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至今，关于神经系统你已经了解了很多：它是怎样组织的，怎样工作的，它的组成成分有哪些，以及这些成分都能做什么。但有一个问题仍悬而未决：我们是怎么知道这些的？解剖学家可以解剖人的大脑并区分不同结构，但通过解剖死者的大脑不能确定哪些大脑结构会影响哪些行为的产生。
科学家们采用了各种不同的方法来了解大脑怎样影响行为，我们看看其中三种主要的方法：研究脑损伤患者；研究大脑的电活动；用脑成像技术研究大脑结构并观察大脑活动。下面就让我们一一了解上述研究大脑的三种方法。
脑损伤研究
脑损伤是如何成为大脑特殊区域的主要研究的？
为了更好地了解正常大脑的工作过程，明白当大脑不能正常工作时会发生什么是很具有启发性的。很多神经科学研究将特定的心理功能缺失（如感知，运动，情绪或认知功能缺失）与大脑特定部位的损伤联系起来（Andrewes，2001；Kolb和Whishaw，2003）。通过研究这些病例，神经科学家们能够从理论上推测这些大脑区域正常工作时具有哪些功能。神经科学的现代史可以追溯到保罗·布洛卡（Paul Broca）的研究（详见“心理学的科学之路”一章）。1861年，布洛卡描述了一位由于左侧额叶小部分损伤而不能说话的病人（但仍能理解语言）。1874年，卡尔·韦尔尼克（Carl Wernicke，1848—1905）描述了一位不能理解语言的患者（但仍能说话），其左侧颞上回区域损伤。这两个区域相应地被命名为布洛卡区和维尔尼克区（另见“语言与思维”一章的图9.3），他们提供了大脑定位最早的证据，即言语产生和言语理解是分开的；他们还证明大多数人的左半球主要负责加工和理解语言（Young，1990）。
额叶的情绪功能
正如你已了解的，人类的额叶是非凡的进化产物。然而，心理学第一次得以瞥见额叶的某些功能，还要归功于一个毫不起眼的家伙；他是如此的不起眼，然而在他一生中仅一件事就让他的名字永留在心理学历史年鉴中（Macmillan，2000）。菲尼亚斯·盖奇（Phineas Gage），25岁，是一名强壮的铁路工人。1848年9月13日这一天，在佛蒙特州的卡文迪许铁路工地上，正当盖奇将爆破用的炸药和导火线装入石缝中时，炸药就爆炸了，一根3英尺长13 英镑重的铁棒高速穿过他的头部（Harlow，1848）。如图3.24 所示，铁棒从他的左下颚穿入从头顶中部穿出。难以置信的是，盖奇奇迹般的活下来了，但他的性格却发生了明显的变化。
图3.24 菲尼亚斯·盖奇。
菲尼亚斯·盖奇的创伤性事件使得研究者探究额叶的功能以及与皮层情绪中心结构的连接。这里还原了金属棒穿过盖奇颅骨的可能通路。
事故之前，盖奇性格温和、安静、勤勤恳恳并刻苦耐劳。然而，事故发生之后，他变得脾气暴躁、不负责任、优柔寡断并且粗俗无礼。但是，盖奇个性和情绪生活的不幸变故却给心理学带来了意外的收获。他的这个案例第一次让研究者开始探究额叶在情绪调节、计划和决策中的作用。此外，由于额叶和边缘系统皮层下结构的连接受到影响，科学家们可以更好地了解杏仁核、海马及相关的脑结构与大脑皮层间的相互作用（Damasio，2005）。
左右半球的分工
你可能还记得大脑皮层分为左右两半球，尽管这两半球通常以整体形式进行活动。然而有些时侯，一旦紊乱症状威胁到大脑的功能运作，唯一能做的就是用极端的方法解除这些威胁。那些患有严重而不可控制的癫痫病患者有时候就属于这种情况。癫痫
始于一侧半球，通过胼胝体（连接左右两半球的较厚的神经纤维）传递到对侧半球，并开始反馈循环，形成脑内的一种风暴。为了减少癫痫发作的严重程度，外科医生们可以切断胼胝体，这个过程被称为割裂脑。其结果是始发癫痫的那侧半球无法再与对侧半球联系，因而也将癫痫隔离在半侧大脑中。这个过程虽然有助于减轻患者的癫痫症状，但同时也导致了一些始料未及的异常行为。
胼胝体在行为中扮演怎样的角色？
诺贝尔获得者罗杰·斯佩里（Roger Sperry，1913—1994）发现切断胼胝体的患者的日常行为似乎并未受到割裂脑手术的影响。他对这个发现很好奇，这是否意味着胼胝体在人的行为中不担负任何作用呢？斯佩里认为如此下结论为时过早，他推理：日常行为的损伤虽然难以由偶然观察把握到，却可能被更加敏感的测试捕捉到。为了从实验的角度检验这个推理，斯佩里和他的同事首次研究了切断胼胝体的猫的学习行为，提供了其学习行为不能从一侧半球迁移到另一侧（Sperry，1964）的证据。之后，斯佩里设计了几个实验来探究裂脑人的行为，在这个过程中他们揭示了左右半球的很多彼此独立的功能（Sperry，1964）。通常情况下，任何进入左半球的信息同样在右半球有登记，反之亦然：信息进入大脑后沿着胼胝体传递到对侧，使得两个半球都知道发生了什么（见图3.25）。但是对于裂脑人来说，信息进入一侧半球后就待在那里，没有了胼胝体的连接，无法将信息传递到另一侧大脑半球。斯佩里和其同事在一系列实验中用这种方法来研究半侧大脑的知觉。例如，他们让裂脑人注视屏幕中的一点，接着在屏幕的左侧（左视野区）或右侧（右视野区）呈现刺激，刺激会被单单投射到对侧的半球（关于信息如何从一侧视野区进入到对侧半球的更多介绍，见“感觉与知觉”一章图4.10）。
图3.25 割裂脑实验。
向割裂脑被试呈现屏幕右侧是戒指左侧是钥匙的图片时，她能够说出戒指但说不出钥匙这个词汇，因为左半球“看到”戒指且言语功能通常定位在左半球。她可以用左手在屏幕后的一堆物体中选择一个钥匙。然而，不能用左手选出戒指，因为左半球“看到”的物体不能与身体的左侧部分产生信息连接。
两半球本身分别负责不同类型的任务。你已经了解了布洛卡区和维尔尼克区，这些区域表明言语加工主要是左半球的活动。所以试想一下，一些信息进入裂脑人的左半球，接着要求她用言语来描述那是什么。没问题：左半球获得了信息，它是负责“说话”的半球，所以她能够毫不困难的用言语描述她看到了什么。但假设要求她把左手放在屏幕后并拿起她看到的物体。记住大脑半球分别控制身体对侧行为的，这就意味着左手是被右半球控制的。但这个人的右半球没有任何关于这个物体是什么的线索，因为信息被左半球接收并不能传递到右半球！所以，仅管她看见了物体并能够用言语描述，但她不能用右半球来完成与这个物体相关的其他任务，例如用她的左手从一些物体中准确地挑选出她所看到的物体（见图3.25）。
当然，向右半球呈现信息可以弥补上述不足。在上述事例中，可以在她的左手中放一个熟悉的物体（如钥匙），她知道那是什么（通过在半空中扭动并旋转钥匙），但是她不能用言语描述手里拿的是什么。在这种情况下，右半球的信息不能传递到负责言语产生的左半球。
此外，假设向裂脑人呈现图3.26 中不合常规的人脸，这种人脸通常称为嵌合脸，它是由两张完整脸各取一半重新拼合而成。当要求被试指出呈现的是哪张脸时，她会表示看到了两张脸，因为左侧脸的信息被记录在右半球，右侧脸的信息被记录在左半球（Levy，Trevarthen，和Sperry，1972）。
图3.26 嵌合脸和裂脑人。
［a］当裂脑人看到布拉德·皮特（Brad Pitt）和莱昂纳多·迪卡普里奥（Leonardo DiCaprio）的嵌合脸时，她的左半球只意识到莱昂纳多·迪卡普里奥，右半球只看到布拉德·皮特。
［b］当问到看到谁时，她回答“莱昂纳多·迪卡普里奥”，因为言语由左半球控制。
［c］当要求用左手指出看到的面孔时，她指向布拉德·皮特，因为她的右半球只意识到图片的左半部分。
割裂脑的研究揭示了两半球负责不同的功能，并且只要胼胝体是完整的，两半球就能协同工作。如果从一侧半球向另一侧传送信息的途径中断，那么信息只能停留在最初进入的这一侧半球，由此我们对每侧半球的不同功能有了精准的认识。当然，裂脑人也可以通过简单的小范围转动她的眼球来适应这种情况，这样相同的信息就能分别进入左右两半球。在过去的几十年中，割裂脑研究一直持续进行，并且在人们认识大脑的工作机制的过程中发挥了重要作用（Gazzaniga，2006）。
图3.27 EEG。
脑电图（EEG）记录大脑电位活动。意识的许多状态用特定种类的脑电波标识，如觉醒和睡眠阶段。
EEG怎样记录大脑的电位活动？
大脑电位活动的研究
研究脑结构和行为间联系的第二种途径是记录神经元的电位活动模式。 脑电图 （EEG），是一种用来记录大脑电位活动的设备。通常，电极被安放在头皮上，虽然突触中的电位活动源和动作电位距离这些电线较远，但EEG可以将电信号放大几千倍，这就为基本的电位活动提供了视觉记录的可能，如图3.27所示。通过这种技术，研究者能够确定不同意识状态下大脑的活动量。举例来说，正如你在“意识”那一章里了解到的，在觉醒和睡眠状态时，大脑呈现出不同的电位活动模式；事实上，甚至在不同的睡眠阶段也伴随着不同的脑电波模式。EEG记录使得研究者对睡眠和觉醒状态的本质方面取得了的根本性发现（Dement，1978）。EEG也可用于探测清醒个体使用不同心理功能时的大脑电位活动，如知觉、学习和记忆。记录电位活动的另一种新方法使得人们对大脑不同区域的功能有了更精确的了解，这种精确甚至达到细胞水平。诺贝尔奖获得者戴维·休伯（Daid Hubel）和托尔斯滕·维塞尔（Torsten Wiesel）使用一种技术使得电极能被插入麻醉了的猫脑枕叶，从而可以观察到单个神经元动作电位的各种活动模式（Hubel，1988）。休伯和维塞尔放大了动作电位，通过扩音器能够听到电位信号的咔嗒声并在示波器上显示出电位信号。通过让动物看闪光刺激，休伯和维塞尔记录到了枕叶皮层上神经元对此的反应活动。他们的发现并不多：大多数神经元对这样的一般刺激并不反应。这使他们感到沮丧。休伯（1988，第69页）多年后回忆道“我们尝试了我们能想到的所有方法试图让它起反应”，但是，随后他们开始注意到一些有趣的事情。
当一系列看似失败的实验临近结束时，他们在猫眼前呈现一张有一个黑色斑点的玻璃片并听到一段急而快的嘀嗒声，这表明猫枕叶上的神经元被激活了！通过仔细的观察，他们认识到黑色斑点并不能激活神经元，但玻璃片边缘投射的微弱却尖锐的阴影反而能激活神经元。他们发现不论何时，只要在视野中存在明暗对比，初级视觉皮层的神经元就会被激活，当视觉刺激是黑色背景下的一细条光线时观察的效果尤其明显。在这个情况下，玻璃片边缘产生的阴影提供了一种对比促使特殊的神经元反应。接着他们发现在特定的方位呈现有边缘对比的刺激时，每个神经元都会活跃地反应。从此以后，许多研究表明视觉初级皮层的神经元表征视觉刺激的特定属性，如明暗对比、形状和颜色（Zeki，1993）。
视觉皮层上的这些神经元被看作是特征觉察器，因为他们对视觉像的特定方面进行选择性的反应。例如，一些神经元只有探测到视野中央有垂直线条时才激活；另一些神经元在知觉到呈45°角的斜线时才激活；还有一些神经元只对宽线、水平线或视野外周区有线条等等有反应（Livingstone和Hubel，1988）。神经元功能特异化的发现对于我们理解视觉皮层如何工作是一个巨大的突破。特征觉察器能够识别刺激的基本维度（“斜线……其他斜线……水平线”）；接着，这些维度在视觉加工的下一个阶段被捆绑组合，从而使刺激得到知觉，并被识别（“哦，这是字母A”）。
其他一些研究已经确认了由感觉神经元检测的很多不同特征。例如，颞叶上的一些视觉加工神经元只有在检测到面孔时才激活（Kanwisher，2000；Perrett，Roll和Caan，1982）。这个区域的神经元专门负责加工面孔；如果这个区域受损，将导致不能识别面孔。这些补充性的发现（某一大脑皮层区域内的神经元负责某一类信息加工，如果该区域受损，对应的信息加工功能会丧失或被改变）提供了大脑与行为相关的最有力的证据。
采用脑成像来研究大脑结构并观察活动中的大脑
第三种神经科学家们用来窥探人脑工作机制的途径只是在近几十年才成为可能。EEG的数据展示了人类意识水平的整体情况，单细胞记录揭示了特定神经元族群的活动。然而，神经科学的梦想是能够看见行为过程中的大脑运作。得益于神经成像技术（neuroimaging techniques）的广泛使用，这一目标已稳步实现，神经成像技术是用先进的科学技术形成生动的、健康的大脑图像（Posner和Raichle，1994；Raichle和Mintun，2006）。脑结构成像（structural brain imaging）提供关于大脑结构的基本信息，并使得临床工作者或研究人员能够看到大脑结构中的病变。相应的，脑功能成像（functional brainimaging）提供人们在完成不同种类的认知或运动任务时大脑活动的相关信息。
脑结构成像
首批神经成像技术之一是计算机断层扫描（computerized axial tomography，CT）。在CT扫描中，扫描器将一个设备绕着人脑旋转，从不同角度采集一系列X 射线照片。接着电脑程序整合这些图像并提供各个角度的视图。CT扫描展现了大脑组织的不同密度。例如，在CT扫描中高密度的头盖骨看起来是白色的，皮层则是灰色的，在大脑中密度最低的间隙和脑室看起来是黑色的（见图3.28）。CT扫描被用来定位损伤或肿瘤，这些部分通常颜色较深，因为它们的密度低于大脑皮层。
图3.28 脑结构成像［CT和MRI］。
CT［左］和MRI［右］扫描用于提供脑结构的信息，并能帮助确认肿瘤和其他种类的损伤。这里展示了每种扫描的大脑单张切片的影像。需要注意的是MRI 能够比CT扫描提供更清晰、更高像素的成像［有关这些成像如何形成，以及它们描述了什么内容，请参见后续相关论述内容］。
磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI），通过强磁场使大脑组织中特定分子的原子核排列成线。无线电波短暂但强有力的脉冲使得原子核转动无法与磁场方向对齐。当脉冲停止，原子核迅速反弹回到磁场的直线方向中并在此过程中释放少量能量。在反弹的过程中，不同的分子具有各自唯一的能量特征，因而这些特征能够用来揭示大脑结构中不同的分子组成。MRI 合成的软组织图片比CT扫描有更好的分辨率，正如图3.28所示。这些技术为心理学家提供大脑结构更清晰的图像并帮助人们对大脑损伤（如中风患者）进行定位，但它们并不能揭示大脑的功能。
弥散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）是新近发展起来的一种MRI 技术，用于白质通路可视化，白质通路是一些将远近不同脑区进行彼此连接的纤维束。DTI 测量了水分子沿白质通路运动或弥散的速率和方向。因为水分子的弥散与通路方向一致，水分子弥散方向的信息能够用来确定白质通路的走向。利用测得的弥散速率和方向，科学家们能够评估白质通路的完整程度，这对于神经学和心理学上的失调病症十分有用（Thomason和Thompson，2011）。
由于DTI 提供了连接大脑不同区域间的通路信息，因而它在绘制人脑的连通性构图方面是一种重要的工具，并在雄心勃勃的人类连接组计划（Human Connectome Project）中发挥重要作用。这是美国国家健康研究院（National institutes of health）在2009年开始资助的一个合作计划，它的合作伙伴包括了曼彻斯特综合医院和加州大学洛杉矶分校的研究人员，还包括华盛顿大学和明尼苏达大学的研究者们。这个项目的主要目标是提供一幅大脑神经通路连接的完整构图：人类脑神经网络体（Toga等，2012）。人类连接组项目的一个独特而令人振奋的特点是研究者将他们的一些结果公布在网站上（www.humanconnectomeproject.org）供人获取，包括一些他们已经发现的一些连接通路的迷人的彩图。
脑功能成像
脑功能成像技术为研究者提供了比仅仅知道大脑的结构多得多的信息，这让我们能够观察活动中的大脑。这些技术所依据的事实是激活的脑区需要更多的能量来维持神经元的工作。这些能量通过增加激活脑区的血流量来提供，而功能成像技术能探测到血流量的变化。正电子发射断层扫描（positron emission tomography 或PET），将无害的放射性物质注射进人体血液中，接着在被试完成知觉或认知任务（如阅读或说话）时，用放射性探测器扫描人脑。完成这些任务的过程中，被激活的脑区需要更多的能量及更大的血流量，导致这一区域放射性物质含量更高。放射性探测器记录每个区域的放射性物质含量水平，产生激活区域的计算机图像（如图3.29）。需要注意的是PET 扫描不同于CT扫描和MRIs，在PET 扫描中产生的图像显示了人在完成特定任务时的大脑活动。例如，一个人正在说话时的PET 扫描将显示出左侧额叶布洛卡区域的活动情况。
fMRI如何跟踪活动中的大脑？
对于心理学家而言，现在应用最广的功能脑成像技术是功能性磁共振成像（functionalmagnetic resonance imaging—fMRI），功能性磁共振成像用来探测暴露在磁场下氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白间的差异。血红蛋白是血液中的一种分子，它携带氧将其输送至人体各组织，包括大脑。当激活的神经元需要更多能量和血流量时，氧合血红蛋白便集中在这些激活区域；fMRI探测氧合血红蛋白，并提供大脑各个区域氧合血红蛋白活动水平的图像（见图3.29）。就像MRI 显著优于CT扫描一样，fMRI代表了我们记录行为过程中的大脑活动的能力向前跨越了一大步。fMRI和PET 都能帮助研究者非常精确地记录到大脑活动的变化发生在哪里。然而fMRI还有许多胜于PET 的优点。首先，fMRI不需要人体暴露在任何放射性物质的环境下。第二，与PET 相比，fMRI能在较短时间内定位大脑活动的变化，这更有助于分析发生极快的心理过程，如阅读单词或识别人脸。使用PET，为了适应PET 自身的限制，研究者必须使用和他们在心理实验室中使用的不一样的实验设计。而使用fMRI时，研究者采用的实验设计和他们在心理实验室中使用的非常接近。
图3.29 功能性脑成像（PET和fMRI）。
PET和fMRI扫描通过揭示不同情况下大脑哪个区域的活动增多或减少来提供有关大脑功能的信息。PET 扫描显示当人在几秒内记忆一连串字母时，左半球脑区（布洛克区，左侧；下顶叶—上颞叶区域，右侧）激活。fMRI扫描图表明人在听音乐时听觉皮层激活（原版fMRI图片，中文版未获授权）。
功能性MRI 也能用来探测大脑区域之间的关系，这就要用上最近发展起来的技术——静息态功能连接技术（resting state functional connectivity）。正如其名称所示，这种技术不需要被试完成任务；当进行fMRI检测时他们只需要安静地休息。功能连接测量的是与时间相关的、发生在不同脑区的自发活动的程度；那些在自发活动上高度相关的脑区被认为在功能上也有高度相关（Lee，Smyser和Shimony，2012）。功能连接测量近年来被广泛用于确定大脑神经网络，即一系列彼此之间有紧密联系的大脑区域（Yeo等，2011）。例如，功能连接可以帮助确定默认神经网络（Gusnard和Raichle，2001），这是分布在额叶、颞叶和顶叶中有着内部联系的一组脑区，额叶、颞叶和顶叶本质上主要负责像记住过去的事件、想象未来的事件、白日做梦及心猿意马等等这样的认知活动（Andrews-Hanna，2012；Buckner，Andrews-Hanna和Schacter，2008；参见“记忆”和“意识”相关章节）。功能连接和DTI（用于测量结构连接）被应用于人类连接组计划的研究，它们将为绘制人类神经网络草图提供重要信息。
来自功能成像的洞见
PET和fMRI让我们能够洞悉发生在大脑特定脑区的信息加工类型。例如，当一个人完成一个简单的知觉任务时，如注视一个圆形棋盘，初级视觉皮层被激活。正如你已经了解的，若棋盘呈现在左侧视野，则右侧视觉皮层被激活；若棋盘呈现在右侧视野，则左侧视觉皮层被激活（Fox等，1986）。与此类似，当人们注视面孔时，fMRI显示，位于颞叶和枕叶交界附近被称为梭状回的区域有强烈激活（Kanwisher，McDermott，和Chun，1997）。若这个结构受损，将产生识别面孔障碍——甚至连他们熟知的朋友和家人的面孔也无法识别——尽管他们的眼睛没有问题，并且能识别面孔之外的其他可见的物体（Mestry等，2012）。最后，当人们完成一个有情绪加工参与的任务时（如观看悲伤的图片），研究者发现杏仁核有显著激活，早前你已经学习过，杏仁核与情绪觉醒有关（Phelps，2006）。额叶负责情绪调节的部分脑区也有明显的激活，事实上，在菲尼亚斯·盖奇事件中，这些脑区很有可能受到损伤（Wang等，2005）。
学习完研究方法那一章你应该知道：科学方法的核心是想法和证据间的关系。科学研究没有时间限制。在这种情况下，这些现代的脑成像技术证实了100多年前源于脑损伤研究的理论。当布洛克和维尔尼克形成他们关于言语产生和言语理解的结论时，他们凭借的只能是一些孤立的个案和较好的直觉。此后，PET 扫描证实当一个人在听人说话时、在读屏幕上的文字时、在大声说词句时或在想相关词句时，大脑的不同区域被激活。这表明在执行这些相关但不同的功能时，大脑的不同部分被激活。类似的，那些为菲尼亚斯·盖奇进行检查的医生们很清楚，盖奇大脑受损的部位在盖奇个性和情绪发生巨大变化的过程中发挥了主要作用。此后，fMRI扫描证实额叶在情绪调节中扮演中心角色。采用不同的方法（在上述事例中指，非常古老的个案研究方法和最新近的现代技术）得到相同的结论这非常好。正如你将在书中的不同地方看到的那样，像fMRI这样的脑成像技术也能揭示一些新的、令人惊奇的发现，如在现实世界栏目中所描述的脑死亡和植物人。
为什么我们要避免在fMRI的结果上急于下结论？
尽管我们从fMRI所获得的发现令人振奋，但重要的是我们不能对此忘乎所以，尤其是媒体报道的fMRI结果（Marcus，2012）。以准确记忆和错误记忆为例，利用“记忆”一章中已经学过的实验范式，fMRI研究已经表明，相对于错误记忆，正确提取时大脑的某些脑区的活动更强（Schacter和Loftus，2013）。这是否意味着我们准备在法庭上使用fMRI来判断证人的证词是来自正确记忆还是来自错误记忆呢？沙克特（Schacter）和洛夫特斯（Loftus）认为这个问题的答案必然是否定的。原因之一是，我们仍不清楚实验室中进行的有关记忆的fMRI研究结果（通常使用如字词或图片的简单材料）能否推广到像法庭取证这样相对复杂的日常事件中去。此外，fMRI能够区分正确记忆和错误记忆的证据是从一组被试的大脑活动进行平均得来的。但在法庭上我们需要决定单个个体的记忆准确与否，目前鲜有证据表明fMRI可以做到这一点。总体而言，在仔细思考fMRI证据是如何获得的之后，再来考虑所得证据如何用于日常生活中，这一点非常重要。
现实世界 脑死亡和植物人
1981年，医学、生物医学及行为学研究伦理问题总统委员会将脑死亡定义为大脑所有功能不可逆转的丧失。与你所认为的相反，脑死亡与陷入昏迷或对刺激没反应不是一回事。甚至是EEG的平直线也不能表明所有脑功能已停止，因为负责产生自主呼吸和心跳的后脑网状结构可能仍在活动。
脑死亡因为特拉·史雅芙（TerriSchiavo）获得了全美最高的关注度，在弗罗里达养护院中，特拉·史雅芙凭着人工呼吸装置维持了近15年的生命，在维持生命的进食管被移走后，她于2005年3月31日逝世。像史雅芙这样的人通常被称做脑死亡，但这样的个体应更精确地称之为植物人。一直处于植物人状态是否仍算“活着”呢？神经成像研究的证据表明，被诊断为植物人的个体显示有目的性心理活动的迹象（Monti，2012）。在一项研究中，研究者对一位因车祸导致严重脑损伤的25岁女性采用fMRI观察其大脑活动模式。研究人员对其说一些意思不明确的句子（如咯咯声源于天花板上的横梁）和意思明确的句子（如他的咖啡里加了牛奶和糖）时，fMRI揭示她的大脑里的激活区域与正常被试的脑激活区差不多（Owen等，2006）。此外，当要求她想象打网球或行走穿过自己家的房间时，她的脑区活动再次与正常健康被试的没有差别。
研究者们认为这些发现证明了植物人至少存在着对言语指令的意识理解，或者再好一点，还存在一定意向性。当说“打网球”和“穿过她家房间”时，患者的大脑活动表明她可以理解研究者的话并有按照说的那样去做的意愿。最近的一项fMRI研究使用上述方式和一些相关的心理想象任务，对更大的样本量进行了研究，结果发现54名意识障碍患者中有4名患者的大脑活动表现出有意向性的调节活动（Monti等，2010）。另一些近期研究也表明3个植物人患者中有2个对言语和复杂声音有正常的皮层反应（Fernandez-Espejo等，2008），一个患者对于熟悉的声音比陌生声音有更强烈的情绪反应（Eickhoff等，2008），在另一个患者身上还发现其努力按照指令尝试动一动特定的一根手指（Cruse等，2012）。怎样用这些和其他一些研究结果来影响有关大脑何时算死亡和生命何时算结束的决定？尽管阐述这个问题还为时过早（Laureys等，2006），但科学家和医生们目前就这些研究结果的伦理和临床应用展开了激烈的讨论（Bernat，2009；Monti，2012；Monti，Coleman，和Owen，2009）。
经颅磁刺激（TMS）
早些时候我们注意到科学家通过研究脑损伤患者的行为已经对大脑有了比较多的认识。尽管脑损伤可能与特定的行为模式有关，但这种关系可能是因果关系也可能不是。实验法是确定变量间的因果关系的一种最基本的方法，但从伦理上讲，科学家们不能制造人类的脑部损伤，因此他们不能建立特定部位脑损伤和特定行为模式间的因果关系。功能性神经成像技术，如fMRI，也不能解决这个问题，因为它不能提供由特定大脑活动的特定模式引起特定行为的相关信息。
值得庆幸的是，科学家们已经发现了一种新兴的技术来模拟大脑损伤，即经颅磁刺激（transcranial magneticstimulation，TMS；Barker，Jalinous和Freeston，1985；Hallett，2000）。如果你曾将磁铁放在一张纸下，并用磁铁将放在纸上的曲别针拖拽来回移动，你便会知道磁场可以穿过绝缘物质，人的颅骨也不例外。TMS 发射一个磁脉冲穿过头颅骨，并在短时间内使大脑皮层神经元无法激活。研究者可以给特定脑区发射TMS 脉冲（主要是转变方向），接着测量人在运动、观看、思考、记忆、说话或体验时的暂时变化。通过操纵大脑的状态，科学家们能够完成一些实验以确定变量间的因果关系。
经颅磁刺激（TMS）通过磁脉冲，短暂性模仿大脑损伤，从而使大脑的某些区域处于兴奋状态或抑制状态。
其他声音 神经神话
毫无疑问，你曾听到这样的话“我们只用了大脑的10%”，你可能好奇这是否是真的。查布里斯（Chabris）和西蒙斯（Simons）（2012）以Dekker等最近的一项研究（2012）为基础，探讨了这句话和其他有关大脑的描述，这些描述在他们看来近乎神话。
突击测验：下面哪些说法是错误的？
1.我们只用了大脑的10%。
2.丰富的环境刺激有利于学前儿童的大脑发育。
3.不论是听觉式学习、视觉式学习还是动觉式学习，只要个体采用自己偏爱的学习方式来接受信息时，学习效果就会更好。
如果你选择了第一个，恭喜你！我们只用了大脑的10% 的想法明显是错误的。尽管它充斥在大众文化中，甚至在心理学家和神经科学家之间也有流传，以至于被人们看做是“10% 神话”。与流行的理念相反，整个大脑都被使用了——没有使用的神经元会凋亡，而没有使用的神经通路会萎缩。神经成像研究的结果显示，在大脑扫描中仅有少量区域“变亮”可能看起来是支持了这个假说，但这些变亮的区域只是其活动水平高于基线活动水平；并不代表没有变亮的区域就是在休眠或未被使用。
你赞同另外两个说法吗？如果赞同，你就掉入了我们的陷阱。所有这三个说法都是错误的——至少不能用科学证据证实。更不幸的是，你并不是唯一答错的。
桑内·德克尔（Sanne Dekker）和其在阿姆斯特丹自由大学和普林斯顿大学的同事们在英国和荷兰进行过一项研究，他们向中小学242名老师呈现上述及其他的“神经神话”，他们的文章发表在《心理学前沿》（ Frontiers in Psychology ）杂志上。结果发现47% 的老师认为10% 假说是对的。而且有76% 的老师认为丰富的育儿环境能强化大脑是正确的。
这些理念可能源于小白鼠的实验证据，与养在空荡荡的笼子里的老鼠相比，养在有练习车轮、管道等设备的笼子里的老鼠显示了更好的认知能力，并且其大脑的结构的发展更好。但这些实验仅仅表明，在确实贫乏的非自然环境比有机会玩耍和互动的自然环境更容易造成不良的发育后果。同样，在壁橱中长大或在其他切断了人类接触的环境中成长确实对孩子的大脑发育有损害，但这不能说明在一个已经比较典型的环境中，再“丰富”其环境（如持续播放“小小爱因斯坦”
类型节目的DVD）会促进认知发展。
有关学习方式的神话最流行：94% 的教师认为当课程以学生更偏好的学习方式呈现时，学生将表现得更好。事实上，虽然对于如何学习，学生确实有自己的偏好，但问题是这些偏好与如何有效的学习并无太大关系……
我们自己对美国大众进行的调查中发现，人们对大脑神经神话有更为普遍的认同。大约有三分之二的公民赞同10% 神话。许多人也认为记忆的工作机制像视频记录一样或者当有人凝视他们的大脑时，他们能读出里面的内容。
讽刺的是，在德克尔小组的研究中，对神经科学了解最多的老师们也相信大多数神经神话。很明显，老师们急切希望拓展其在有关心智和大脑方面的知识（这点令人钦佩），但是他们很难将事实与他们学到的假说分开。神经神话有很强的直观吸引力，并且在商业和咨询
领域传播得如此之快，以至于从大众意识中根除它们似乎是永远不可能完成的任务，但在教室中减少它们的影响将是一个好的开始。
如果由于某些特别的原因，你想惹怒心理课的老师，似乎找不到比声称“我们只用了大脑的10%”更好的方法了。正如查布里斯（Chabris）和西蒙（Simon）（2012）指出的，尽管在荷兰和英国的中小学教师中赞同这个神话的比例高得惊人，但我们不清楚是否有心理学家在教授你所上的课程时会认可这个神话，我们希望没有。这个假说是如何兴起的？事实上没有人清楚。一些人认为这可能源于伟大的心理学家威廉·詹姆斯的名言“我们正在利用的脑力和生理资源只占可利用资源的一小部分”，或者源于奥尔波特·爱因斯坦试图弄清楚他自己的高智商的意义（Boyd，2008）。
当你听到一个朋友在说或转述从其他人那里听来的这些无根据的说法时，就到了你采用我们在这个栏目里重点介绍的几种重要思考技能，并付诸行动的时候了，就到了你开始提问的时候了：你这么说的依据是什么？你的朋友是否能说出一项或一类特定的研究来支持他的说法？他说的这些研究是否发表在经过同行评审过的科学期刊上？研究中使用了什么类型的被试群体？样本是否足够大得支持一个明确的结论？这样的结果是否能被重复？这就是我们的主要目的。像神经神话这样的吹牛大话迎头遇到批判性思维时，它就没多少机会存在下去。
例如，在一项早期的TMS 研究中，研究者发现给予视觉皮层磁刺激能暂时性地损伤个体探测物体的运动的能力，但并不损伤再认物体的能力（Beckers和Zeki，1995）。这项有趣的发现，表明运动知觉和物体再认由大脑不同区域完成，但此外，也表明视觉皮层的活动导致运动知觉。最近的研究表明，对视觉皮层上负责运动知觉的特定部位进行TMS，同样损害了人们触摸运动物体的准确性（Schenk等，2005）或损害了在运动视觉背景下触摸静止物体（Whitney等，2007）的准确性。这些发现表明当我们需要对视觉环境中的运动做出反应时，视觉运动区在指导动作上发挥重要作用。
研究者可以操纵大脑活动来探测它的影响，而不是仅依赖脑损伤病人或fMRI或PET扫描的快速成像进行一些观察性研究。科学家们也已经开始将TMS和fMRI结合起来使用，从而对TMS 区域的功能进行精确定位（Caparelli，2007）。研究表明TMS 没有副作用（Anand和Hotson，2002；Pascual-Leone等，1993），这些新的工具已经使有关大脑如何产生思维，情感和行为的研究领域发生了变化。
在心理学研究方法一章你已经了解到了相关与因果的不同，并且知道即便两个事件是相关的，也并不意味着一个事件引起了另一个事件。假设研究者设计了一个实验：被试看屏幕上的单词，并要求大声读出每个单词，同时研究者用fMRI探测被试的大脑活动。首先，被试在完成这一任务时fMRI显示大脑的哪些区域会活动？其次，研究者能否肯定地下结论说这些大脑活动区域对于人类的单词发音是必需的？
▲ 研究大脑和行为间的关联，主要有三种途径：
▲ 观察大脑损伤后，相应的知觉、运动、智力和情感能力会受到怎样的影响。通过将特定的心理和行为障碍与大脑特定部位损伤谨慎的关联起来，研究者能够更好地了解正常人在产生这些行为时这些大脑区域扮演着怎样的角色。
▲ 探测整个大脑的电位活动和单个神经元的活动模式。通过脑电图（EEG）能够从颅骨外探测大范围脑区的电位活动模式。对特定神经元进行的单细胞记录能够与特定的知觉或行为事件建立联系，表明这些神经元表征特定类型的刺激或控制行为的特定方面。
▲ 在完成不同知觉或智力任务时用脑成像仪器扫描被试的大脑。伴随特定认知和行为事件的特定脑区能量消耗表明这些脑区负责特定类型的知觉、运动、认知或情绪加工。
关键概念小测试
1.下列哪项不属于神经元的功能？
a.信息加工
b.与其他神经元建立联系
c.提供营养物质
d.向肢体器官或肌肉发送信息
2.接收来自其他神经元的信息，并将其传递到胞体的是____。
a.细胞核
b.树突
c.轴突
d.腺体
3.信号如何从一个神经元传递到另一个神经元？
a.通过突触
b.通过胶质细胞
c.通过髓鞘
d.发生在胞体中
4.哪种类型的神经元接受来自外界的信息，并通过脊髓将信息传递到大脑？
a.感觉神经元
b.运动神经元
c.中间神经元
d.轴突
5.电信号沿着神经元轴突传导到突触的过程被叫作____。
a.静息电位
b.动作电位
c.朗飞氏结
d.离子
6.将信息经突触传递到另一个神经元树突受体部位的化学物质是____。
a.囊泡
b.突触小结
c.神经元突触后膜
d.神经递质
7.____自主控制身体的器官？
a.自主神经系统
b.副交感神经系统
c.交感神经系统
d.躯体神经系统
8.后脑的哪一部位调节精细运动技能？
a.延髓
b.小脑
c.脑桥
d.被盖
9.大脑的哪一部分与运动和觉醒有关？
a.后脑
b.中脑
c.前脑
d.网状结构
10.____调节体温、饥饿、口渴和性行为？
a.大脑皮层
b.垂体
c.杏仁核
d.海马
11.下列哪项解释了心血管训练对脑功能和认知行为方面的有利作用？
a.躯体感觉皮质的大小不同
b.大脑皮层的位置
c.联合区域的特异化
d.神经元的可塑性
12.在胎儿大脑生长过程中，____经历了最大的发展？
a.皮层
b.小脑
c.顶盖
d.丘脑
13.第一个真正的中枢神经系统出现在____。
a.扁形虫
b.水母
c.单细胞动物
d.早期灵长类动物
14.在给定的环境中基因决定人的____。
a.个性特征
b.差异性范围
c.环境的可能性
d.行为水平
15.要确定与特定类型的运动、认知或情绪加工有关的大脑区域，最好通过____。
a.记录电位活动模式
b.观察心理障碍
c.心理调查
d.脑成像
关键术语
转变观念
1.在深夜观看电视节目时，你听到了来自BrainGro 产品商的一条广告“众所周知，大多数人只用了10% 的大脑”，代言人承诺“使用BrainGro，你可以将百分率从10% 提升到99% ！”为什么你应该怀疑这条声称我们只用了大脑的10% 的广告？如果药物真的可以将神经元的活动提高10倍将发生什么？
2.你的朋友觉得抑郁，就到咨询师那去寻求帮助。她说“他给我开了一种药物说能够增加我大脑中的5-羟色胺的含量，但是我的感觉取决于我，而不是我脑中的一些化学物质”。你将为你朋友提供哪些例子使她相信激素和神经递质确实影响我们的认知、情感和行为？
3.一位同学阅读了本章关于中枢神经系统进化一节。他认为“进化只是一种理论，不是每个人都推崇。即便我们真的都是从猴子进化而来，这和当今人类的心理学也没有任何关系”你朋友对进化的误解是什么？你怎样向他解释进化与现代心理学之间的关系？
4.一项研究报道了这样一个新闻节目（Holzel等，2011），节目说人类若每天进行30分钟的冥想并持续8周，他们的大脑就会发生变化，他们的海马和杏仁核面积会增加。你将这个告诉给一位朋友，结果他表示怀疑：“大脑不会像那样发生变化。基本上，你出生时的大脑和你余生所用的大脑是一样的。”为什么你朋友的说法是错的？大脑随时间变化的特定方式有哪几种？
5.你的一位朋友宣称找到了他学不好数学的原因。“我从一本书上看到的”他说，“左脑型的人是分析型和逻辑型的，右脑型的人是创造性和艺术型的。我的专业是艺术，所以我一定是右脑型，这就是我为什么学不好数学的原因。”为什么你朋友的观点太简单化？
关键概念小测试答案
1.c；2.b；3.a；4.a；5.b；6.d；7.a；8.b；9.b；10.c;11.d；12.a；13.a；14.b；15.d.
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神经元（neurons） 构成神经系统的细胞，依靠彼此相互连接完成信息加工任务。
细胞体（cell body or soma） 神经元的组成部分之一，用来协调信息加工任务并维持细胞存活。
树突（dendrite） 神经元的组成部分之一，接收其他神经元的传入信息并传递到细胞体。
轴突（axon） 神经元的组成部分之一，将信息传递到其他神经元、肌肉或腺体中。
髓鞘（myelin sheath） 一层绝缘的脂类物质。
胶质细胞（glial cells） 支撑神经系统的细胞。
突触（synapse） 一个神经元的轴突与另一个神经元的树突或胞体间的汇合区域。
感觉神经元（sensory neurons） 接受来自外界的信息并通过脊髓将信息传递给大脑的神经元。
运动神经元（motor neurons） 将来自脊髓的信号传递到肌肉并产生动作的神经元。
中间神经元（interneurons） 连接感觉神经元，运动神经元或其他中间神经元的神经元。
静息电位（resting potential） 神经元细胞膜内侧和外侧之间的电位差。
动作电位（action potential） 电信号沿着神经元的轴突向细胞突触传导。
不应期（refractory period） 指动作电位传导的这段时间，在此期间不会产生新的动作电位。
突触小体（terminal buttons） 由轴突分化出来的球状结构。
神经递质（neurotransmitters） 通过突触向接受的神经元树突传递信息的化学物质。
受体（receptors） 接受递质并激发或抑制新电信号的部分细胞膜。
乙酰胆碱（acetylcholine, ACh） 一种参与实现许多功能的神经递质，包括随意运动的控制。
多巴胺（dopamine） 一种调节动作行为、动机、愉悦程度和情绪激活程度的神经递质。
谷氨酸（glutamate） 大脑中主要的兴奋性神经递质。
氨基丁酸（gamma-aminobutyric acid 或GABA） 大脑中主要的抑制性神经递质。
肾上腺素（norepinephrine） 一种主要参与警觉状态，或提高对环境中危险的觉察程度的神经递质。
5-羟色胺（serotonin） 一种参与调节睡眠和觉醒、进食和攻击行为的神经递质。
内啡肽（endorphins） 作用于大脑疼痛通道和情绪中心的化学物质。
兴奋剂（agonists） 增强神经递质活动的药物。
拮抗剂（antagonists） 阻碍神经递质功能的药物。
神经系统（nervous system） 由神经元构成的一个交互网络，用以在整个机体内传递电化学信息。
中枢神经系统（central nervous system ，CNS） 神经系统的一部分，由大脑和脊髓构成。
外周神经系统（peripheral nervous system，PNS） 神经系统的一部分，将中枢神经系统和机体器官以及肌肉连接起来。
躯体神经系统（somatic nervous system） 是一群在随意肌和中枢神经系统之间传递信息的神经。
自主神经系统（automatic nervous system） 是一组传递不随意的和自动的指令信息的神经，用以控制血管、身体器官和腺体。
交感神经系统（sympathetic nervous system） 是一组让机体为遇到的有挑战性或威胁性情境做出行动准备的神经。
副交感神经系统（parasympathetic nervous system） 是一组帮助机体恢复到正常的平静状态的神经。
脊髓反射（spinal reflexes） 神经系统中可以快速使肌肉收缩的简单通路。
后脑（spinal reflexes） 负责协调脊髓的输入和输出的脑区。
延髓（medulla） 脊髓向颅腔内延伸的部分，它负责协调心率、血液循环和呼吸。
网状结构（reticular formation） 负责协调睡眠、觉醒和唤醒状态的大脑结构。
小脑（cerebellum） 后脑中一个较大的结构，负责控制精细运动技能。
脑桥（pons） 在小脑和其他脑区之间传递信息的大脑结构。
顶盖（tectum） 中脑中负责机体在环境中的方向定位的脑结构。
被盖（tegmentum） 中脑中参与机体的运动和觉醒的脑结构。
大脑皮层（cerebral cortex） 大脑最外延的层状结构，肉眼可见并被分成两个半球。
皮层下结构（subcortical structures） 前脑中在大脑皮层包围下的位于大脑正中心附近的脑结构。
丘脑（thalamus） 皮层下结构的一部分，筛选并转达从感官系统传递来的信息，并把这些信息传递到大脑皮层。
下丘脑 （hypothalamus） 皮层下结构的一部分，调节体温、饥饿感、渴感和性行为。
脑垂体（pituitary gland） 机体荷尔蒙产生系统的“主腺”，其释放的荷尔蒙能引导机体其他腺体的分泌活动。
边缘系统（limbic system） 前脑中的一些结构的总称，包括下丘脑、海马和杏仁核。参与动机、情绪、学习和记忆活动。
海马（hippocampus ） 一种重要的脑结构，参与形成新的记忆，并将这些新记忆纳入原有的知识系统从而储存在大脑皮层的其他部分中。
杏仁核（amygdala） 边缘系统的一部分，在很多情绪过程中，尤其是情绪记忆的形成过程中起着主要作用。
基底神经节（basal ganglia） 皮层下结构的一部分，导引有意识运动。
胼胝体（corpus callosum） 厚厚的一束神经纤维，将左右两侧大脑半球中绝大部分连接起来，并且为两侧半球之间的信息沟通提供支持。
枕叶（occipital lobe ） 大脑皮层的一个脑区，负责加工视觉信息。
顶叶（parietal lobe） 大脑皮层的一个脑区，负责加工与触觉有关的信息。
颞叶（temporal lobe） 大脑皮层的一个脑区，负责加工听觉和语言信息。
额叶（frontal lobe） 大脑皮层的一个脑区，专门负责运动、抽象思维、计划、记忆和判断的脑结构。
联合皮层（association areas） 大脑皮层的若干区域，这些区域里的神经元可以为记录在大脑皮层中的信息赋予意义。
镜像神经元（mirror neurons） 动物在执行某种行为（比如试图伸手去够某个物体或者操纵某个物体）以及观察其他动物执行同一行为时都会兴奋的神经元。
基因（gene） 遗传传递的主要单元。
染色体（chromosomes） 相互缠绕的双螺旋结构的DNA 链。
表观遗传学（epicgenetics） 在不改变DNA 序列的情况下，环境可以决定基因是否表达以及基因表达的程度。
遗传学标记（epigenics marks） 对DNA 的一种化学修饰，这样就可以“打开”或“关闭”DNA。
DNA 甲基化（DNA methylation） 在DNA 上增加一个甲基群。
组蛋白修饰（histone modification） 对一种参与组装DNA 的称为组蛋白的蛋白质加以化学修饰。
遗传度（heritability） 指从一组个体身上可观察到的变异中，能由遗传因素解释的比例。
脑电图（electroencephalograph 或EEG） 是一种用来记录大脑电位活动的设备。