i-Brainscience | 大脑并不是像你想的那样思考

我们所熟悉的感知、记忆和注意力等心理功能类别反映了我们对自身的体验感受，但它们对于理解大脑是如何构成的，或者它们是如何工作的指导很差。现阶段，更具启发性的方法正在出现。文章来自翻译，希望能对你有所启示。

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神经科学家曾试图将各类心理功能映射到大脑的特定区域，但最近的研究表明，这些区域的定义和边界是复杂的，且取决于具体情况。

神经科学家是大脑不同领域的制图师ーー界定它们的特征和活动，连接不同脑区，以及界定它们的边界。在大脑前部，前额的后面，是脑前额叶外皮，被誉为判断的发生地。它的背后是运动皮层，负责计划和协调运动。两侧是颞叶，其对记忆和情绪处理至关重要。上面是躯体感觉皮层，下面是视觉皮层。

美国东北大学（Northeastern University）心理学家丽莎·费尔德曼·巴雷特（Lisa Feldman Barrett）表示，研究人员不仅经常像地图绘制者绘制大陆上的国家那样描绘大脑及其功能，而且他们根据自己感兴趣的心理、精神或行为来描绘和解析大脑，然后将这些功能分配给不同的神经元网络，就像拼乐高积木一样。

但是，边界整齐的大脑地图不仅过于简单化，而且还具有误导性。巴雷特说：“100多年来，科学家们一直在寻找大脑在思考、感觉、决定、记忆、运动和其他日常经验之间的界限，但都毫无结果。最近的一系列神经学研究进一步证实，这些心理分类“对于理解大脑的结构或工作方式而言，并不具有很好的指导性”。

神经科学家普遍认同大脑物理组织的组织方式：特定区域、网络、细胞类型。纽约大学的神经科学家大卫·波佩尔（David Poeppel）说：“但是，当把这些与大脑可能执行的任务（感知、记忆、注意力、情感或行动）联系起来时，事情就变得更加扑朔迷离了。”

没有人质疑视觉皮层能产生视觉，听觉皮层能产生听觉，或者海马体对记忆至关重要。这些区域受损会损害这些能力，研究人员已经确定了这些区域的潜在机制。但是，比如，记忆也需要海马体以外的大脑神经元，而且事实证明，海马体是越来越多记忆以外的认知过程的关键。有时，重叠的程度如此之大，以至于标签开始失去意义。

巴雷特说：“神经科学家曾试图将不同类别的心理功能映射到大脑特定区域，这种想法是错误的。”

美国东北大学心理学家丽莎·费尔德曼·巴雷特认为，人们所熟悉的感知和记忆等心理功能类别“对于理解大脑的结构或工作原理而言，并不具有很好的指导性”。图片来源：马修·莫杜诺（Matthew Modoono）/东北大学（Northeastern University）

蒙特利尔大学（University of Montreal）的神经科学家保罗·西塞克（Paul Cisek）说：“虽然目前的研究产生了不少洞见，但它也让我们陷入了某些陷阱，这一结果也直接阻碍了神经和心理疾病治疗方法的发展。”

这就是为什么巴雷特、西塞克和其他科学家认为，为了让我们真正了解大脑是如何工作的，该领域的核心概念可能需要进行根本性的修改。在努力应对这一挑战的过程中，他们发现了构建大脑问题的新方法，以及新的答案：其中一种方法就揭示了记忆形成与新陈代谢之间意想不到的联系。但是，即使新的研究框架成功地解释了大脑的运作，一些研究人员也在想，这种成功的代价是否会是失去与人类经验的联系？

01 ‘比夏洛克·福尔摩斯的别名还多’

当功能性磁共振成像（fMRI）和其他强大的技术的普及，使研究活人大脑成为可能时，神经科学家开始热情高涨地寻找心智能力的物理基础。他们在理解感知、注意力、学习、记忆、决策、运动控制和其他典型心理活动的神经基础方面取得了长足进步。

但是，他们也发现了一些令人不安的证据，表明这些类别和支持它们的神经网络并不像预期的那样工作。这不仅仅是因为大脑的结构不符合既定心理范畴之间的界限。巴雷特说：“因为两者重叠的地方太多了，以至于一个大脑网络有比福尔摩斯的化名还多”。

要说明事情是如何不顺利的很容易，现在难的是何去何从。

——路易斯·佩索阿（Luiz Pessoa），马里兰大学（University of Maryland）

例如，最近的研究发现，三分之二的大脑神经元参与了简单的眼球运动；与此同时，一半的大脑神经元在呼吸时被激活。2019 年，几个科学家小组发现，视觉皮层等“感知”区域的大部分神经活动是对活动物体运动信息的编码，而不是对感觉输入的编码。

这种认同危机并不局限于感知或其他认知功能的神经中枢。小脑是所有脊椎动物大脑中都有的一个结构，过去被认为几乎只用于运动控制，但科学家发现，它在注意力过程、情绪调节、语言处理和决策方面也发挥着重要作用。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，但也同样与多个高级认知过程有关。

这些令人困惑的结果有些可能是由于方法问题造成的。例如，为了发现人类大脑在哪里执行不同的功能，神经科学家通常会将认知过程与通过核磁共振成像测量的大脑活动模式联系起来。但研究表明，研究人员需要更加警惕无关的肌肉抽搐和躁动，它们可能会污染读数。

纽约大学医学院的神经科学家捷尔吉·布扎基（György Buzsáki）说：“你认为研究结果告诉了你一些关于高级认知的东西。但事实上，这些结果除了反映眼睛运动的方式不同之外，什么都没有反映出来。”

但他和其他科学家都认为，最近的发现也凸显了神经科学中一个更深层次的概念问题。布扎基说：“我们根据自己先入为主的想法来划分大脑的实际区域，我认为这些先入为主的想法是有局限的，而且假设大脑功能也存在同样的界限是错误的。”

当斯坦福大学的神经科学家罗素-波德拉克（Russell Poldrack）使用机器学习技术对一个庞大的行为数据数据库进行分类时，所出现的类别似乎与可识别的心理分类（如学习或记忆）并不一致。

2019 年，斯坦福大学的神经科学家罗素·波德拉克（Russell Poldrack）和他的同事们开始测试公认的心理功能分类是否恰当。他们收集了大量的行为数据，并通过机器学习训练分类器。训练数据来自于旨在测试认知控制不同方面的实验，包括工作记忆、反应抑制和学习。由此产生的分类打破了预期，将传统的大脑分区分类混合在一起，然后将它们分成新的类别，这些类别似乎遵循一些更为通用的结构。波德瑞克说：“我们还没有为这些构造贴上标签，而且这些构造可能与我们的意识体验没有直接关系。”

波德瑞克的同事们进行的另一项研究发现，旨在测量感知或记忆的任务根本没有真正观测到不同的结构。波德瑞克说。“这表明，这两个类别其实并不精确。”他强调说，“这并不是说‘感知’或‘记忆’是一个无用的术语。如果我们想了解大脑在做什么，我们可能需要更精确的方法来了解特定的功能。”

波德拉克说：“我们甚至不清楚如何区分感知测试和记忆测试，这一事实表明，这些分类建构‘实际上可能并不是大脑真正的组织特征’。”

一些科学家反驳说，只要我们知道视觉皮层不仅仅参与视觉，或者记忆网络的作用比它的名字所暗示的更多，我们就不一定需要重新思考这些分类本身。但是，约翰·霍普金斯大学（Johns Hopkins University）的神经科学家约翰·克拉考尔（John Krakauer）说：“有时候，过于宽泛、模糊地使用一个术语会对我们所做的实验和假设产生不利影响。”

这一点也许在情绪和心境的研究中最为明显。

02 恐惧与困惑

约瑟夫·勒杜(Joseph LeDoux)是纽约大学的神经科学家，因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心。但他说，这种框定是非常错误的，而且非常有害。“多年来，我一直被认为是一个发现恐惧感是如何从杏仁核中产生的人。“但是当我以这种方式被介绍时，我总是有点退缩。如今，我真的受够了！”

由于这种混乱，整个领域都在受苦。

——约瑟夫·勒杜（Joseph LeDoux）, 纽约大学（New York University）

勒杜在过去的十年中一直强调杏仁核与产生恐惧毫无关系。他指出，恐惧是对一种情况的认知解释，是一种与记忆和其他过程联系在一起的主观体验。一些人体验到的恐惧心理现象，在另一些人看来可能是截然不同的。研究表明，恐惧感产生于前额叶皮层和相关脑区。

而杏仁核则参与处理和应对威胁，这是一种古老的、潜意识的行为和生理机制。勒杜说：“证据表明，导致行为的原因并不总是恐惧。”

他继续说道，将杏仁核称为恐惧中心似乎是无害的，但是“这让杏仁核继承了恐惧的所有语义包袱。”这种错误会扭曲药物地研发，包括那些旨在减轻焦虑的药物。在压力下对动物进行潜在治疗测试时，如果动物表现得不那么胆怯或表现出较少的生理反应，它通常会被解释为焦虑或恐惧程度降低。但是，药物可以改变一个人的行为或生理反应（即杏仁核的输出），但不会缓解焦虑程度，勒杜说。

他说：“由于这种混淆，整个领域都受到了影响。”

他补充说，类似的问题也出现在其他领域，比如感知研究，感官刺激的物理处理和意识体验往往被捆绑在一起。勒杜认为，在这两种情况下，都需要对它们进行拆分。

03 功能与背景

但是，由于发现神经系统对特定功能的参与并不是简单的“全有”或“全无”，要区分不同脑区的重要性变得更加复杂。有时，它取决于处理内容的细节。

就拿内侧颞叶中被称为“边缘皮层”的部分来说，它是大脑皮层中典型的“记忆”系统的重要组成部分。美国国立精神卫生研究所的伊丽莎白·默里（Elisabeth Murray）等人做了这样一个实验：要求人类和猴子从一对在不同程度上相似的变形中选择一张自己想要的图像。

我们必须首先研究大脑的机制，以及这些机制为什么以及如何进化。

——György Buzsáki,，纽约大学医学院（NYU School of Medicine）

他们发现，只有当出现特定数量的特征重叠时，边缘皮层才会参与任务的执行。如果图像相似度较高或较低，人或猴子的表现如何与边缘皮层无关。同样，传统上被认为在视觉感知中发挥作用的下颞皮层也被发现对记忆任务至关重要，但仅限于特定情况。

前国家卫生研究院退休神经生物学家史蒂文·怀斯（Steven Wise）认为，这些发现意味着，研究人员不应该按照专门的视觉、听觉、体感或执行功能对皮层区域进行分类，而应该研究它们所代表的不同信息组合。一个区域可能参与表示特征的简单组合，如表示橙色正方形的“橙色”和“正方形”。其他区域则可能进化为代表更复杂的视觉特征组合，或声学或定量信息的组合。

怀斯认为，这种大脑组织方案解释了为什么在传统的心理活动图谱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、注意力和行动控制都是如此，”怀斯说。

这也是为什么默里在实验中使用的感知和记忆任务有时只涉及边缘皮层：随着每个任务中图像的改变，区分它们的特征组合也会发生变化。

怀斯的表征框架只是重新思考大脑细分的一种方法。虽然其他研究人员也认为，指导大多数神经科学研究的脑分区列表存在问题，但对于如何解决这些问题却鲜有共识。

蒙特利尔大学的神经科学家保罗-西塞克（Paul Cisek）正在利用脊椎动物的进化来识别有意义的心理活动类别。蒙特利尔大学（University of Montreal）

即使是支持对这一领域进行更彻底反思的科学家也发现很难勾勒出轮廓。马里兰大学的神经科学家路易斯·佩索阿（Luiz Pessoa）说：“要说明事情是如何失效的并不难。现在最难的是何去何从。我[经常]发现自己使用了大量的术语，而这些术语正是我所批评的。我怎么能不使用‘关注’、‘情感’、‘动机’等词语就表达自己想说的话呢？”

蒙特利尔的西塞克是开始从进化角度重建概念范畴的几位研究人员之一。过去五年来，他一直在脊椎动物进化的道路上煞费苦心，研究行为系统的渐进特化。

他说：“大脑中确实存在功能细分。它们实际上有着进化的历史。如果我们能够识别这段历史，将有助于我们更好地识别这些概念。”

西塞克已经用他对大脑活动的新分类解释了为什么基底神经节在某些决策任务中起着关键作用，而在另一些任务中却不是。他说：“你会意识到，无论是‘决策’还是‘注意力’，实际上都不对应大脑中的某一事物。相反，大脑中有一些非常实用的回路，它们会做某些事情，比如‘接近’或‘回避’。......其中有些事情看起来有点像集中注意力。”

布扎基也持类似观点。他说：“我们必须首先研究大脑机制，以及这些东西为什么和如何进化。例如，记忆、未来规划和想象力都部分由相同的神经机制编码，这从进化的角度来看是合理的，因为相同的系统可以循环用于不同的目的。”他强调：“最好把所有（这些）都看作一个整体。”

这种方法已经带来了一些有趣的发现。多年来，Buzsáki 一直在研究海马体中的一种大脑活动——尖波瘫痪，这种活动可以存储和检索记忆。但本月在《自然》（Nature）杂志上，他的前博士生戴维·廷利（David Tingley）和布扎基实验室的其他人揭示了尖波纹的一种全新功能：帮助调节血糖水平。

Buzsáki说：“我们将两个截然不同的极端联系起来，一个是基本的代谢过程，另一个是高级的认知过程。”他现在希望发现两者之间更深层次的联系，并深入了解身体调节的尖锐波浪波纹如何被重新用于记忆形成。”

04 不要恐慌

研究心理类别的其他方法也是可能的。例如，巴雷特、佩索阿和其他人正在同时考虑整个大脑的神经活动和各种行为。巴雷特说：”你研究的是整个系统的各个部分之间的相互作用。这样，记忆、感知和注意力等功能类别就可以被理解为 "大脑状态的特征。“

你可能在知识方面有所收获，但实际上你可能不再了解自己。

——约翰·克拉考尔（John Krakauer），约翰·霍普金斯大学（Johns Hopkins University）

由于在早先的行为数据研究中出现了反直觉的分组，波德瑞克继续对无模型、数据驱动的新类别搜索感兴趣。他认为，心理概念有可能用计算术语来重写——也许是人工神经网络中定义层的数学描述的简化版。

这些潜在的解决方案都有不足之处。巴雷特说：“但评价一种新方法，不能只看它回答了旧方法无法回答的所有问题，要评价它的依据是它激发了哪些新问题。”

“没有正确的方法，”她补充说，“只有更好的方法和更糟糕的方法。”

波德拉克表示同意，“我认为我们中没有人会想告诉别人：不要再使用'记忆'这个词了，”他说。“但要理解大脑，我们可能需要挑战我们对大脑工作原理的直觉——就像量子力学要挑战我们对世界物理现象的理解一样。”

另一个重要的考虑因素是新框架最终会有多大意义。克拉考尔说：“你可能在知识方面有所收获，但实际上你可能不再了解自己。”

他解释说，当我们想知道大脑是如何工作的时候，我们希望它是有意义的：当我坠入爱河时，我的大脑里发生了什么？或者当我兴奋的时候，大脑又会出现什么反应？如果我们离自己的主观经验和熟悉的认知概念太远，他担心我们所学到的大脑知识可能就像《银河系漫游指南》中的“42”：答案是正确的，但不是我们脑海中的问题。“现在，我们愿意接受这样的结果吗？”克拉考尔问道。

译者：Araon_

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