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像绘制地图一样理解大脑功能?事实证明这是错误的

 

作者 |Jordana Cepelewicz

  翻译 |刘子涵

  来源 |  酷炫脑

  随着研究的深入,大脑的复杂程度超乎科学家的想象。

  记忆和其他精神功能并不能被认为是大脑某一个部分的功劳。

  神经科学家是大脑不同领域的制图师,负责定义这些领域的特征和活动,连接这些领域的道路和高速公路,以及界定这些领域的边界。大脑前部,就是在前额后面的位置,是前额皮质,被称为判断的中枢。在它的后面是运动皮层,负责计划和协调运动。侧面是颞叶,它对记忆和情绪处理至关重要。在它们上面是躯体感觉皮层;在它们后面是视觉皮层。

  据美国东北大学心理学家Lisa Feldman Barrett说,研究人员不仅经常像地图绘制者在大陆上画国家一样描绘大脑及其功能,而且他们这样做的方式就像是个老式的地图绘制者一样。他们根据自己在心理,精神或行为上感兴趣的东西来分析大脑。然后,他们会把这些功能分配给不同的大脑神经元网络,就好像它们是乐高积木,有明确的界限一样。

  但是,一幅边界整齐的大脑地图不仅过于简单,而且具有误导性。Barrett说:“一百多年来,科学家们一直在寻找大脑在思考、感觉、决定、记忆、移动和其他日常经历之间的界限,但始终没有结果。”最近的一系列神经学研究进一步证实,这些心理分类“对理解大脑的结构或工作方式是不好的指导”。

  对于大脑的结构是如何组织的,神经科学家们普遍持有一致的意见:形成特定的区域、网络和细胞类型。但是,当涉及到大脑可能执行的任务时——例如感知、记忆、注意力、情感或行动——“事情就会变得更加不可靠” ,纽约大学的神经学家David Poeppel说。

  没有人质疑视觉皮层使人有视觉能力,听觉皮层使人有听觉能力,海马体对记忆至关重要这些功能。由于对这些区域的损伤会损害这些能力,研究人员已经确定了这些区域潜在的机制。

  但是,举例来说,记忆也需要除海马体之外的大脑网络来辅助成型,而海马体也被证明是越来越多除记忆之外的认知过程的关键。有时候,这些大脑功能重叠的程度太大,以至于“地图”上的标签开始失去意义。这就是为什么很多科学家认为,为了让我们真正理解大脑是如何工作的,该领域的核心概念可能需要修改。

  当功能磁共振成像和其他强大的技术使以越来越复杂的方式检查活体大脑成为可能时,神经科学家们开始寻找人类心理能力的物理基础。他们在理解知觉、注意力、学习、记忆、决策、运动控制和其他脑部活动的神经基础方面取得了巨大进展。然而,他们也发现了令人不安的证据。

  这些证据表明现有的这些分类和支持它们的神经网络并没有像预期的那样起作用。Barrett说,大脑的结构不仅不尊从既定的心理类别之间的界限,而且这些类别之间的重叠如此之多,以至于一个大脑网络“拥有的别名比福尔摩斯还多”。

  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的一个结构,过去被认为负责运动控制。但是现在科学家发现,它也有助于注意力过程、情绪调节、语言处理和决策。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,但现在也被发现与几个高级认知过程有关。

  这些令人困惑的结果可能来自于方法论上的问题。例如,为了发现人类大脑的不同功能,神经科学家通常将认知过程与fMRI测量的大脑活动模式联系起来。但研究表明,研究人员需要对被试者的肌肉抽搐和坐立不安行为更加警惕,因为这些行为可能会影响读数。

  2019年,斯坦福大学的神经科学家Russell Poldrack和他的同事开始测试目前已知的心智功能类别是否真的正确。他们从实验中收集了大量的行为数据,并将其通过机器学习分类器运行。“测量知觉或记忆的任务实际上并没有测量不同的构念,这表明,这两个类别真的不精确。”Poldrack说。他还强调,感知或记忆并不是一个无用的术语,但是如果我们想了解大脑的功能,可能需要更精确的方法来理解这些特定的功能。

  事实上,人们甚至不清楚如何区分感知测试和记忆测试,这表明,这些分类构念“可能实际上不是思维的真正组织特征,”Poldrack说。

  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LeDoux认为,这种固有思想是非常错误的,也是非常有害的。他说:“多年来,我一直被人介绍说,是我发现了恐惧的感觉是从杏仁核中产生的。但当我被这样介绍时,我总是有点尴尬。”

  实际上,在过去的十年里,LeDoux一直在强调,杏仁核与产生恐惧完全无关。他指出,恐惧是一种对情境的认知解释,是一种与记忆和其他过程相联系的主观体验。一些人所经历的恐惧的心理现象,可能在另一些人的体验中是完全不同的。研究表明,恐惧的感觉产生于前额叶皮层和相关的大脑区域。另一方面,杏仁核与处理、回应威胁有关,这是一种古老的潜意识行为和生理机制。LeDoux说:“证据表明,并不总是恐惧导致了这种行为。”

  把杏仁核称为恐惧中心似乎是没错的。但是,“杏仁核继承了所有恐惧”的这种错误理解可能会歪曲药物开发的努力,包括那些旨在减少焦虑的药物。当在处在压力下的动物身上测试潜在的治疗方法时,如果动物表现得不那么胆怯或表现出更少的生理兴奋,这通常被解释为焦虑或恐惧水平的降低。但LeDoux说,药物可以改变人的行为或生理反应——即杏仁核的输出——却不能治愈我们的焦虑感。

  由于发现神经系统的特殊功能并非完全参与或完全不参与,区分不同大脑区域的重要性变得更加复杂。有时这取决于被处理的细节。以内侧颞叶中被称为周皮层的部分为例,它是皮层中经典的“记忆”系统的关键组成部分。

  美国国家心理健康研究所的Elisabeth Murray等人做了实验,要求人类和猴子从一对变形成不同程度相似的图像中选择自己想要的图像。他们发现,只有当特定数量的特征重叠出现时,外周皮层才会参与任务的执行。同样的,传统上被赋予视觉知觉作用的颞下皮层,也被发现在记忆任务中起关键作用。

  对于已退休的神经生物学家Steven Wise来说,这些发现意味着研究人员应该研究信息的不同组合,而不是根据特定的视觉、听觉、体感或执行功能来对脑部皮质区域进行分类。他认为,这种大脑组织结构解释了为什么在传统的心理活动地图中有这么多意想不到的功能重叠。当每个区域看似代表一种特定的信息组合时,实际上它可能同时对记忆、感知、注意力和行动都存在关系。” Wise说。

  虽然很多研究人员都同意,目前许多神经科学研究的清单存在问题,但对于如何解决它,人们几乎没有共识。即使是那些支持对这一领域进行更彻底改革的科学家,也很难对其进行概述。马里兰大学的神经科学家Luiz Pessoa说:“我经常发现自己使用了一大堆术语,而这些术语本身正是我要批判使用的。我怎么能在不讲注意力、情感和动力的情况下说出一切呢?”

  蒙特利尔的Cisek是从进化角度开始重建概念类别的几位研究人员之一。在过去的五年里,他一直在努力研究脊椎动物的进化。他认为,大脑中确实存在功能的细分。并且,它们实际上有一段进化历史。如果我们能够识别这段历史,我们就能更好地识别这些概念。

  Cisek说:“你会意识到,无论是‘决策’还是‘注意力’,实际上都与大脑中的某个东西没有关系。相反,大脑中有一些非常实用的回路,它们会做一些‘接近’或‘避免’之类的事情……其中一些事情看起来有点像注意力。”

  Buzsáki持有类似观点,他说:“我们必须首先研究大脑机制,以及这些东西如何进化。例如,记忆、未来规划和想象在一定程度上都是由相同的神经机制编码的。从进化的角度来看,这是很有道理的,因为相同的系统可以用于不同的目的。所以最好把所有这些考虑为一个整体。”

  另一个需要考虑的重要问题是,一个新的研究框架最终可能会产生多大的意义?“你可能会获得知识,但实际上你可能会停止了解自己,”约翰霍普金斯大学的Krakauer说。

  Krakauer解释说,当我们想知道大脑是如何工作的时,我们其实想知道的是:当我坠入爱河时,我的大脑会发生什么?或者,当我兴奋的时候,我的大脑会怎么样?

  他担心,如果我们过于远离我们的主观经验和熟悉的认知概念,我们对大脑的了解可能会像《the Hitchhiker ‘s Guide to the Galaxy》中的“42”那样,得到了正确的答案,但不是我们脑海中问题的答案。

  “现在,我们愿意接受这个事实吗?” Krakauer问道。



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