我們熟悉的心智功能類別，例如感知、記憶和注意力等等，都反映了我們自身的經驗，但這些功能卻給我們認識大腦的工作方式帶來了誤導，現在研究人員在探索提出更具啟發性的方法，來揭示大腦功能背後的運作方式。

來源：quantamagazine

撰文：Jordana Cepelewicz

翻譯：任天

在某種意義上，神經科學家是大腦不同區域的製圖師，負責定義它們的特徵和活動，瞭解連接它們的迴路和結構，並界定這些區域的邊界。 大腦前部，即我們的前額後面，便是前額皮質，被稱為判斷中樞。 前額皮質的後面是運動皮層，負責計劃和協調我們軀體的運動。 顳葉位於大腦的側面，對記憶和情緒處理至關重要。 在這些區域上方是軀體感覺皮層;在它們後面是視覺皮層。

神經科學研究人員不僅經常像地圖繪製者那樣描繪大腦及其功能，而且遵循的還是”老式的地圖繪製方法”。 “他們根據自己在心理、精神上或行為上的興趣來對大腦進行分析”，然後將這些功能分配給不同的神經元網络，這就好像它們是樂高積木，之間有著明確的界限。

然而，邊界分明的大腦”地圖”不僅過於簡化，而且還經常帶來誤導。 100多年來，科學家們一直在尋找大腦中與思考、感覺、決策、記憶、運動和其他日常經驗有關的區域界限，但一無所獲。 近年來的一系列神經學研究進一步證實，這些心智功能分類”無法給理解大腦的結構或工作方式提供良好的指導”。

對於大腦的生理結構如何組織的問題，神經科學家普遍持有一致的意見：可以將大腦和神經元劃分為特定的區域、網路和細胞類型。 不過，當涉及到大腦可能正在執行的任務——如感知、記憶、注意力、情緒或動作等——時，”事情就變得更加可疑了”。

沒有人質疑視覺皮層能使人看到事物，聽覺皮層能使人聽見聲音，以及海馬體對記憶至關重要。 對這些區域的損傷都會損害我們的這些能力，研究人員也已經確定了這些區域潛在的運作機制。 但事情並沒有如此簡單。 舉例來說，記憶也需要除海馬體之外的大腦網路，而海馬體被證明在記憶之外越來越多的認知過程中發揮著關鍵作用。 有時候，區域重疊的程度太大，以至於功能標籤開始失去其意義。

有一種觀點認為，不同心智類別之間存在某種強烈的並行機制，神經科學家試圖以此來理解大腦和神經在心理事件中發揮的作用，但現在看這樣的觀點是錯誤的。

雖然現有的框架曾帶來許多重要的見解，但”它讓我們陷入了某些相當令人窒息的研究陷阱中”。 由此導致的結果也直接阻礙了神經和心理疾病治療的發展。

這就是為什麼一些科學家認為，神經領域的核心概念可能需要修改——也許是徹底的修改——才能讓我們真正理解大腦是如何工作的。 在努力應對這一挑戰的同時，他們開發了新的方法和框架，來探索有關大腦的問題，並給出了新的答案：就在近日，一種新的方法就揭示了記憶形成和代謝調節之間令人意想不到的聯繫。 不過，即使一個新的框架能成功解釋大腦的運作，一些研究人員仍然懷疑，這些成功是否會以我們失去與人類經驗的聯繫為代價。

美國東北大學的心理學家麗莎·費爾德曼·巴雷特認為，認知和記憶等熟悉的心理功能類別”無法給理解大腦的結構或工作方式提供良好的指導”

“化名比福爾摩斯還多”

功能磁共振成像（fMRI）等技術的出現和發展，使神經科學家能以越來越複雜的方式檢查活體大腦，他們也開始積極地尋找人類心智慧力的生理基礎。 在理解知覺、注意力、學習、記憶、決策、運動控制和其他經典心智活動類別的神經基礎方面，神經科學家們都取得了巨大進展。

與此同時，他們也發現了令人不安的證據，表明這些分類和支援它們的神經網路並沒有像預期的那樣發揮作用。 這不僅是因為大腦結構不完全符合既定心智類別之間的界限，正是因為功能區域之間的重疊如此之多，才使同一個大腦網路”擁有比夏洛克·福爾摩斯還多的別名”。

舉例來說，最近的一項研究發現，三分之二的大腦都參與了看似簡單的眼球運動;在我們的呼吸過程中，有一半的大腦會被啟動。 2019年，多個研究小組發現，視覺皮層等”感知”區域的大多數神經活動編碼的其實是動物的動作資訊，而不是感官輸入。

這種「身份危機」並不局限於與感知或其他認知功能有關的神經中樞。 小腦是所有脊椎動物大腦中都具有的結構，被認為是運動中樞，幾乎完全負責軀體的運動控制。 但科學家發現，小腦在注意力過程、情緒調節、語言處理和決策等方面也發揮著作用。 基底神經節是大腦中另一個古老的部分，通常與運動控制有關，但同樣涉及好幾個高級認知過程。

這些令人困惑的結果可能是由方法論的問題造成的。 例如，為了發現人類大腦的不同功能，神經科學家往往將認知過程與fMRI測量的大腦活動模式聯繫起來。 但有研究顯示，研究人員需要更注意無關的肌肉抽搐和坐立不安所帶來的影響，因為這些都可能改變讀數。

研究中當你以為你的研究結果是一些與高級認知有關的東西，但實際上，這些結果可能只反映了參與任務的（實驗物件的）眼睛在以不一樣的方式運動。

不過，其他一些科學家也指出，近期的發現突出了神經科學中一個更深層次的概念問題，根據某些先入之見來劃分大腦的區域，以為不同區域之間存在邊界——這是錯誤的——同樣的邊界也存在於大腦功能中。

2019年，美國斯坦福大學的神經科學家開始測試公認的心智功能類別的合理性。 他們在測試認知控制不同方面——包括工作記憶、反應抑制和學習等——的實驗中收集了大量的行為數據，並在機器學習分類器中運行。 研究人員發現，這些行為數據的分類結果與預期的大相徑庭，傳統的大腦功能類別混淆在一起，並充分劃分成新的類別，似乎”在更加通用的構念層面上共同發揮作用”，這些結構沒有相應的標籤，並可能不直接與人類的意識經驗有關。

同時進行的另一項研究發現，測量知覺或記憶的任務”實際上並沒有測量不同的構念”。 這表明，這兩種分類其實並不精確，這並不是說”感知”或”記憶”是一個無用的術語，而是說，”如果想了解大腦的’所作所為’，我們可能需要更精確的方法來理解特定的功能”。

事實上，研究人員甚至不清楚如何區分感知測試和記憶測試，這些分類構念可能實際上並不是大腦真正的組織特徵。

一些科學家反駁稱，只要我們知道視覺皮層不僅僅與視覺有關，或者記憶網路的作用不僅僅局限於記憶，我們就不一定需要重新思考這些功能分類本身。 但有時候，過度寬泛、模糊地使用一個術語會對我們設計的實驗類型和提出的假設產生有害影響。

在涉及情緒和情感的研究中，這種影響可能是最明顯的。

當斯坦福大學的神經科學家拉塞爾·波德瑞克使用機器學習對一個龐大的行為數據資料庫進行分類時，出現的分類似乎與可識別的心智活動分類（如學習或記憶）並不相符

恐懼與困惑

約瑟夫·勒杜克斯是紐約大學的神經科學家，以其在杏仁核方面的開創性工作而聞名。 杏仁核通常被稱為大腦的「恐懼中樞」 但這種框架性的描述是非常錯誤的，也是非常有害的。 “多年來，人們在介紹我的時候，都會說我發現了恐懼感是如何從杏仁核中產生的，”他說，”但是當我被這樣介紹時，我總是有點退縮。 最後，我受夠了。 ”

在過去的十年裡，勒杜克斯一直在強調杏仁核與恐懼感的產生完全無關，恐懼是一種對情境的認知解釋，是一種與記憶和其他過程相聯繫的主觀體驗。 一些人所經歷的恐懼心理現象，可能在另一些人的體驗中是完全不同的。 研究表明，恐懼感產生於前額葉皮層和相關的大腦區域。

另一方面，杏仁核與我們對威脅的處理和反應有關，這是一種古老的、潛意識的行為和生理機制，有證據表明，並不總是恐懼導致了這種行為。

將杏仁核稱為「恐懼中樞」看似無害，但這卻使「杏仁核繼承了所有與恐懼有關的語義包袱」。 這種錯誤可能會導致藥物開發走上彎路，包括那些旨在減少焦慮的藥物。

當科學家在受到壓力的動物身上試驗潛在的治療方法時，如果動物表現得不那麼膽怯，或者表現出更低的生理興奮水準，通常就會被解釋為焦慮或恐懼水準的降低。 然而，藥物可以改變一個人的行為或生理反應——杏仁核的作用——卻不能治癒焦慮的感覺。

正是由於這種混亂，整個領域都在飽受折磨，類似的問題也出現在其他領域，比如知覺研究。 在知覺研究中，感官刺激的生理處理過程和意識體驗往往被捆綁在一起。 現在來看，這兩種情況”需要被分開”。

加拿大蒙特利爾大學的神經科學家保羅·西塞克正在利用脊椎動物的進化來識別有意義的心智活動類別

功能隱藏在情境當中

研究者發現，神經系統在特定大腦功能中的參與度並不是簡單的”0″或”全部”，這使區分不同大腦區域的重要性變得更加複雜。 有時，這取決於大腦所處理的功能細節。

拿內側顳葉的嗅周皮層來說，這是大腦皮層中經典的”記憶”系統的重要組成部分。 以前有過這樣一個實驗，讓人類參與者和猴子從一對變形至不同程度的相似圖像中選擇自己想要的圖像。

研究發現，只有當特定數量的特徵重疊出現時，嗅周皮層才會參與任務的執行;如果圖像更相似，或者相似度較低，嗅周皮層便與人類或猴子的表現無關。 同樣，傳統上被賦予視覺感知作用的顳下皮層，也被發現在記憶任務中起著關鍵作用，但只適用於特定的情境下。

以上這些發現意味著，研究人員應該研究不同信息的組合，而不是根據特定的視覺、聽覺、體感或執行功能來對大腦皮層區域進行分類。 一個區域或許能表現不同特徵的簡單組合，例如可以將「橙色」和「正方形」組合成「橙色正方形」;另一些區域或許已經進化到能夠表現更複雜的視覺特徵組合，或者聲音或數量信息的組合。

這種大腦組織結構解釋了為什麼在傳統的心理活動地圖中，會有如此多意想不到的功能重疊，當每個區域代表一種特定的信息組合時，它對記憶、感知、注意力和動作控制的表徵也都是如此。

這也是為什麼研究實驗中使用的感知和記憶任務有時只涉及嗅周皮層的原因：隨著每個任務中圖像的變化，區分它們的特徵組合也發生了變化。

表徵框架只是重新思考大腦區域功能細分的一種方式。 儘管其他研究者也認同大多數神經科學研究中所用的一些區域分類存在問題，但對於這些問題應該如何解決，目前幾乎沒有共識。

即使是那些支援對這一領域進行更徹底反思的科學家，也很難對這些問題進行闡述。 現在的情況是，很容易就能看出有些事情是行不通的，但現在困難的部分在於應該往哪裡走，如何在不說”注意力”、”情感”、”動機”的情況下表達這一切呢？

蒙特利爾大學的西塞克是最早從進化角度重建概念類別的幾位研究人員之一。 在過去五年裡，他一直在努力研究脊椎動物的進化，重新審視行為系統的漸進式特化過程。 “大腦中確實存在功能細分，”他說，”這其中確實存在一段進化歷史。 如果我們能夠識別這段歷史，它將幫助我們更好地辨別這些概念。 ”

西塞克已經運用他對大腦活動的新分類來解釋為什麼基底神經節在一些決策任務中起著關鍵作用，而在其他任務中卻沒有。 “你會意識到，無論是’決策’還是’注意’，這些術語實際上都與大腦中的某個東西沒有關係，”他說，”相反，大腦中有一些非常實用的迴路，它們會做特定的行為，比如’接近’或’避開’…… 有些行為看起來有點像『注意』。 ”

所以我們必須首先研究大腦機制，以及這些機制為什麼會進化出來，如何進化。 例如，記憶、規劃未來和想像在一定程度上都是由相同的神經機制編碼的，這從進化的角度來看是有道理的，因為相同的系統可以用於不同的目的。 “

這項進展已經引出了一些有趣的發現。 “尖波漣漪”（sharp wave-ripples）是海馬體的一種大腦活動，能存儲和提取記憶。 在近期的《自然》（Nature）雜誌上，研究揭示了尖波漣漪的一個全新的功能：幫助調節血糖水準。

這將兩個非常不同的極端過程聯繫在一起。 一個是基本的代謝過程，一個是高水準的認知過程。 現在，研究人員希望接下來的研究能發現二者之間更深層次的聯繫，並深入瞭解身體調節的尖波漣漪如何作用於記憶的形成。

不要驚慌

研究心智功能的重新分類也可能帶來另一個重要的進展。 例如，研究人員正在考慮同時進行全腦神經活動和各種行為的分類，諸如記憶、知覺和注意力等功能類別都可以理解為”大腦狀態的特徵”。

在早期的行為數據研究中，出現了一些違反直覺的分組，心理概念有可能在計算術語中被改寫——可能是作為定義人工神經網路層的數學描述的簡化版本。

當然，這些潛在的解決方案都有缺點。 但不能用舊方法無法回答的所有問題來評估一種新方法，而要根據它所激發的那些新問題來進行評估。 這有點像這個問題沒有正確的解決方法，只有更好的方法和更糟的方法。

這些研究並不是想告訴人們：不要再用”記憶”這個詞了。 但為了理解大腦，我們可能需要挑戰自己關於大腦如何工作的直覺——”就像量子力學挑戰我們對世界物理現象的理解一樣”。

另一個需要思考的重要問題是，一個新的框架最終可能會帶來多大的意義，你可能會獲得知識，但實際上你也可能會停止瞭解自己。

當我們思考大腦是如何工作的時候，我們想要回答的是：當我墜入愛河時，我的大腦會發生什麼？ 當我興奮的時候，大腦發生了什麼？ 如果我們過於遠離自身的主觀經驗和熟悉的認知概念，我們對大腦的瞭解可能會像《銀河系漫遊指南》里的”42″那樣：這是正確的答案，但不是我們腦海中問題的答案。 那麼，我們願意接受這個事實嗎？