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30多年来，脑功能成像技术让我们可以直接“解读脑”，在人脑的研究中掀起了革命。在被试进行像阅读这类思维活动的同时将脑的活动直接具象化，这是这些技术的巨大潜力所在。从很多方面来说，脑成像实验比脑损伤研究要直接得多。谁又能知道脑在损伤后在多大程度上进行自我重组了呢？而且脑损伤的影响范围远不止于损伤区，因为这些损伤还可能会切断与其他脑区的联系，使它们得不到信息输入。在脑受损后的数周内，我们经常发现患者的脑部活动会大量重组，通过使用不同于健康脑的神经回路，患者们可以恢复他们失去的能力。最后，脑损伤还具有不可预知性。损伤面积可能会比较大，而且损伤位置也会因血管的结构分布而有所偏离，因此损伤区不能直接告诉我们健康脑在功能上的组织方式。如果没有办法看到正常人的脑，我们的工作就会难得多，像一个学徒只能用坏掉的钟表来学习如何制作钟表一样。
脑成像依赖于一个简单的原则，早在18世纪，法国化学家拉瓦锡就提出了这一原则。像身体的其他器官一样，脑在工作时比休息时要消耗更多的能量。在《动物呼吸的第一备忘录》（ First Memoir on Animal Breathing , 1789）中，拉瓦锡的一段话预言了这个简单的理念最终可能用来测量脑的活动：
这样的观察结果产生了一种可能性，让我们能对看起来不相关的力的作用进行比较。例如，我们可以评估多少克的重量相当于一个人背一段演讲或一个音乐家演奏一种乐器时所付出的努力。所有机械的存在都可以用相同的方法进行评估，哲学家思考时的努力，作家写作时的努力，作曲家谱曲时的努力。虽然这些努力被认为是纯粹精神上的，但是它们也有其肉体的、物质的一面，这使得它们可以与劳动者的努力进行比较。
200年过去了，这一简单的理念终于被付诸实践。1988年，史蒂夫·彼得森（Steve Petersen）、迈克尔·波斯纳（Michael Posner）、马库斯·赖希勒（Marcus Raichle）和他们的同事们最先以可视化方式呈现出人在阅读时脑的哪些区域消耗了能量 13 。他们使用了正电子发射断层扫描（Positron emission tomography，简称PET）技术，扫描并展示了脑的语言区的功能性组织情况。拉瓦锡肯定没有预见到这一技术所需的这种心理学与核物理技术的奇妙结合。被试们被注射了少量带放射性的水，水中原有的氧原子（ 16 O，即氧16）被氧15所取代。这种液体可以迅速在血液中扩散，并在全身传播。特别是在脑中，放射性最集中的区域就是血流最快的区域，而这个区域正好是脑活动最剧烈的区域。因此，放射性的峰值位置直接反映了脑中的热点区域。
在零点几秒之后，被试脑中的氧15原子会自动地放出一个正电子，从而变为稳态，即氧16。正电子是一种反物质粒子，与电子正好相反。当正电子与电子相撞时，它们会彼此湮灭，并同时放出两个高能光子。而这对光子以相反的方向从脑中穿出时，可以被扫描器捕获。遍布被试头部周围的晶体阵列将捕获的信息传入一台强大的计算机，由它通过重构计算出氧原子分裂的原始位置。最后，我们可以制出一个三维图像，一层一层精准地展示出工作时脑中能量消耗的分布情况，正因为是一层一层的，所以才叫“断层扫描”（tomography），这个词由希腊语中的“tomos”（层）和“graphein”（图画）组成。
彼得森和他的同事们也在心理学的角度上进行了创新，他们让被试执行一系列越来越复杂的任务。首先，彼得森和同事们扫描了脑的静息态图像，静息态是指没有为被试呈现刺激，被试也没有思考什么特别东西的时候大脑的状态。然后，他们测量了被试观察并大声重复书面或语音呈现的单词时的脑活动。最后，他们还测量了同一个人进行词语联想时的脑活动，对每一个呈现的词，被试都要想出一个能够恰当地与之关联的动词，如看到“蛋糕”时说“吃”。研究者们希望通过把两个相邻步骤的结果相减，以此来找到相继运作的脑区，这些脑区分别参与单词的视觉和听觉识别、发音及对词义进行心理操纵。
彼得森实验得到的图像相当奇妙，登上了全世界报纸的头版，并成了当今脑科学中不可或缺的一部分。这是人类历史上第一次绘出了活人脑中负责语言的区域（见图2-3）。虽然这张图还有待进一步完善，然而其核心发现被后来的研究不断重复。只要被试看到书面单词，脑后部专门负责视觉的区域就会被激活。同时左半球中正好位于枕叶与颞叶交界处的一个小区域也凸显出重要性，这个小区域与我们前面所说的“文字盒子区”正好一致。听到语音呈现的单词则没有在这两个区域产生激活，而是激活了颞叶皮质上部和中部的另外一些区域，这些区域与听觉和言语加工的区域一致。另一方面，说出单词则激活了左半球前部的一个区域，这一区域与法国神经学家保罗·布洛卡（Paul Broca）19世纪提出的与口语产生相关的区域非常接近。同时，产生口语的过程还激活了左右半球的运动区。最后，语义联想激活的是另外一个区域，位于左半球内侧前额叶皮质，这个区域通常被认为与创造性思维有关。
图2-3 历史性的图片：由正电子发射断层扫描产生的脑语
资料来源：经图片作者Mike Posner和Marc Raichle授权使用。
相对于单单注视一个小点，默读（图片右上方）激活了位于左半球后部的单词识别的视觉加工过程。根据任务的不同，其后信息又被传递到对语音进行编码的区域（图片左上方）、言语产生的区域（图片左下方）或词义操纵的区域（图片右下方）。
所有这些区域中，似乎只有左侧枕－颞区在阅读中发挥了专门而重要的作用。令人震撼的是，这一区域与脑损伤研究所得出来的纯失读症的损伤位置惊人地一致。彼得森和他的同事们发现，这一区域只被书面单词所激活，而且它并不属于低级视觉区域，因为它不会被棋盘格这样的普通视觉模式图所激活。他们提出，这一区域是将初期视觉分析与语言系统的其他部分联系起来的一个环节。视觉信息要想进入语言系统，就必须经过这个区域的过滤。这一区域选择性地分析看到的图像，从中找出字母，然后把字母的信息发送到脑的其他区域，进而使信息最终变成单词的发音或意义。