得以抑制次要信息，在面臨矛盾線索時(shí)作出正確選擇。這可能與高等動(dòng)物決策的抑制性閘門理論有相似性，果蠅在某些基本的人類認(rèn)知行為方面，有可能利用了與高等動(dòng)物相近的神經(jīng)機(jī)制。近年來，郭愛克等的相關(guān)研究成果在Science上發(fā)表了一系列論文。
2006年Nature發(fā)表了中科院生物物理所研究員沈鈞賢與美國(guó)伊利諾伊大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)合作，發(fā)現(xiàn)凹耳蛙能發(fā)出超出128千赫的高頻超聲信號(hào)，是人類聽力極限的6倍。這是科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)哺乳動(dòng)物以外的動(dòng)物能夠用超聲波相互交流，而研究首次證實(shí)，凹耳蛙是第一個(gè)能產(chǎn)生并檢測(cè)超聲信號(hào)的非哺乳類脊椎動(dòng)物。凹耳蛙的這種超聲通訊能力是如何進(jìn)行控制的，課題組正在進(jìn)一步研究。
在國(guó)際上，科學(xué)家正從不同角度、不同層次開展腦認(rèn)知的研究，有分子層次的、有細(xì)胞層次的、有環(huán)路角度的、有從腦—行為過程研究的。他們正針對(duì)各種層次、不同角度理解大腦的結(jié)構(gòu)和功能。但對(duì)于大腦的認(rèn)識(shí)，任何一種方法、任何一個(gè)層次的工作都不足以描述大腦的活動(dòng)。這是由大腦結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)雜性所決定的，因而研究方法必須多種多樣。關(guān)于大腦的研究，除了傳統(tǒng)工具和手段之外，如今利用物理、化學(xué)等方法研究的事例日趨增多，一項(xiàng)又一項(xiàng)關(guān)于大腦研究的新成果、新發(fā)現(xiàn)接踵而至，也引起了科學(xué)界乃至全社會(huì)的高度關(guān)注。
生物學(xué)家說，“這類專業(yè)刊物近年來的影響因子一路攀升，如關(guān)于腦成像的雜志Neuroimage，影響因子近年來已經(jīng)達(dá)到5～6之間，Human brain mapping則已達(dá)6～10之間。盡管這兩本雜志創(chuàng)刊
