三　脑机制研究

关于脑的许多知识多数是从对脑的解剖并在显微镜下观察脑组织的切片而获得的。这些方法使我们知道脑的主要结构、神经核的位置以及脑的主要神经通路等。至于行为的脑机制，过去仅仅是通过观察因事故或疾病导致脑损伤对行为的不同影响来获得有限的信息。这种方法就是通过对病人死后的尸检来确定脑的特定部位与特定行为的关系。随着科学技术的发展，我们能够研究活着的正常人或伤病员的脑的机能如何影响其行为、如何工作的情况。现在，研究心理和行为的脑机制的方法主要的有以下几种。

损毁法和切除法

这种方法就是通过切除或损毁动物脑的一定部位特定的神经核，或切断通向该部位的神经通路，然后观察其行为的变化（也包括对那些因负伤、脑溢血、肿瘤或癫痫而使脑的一定部位受损的病人的观察）。不少心理活动的生理机制的知识是用损毁法而获得的。例如，损毁了枕叶距状裂两侧皮质，虽然动物的视觉器官和视觉神经通路完好，但视觉却完全丧失。因此，距状裂两侧被认为是视觉投射区。

用外科手术切除脑的某一部位，往往容易引起出血（随后产生瘢痕）并由此而引起其他脑组织的病变。这会妨碍对受损毁的脑机能进行研究。近年来，用电极进行电解损毁（通以直流电）或对脑的特定部位进行冷冻等都可以克服这一点。

刺激法

这种方法就是在动物脑内埋入微小的电极，通以弱电流刺激特定部位的神经元活动，以观察其行为效应。也可以在征得患者同意的前提下，在手术中刺激患者的脑的特定部位以观察其行为反应。不仅可以用电作为刺激源，也可以用化学物质作为刺激源，例如在脑的特定部位注入很小量的化学物质。因为注入化学物质可以引起特定部位神经元的兴奋或抑制，从而可以观察到其行为的变化。

脑电图

大脑皮质某一区域内许多神经元在一定刺激、一定生理生化代谢情况下同步的电活动，可以在脑的内部记录到，可以在脑组织表面记录到，也可以在不暴露脑组织的头皮上通过容积导体记录到。在头皮表面记录到的自发节律性电活动，称为脑电图（electroencephalogram，EEG）。EEG的测量方法是将许多平头的金属电极放置在头皮上的各个部位，电极把探测到的脑电活动送入脑电图仪，再由脑电图仪将这些微弱的脑波信号放大并记录下来。

EEG的波形很不规则，通常根据其频率范围不同把脑电图划分为α、β、θ、δ四种基本波形。α波是每秒8～13次范围内的电活动，振幅范围为50～100微伏。大脑各区均有α节律活动，不过以顶枕部最为明显。一般描述的α节律指顶枕部α节律。大脑两侧的α节律大致同步。睁眼时发生α阻断现象（消失），但闭眼后又复出现。在轻睡时α节律逐渐消失，如将其唤醒，即恢复其原来清醒时的α节律。情绪紧张时α节律也可能消失，或波幅降低，但深呼吸后α节律又可恢复。因此，α节律可作为意识水平的指标，表示安静、不瞌睡、不作定向思考时的精神状态。β波是每秒13～30次范围内的电活动，振幅为20～50微伏。β波以额区中央最明显。当被试睁眼视物，或听到突然响声，或思考时α波阻断，出现β波。情绪激动或焦虑状态可使β节律增多。β节律一般代表大脑皮质的兴奋性。θ波频率为每秒4～7次，波幅为20～40微伏，是儿童的正常脑电活动，成人在困倦时一般也可见到。轻睡时α波逐渐消失，θ波首先出现于前额区。θ波的出现可视为中枢神经系统抑制的表现。δ波的频率为每秒0.5～3次电活动，波幅为10～20微伏，是儿童的主要脑电活动，任何年龄的人睡眠时都有。成人清醒时出现δ波，表明皮质和皮质下可能病变或智力障碍。EEG可以揭示大脑在睡眠、做白日梦和处于其他精神状态下的活动情况。

图2-5MANSCAN工作原理

传统的EEG能够提供的信息是有限的，因为这就像是你站在墙外，把耳朵贴在墙上，根据听到的声音来猜测墙里所发生的事情。EEG的价值是使我们能够探测大脑总体活动水平的升降情况，其局限性则是只能反映一些最一般的模式变化。神经科学家盖文斯（Alan Gevins）等人利用计算机技术开发了一套EEG改进装置，称为心理活动扫描仪（MANSCAN）。该装置的特点是有一个能够记录124点EEG数据的软头盔。一般的EEG多为16点或30点。计算机在对脑波活动进行追踪的同时，其数据并入一个三维的磁共振成像（MRI）。当一个人完成智力任务时，MANSCAN对脑波进行每秒250次的采样，数据经计算机分析处理后生成一个脑活动图。图2-5上图为MANSCAN在头部的124个EEG记录点位置；下图为通过计算机数据处理系统将EEG和MRI扫描数据整合后形成的思维和其他脑活动的三维图像，圆点表示该区域被激活并出现活动峰点的特定时间，两点之间连带的宽度表示活动相似性程度。下图（右）为要求被试做“即时回忆”条件下的脑活动模式；下图（左）为不要求被试做“即时回忆”条件下的脑活动模式。心理活动扫描技术为记忆、精神疲劳、脑活动的协调和语言的使用等研究提供了许多新的信息。

单个神经元记录技术

图2-6单个神经元记录实验

神经心理学家不仅可以在头皮上记录到脑活动时的电位变化，而且还可以深入到脑内洞察单个神经元的电活动。这种方法称为单个神经元记录技术。实验是这样进行的：用立体定位仪将微电极插入脑中非常接近某个神经元的地方，同时给动物的感受器以各种刺激，随后引导出单个神经元的动作电流（图2-6）。微电极是一根极为细小的、内含盐分和导电液体的玻璃管，其顶端部位小得足以探测单个神经元的活动（直径小于0.1微米）。通过观察单个神经元的电位活动，我们才可能了解行为的起源。研究表明，神经系统中有许多检察器或觉察器。例如，枕叶中，有的神经元只对光的开关起反应，有的既对光的开关起反应又对声音刺激起反应，有的则对任何刺激都不起反应。在颞叶中，有一类神经元只对高音起反应，另一类只对低音起反应，并且这些神经元有严格的布局。进一步的研究还表明，在皮质中，有的神经元只对直线起反应，或只对曲线起反应，或只对锐角起反应，或只对圆形起反应等。有的神经元对线条的斜度和厚度起反应，或只对刺激的一定数量起反应。有的神经元对专门的感觉刺激不起反应，但对刺激物的更换或性质上的改变起反应，对习惯化刺激不起反应，一旦刺激发生变化就起反应，这类神经元称为“注意神经元”。

脑成像技术

通过运用上述各种研究方法，研究者们解开了许多大脑之谜。但是，这些方法所得到结果都是局部的，不能让我们看到一个完整的大脑是如何工作的。因此，人们自古以来一直希望找到一种方法，能够“看见”整个大脑在一个人做出反应、进行思考或想像时的情况。今天，这一梦想得到实现！计算机辅助脑成像技术研究者能够完整地观察到大脑在正常活动时的全貌。下面简要介绍一些目前使用的主要的脑成像技术。

（1）CT扫描。计算机辅助的X射线扫描在对大脑疾病和损伤的诊断中起着革命性的作用。传统的X光检查最多只能产生一幅大脑阴影的图像，这样的影像分辨力不高。为了解决这个问题，亨斯费尔德（Hounsfield，1969）首先设计成计算机断层体扫描（CT）。CT是以X线从多个方向沿着头部某一选定断层层面进行照射，测定透过的X线量，数字化后经过计算机算出该层层面组织各个单位容积的吸收系数，然后重建图像的一种技术。这是一种图质好、诊断价值高而又无创伤、无痛苦、无危险的诊断方法。它使我们能够在任何深度或任何角度重建脑的各种层面结构。CT扫描能够显示出脑创伤后遗症、损伤、脑瘤和其他大脑病灶的位置，这样，也就可以通过CT扫描来诊断一个人行为变化在脑水平上的病因。CT的出现无疑是技术上的一大进步。之后，其他新的脑成像技术也相继出现。

（2）磁共振成像。磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）是运用磁场原理来产生体内活动的图像。在MRI扫描中，由一个探测器负责记录身体内氢原子对强磁场的反应，之后，通过计算机程序产生一个三维的大脑或躯体的图像。体内任何一个两维平面的物体都能在计算机对MRI数据的选择中被找到并形成一个图像，然后在屏幕上显示出来。这样，科学家就仿佛在一个透明的三维空间中观察大脑的内部状态。功能性磁共振成像技术（fMRI）的功能更强，甚至可以使大脑的活动可视化。例如，当一个人敲手指时，即可根据运动皮层的活动呈现高清晰度的fMRI图像。这种图像使科学家有可能对思维和行为的脑中枢进行准确定位。

（3）PET扫描。正电子发射层扫描技术（positron emission tomography，PET）也许是目前脑成像技术中应用最多的方法之一。当含有微弱放射元素的葡萄糖进入大脑后，PET能检测到这种葡萄糖发射的正电子。大脑工作时必须消耗能量，这样，PET扫描就能显示大脑中的哪个区域在消耗更多的葡萄糖，能量消耗越多的地方，也是大脑活动越多的地方。研究者把正电子探测器放置在头部周围，探测到的数据被送入计算机，这样就能够生成一个正在变化的、彩色的大脑活动图像（图2-7）。

图2-7　PET脑成像图2-8PET“快像”

图2-8　PET“快像”

彩色PET扫描能够把人类大脑活动的情况精确地描绘出来，这是一个史无前例的技术进步！目前常规PET扫描使用的是带放射性标记的葡萄糖。但是，葡萄糖的滞留时间较长，一般为几个小时，这样，研究者便难以在短时间内对大脑活动变化的情况进行观察。在改进后的PET扫描中，使用的是一种带放射性标记的氧化合物。在被注射进入血液后，这种氧化合物的存在期只有几分钟，之后即会消失。如果使用这种带标记的氧化合物，PET扫描所显示的将是脑在短暂时间内的活动。这样，如果间断地注射这种带标记的氧化合物，就可以得到大脑活动的一幅幅“快像”，使我们可以对不同单位时间的活动情况进行比较。图2-8是不同性别的被试在完成言语任务时的PET快像。左图为女性脑像，右图为男性脑像。当你看一个词、听一个词、说一个词和思考一个词的含义时，PET快像能够非常详细地显示大脑的哪个区域在哪项任务中最活跃。

这种PET成像也能与MRI结合起来。MRI成像可以清晰地显示整个大脑，而PET扫描则可以告诉我们不同的活动和能力与特定脑区的关联。图2-9中，由于PET与MRI的结合使用，大脑的解剖结构清晰可见，亮点处则为PET扫描结果，三个亮点都是大脑左半球与语言相关的区域。右侧亮点与“读”有关，中间最上端的亮点与“说”有关，左侧靠额叶的亮点与“想”有关。

图2-9　PET与MRI结合

（4）未来的脑成像技术。神经科学家还在继续开发更新的计算机辅助成像技术。同时，技术更新也使他们的研究得以不断深入。目前，有一种叫做脑磁图扫描（MEG）的新技术，能够通过外部电子装置检测出神经元放电时所产生的微弱磁场。脑磁图扫描脑成像是目前最清晰的大脑活动图像。新技术的发展正帮助我们一步步接近人类精神世界的谜底。

【原创研究】脑变化/罗兹维格1972

某种经历是否会引起大脑形态变化的问题，是几个世纪以来哲学家和科学家一直在猜测和研究的话题。直到1960年代，新技术的发展使科学家们具备更精确地检测大脑变化的能力，他们运用高倍技术，并对大脑内各种酶和神经递质水平进行评估。在加利福尼亚大学，罗兹维格等（Rosenzweig，et al.，1972） ^〔3〕 采用这些技术，历时十余年，进行了由16项实验组成的系列研究，力图揭示经验对大脑的影响。由于显而易见的原因，在他们的研究中并没有用人做被试，而是像很多经典心理学实验一样，用老鼠做被试。

由于心理学家最终的兴趣在于人而不是老鼠，因而就必须指出这种不用人做被试的研究的合理性。在这些研究中，为什么选择老鼠做被试就成了研究理论基础的一部分。作者解释说，由于多种原因，使用啮齿类动物比使用高级的哺乳类动物（如食肉类或灵长类动物）更方便。这项研究的重点是脑部，老鼠的脑部是平滑的，并不像更高等的动物那样曲折而复杂。因此，对其大脑的检测和测量就更容易。此外，老鼠体型较小并且不贵，在实验室的研究中，这也是一个很重要的考虑因素。老鼠一胎多子，这就允许研究者将同一窝中的老鼠分配到不同的实验条件下。作者最后指出，研究者培养了多种种系的老鼠，以便需要的时候把遗传作用考虑在内。

在罗兹维格的研究中隐含着一种想法，即将饲养在单调或贫乏环境中的动物与饲养在丰富环境中的动物相比，两者在大脑发育和化学物质等方面将表现出明显的不同。在这篇实验报告所涉及的每次实验中，均采用了12组老鼠，每一组由取自同一胎的3只雄鼠组成。3只雄鼠被随机分配到3种不同的实验条件中：一只老鼠仍旧与其他同伴待在实验室的笼子里，另一只被分派到“丰富环境”的笼子里，第三只被分派到“贫乏环境”的笼子里。记住，在16次实验中，每次都有12只老鼠被安排在每一种实验条件中。三种不同环境（如图2-10）描述如下：（1）在标准的实验室笼子中，有几只老鼠生活在足够大的空间里，笼子里总有适量的水和食物（中图）。（2）贫乏的环境是一个略微小一些的笼子，老鼠被放置在单独隔离的空间里，笼子里总有适量的水和食物（左图）。（3）丰富的环境几乎是一个老鼠的迪斯尼乐园，6～8只老鼠生活在一个“带有各种可供玩耍的物品的大笼子里，每天从25种新玩具中选取一种放在笼子里”（右图）。

图2-10　三个笼子的环境

实验人员让老鼠在这些不同环境里生活4至10周不等。经过这样不同阶段的实验处理之后，实验人员将人道地处死这些老鼠，通过对它们进行解剖以确定脑部是否有不同的发展。为了避免实验者偏见的影响，解剖按照编号的随机顺序进行，这就可以避免尸检人员知道老鼠是在哪种环境下成长的。解剖老鼠的大脑后，对各个部分进行测量、称重和分析，以确定细胞生长的总和与神经递质活动的水平（其中乙酰胆碱是研究者特别感兴趣的，因为这种化学物质十分重要，它能使脑细胞中神经冲动传递得更快、更高效）。

罗兹维格等是否发现了老鼠的大脑因为在丰富环境下或贫乏环境下而有所不同呢？结果证实，两者在很多方面都有区别：（1）在丰富环境中生活的老鼠，其大脑皮层更重、更厚（见图2-11）。皮层是大脑对经验做出反应的部分，它负责行动、记忆、学习和所有感觉的输入（如视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉）。（2）在身处丰富环境的老鼠的大脑组织中，乙酰胆碱酶更具活性。（3）两组老鼠的神经元在数量上并没有显著性差别，但丰富的环境使老鼠的大脑神经元更大。与此相关，研究还发现RNA和DNA这两种对神经元生长起最重要作用的化学成分，其比率对于在丰富环境中长大的老鼠来说也相对更高。这意味着在丰富环境里长大的老鼠，其大脑中有更高水平的化学活动。（4）最后，是有关两组老鼠大脑的神经突触的发现。在高倍电子显微镜下，能发现在丰富环境中长大的老鼠大脑中的神经突触比在贫乏环境中长大的老鼠的神经突触大50％。神经突触是两个神经元相遇之处，大部分大脑活动发生在神经突触上，在这里，神经冲动有可能通过一个又一个神经元继续传递下去，也有可能被抑制或终止。罗兹维格总结说：“虽然由环境引起的大脑变化并不很大，但我们确信这种变化是千真万确的。在重复实验的时候，上述结果仍能出现……毫无疑问，大脑构造及其化学成分的很多方面可以被经验改变。”

图2-11　丰富环境与贫乏环境相比老鼠大脑皮层增加的比率

在实验室中进行的任何研究都存在人为性问题。罗兹维格等人很想知道在自然的生长环境中，各种水平的刺激是如何影响动物的大脑发展的。他们指出，实验室中的老鼠常在人工环境中繁殖，且已经繁衍了也许100代，它们和野生鼠几乎没有相似的遗传基因。为了探索这种有趣的可能性，他们开始研究野生老鼠。把抓到的这种野生鼠随机地放在户外自然环境中或是实验室的丰富环境笼子里。四周后，发现户外老鼠的大脑比实验室老鼠的大脑发展得更好。“这就表明，实验室中的丰富环境与自然环境相比，仍是相当贫乏的。”

最后，涉及动物被试最主要的批评意见是它与人的关系问题。毫无疑问，这类研究永远不能用人来当被试。作者解释说，很难把在一组老鼠身上的研究结果推到另一组老鼠身上，而要把用老鼠做研究的结果推到猴子或人的身上则更难。虽然他们宣布在几类啮齿类动物身上取得了相似的结果，但他们也承认，在得出经验对人脑产生影响的假设前，仍需要更多研究。然而，他们提出以动物为被试的这类研究的价值在于“允许我们对概念和技术进行检验，其中一部分可能对今后以人为被试的研究有所帮助”。作者在这篇文章中还提到这项研究几个潜在的好处：一是可以用在对记忆的研究中。由于经验而使大脑产生的改变，可以使人更好地理解记忆是怎样被保存在大脑中的，从而导致一些新技术的产生以提高记忆并阻止因年龄增长而导致记忆的衰退。二是可以对解释营养不良与智力发展之间的关系有所帮助。作者的观点是：营养不良可以使一个人对环境刺激的反应迟钝，长期持续的营养不良可能限制大脑的发展。作者强调，一些同时进行的研究证明，营养不良对大脑发育的影响也会因环境的丰富而减轻，或因环境的恶劣而加重。

这项由罗兹维格等人所做的工作，对这一领域研究的持续发展起到了催化作用，很多研究致力于巩固、改进、扩充他们的研究成果。有证据表明，经验确实改变了人类大脑的发展。通过对自然死亡的人的尸体解剖，研究者发现当一个人具有更多的技术和能力时，他的大脑确实变得更复杂也更重。在对那些没有某种特殊经历的人进行大脑解剖时，他们发现了另外一些结果。例如，与视觉正常的人相比，盲人大脑皮层的视觉部分没有明显的发展，沟回较少，皮层较薄。肖（Schore，1996）的研究表明，婴儿早期与照看者间的情绪经验可影响大脑中某种化学物质的产生，这种化学物质在大脑皮层的生理发展上起重要作用。大脑皮层主要负责人的思维、知觉和情绪等复杂机能。当婴儿对照看者的情绪依恋得不到满足时，婴儿的神经系统中产生的激素，将导致大脑皮层中特定结构和情绪环路的非正常发展。根据肖的研究，婴儿期消极的环境因素引发的大脑的不正常发展，将导致这个人在以后的生活中出现各种心理障碍的可能性大增。波斯特等（Post et al.，1996）应和了肖的发现，并进一步深入研究。他们指出压力和早期的心理障碍，如抑郁或是双相精神障碍，确实可能“根据其范型、严重性及反复程度的不同，在中枢神经系统中留下生物化学的残余物……”。换言之，精神病的遗传倾向可能导致早期的心理异常，从而引起神经系统的生理变化，进而导致以后和终生伴有的精神病。

（采自H.M.哈克著，白学军等译：《改变心理学的40项研究》，中国轻工业出版社2004年版） bWaRjfs7Y5+lmj1Y+e0YyzWiAhYEsuw9XDPG+C0hpwhZ93lhYdBLQ6gZQjAFhVh2