TCS：如何描述大腦區域的功能？大腦圖譜的過去、現在、未來

最新 05-04

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解析作者｜唧唧堂心理學研究小組Yifan Hu；審校編輯｜Ernest

本文是對2018年發表在《Trends in Cognitive Sciences》上的綜述《如何描述大腦區域的功能（How to Characterize the Function of a Brain Region）》的解析。該論文由來自德國於利希研究中心的Sarah Genon作為第一作者，聯合來自英德的研究者們共同完成。

腦科學研究者一般認為，大腦是「心靈」（mind）的基礎。我們每時每刻的所思所想、所見所為都是以大腦為中介完成的。然而，要是繼續追問下去，例如，大腦究竟是怎麼充當這個中介者的？大腦的各個部分究竟是怎樣參與、執行、或者驅動我們複雜的思想和行為的？目前的研究成果也不足以對上述問題給出完整的答案。

這些問題看似簡單，實際上都是圍繞著大腦功能性圖譜這個核心課題的提問。這篇文章綜合介紹了有關大腦圖譜的基本問題和現階段的研究成果，最後提出如要描繪大腦圖譜，研究者們必須重新審視已有的研究範式，跳出總是由行為出發，探索具體行為的神經基礎的框框，轉而以腦區為出發點，研究與之關聯的行為表現。這個聽起來很玄乎的觀點，究竟是什麼意思呢？我們通過解析，慢慢來了解。

歷史回顧：從骨相學到貝葉斯腦

對大腦功能圖譜的研究可以追溯到19世紀早期。德國人弗蘭茨·高爾（Franz Gall）提出的骨相學（Phrenology）風靡一時，聲稱能夠通過顱骨的形狀起伏判斷人的性格特質（後來當然被推翻了）。

後來，保羅·布羅卡（Paul Broca）和卡爾·韋尼克（Carl Wernicke）相繼命名了布羅卡區（Broca』s area）和韋尼克區（Wernicke』s area），發現它們分別在語言產出和語言理解中起主要作用，並且貌似互不干預。這無疑是腦區功能特異性的重要證據。

再後來，人們意識到，除腦區自身的功能特異性之外，腦區之間的溝通連接也同樣重要。如果連接腦區的白質遭到損害而腦區的灰質相對完整，則也會導致失調症。

骨相學樣表。Vaught"s Practical Character Reader, 1902.

這些早期的臨床觀察為目前學界普遍認同的兩個大腦基本組織原則奠定了基礎，即分離（functional segregation）和整合（functional integration）的原則。大腦既可以被分成功能上、結構上相互有別的區域，同時這些分區共同協作，完成大腦的各項職能。這樣的框架下，大腦就好比一個計算機，各個腦區就是組成這個機器的計算單元，計算單元之間的交互連接決定了這個系統的行為產出。

在這個「計算機隱喻」下，「貝葉斯腦（Bayesian Brain）」的假說逐漸得到了主流的關注，即大腦運行貝葉斯運算來降低不確定性。這篇綜述提出，如果這個假說成立，我們原來對「功能」的理解就要重新定義了：「功能」不應再是由我們通過觀察腦區對實驗操作的不同反應而指定的，和某一具體行為掛鉤的「行為功能（behavioral function）」，而應是由腦區自身特質決定的「操作功能（operation-function）」。

腦區作為功能多面體（polyhedra）的存在

為了便於讀者理解行為功能和操作功能的區別，本文作者提出了「功能多面體」的概念。傳統研究範式中總結出來的行為和腦區的對應存在多對一的關係，即不同實驗範式、不同實驗任務都可能激活同一個腦區，所以任意腦區可能對應著多個行為功能。

例如，多種記憶類型如聯想記憶（associative memory）、情節記憶（episodic memory）、自傳記憶（autobiographical memory）等，記憶加工過程如編碼（encoding）和鞏固（consolidation），注意力機制如新奇檢測（novelty detection）、其他認知過程如空間導航（spatial navigation）、前瞻思維（prospection）等，都被顯示與海馬體的激活有關。

這些行為功能似乎相互關聯，但又不完全重合。作者提出，這是由於腦區是功能上的多面體，與之相關的行為功能都只是它的核心——操作功能——的片面反映。腦區的操作功能是與所有行為功能共同關聯著的潛在因素，不能直接通過行為觀察到，但如果用不同研究手段從側面探測描繪應該能夠達到對其的整體認知。這種片面性是由用來建立行為功能-腦區對應關係的研究手段的局限性引申出來的必然結果。

目前用於推測大腦功能主要的研究方法，如損傷-缺陷法、實驗激活法等，分別通過大腦損傷導致的行為失調和嚴格控制變數的實驗設計來建立腦區-行為之前的對應聯繫。前者揭示正常完成一項行為的必要條件，後者則揭示完成一項行為的充分條件。那兩種方法結合，是不是就能幫我們找到與具體行為對應的充要條件了呢？也不盡然。

根據簡併原則（degeneracy principle），同一項行為可由多個不同的認知神經系統輸出，而並不與特定的認知神經系統捆綁。於是，與一項行為功能對應的充分必要條件很可能根本不存在。

然而，通過這些不同的研究方法得到的結論卻能從不同角度提供關於腦區-操作功能的信息。例如，大部分研究海馬體功能的實驗都不是以完整描繪海馬體的功能為出發點的，因此不同的認知過程被零零碎碎地歸結到海馬體上。但如果能運用統計方法系統地考量、整合這些研究結果，說不行我們就能找到那個關聯起所有相關行為功能的操作功能。

展望未來：大數據整合

想要完整描繪功能多面體，作者提出可以從兩個角度切入。一方面，我們可以利用像BrainMap、Neurosynth這樣的公共平台，大規模整合不同實驗的結果，達到腦區的功能行為分析（functional behavioral profiling）。這樣我們就有可能超越行為本體論（behavioral ontology），找到單個實驗不能提供的證據。大規模人口研究，比如美國的人類連接組項目（Human Connectome Project），英國的生物銀行項目（UK BioBank）就可以通過數據驅動的方法，整合同一腦區在結構和功能上的不同表現型之間的聯繫。