腦功能成像物理學-全48集

腦功能成像技術

近20年來，隨著現代物理、電子與計算機技術的迅速發展，腦功能成像技術取得了長足的進步，一批功能強大的無創性腦功能成像手段相繼誕生。這促使研究者們對腦功能成像技術及其在認知過程、情緒過程中的應用產生了濃厚的興趣，將它們迅速應用到認知神經科學以及心理學的各個領域中，並取得了許多突破性成果，促進了這些領域研究的深入化進程。

（一）使用腦功能成像技術的理由

研究者用腦功能成像技術進行實驗，最明顯的目的是為了將腦的結構與其功能聯繫起來。我們已經知道，腦的許多功能都是定位於大腦的神經組織結構之中的，基於此，研究者們開始試圖成像出那些參與到不同腦結構激活中的基本過程。現代神經成像技術假定，我們可以根據組成複雜心理過程的一些基本操作的結合來對其進行最好的描述，這些基本過程並不是定位於大腦中的某個單一部位，而通常是神經元網絡共同作用的結果。神經成像的這一假定自然而然地導致了人們對與基本心理過程相伴隨著的腦激活的探討。而將這些基本過程成像到大腦中的區域和功能性網絡就是現代腦成像研究的主要目標。

對不同腦結構功能的詳細成像可以為我們提供關於基本心理過程的可靠證據。一旦我們確定特定的腦區與某一心理過程有關係，就可以超越這種結構與功能的簡單對應關係，而使用統計技術（如區域間相關、因素分析、結構方程建模等）來進一步考察與複雜心理任務有關的激活環路，分析出心理任務中包含了哪些基本過程的結合。這樣，通過考察激活模式，我們就能從簡單到複雜，並能瞭解在某一模式中所激活的結構所具有的功能。此外，在腦損傷研究中，還能幫助我們推測受其影響何種腦功能會喪失。

使用功能腦成像技術的另一個原因是它可以分離心理過程。如果我們能夠獲得不同心理任務所導致的激活模式的數據，就可以用它來檢驗這兩個任務是否存在雙重分離（Smith&Jonides，1995）。這種分離的原理是：假設某特定腦區A處理某認知過程a；類似地，某特定腦區B處理某認知過程b。假設有1、2兩種心理任務。任務1需要心理活動a參與而不需要b；任務2 需要心理活動b參與而不需要a。如果我們在被試完成這兩種任務時對其大腦中的激活進行成像，就會發現，腦區A在任務1中得到了激活而未在任務2中得到激活，腦區B則恰恰相反。由於兩個不同的激活腦區的存在（通過腦功能成像技術可對腦區作空間上的限制，使二者不疊加），我們便可得出任務中存在著兩個獨立心理過程的結論。這個邏輯既適用於腦區A和B分別是大腦中的某個單一位置的情況，也適用於它們分別是由多個單一位點聯繫而成的網絡系統的情況。因此，該方法得到了廣泛的應用。

舉個例子來說，研究者曾假定工作記憶可能至少由兩個子系統組成，一個用來處理空間信息，另一個用來處理言語信息，這個假設後來在對正常和腦損傷被試的行為研究中得到了證實（Jonides，et a1．，1996）。但一個關鍵性的發現卻是通過對空間和言語工作記憶任務的不同腦區激活的比較得來的。研究者通過腦功能成像技術發現，在完成空間工作記憶任務時，大腦右半球新皮層的作用占主要地位，而言語空間記憶任務主要是左半球新皮層的機制，這便證實了工作記憶是由兩個獨立的系統組成，它們分別對不同類型的信息進行加工。

在一些比較複雜的情況下，兩個任務可能既激活了一些不同的位置，還激活了相似的位置，此時，通過對這些共同的和不同的位置進行記錄，我們就可以解釋兩個任務中所包含的過程。如果事先通過其他研究已經知道了每個位置的功能的話，那我們就可以對這些任務中的過程有更充分的理解。

目前，使用成像數據來評估雙重分離已經變得非常普遍。這些數據的含義已經超出了以往那些從正常和腦損傷被試的行為數據上所得出的雙重分離。在正常被試的行為實驗中，雙重分離可以通過尋找兩個分別影響不同任務的實驗變量來建立，這個模式可以讓我們得出兩個任務中所參與的心理過程不同的結論（如前面章節中所講到的實驗性分離、加工分離程序等）。但這種分離的弱點是，還不能對所參與的特定心理過程作出詳細的解釋和說明。而在腦損傷被試的行為實驗中，研究者則通常會尋找兩個患者：一個能完成任務A而不能完成任務B，另一個正相反，這個模式同樣能使我們得出不同任務對應不同心理過程的結論。但此方法存在的一個弱點是：腦損傷病人有時會發展出補償機制以彌補其缺陷，在此情況下研究者的結論就有可能被誤導，錯誤地以為兩個任務對應或者沒有對應不同的心理過程；何況從腦損傷者的研究結果能否作為普遍情況而推廣到正常人群，也還值得斟酌。和上述分離技術相比，腦功能成像技術提供的對正常被試進行雙重分離觀察更直接，它不依賴其他實驗變量的選取。因此有條件的研究者往往願意將此技術作為對實驗研究的有益補充。

（二）兩種主要的腦功能成像技術——PET和fMRI

鑒於腦功能成像技術的重要作用，目前心理學各個領域的研究者已經開始越來越多地使用它來為其研究服務。到目前為止，已成功開發了許多腦功能成像技術，如』fmRI、PET、單一正電子發射計算機斷層掃瞄技術（single posi—tron emissk）n c（）mptlterized tom（）graphy，簡稱SPECT）、事件相關電位、腦電圖、腦磁圖和近紅外線光譜分析技術（near—infrared spectroscopy）等。其中，在心理學研究中採用得最為普遍的有兩種——PET和fMRI。這兩種技術的主要優勢是：（1）可以應用於人體實驗；（2）能夠在空間分辨率與時間分辨率之間尋找一個平衡點；（3）可用來繪製全腦的圖像。其中最後一個特點使得人體研究與動物研究的協同成為可能。例如，動物研究中的單細胞記錄技術可以提供精確至單個神經元的空間分辨率和精確至毫秒的時間分辨率，但其弱點在於通常只單獨考察某個腦區而忽略了其他一些重要腦區。而運用PET和fMRI則很適合於對全腦的活動過程進行探測分析，有利於提出關於特定腦區的新假設並可在動物模型中進行檢驗，還可用於檢測不同腦區在特定心理功能中的交互作用，這就為動物模型中單個細胞行為的分析提供了必要的補充。