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谢谢小白鼠,谢谢恒河猴,谢谢大脑受损的病人们

本帖由 漂亮的石头2015-10-09 发布。版面名称:知乎日报

  1. 漂亮的石头

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    脑损伤与脑科学研究

    [​IMG] 华沙,南洋理工大学心理学博士在读、格拉斯哥大学心理学硕士。

    献给千千万万个因为脑部受损而促进了科学发展的小白鼠,恒河猴还有病人们(对,你脑损伤了的话也可以来做实验)。

    科学的心理学,往往讨论的是大脑与其功能的关系。严格说来现在所谓的认知心理学以及相近的生理心理学,乃至脑科学都是从行为主义一脉相承的。怎么说呢,就是有一个基本假设就是大脑作为意识、思维的中枢,大脑区块应该担负着各种各样的功能。从这个假设开始,一代代的科学家通过当时最先进的手段对大脑进行了研究。

    心理学的研究,或者说脑科学的研究最重要的是什么?那就是控制变量,举个例子:我们要研究视杆细胞对不同光线的不同反应,如果我们不好好控制光线的话,这个研究根本不会有结果。但是在脑科学这个问题上,控制变量不是那么轻松。

    正如前一篇文章提到的那样,哪怕是现在的最新技术,在大脑面前还是不够精细。fMRI 和 EEG 的时空分辨率关系就可以知道有多难。在这篇文章里面,我们不谈脑神经元级别的研究(我也不懂),我们还是从大块的功能区讲起。举个经典的例子,Kanwisher 和同事(1997)满心欢喜的把梭状回上面一块和面孔识别相关的脑区大笔一挥,命名为梭状回面孔区。

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    多么意气风发。然后呢?首先 Gauthier 发现 FFA 还会涉及车辆的判断加工,看起来不止针对面孔(啪啪啪打脸)。Fu 和同事(2012)也跟着打脸了,他们发现这个脑区还会处理中文文字(啪啪啪接着打)。也就是说这个命名不严谨。从这个例子就可以看出,由于脑科学手段本身限制,很多研究虽然能发现因果关系,但是这个关系是充分关系,而不是必要充分关系。也就是说 FFA 会和人脸有重大关系,但是 FFA 不止对人脸产生活动。这一点也是脑成像的一个弊端,我们所谓的 BOLD 的图上,黑色的并不是不活动,只不过是活动量相对不大,这么说来我们真的完全排除了一切可能么?难!

    有人会说,那最新不是好多好东西么?光遗传学?你在人身上敢做么?单电极记录?恒河猴就够受了,跟不要说哪儿找那么多癫痫病人(反过来说,不少癫痫病人最后成了脑损伤病人,也到符合了主题)。

    那科学家怎么做呢?甚至在过去科学家怎么研究大脑区域功能呢?那么就回到了主题:脑损伤

    脑损伤肯定是不幸的,主要的原因有以下几种:(1)中风,(2)脑部病变,(3)车祸等外界作用,(4)人为摘除。针对前三种,很多人能存活下来就是万幸,更不要说能跟有主动地意识活动,参与实验了。

    为什么说脑部受损反而帮助了科研呢?脑成像可以证明脑区 X 参与了功能活动 Y,但是这个证明不能逆推为 Y 必须有 X 参与。但是脑损伤者,伤在 X 区,可以从另一个侧面证明 X 和 Y 的关系。那么接下来,我将介绍几个著名的脑损伤病人还有他们带来的科学进展。同时也会介绍几组目前没那么有名,但是也推动了科学的病人。

    首先,我先提一句。科学家其实也没有坐以待毙,毕竟恰到好处的脑损可遇不可求,哪儿怎么办呢?小白鼠啊!用真空吸尘(nao)器,人为损坏老鼠的一部分大脑,可以有效(便宜)地观察大脑和功能的关系。但是这类实验也就做到恒河猴了,在往上有价格因素制约,也有伦理因素。更要紧的是,很多脑区虽然人和较低级动物相似,也不能说功能完全一样。比如说恒河猴的 F5 皮层被认为是人脑布洛卡区的同类,但是不能划等号。所以呢,必要的脑损伤病人研究室非常要紧的。

    下面,我们从时间顺序开始,回顾下脑损伤病人对科学的推动。第一位就是注明的费尼斯·盖奇先生(Phineas Gage,1832-1860)。他原来在美国铁路上搬砖,没想到有一天一根粗又硬的钢筋从他左下脸颊穿入,从左眼后面通过直到穿出了额头上(下图分别为盖奇和盖奇的脑袋,从脑袋那张就可以看出来,钢筋穿脑的确很疼,嘴都合不拢了。)。按理说这脑袋穿了没命啊,不过他硬是活下来了。他后来左眼失去了视力(爆了),但是不光如此,大脑的损伤似乎没有那么简单。后来研究发现,盖奇的大脑是左侧额叶部分收到了严重损伤。他的行为也产生了巨大的变化,最明显的就是性格。他之前是个勤劳负责人的搬砖青年,但是愈后,按照他老板的意思,他已经不再是个称职员工了。也就是说,他的很多基本功能恢复了,但是性格有不可逆的变化,他酗酒、赌博、粗言粗语、谎话连篇;他从一个良好的公民变成了他所不屑的那一类人。他的研究贯穿了 19 世纪的脑科学,也为大脑功能定位的研究提供了第一手的资料。我估计之前也有这么损伤的人,就是没活下来。

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    接下来,就是布洛卡区的发现,还有威尔尼克区的发现。

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    这两个区都是由发现的科学家命名,分别发现在十九世纪的 60 到 70 年代。发现方法类似,基本都是一些大脑病变的病人出现了不同的语言能力丧失,再生后的解剖中发现了这两个脑区和两种不同的失语症有关系。其中布洛卡区受损的人一般能听懂别人,但是没法连贯说话;威尔尼克区受损相反,话能说,但是没什么逻辑性。虽然后世的研究推进发现了很多早期研究的错误之处。但是我们还得说,这些人帮助我们理解了语言功能,这一种高级社会功能的原理,也算是功德无量了。

    接下来就是科萨科夫综合征。这个名字一听就是一股斯拉夫味道,没办法斯拉夫人爱喝酒,果然这个科萨科夫综合征就是与喝酒有关系。大家都知道喝酒有坏处啊,比如酒后乱性,酒后乱许诺,酒后瞎买单之类的。但是科学家科萨科夫,把喝酒的坏处提升到了新高度:长期酗酒会造成脑损伤,甚至能导致失忆症(顺行加逆行)。其实严格说,科萨科夫综合征是由于大脑缺少维生素 b1,但是慢性酒精中毒也可以做到。总而言之,这些酒鬼也是帮助了我们理解大脑,毕竟直接给动物灌酒做实验不见得做的出来啊。(图片是科萨科夫,他没有科萨科夫综合征)。

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    再往后就是注明病人 HM。为什么名字是简写呢,因为若病人健在,这样能保护他们的隐私。20 世纪以来,很多科学家迷信了大脑切除术,尤其是针对癫痫病人。但是癫痫变化太多,切掉地方不经相同,这个 HM 就是其中一人。他被切了不少脑区,其中最要命的是海马体。这不切不要紧,后续研究极大推进了我们对海马体的研究,甚至记忆的研究。HM 术后还好,就是出现了一个奇怪的现象:记不住事情。他的记忆失常在于陈述性记忆,比如榴莲是最难吃的水果。HM 的记不住事引起了广泛关注,科学家发现他智力正常,短期记忆也不是问题,甚至说学习新的动作也是没问题的(操作性的记忆没啥问题)。看来问题就是坏在了短期记忆进入长期记忆的这个步骤上。当时人们对海马的研究就是认为海马和空间定位有关系,HM 和小白鼠一样,空间定位有了问题。但是记忆的问题让人很诧异。HM 通过一己之力,极大程度推进了我们对长时的作用原理,也在某种程度上扼杀了无数小白鼠(解剖了看海马和齿状回)。

    最后得要谈到 SM 女士,她由于遗传问题,出现了双侧杏仁核的受损。听起来貌似没什么事情,但是她的问题也推进了科学家对于杏仁核的理解。SM 女士没有恐惧的情绪,哪怕她一生中遇到了相当多的严重的危险(刑事案件),但是她不光不害怕,也没有受害者的自觉。通过对她的研究,科学家很好的理解了杏仁核的作用。

    我们可以看到,很多这样巧合的生存案例,极大程度上帮助我们理解了大脑,尤其是边缘系统这一个古老的区域。直至现在,任然有很多科学家再通过脑损伤研究大脑功能,甚至有时候会发现让人惊讶的结果。比如:Steeves 和同事(2006)就通过发现一个枕叶受损病人的面孔失忆症强调了面孔失忆症的多样性,不单单依靠梭状回,同时也进一步证明了面孔识别需要大量脑区参与;Poliva 和同事(2015)也发现了一个下丘受损的病人产生了和其余听觉皮层受损病人类似的听觉障碍,也对听觉障碍的原理和相关脑区提供了新的观点和建议。

    当然,脑损伤研究不是万能的:首先,病人可遇不可求,需要极大的运气才能遇上;其次,病人的症状多样,他们的损伤不会是准确的存在于一个理想的位置,所以很多脑损病人的情况不能简单分析,容易产生严重错误;最后,只有脑损和正常人的行为以及脑成像研究共同协作,才能最大程度上接近我们所想要的真想。总而言之,科学道路上,科学家们仍需努力。

    最后,让我再次为那些为科学贡献了不完整大脑的小白鼠、恒河猴、以及病人们致以谢意。也诚挚邀请大家也能参与这样的研究。

    最后感谢

    主编@TINA LIU 的建议。所有图片来自于维基百科。



    文献

    Fu, S; Chunliang F Shichun G Yuejia L Raja P (2012). Barton, Jason Jeremy Sinclair, ed. "Neural Adaptation Provides Evidence for Categorical Differences in Processing of Faces and Chinese Characters: an ERP Study of the N170". PLOS ONE7 (7): e41103. doi:10.1371/journal.pone.0041103

    Gauthier, I., Skudlarski, P., Gore, J. C., & Anderson, A. W. (2000). Expertise for cars and birds recruits brain areas involved in face recognition. Nature neuroscience, 3(2), 191-197.

    Kanwisher N, McDermott J, Chun MM (Jun 1, 1997). "The fusiform face area: a module in human extrastriate cortex specialized for face perception". J Neurosci.17 (11): 4302–11. PMID9151747

    Steeves, J. K., Culham, J. C., Duchaine, B. C., Pratesi, C. C., Valyear, K. F., Schindler, I., ... & Goodale, M. A. (2006). The fusiform face area is not sufficient for face recognition: evidence from a patient with dense prosopagnosia and no occipital face area. Neuropsychologia, 44(4), 594-609.

    Poliva, O., Bestelmeyer, P. E., Hall, M., Bultitude, J. H., Koller, K., & Rafal, R. D. (2015). Functional Mapping of the Human Auditory Cortex: fMRI Investigation of a Patient with Auditory Agnosia from Trauma to the Inferior Colliculus. Cognitive and Behavioral Neurology, 28(3), 160-180.

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    发自知乎专栏「通往心灵中央的旅程
     
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