“大脑词汇地图”为什么值得质疑？

最近《Nature》一篇关于大脑语义系统脑成像研究的封面文章，绘制了一个词汇的大脑，引起了认知科学和神经科学圈内圈外的极大反响，同时得到了各路媒体快餐式的诠释，甚至有人惊呼“我们离读心术还会远吗？”，热度具有了比肩谷歌“阿尔法狗”的势头。

 “大脑词汇地图”到底是个什么鬼？

感谢《知乎》的资深知友赵思家博士，实在想不出更恰当的称呼了，只好借用她的意译——“大脑词汇地图”。下面，让我们先看看神作是怎样炼成的！

美国加利福尼亚大学伯克利分校的海伦威尔斯神经科学研究所和心理系的8位科学家，将7位身体健康、耳聪目明的志愿者（其中有两位是8人组成员，“未能幸免”），塞进我们在二甲以上综合医院放射科都能见到的 3T 磁共振机器（就是大家说的核磁，其实和放射性没有半毛钱关系），带上特制的耳机，聆听了两个小时的讲故事（被要求一动不动125分钟，被试们必定深爱着科学或是研究8人组）。在听故事的同时，磁共振机器扫描被试者的脑部，监控并记录下来每一时刻（磁共振照相的快门一般2秒）大脑血氧水平信号的波动，这种波动被认为和大脑功能活动息息相关。这就是经典的功能磁共振成像 (functional MRI, fMRI)。

故事共有一万多英文单词，研究者将其中常见的具有明确意义的985个单词，分为了12个不同类型，通过和功能磁共振记录的信号关联分析，得到它们各自在被大脑“听到”时激活的大脑皮层区域，用不同的颜色加以区分。比如下图中的绿色区域，在听到数字有关的单词时最为活跃，红色区域则对社交类的单词起反应。再如右颞顶联合区（耳后紧邻耳朵的地方），一个仅有几毫米尺寸的区域，对妻子、母亲、怀孕和家庭这样的单词会起反应，在其后相邻的一小块脑区，也会对同样的社交类别的单词，如家、妻子等起反应，但这块儿区域也会对地点和人物相关的词汇起反应，如房子、房东（等等，为什么会有房东？）。

作者利用美轮美奂的艺术水准的展现方式，显示了听见不同单词时有反应的脑部区域。譬如，在听到 top（“顶”）这个词的时候大脑额中回区域会有反应。但是，每个单词并非只对应一个区域，一个单词，能激活大脑皮层多个不同的区域，所以“顶”也会激活视觉皮层的一个区域，这个区域同时也会对“衣服”和“外表”响应。实际上，“顶”字也同时激活对数字和测量起反应的脑区，甚至还包括描绘建筑和地点的脑区。

通常认为，语言（其实这里指听理解，又称感觉语言功能）只限定于左侧大脑颞叶（即维尔尼克区，下图橘色的部位）这样的固定的大脑皮层区域，而这一研究声称，他们惊讶地发现，语言相关的活动（语义系统）遍布整个大脑，横跨两个大脑半球，并且未能表现出传统认识中的左半球（语言）优势。这可极大的挑战了传统的对大脑语言功能研究的认识。

大脑功能组织模式，积木还是网路？

几乎大脑的全部区域都在应对语义加工，这似乎和我们通常的认识不大一致。那么该研究之前人们是如何理解大脑功能区的划分和组织模式的呢？

对大脑功能活动奥秘的探索可能无法追溯其标志性的开始。从18世纪开始，人类才真正运用科学的方法对大脑进行研究。当时法国一位医生在为病人处理一个深至颅骨的伤口时发现，当伤口浸泡在水中，病人就陷入昏迷，当把水吸干，病人就清醒过来。这个发现直到19世纪才引起很多人的注意，促进了大脑功能定位概念的形成，即机体的各种功能活动最终在大脑皮层上有对应区域的定位关系。这是脑研究早期最伟大的理论之一，也是脑科学最重要的基本理论。

1866年，法国外科医生布罗卡对一个失语症病人尸体进行解剖，发现其30年的失语源自于左额叶下部受损。这部分脑区最终被证明是“运动语言中枢”，并以布罗卡命名。随后，在1874年，德国学者维尔尼克又发现了感觉语言区。这成为大脑功能组织模块化存在的基础。几百年来，对于大脑功能组织主流的观点认为，大脑的不同认知功能是模块化的。从理论（比如 Fodor 的“modularity of mind”）到实验数据（比如脑损伤病人的研究、猴子电生理的研究和近年的 fMRI 的研究）都表明不同的脑区执行不同的功能，这些功能差别比较大，相对独立却又互相联系。

大脑主要脑叶划分和视、听、运动、感觉、语言功能中枢

运动/感觉中枢功能区投射示意图（下肢功能投射至头顶区域，小人是依投射脑区的面积比例重建而成）

除却初级视听觉、感觉运动和经典语言中枢的发现，1986年，美国国立精神卫生研究中心教授 Ungerleider 等在猕猴的电生理研究中描绘出视觉信息加工的大脑皮层两条截然不同去向和结果的通路。这一发现也被被后续众多的针对健康人类的脑成像实验所验证。当双眼接受的视觉刺激传输到视觉皮层（后脑勺儿，所以使劲儿拍这儿会眼冒金星），向下走腹侧通路，将会通过深度、角度、颜色、物体或面孔的加工处理，最终告诉你看到了什么东西（what 通路）；向上（头顶）走背侧通路，则得到你看到的东西在什么方位的结果（where 通路）。

视知觉两条通路，腹侧：物体知觉的形成，背侧：方位知觉的形成。

10年后，后来成为美国科学院院士的 Nancy Kanwisher 教授利用 fMRI 发现大脑梭状回面孔区 (fusifrom face area, FFA)，主要负责面孔的辨别。后续研究发现该区域和相邻的脑区还涉及各类物体的知觉加工。类似的，和视觉字形加工相关的左侧梭状回中部外侧脑区 (VisualWordFormArea,VWFA)，嗅觉和情感知觉相关的眶额叶皮质 (orbitofrontal cortex, OFC)，以及与长期记忆有关的海马组织的发现等等，进一步巩固了大脑功能模块化组织的认识。当然，绝对的东西绝对都是错误的（这句话就不对），英勇的认知科学家和神经科学家不会满足于搭积木似的认识我们脖子上的宇宙，对于大脑工作模式的崭新理解一直在不断的涌现。

面孔和物体识别相关的大脑区域 (Ishai et al, 2000, JOCN )

近来的认知科学和神经科学研究，提出和发展了大脑功能组织的平行分布理论。认为完成一个复杂的认知任务，需要不同的脑区协作，比如Haxby et al (2000)关于脸部加工的分布。但是，仍然少有研究声称某一项认知功能是全脑分布的——不同的脑区如前额叶、顶叶、颞叶在进行本质上不太一样的认知功能，如情感、运动、记忆、物体和面孔识别，而一般不会觉得它们同时执行同一个认知功能的不同方面。

大脑功能连接网络（引自上海交通大学神经工程实验室网页）

最近十几年开始，静息态脑网络的研究对传统的大脑模块化加应激响应式的功能组织和作用形式提出了挑战，认为大脑时刻都在以网络的形式活动。至于伴随脑功能探索发展的各种新技术的涌现，也是各种里程碑式的事件。篇幅所限，我们日后再叙。

冷静的分析，认真的思考

前面我们以中立的视角回顾了“大脑词汇地图”的研究细节，然而这并不能抑制我们质疑和批评的欲望（谁让我们没有成为《Nature》论文的作者呢！）。让我们科学、快乐的吐槽一下吧。

神经科学领域有一个著名的错误实验：Karl Lashley 当年为了研究记忆储存在大脑的什么地方，训练老鼠跑迷宫，然后切去老鼠大脑的一部分。结果他发现，切去的大脑的部分越大，老鼠跑迷宫的能力就越差，于是他得出结果：记忆平行分布地储存在大脑的所有地方，损失的脑区越大，损失的记忆就越大。

这个实验著名的错误就在于没有控制混淆变量：老鼠跑迷宫，除了依赖记忆，还要依赖很多其他的认知功能，如嗅觉、触觉、运动功能。Lashley 完全可能切掉了老鼠的一个跟记忆无关的脑区，比如嗅觉区域，但是他同样观察到的结果是——老鼠跑迷宫找不到目标了。如果以跑迷宫这个单一的任务来判定老鼠“记忆是不是出了问题”，就会错误地认为切掉的是老鼠的记忆相关的脑区。

8人组通过听理解一段故事就发现整个大脑，这里那里，都在加工语义，这就像是 Lashley 发现的老鼠记忆的脑区——这完全有可能是实验设计的原罪啊！

举个例子，我们听到“柠檬”这个词，语音、语义、字形等语言相关的脑区会有特定的反应，同时，由于大脑会产生柠檬这种水果外形、颜色、味觉的视觉图像，相应脑区因为这些抽象信息的加工也会被激活，如果你恰恰十分钟爱这种水果的话，你的奖赏系统也会有一定的活动，若是它有幸成为你重要往事的标记物，那么与长期记忆表征提取相关的脑区也会走向前台。研究者让被试听到一个单词而观测到的活动的大脑区域，有些可能的确是在进行“语义加工”，另外一些脑区则可能就在做一些和语义相差甚远的认知功能。

至此我们有理由质疑，8人组的实验没有办法区分上述所罗列的不同认知过程，没有设计一个控制实验证明他们的实验是在研究“词汇语义加工”（对照！对照！对照！重要的事情说三遍！）。这样，也就不难理解为什么整个模型在“联合脑区”能够有效了，因为联合脑区就是在进行各种各样的抽象信息加工。

感谢《知乎》知友 Feitong Yang 博士，她在一片惊艳中冷静的发出了另一种声音，给了我很大的启发。