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脑成像与认知神经科学
----- 将功能归到结构的强推理 translated by liujia( 北京大学bbs AI 板主) 摘要 认知神经科学是神经科学与认知心理学的交叉学科，其方向是研究“脑功能是如何引起心理活动的”。认知神经科学将神经科学和心理学的许多研究层次结合起来。需要强调的是，脑成像技术对认知神经科学的出现起了极大的作用。从这些研究中所得到的结论，其核心是定位性的。换句话说，他们将认知功能定位在具体的脑区。关于此结论的长处和局限性的讨论，不但有助于我们避免产生心智定位主义(mentalisticlocalizationism, 例如，将诸如幸福、道德或者意识等心智概念定位到脑结构上)，而且还有助于我们了解将不同研究策略所得到实验数据结合起来的重要性。另外，我们还将讨论用脑成像技术来研究认知神经科学的推理中的一些缺陷，并提出了来解决此问题的一个概念框架。 前言 在过去的二十年里，具有立体功能的脑成像技术变成现实，并且，将它运用到认知功能的研究上，使我们在脑-行为关系的研究上迈了很大一步。虽然从关于脑损伤的研究中，我们也得到了关于脑-行为关系的一些事实(损伤脑区Φ导致认知功能Ψ的损伤，所以，脑区Φ与认知功能Ψ有关)，然而，对无创伤脑区活动变化的观察，通常被认为是研究脑-行为关系更合理的基础。因此，现代脑成像技术的发展对认知神经科学的快速发展和成熟是极其有用的。 从脑成像研究中所得出的支持定位主义的结论极大地改变了大众关于脑功能的错误看法，如“大脑的道德中枢”，“棋子在大脑中移动的物质基础”，或者是“大脑是如何计算出悲伤与欢乐”等等。更重要的是，这种定位的观点在许多方面都影响着认知神经科学，所以，脑成像研究就变成认知神经科学的主流，一个例子就是，人类脑研究计划的一个主要目的就是提供一种技术以获得、存储和转输人脑结构和功能的三维图象。 因为脑成像对研究认知神经科学有如此重大的作用，所以讨论一下定位主义的长处与局限性是十分值得的。关于这个讨论以前也曾有过，然而却从来没有在脑成像的基础上，对关于定位主义的科学推理进行了讨论。一个更广的概念框架将有助于较好地观察和评价诸如“在时间序列占优的右半球，特化的神经系统参与了乐曲的知觉分析”或者“右前额叶与人类性行为的情绪反应有关”的结论。这个框架还将指出：我们将认知神经科学研究中的top-down特点与行为神经科学研究中的bottom-up特点结合起来，从而产生一个关于神经-行为功能的更可取的多层次的统一分析。 在过去的二十年里，具有立体功能的脑成像技术变成现实，并且，将它运用到认知功能的研究上，使我们在脑-行为关系的研究上迈了很大一步。虽然从关于脑损伤的研究中，我们也得到了关于脑-行为关系的一些事实(损伤脑区Φ导致认知功能Ψ的损伤，所以，脑区Φ与认知功能Ψ有关)，然而，对无创伤脑区活动变化的观察，通常被认为是研究脑-行为关系更合的基础。因此，现代脑成像技术的发展对认知神经科学的快速发展和成熟是极其有用的。 从脑成像研究中所得出的支持定位主义的结论极大地改变了大众关于脑功能的错误看法，如“大脑的道德中枢”，“棋子在大脑中移动的物质基础”，或者是“大脑是如何计算出悲伤与欢乐”等等。更重要的是，这种定位的观点在许多方面都影响着认知神经科学，所以，脑成像研究就变成认知神经科学的主流，一个例子就是，人类脑研究计划的一个主要目的就是提供一种技术以获得、存储和转输人脑结构和功能的三维图象。 因为脑成像对研究认知神经科学有如此重大的作用，所以讨论一下定位主义的长处与局限性是十分值得的。关于这个讨论以前也曾有过，然而却从来没有在脑成像的基础上，对关于定位主义的科学推理进行了讨论。从历史的角度看脑成像和大脑定位主义： 用脑成像技术来研究认知功能有这样一个前提假设：认知操作定位于局部脑区。也许有人会说功能是不可能定位的，因为功能不是表征神经回路的特性，而是表征这些回路输出或操作的表达。所以，当一个人提到功能定位时，很重要的一点是要将这术语理解为认知功能与特定神经回路的输出或操作有因果联系。实际上，认知功能反应了输出的结果或重要性。我们是在这个定义上使用这个术语的。 在多大程度上可以将功能定位到特定的脑区，这是个由来已久的争论。第一个功能定位的例子可以追溯到Julien Jean Cesar Legallois(1812)。他将呼吸定位到延髓的髓质某一区域。在这之后不久，Charles Bell爵士(1811/1836)与Francois Magendie(1822)在损伤狗实验中证实了脊神经角在功能和解剖上是分离的，感觉功能与腹部角(前角)，而运动功能与背部角(后角)有关。这个发现导致了Bell提出了在大脑中，感觉与运动功能也是定位的这样一个假设，从现在来看，显然这是正确的。Fritsch、Hitzig(1870)和Ferrier(1876)通过刺激法和损伤法对一些更精细的脑皮层感觉与运动功能进行了定位研究，并描绘了定位图。尽管关于感觉与运动的定位证据是确凿无疑的，但是关于更复杂的认知功能的定位的争论一直持续到今天。 在19世纪早期，Franz Joseph Gall提出高层的心理功能能定位到特 定的相互分离的脑区上。关于Gall理论最有争议的一点是他的颅相说。他 企图将特定的心理功能或行为与颅脑外形相联系起来。这导致的坚持大脑 整体论的Pierre Fluorens等与坚持极端定位主义(颅相学)的Gall等之间 的激烈争论(Flechsig, 1896; Phillips, Zeki, &Barlow, 1984; Plum & Volpe, 1987; Zulch, 1976)。 这个争论一直持续到本世纪。尽管认知功能与言语处理的定位证据越来越多，然而诸如Lashley(1929)等研究者坚持在学习和记忆过程中的大脑皮层等势说。这种争论仍在继续(Farah, 1994)。正如Mesulam所说的“认知神经科学的领域必然充满了定位主义与等势说之间的争论”。 Sqire(1987)认为这个争论不应当是定位说与反定位说之间的争论，应当是“明确所讨论的定位层次”。根据这种观点，在单个神经元，神经元群和神经网络层次上，认知功能的神经基础是可定位的。因此，以前脑成像研究之所以不能得出明确的脑定位关系的一个原因就是分辨率低。那么，能有一种在时间和空间上分辨率很高的成像技术就能突破这个局限。 1.认知功能的脑定位：方法学上和逻辑上的问题 脑成像方法在时间和空间上的分辨率的进一步提高无疑是十分有用的，然而重要的问题是结构-功能之间的基本关系以及如何从实验数据中进行推理。提高分辨率并不能有效地防止得到不适当的理论。一个重要的问题是，脑定位究竟是指什么的定位？这对脊髓反射来说，不是一个问题，因为我们能很清晰地找到神经回路与功能之间的同形性(isomorphism)。而对于大脑而言，定位这个问题就显得复杂起来了。认知功能通常是建立在许多过程之上的，如感知觉分析，学习，记忆等过程。事实上，每一个过程也许都包含了许多相互独立的神经活动，所以，我们就会有不同层次的功能定位。如果尝试着把复杂的认知功能映射到复杂的结构上去，那么就会有这样的可能性，即在功能层次上的概念和模型与在神经系统或过程的层次上观念和模型不是同形的。也就是说，认知模型的标准结构与作为基础的脑系统、机制和神经元编码并不相同。然而缺乏功能-结构的同形性将不利于我们了解脑-行为的关系。所以，认知神经科学的理想发展模式应当是将认知和神经两个层次的分析结合起来。 2、认知功能的脑定位：方法和解释上的问题 从脑成像数据中进行推理的一个主要障碍是生理信号的完整表达和分析落后于信号的获取。例如基于PET的脑成像技术，可以提供非常精确的在所选脑层的荧光物质的空间分布。在对于这些数据我们所做的关于认知功能推理中，我们需要对放射标记强度，区域代谢，区域脑血流和神经活动强度他们之间的关系作出假设。也许其中的一些假设是合理的，但更多的却是有问题的。例如，在某一区域内使兴奋或抑制性的神经元活性增加，可能会产生类似的放射信号，然而这却体现了不同的功能。 另一个问题就是脑成像是基于减法规则上的，控制组与实验组的差别被解释为这一部分脑区与此认知功能对应。而减法规则的局限性是不言自明的。在作减法之前，必须将数据进行标准化，以去掉数据的整体差别。标准化能很大地提高信-噪比，然而它也可能人为地引入一些显著性差异。 我们以一个简单的例子来说明这个问题。控制组的任务是注视监视器上一个固定的点，结果表明小脑兴奋性不变而从额叶到枕叶有梯度分布的兴奋性；实验组的任务是被动地注视线和轮廓，结果表明小脑兴奋性不变，而从额叶到枕叶有较大的梯度分布的兴奋性。此时，如果将实验组结果标准化(把结果除以像素密度)，再用减法，此时我们就会发现实验组小脑的兴奋性下降(即减法时出现负值)。所以，数据的转换有可能带来奇怪的结果。 除去这些技术上或方法上的问题，一个更基本的障碍限制了脑成像的应用。即使某一功能是定位在某一神经回路上，而这一回路也可能是：a)弥散性结构或广泛分布的；b)在组织学上重叠，甚至共享同一神经单元却对应不同的功能；c)神经回路根据不同的输入模式与不同的认知状态或情景，产生不同的功能。这些可能性毫无疑问会使得脑定位的努力变得艰巨起来。当我们兴奋一个弥散结构或分布的神经回路时，它可能不会产生足够密集的信号，使得我们无法将它与噪音或控制组的兴奋模式分开，这将有可能导致定位的失败。同样的，因为重叠的神经回路区会被多种的认知或行为的情景所激活，所以功能上独立而神经回路上重叠就会导致低估功能定位的程度。 问题更大的可能是一些中央回路根据不同的兴奋模式，有不同的和重叠的功能。一个有帮助的例子是对“状态-设置”系统(state-setting system)的功能研究。在这个系统中，注意功能是受胆碱能和去甲腺上素能的传入神经所调节的。在这一领域的研究提出了以下的假设：a)注意过程是依赖于胆碱能和去甲肾上腺素能的传入神经的整合；b)神经精神病的注意障碍是由于此系统的兴奋性异常。脑成像研究表明，大脑皮层的额叶，颞叶，顶叶可能与不类型的注意有关。持自下至上的观点的人更多地关注了注意功能在不同皮质区上乙 ５ 碱的特殊作用。理解“注意皮层区”传入神经的角色对我们理解神经分裂症和痴呆症有极大地帮助。这种努力将会从对人的脑成像研究和对动物皮层兴奋控制的认知研究中获得极大的益处。脑成像研究可用于前额叶区和上顶叶区的持久性注意的研究，例如，减少这些区域的活动性的确与痴呆症的缓解相联系。然而，脑成像不能揭示单个传入神经的作用，更一般的，也就是不能区分导致相同信号模式的不同的神经兴奋模式，这个例子并不是想使这两种不同层次的分析对立起来或提出分析方法的优劣，而是想指出，应当将基础的神经研究与脑成像的数据结合起来，从而揭示出调节注意的神经网络机制。正如下面讨论的，自下而上与自上而下的两种方法应当结合起来，从而找到结构-功能之间的关系。 关于解释脑-行为关系之间的推理 我们直觉地认为：如果特殊的认知活动引起大脑特定区域的兴奋，那么 这一部分脑区就是这个认知活动的基础。然而这种推理却是存在问题的。在 本节中，我们来考察从脑成像数据中得出结构-功能关系的推理，并提出了 一个可替代的框架来对这些数据进行有意义的分析。 认知神经科学的主要目的可以用下面公式来表达： Ψ=f(Φ) (1) Ψ代表特定的认知操作或功能，Φ代表神经结构或过程。 在一般的研究中，研究者可以通过只相差一个认知功能Ψ的对照任务来变化认知操作，然后区分开脑成像Φ之间的区别。这些数据的解释显示了脑结构Φ与认知功能Ψ的联系；这些数据也被认为提供了与刺激或切除脑组织Φ所观察到的认知功能Ψ发生改变一样的信息。这种解释的模式体现了两个假设：一个是外在的假设，认知功能能够定位；一个潜在的假设，Φ与Ψ是同形的。 在Francis Bacon爵士于1960年提出假设-推理的逻辑学之前，科学家们满足于做实验和记录结果。在当代的脑成像研究中，这种现象又出现了。Bacon的重要贡献在于他在从积累经验观察到得出一般结论的过程中，使用了某种严格的推理。Bacon的这种推理模式在如今是众所周知了，并成为许多科学理论的基石。这种推理的范式如下：a)确定感兴趣的问题；b)区分出两个或更多的假设；c)设计一组条件以产生不同结果来排除假设；d)设定条件并收集观察结果(此过程应尽量减少测量误差和人为因素的作用)；e)从概念上复现实验；f)根据预测的和实际的结果差异，排除假设。这种假设驱动的研究范式是：not-Ψ=f(not-Φ)这也就是说，它寻求否定假设。 因果假设认为认知操作Ψ与特殊的脑结构或过程Φ的关系是Ψ=f(Φ)， 并且推论Φ之后总是伴随着Ψ，但是它并不能推论出Φ总是先于Ψ的。进 一步，脑事件Φ是认知操作或状态的一个索引，所以Ψ=f(Φ)形式的推理 要好于not-Ψ=f(not-Φ)的形式。因此，认知科学中脑成像的终极目标一 般可以表示为在给定Φ的条件下，Ψ的条件概率为 P(Ψ/Φ)=1 (2) 然而，成像研究的典型结构可以表示为在给定Ψ下，Φ出现的条件概 率： P(Φ/Ψ)=x (3) 这也就是说，脑成像技术(PET, fMRI, MEG, EEG)提供了产生功能Ψ 的Φ的信息，但是当且仅当脑结构(或事件)Φ与认知功能(或操作)Ψ之间 的比例是1:1时，等式(2),(3)的条件概率才是相等的，即P(Ψ/Φ)= P(Φ/Ψ)。 功能定义主义的许多早期研究(如Legallois对延髓呼吸中枢的研究；Fritsch & Hitzig对大脑运动皮层的研究；Munk对视皮层的研究等等)都是通过用直接电刺激法或切除动物脑的部分特殊区域来研究结构-功能之间的关系[P(Ψ/Φ)]；相反的，Gall理论的事实证据主要是将颅骨特征与行为联系起来[P(Φ/Ψ)]并且认为有这些颅骨特征的人就必然有这样的行为[P(Ψ/Φ)]。如果P(Ψ/Φ)= P(Φ/Ψ)，那么后来科学推理的结构就不一定必然是有问题的，然而事实并非如此。 当脑成像研究的一般结论涉及到认知功能的脑结构或事件时，它有一个隐含的假设，即结构与功能有1:1的关系，也就是说：P(Ψ/Φ)=P(Φ/Ψ)。然而，有一点是十分重要，即这些分析不仅仅只基于与成像数据的一致性。理想的情形是，我们在评价情景(assessment context，即Φ是Ψ的标记)或交叉情景(across context，Φ与Ψ的关系不变的)下，能够得到P(not-Ψ/Φ)=0的证据。由此，强推理便有可能成立(Cacioppo& Tassinary, 1990)。而在缺少这些证据的情况下，如果对脑成像数据的解释能被修改来反映出认知神经关系的所缺乏的信息，换句话说，即能保证P(Ψ/Φ)= P(Φ/Ψ)假设的信度，认知神经科学是可以发展起来的。 诸如电刺激，脑区切除的研究与脑成像的研究提供了互补而非多余的关于结构-功能的信息。这是由于电刺激和切除研究是基于P(Ψ/Φ)关系的，而脑成像研究是提供 P(Φ/Ψ)信息的。尽管P(Ψ/Φ)与 P(Φ/Ψ)的表达应是平等的，然而这两种研究的启发作用却是不一样的。在Ψ过程中的Φ可以通过直接对大脑的操作来进行直接的检验。当抑制某些神经活动(通过机械的、热的或是神经生化的方法)，某些认知功能丧失可以说是Φ对于Ψ来说是必须的。进一步，通过电或生化的方法使某一脑激活，从而产生某些认知过程(如注意，记忆)能够表明Φ是产生Ψ的充分条件。 虽然P(Ψ/Φ)与P(Φ/Ψ)的关系都可以通过实验的方法来进行研究，然而显示P(Φ/Ψ)研究推论的复杂性是基于改变认知功能Ψ就必然改变不同脑区Φ1、Φ2、Φ3……的活动性这样一个事实上的。因此，虽然一个心理的情景能产生Ψ与Φ1的一致性，但是它们之间的因果联系是有问题的，因为一个可替换的(甚至是未探测到的)脑事件Φ2可能因果地同时调节Ψ与Φ1。在这种情形下，如果要排除Φ1作为的Ψ充分必要条件，那我们就必须对not-Ψ=f(not-Φ1)这个假设作冗长和全面的考虑。应该注意到，这个结论并没有对脑成像方法和重要性和使用提出挑战，而是指出了仅仅从P(Φ/Ψ)进行推理的局限性。因此，将自上而下与自下而上两种观点结合起来就会克服单一方法的不足，从而允许认知神经科学的强推理。 无论导致行为或认知改变的神经活动是在宏观层次，神经网络层次或以单个神经元层次上研究的，脑-行为的关系体现了定位主义的观点。因此，试图将功能与结构联系起来的定位主义不再是一个关键的或首要的问题。?现在的关键问题在于：虽然结构-功能的关系是通过自上而下的理论建立现?起来的，然而当定位到真正的脑区时，这种关系有可能是不正确的，例如：尽管在高兴时，区域Φ有活动，但我们并不能说高兴定位在此区域。只有通过不同层次分析的整合，我们才有可能给认知神经科学的强推理提出基础。
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