奧斯卡影帝教你如何測(cè)量大腦結(jié)構(gòu)

相比于組內(nèi)各位大牛，研究大腦神經(jīng)元和分子水平的機(jī)制，我的研究比較宏觀，關(guān)注人的系統(tǒng)層面上的腦結(jié)構(gòu)和腦功能。這類研究和心理學(xué)聯(lián)系比較緊密。但比起神經(jīng)元水平和分子水平的研究，經(jīng)常覺(jué)得很不靠譜。因此我打算寫一些關(guān)于大腦研究方法的介紹性文章的。這是寫的篇，后面的內(nèi)容還沒(méi)有寫。先發(fā)出來(lái)，也是督促我接著把后面的系列寫完……

2011年奧斯卡獎(jiǎng)已經(jīng)過(guò)去很久了，但有一個(gè)話題還被人津津樂(lè)道，那就是奧斯卡獎(jiǎng)的學(xué)術(shù)范兒。佳女主角Natalie Portman早在2002年在哈佛心理系讀書(shū)時(shí)就曾發(fā)表過(guò)關(guān)于嬰兒前額葉皮層參與物體恒存性的文章。而佳男主角Colin Firth剛剛在四月的Current Biology上發(fā)表了了一篇關(guān)于政治傾向與大腦結(jié)構(gòu)關(guān)系的學(xué)術(shù)論文。這篇文章發(fā)表在生物學(xué)期刊，主題也很抓眼球，值得仔細(xì)介紹一下。

顱相學(xué)

 

顱相學(xué)測(cè)大腦結(jié)構(gòu)

扯遠(yuǎn)一點(diǎn)，人們逐漸意識(shí)到大腦是產(chǎn)生思維的器官后，就試圖測(cè)量大腦與心理活動(dòng)的關(guān)系。一個(gè)早期的嘗試就是19世紀(jì)風(fēng)靡歐洲的顱相學(xué)。顱相學(xué)認(rèn)為思維由一系列不同的功能組成，不同的功能對(duì)應(yīng)著不同的大腦結(jié)構(gòu)。但受到技術(shù)的限制，當(dāng)時(shí)能測(cè)量的只有顱骨的形狀。德國(guó)醫(yī)生Gall將顱骨的凹凸與不同的心理功能聯(lián)系在一起，這就是所謂顱相學(xué)。




顱相學(xué)

現(xiàn)在看來(lái)，顱相學(xué)認(rèn)為大腦特定區(qū)域負(fù)責(zé)特定心理過(guò)程的思路是正確的。但由于測(cè)量手段太粗糙，卻過(guò)度解釋了測(cè)量結(jié)果，終走向了偽科學(xué)。另一方面，當(dāng)時(shí)對(duì)心理過(guò)程的理解有限，顱相學(xué)所要定位的復(fù)雜人格成分，現(xiàn)在認(rèn)為是分布在大腦的各個(gè)區(qū)域協(xié)作完成的。要想精確大腦結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)的心理功能，還需要將心理現(xiàn)象分解成更精細(xì)的、相對(duì)獨(dú)立的過(guò)程。

磁共振成像

直到20世紀(jì)八九十年代，技術(shù)的進(jìn)步才使得精確測(cè)量大腦結(jié)構(gòu)成為可能。其中有代表性的就是CT與磁共振 (MRI)技術(shù)的成熟。與常見(jiàn)的CT圖像類似，MRI可以成像分辨率大約1毫米的三維大腦結(jié)構(gòu)。而且MRI不使用放射線，應(yīng)用。

如何測(cè)量大腦呢?人的大腦皮層折疊卷曲在一起，看上去溝壑叢生。早期解剖大腦，人們通常只是測(cè)量溝回的角度和寬度等等。但對(duì)于MRI的三維圖像，就可以用計(jì)算建模的方法測(cè)量。

首先根據(jù)灰度將整個(gè)大腦分割成灰質(zhì)、白質(zhì)、腦脊液等組織。這樣，每一個(gè)體素 (體積像素)上的值就代表了這一位置灰質(zhì)的密度。因?yàn)槊總€(gè)大腦的形狀都有差異，所以接下來(lái)需要把每個(gè)人的灰質(zhì)密度圖標(biāo)準(zhǔn)化到一個(gè)通用的模板上。在標(biāo)準(zhǔn)化的過(guò)程中，某些區(qū)域可能被壓縮，這一區(qū)域的值就相應(yīng)增加;而某些區(qū)域可能被拉伸，相應(yīng)體素的值就減小。這樣每個(gè)體素的值也反映了體積的信息。



左：原始MRI圖像;中，分割后的灰質(zhì)密度圖像;右標(biāo)準(zhǔn)化后的灰質(zhì)體積圖像。

有了一組人的大腦灰質(zhì)“體積”圖像，如果再測(cè)量了這批人的心理指標(biāo)，就可以考察兩者之間的聯(lián)系了。如上面所提到的，灰質(zhì)體積圖像的每一個(gè)體素代表了這一位置的灰質(zhì)“體積”。在每一個(gè)體素上用灰質(zhì)體積與心理指標(biāo)做相關(guān)，就不僅可以知道心理指標(biāo)是否與大腦結(jié)構(gòu)相關(guān)，而且還可以看具體哪個(gè)大腦區(qū)域與心理活動(dòng)相關(guān)。

比如，一個(gè)人空間位置感的高低與哪個(gè)腦結(jié)構(gòu)有關(guān)呢?心理學(xué)家對(duì)比了倫敦的出租車司機(jī)與普通人的大腦結(jié)構(gòu)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)與空間記憶及導(dǎo)航有關(guān)的海馬體存在結(jié)構(gòu)差別。出租車司機(jī)有著更大的海馬體。這也驗(yàn)證了長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)大腦結(jié)構(gòu)的持久性變化的觀點(diǎn)。

大腦結(jié)構(gòu)?

雖然相比于拿皮尺量頭圍已經(jīng)精確了很多，但這種基于體素的形態(tài)學(xué)分析究竟反映了什么大腦結(jié)構(gòu)還是經(jīng)常受到懷疑。在目前常用的分辨率下，一個(gè)體素包含了超過(guò) 1,000,000個(gè)神經(jīng)元。因此所謂的灰質(zhì)體積，既可能反映微觀的神經(jīng)元的數(shù)量、體積或髓鞘化程度，也可能反映了宏觀的皮層折疊程度。而且一些研究發(fā)現(xiàn)，形態(tài)學(xué)測(cè)量的結(jié)果也不一定是持久的穩(wěn)定變化。比如女性海馬體和基底神經(jīng)節(jié)的體積會(huì)隨著月經(jīng)周期而波動(dòng)。

和所有腦成像研究類似，基于體素的形態(tài)學(xué)分析無(wú)法直接測(cè)量大腦結(jié)構(gòu)，因此在作為科學(xué)證據(jù)時(shí)并不是很“硬”。這種方法通常只能驗(yàn)證已知功能的腦區(qū)是否與某個(gè)心理活動(dòng)有關(guān)，但如果得到某心理活動(dòng)與一個(gè)完全無(wú)法解釋的區(qū)域相關(guān)，人們更有可能懷疑是分析方法出錯(cuò)了。

正因?yàn)槿绱耍蠖鄶?shù)腦成像研究都關(guān)注于比較簡(jiǎn)單的心理活動(dòng)，比如運(yùn)動(dòng)加工、獎(jiǎng)賞加工等等。而對(duì)于一些的社會(huì)認(rèn)知，通常認(rèn)為牽扯的加工過(guò)程多，涉及到多個(gè)腦區(qū)的協(xié)作。在心理學(xué)沒(méi)有搞清楚內(nèi)部加工過(guò)程時(shí)，很難找到特定的神經(jīng)相關(guān)，就比如人的政治傾向。雖然在政治心理學(xué)是個(gè)熱門問(wèn)題，但通常認(rèn)為傾向自由和保守是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，很難想象可以將其還原到大腦的某一個(gè)腦區(qū)。

政治傾向與腦結(jié)構(gòu)

直到2007年，紐約大學(xué)的一組心理學(xué)家用腦電發(fā)現(xiàn)了自由傾向和保守傾向被試在神經(jīng)活動(dòng)上的差別。當(dāng)人在意識(shí)到自己犯了錯(cuò)誤之后，腦電波中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)負(fù)波，即錯(cuò)誤相關(guān)負(fù)波。行為研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)保守傾向者作決策時(shí)更結(jié)構(gòu)化，更固執(zhí)，而自由傾向者曾更能容忍模糊性和復(fù)雜性，有更好的開(kāi)放性。腦電的結(jié)果表明了保守傾向的人的錯(cuò)誤相關(guān)負(fù)波更小，也就是他們對(duì)錯(cuò)誤不敏感，可能因此就表現(xiàn)得更固執(zhí)、保守。
 

上圖顯示了自由傾向的人有比保守傾向的人更大的錯(cuò)誤相關(guān)負(fù)波；下圖

顯示錯(cuò)誤相關(guān)負(fù)波的源定位在扣帶回。圖片來(lái)自Amodio et al., (2007)

錯(cuò)誤相關(guān)負(fù)波來(lái)源于大腦中一個(gè)叫前扣帶回的結(jié)構(gòu)，它對(duì)錯(cuò)誤的敏感性決定了一個(gè)人是傾向于自由還是保守。那么這種敏感性是否是由腦結(jié)構(gòu)決定的呢?這就是影帝這篇文章的研究假設(shè)來(lái)源。他與倫敦大學(xué)學(xué)院的神經(jīng)科學(xué)家Kanai和Rees討論了想法，并由后者實(shí)施了實(shí)驗(yàn)。他們用前面講過(guò)的形態(tài)學(xué)方法統(tǒng)計(jì)了90名大學(xué)生的大腦灰質(zhì)體積。結(jié)果發(fā)現(xiàn)與政治傾向相關(guān)的腦區(qū)正包含了前扣帶回 (另一個(gè)是與知覺(jué)威脅有關(guān)的杏仁核)。如果一個(gè)人前扣帶回的灰質(zhì)體積更大，那么他就越可能傾向自由主義。

 

自由主義者有更大的扣帶回體積 (圖片來(lái)自 Kanai et al., 2011)。

發(fā)現(xiàn)大腦結(jié)構(gòu)的差異要比僅僅神經(jīng)活動(dòng)的差異更進(jìn)一步，但仍然很難說(shuō)是由于遺傳造成的大腦結(jié)構(gòu)差異再導(dǎo)致了政治傾向，還是后天的發(fā)育的影響了大腦結(jié)構(gòu)和政治傾向。另外，如果人為改變前扣帶回的敏感性 (比如用藥物，酒精等)，是否會(huì)影響人們的自由/保守傾向?形態(tài)學(xué)的分析只是發(fā)現(xiàn)一個(gè)聯(lián)系，更多有趣的問(wèn)題，還需要更深入的研究來(lái)解答。

Kanai R, Feilden T, Firth C, & Rees G (2011). Political orientations are correlated with brain structure in young adults.Current biology : CB, 21 (8), 677-80 PMID:21474316