“认知神经科学”：揭开脑功能的奥秘

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2008年1月16日上午，已经建有“认知神经科学与学习国家重点实验室”的北京师范大学，又迎来了“脑成像中心”的揭牌仪式。这一大型技术支撑平台的建立，对于已经被列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中八大科学前沿问题之一的认知神经科学（脑科学与认知科学）来说，无疑又一次迎来了跨越性发展的东风。借此东风，记者走进了北师大，去感知这门新兴学科的魅力———  

　　从“神奇的读心术”到“认知神经科学”  



　　人类的一切活动都是由脑控制的。那么我们是怎么用“脑”去看、去听、去感知这个世界的？脑又是如何指挥我们的言语和计算的？当我们在高兴和悲伤的时候，脑在扮演着什么样的角色？  



　　自有记录的文明史以来，无数哲人与科学家都在试图探索人类大脑的奥秘，但受科技水平的限制，科学家的视野始终被厚厚的颅骨阻拦在外，大脑被认为是一个不可知的“黑匣子”。  



　　借助功能磁共振脑成像技术，科学家终于能够无损伤地观察到人们在进行各种任务时大脑的活动方式，探究人脑究竟是如何运行的。如同显微镜对于生物学、望远镜对于天文学的革命性作用一样，功能磁共振脑成像技术对人类认识大脑也产生了划时代的意义。围绕此技术，6人获得诺贝尔奖更证明了这项技术的重大价值。而此前对脑的研究，主要是通过正常人脑损伤后产生的各种认知功能障碍间接地推断大脑的活动机制，这极大地限制了对大脑的深入探究。功能磁共振脑成像技术提供了一种“神奇的读心术”。  



　　北师大认知神经科学与学习国家重点实验室学术委员会主任董奇教授告诉记者：“这是一门揭示大脑工作的奥秘，探索智能的产生、发展与运作的科学；也是认知科学和神经科学相结合的新生儿。过去，神经科学和认知科学对人脑的研究是分离的，前者侧重物质活动层面的研究，后者侧重认知功能层面的研究。功能磁共振脑成像技术的出现极大地促进了这两个领域的结合。认知神经科学融合了心理学、医学、信息科学、语言学、教育学，甚至哲学等多个学科，从多个角度去探讨和揭示语言、学习、记忆、思维、情感、社会行为等脑的高级功能。”  



　　他也介绍到，认知神经科学自上个世纪末诞生以来，就成为国际研究的前沿和热点，受到多国政府的高度关注。美国率先推出了“脑的十年”研究计划，随后欧共体、日本以及其它发达国家先后开展了“脑科学计划”、“国际人类前沿科学计划”等大型研究计划，并成为各国科学发展的重大战略内容。但是，与目前国际上该领域的发展状况相比，我国在认知神经科学的研究上还存在着起步晚、队伍规模小等问题。  



　　在客观地评述国内外差距的同时，董奇教授认为，正是意识到当前我国在脑的高级功能方面研究的不足，以及从人口大国转变为人力资源强国的迫切国家需求，我国政府已将认知神经科学列为《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中八大科学前沿之一，并特别强调了对“脑发育、可塑性与人类智力的关系”的研究。2005年3月,科技部在该领域布局成立了两个国家重点实验室，即中科院脑与认知科学国家重点实验室和北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室。此外，国家还在该领域布局了多个重大或重点项目，例如，973计划中的“脑功能和脑重大疾病的基础研究”及“脑发育和可塑性的基础研究”；攀登计划中的“儿童脑高级功能开发与素质教育的若干重要问题”；国家科技部基础性工作专项中的“中国儿童青少年心理发育特征调查”等。可以说，我国认知神经科学的研究迎来了前所未有的发展机遇。  



　　面孔识别：探索人自身的奥秘  



　　“你也许会认为，面孔识别有什么难的，对一张面孔的认识，看一眼不就记住了吗”？但面孔识别的课题，却是北师大认知神经科学与学习国家重点实验室副主任刘嘉教授领衔的一项重要基础研究。  



　　刘嘉教授告诉记者，恰恰是这种对于人类来说看起来很容易做到的事情，却代表着人类智能的核心问题。随着科技的发达，计算机每秒钟可以完成上万亿次计算，存储海量数据，甚至在国际象棋上击败世界冠军卡斯帕罗夫。然而，面对现实世界中的视觉任务，在一堆水果里找到一个苹果，计算机智能系统却面临着巨大的困难。这是因为在自然环境中物体（如食物、老虎、面孔等）的形状、颜色等会因为运动、视角或照明等的改变而发生相应的变化，使得基于特征判断的计算机智能系统无法正确识别它们。而在大自然中捕食、规避危险，以及繁衍后代的自然选择过程中发展而来的人类视觉系统则可以轻而易举地完成这些任务。  



　　他说，认知神经科学的研究担负着两大使命，其一是探索大脑的奥秘和人类自身的奥秘；其二是利用研究成果，推动人类的发展。从这个意义上来说，面孔识别的研究不仅是要解答“我是谁”这一人类的终极问题或者说人类智能的核心问题，而且也具有重要的应用价值。比如，一旦把人类识别面孔的原理移植到计算机上，让“智能警察”通过识别面孔去缉捕罪犯和恐怖分子，那案件的破获率将大大提高，社会也更加安全。如果进一步把面孔识别扩大到“客体识别”（也叫物体识别）这一更大的研究领域，同样把人类识别物体的本领教给计算机，那么能够识别各种物体的智能机器人代替人去阅读卫星图片，去驾驶车辆、驾驶飞机就不再是幻想。所以只有搞清楚了人类的智能，才能模仿人类的智能去实现人工的智能。  



　　“在面孔识别的研究中，给参加实验的被测试者呈现出各种不同的面孔图片，或者同一面孔被变形或部分置换时，研究者就可以通过功能磁共振脑成像技术来观察大脑的哪些区域参与了面孔的识别，这些区域有什么特点，先识别面孔的哪些部分，后识别哪些部分。”当刘嘉教授谈到面孔识别的研究过程时，记者脑海里不禁闪现出在北师大脑成像中心揭牌仪式的当天，曾观摩到科研人员用功能磁共振大型设备对实验者进行脑成像的情景。当时记者看到，其过程与我们在医院里进行核磁共振的医疗诊断类似，而且这个过程对参加实验的人没有任何伤害，是完全安全的。  



　　针对国内外的研究，刘嘉教授说，目前国外在面孔识别的研究上，已经取得了相当大的进展，比如，在大脑的颞叶底部（耳朵附近）发现了参与面孔识别加工和处理的区域，一旦这些区域受到损伤，就会出现面孔失认症，即这些人不再能通过面孔来认人；而在正常人中，有一些人是“先天面孔盲”，对他们而言，所有人的面孔都长得类似，以至于他们有时候认不出他们特别熟悉的人（如他们的父母）。  



　　“国内的研究，虽然从总体上落后于西方。但是我们在追赶的过程中，不是去重复人家的研究结果，也不是全面开花，而是从一些最难、最热的领域组成团队进行攻关。比如，我们的一项研究是通过磁共振脑成像技术来描述‘小孩从6岁到15岁或20岁时面孔识别能力的变化发展过程’，另一项研究是比较‘人与猴在面孔识别上的差异’，从而得知大脑的那些区域是人类独自进化而来，是与人类有共同祖先的猴子所不具备的，进而系统地了解人类的这种识别能力究竟是如何在遗传和环境的共同作用下发展起来的。又比如，在面孔失认症的研究中，我们从8千人中筛选出了40多名面孔失认症者，试图寻找导致面孔失认症的原因，了解到他们大脑的结构和功能所发生的变化，以及探索有助于提高他们面孔识别能力的训练方法。”刘嘉教授向记者谈论着目前国内所开展的原创性研究。  



　　语言研究：致力于解决语言障碍  



　　据有关数据显示，我国约有5%—7%的学龄儿童存在阅读障碍，约3%—6％存在发展性计算障碍，注意缺陷障碍的发生率为5%—6％左右，学习障碍的发生率则高达8%%—10％，我国有3亿多儿童每天的教育与学习亟待实现科学化。面对当前我国儿童青少年不容乐观的心智发展状况，无论是教育的科学化，还是对认知及精神障碍的诊断、分类、矫治、预防，都需要依赖认知神经科学的研究进展。北师大著名的心理语言学专家舒华教授近十几年来就一直在从事着阅读障碍的研究。  



　　舒华教授说，阅读障碍在拼音文字的国家里已有近百年的研究历史，并且已经走向应用，指导着国家教育策略的制定以及对特殊群体的帮助。国外的研究发现，阅读障碍儿童的核心问题是音形转换的困难，首先对某些词不会发音，继而就难以阅读和理解，以至在一定程度上影响智力的发展。国外对阅读障碍儿童的脑成像研究也发现，他们大脑的音形转换区显然弱于正常的儿童，使得他们在阅读时这块脑区不易激活。可喜的是，在美国等国家，已经找到了改善阅读障碍的有效方法，比如通过音形关系对应的强化训练，来激活原来“沉寂”的脑区。从教育策略上来讲，如果鼓励这些孩子坚持读到大学，也会自然地得到改善。  



　　从国外引到国内，舒华教授说，由于汉语研究的独特性，她在阅读障碍的课题上已经研究了几千个孩子。目前在北京地区，她已追踪了300名从8个月到8岁的孩子整整7年。而有些孩子，在他们上小学二年级时就已经表现出了阅读困难。追踪研究的目的是为了将儿童早期与后来的认知差异进行比较，从而能更早地发现造成阅读障碍的预测指标，进行早期干预。  



　　“我国约有6%左右的儿童存在阅读障碍，如果他们的缺陷得不到纠正，造成与人和社会交流的困难，这样长期受到压抑后甚至会引起犯罪。”舒华教授谈到了开展此项研究的重要意义。  



　　在持续深入地研究中，舒华教授也发现了中国儿童阅读障碍的独特性———“语素”的影响。她解释说，在汉语中，具有同样发音的词却有着多种写法和含义，比如，青年的青，清洁的清，蜻蜓的蜻都读作qīng，但词的含义却截然不同；另外，由单个词组成的合成词概括了每个单个词的含义，如牛奶、电脑、白血病等，这些皆为语素。而中国儿童的阅读障碍更多地是因“语素”问题造成，这也是国内和国外（拼音文字国家）患有阅读障碍儿童的显著区别之处。  



　　虽然关于儿童阅读障碍的研究还未完全走向应用，但舒华教授说，他们在语言研究上的另一个领域———“失语症”的研究，已初步显示出认知神经科学的应用价值。  



　　据她介绍，通过脑成像，科学家已经认识到在大脑皮层中有很大的区域都与语言有关，这些区域的任何一个地方受到损伤（比如脑中风后）就会造成失语。现在一个从哈佛学成归国的学者正在进行的一项应用研究是，找出这些失语症病人的脑损伤区域，从而了解到底是大脑负责语言的哪个区域受损，导致这些病人或者知其意，不知其音，或者音意皆无，以便“对症下药”，对他们进行有针对性的心理学训练，帮助其恢复语言的功能。  



　　失语症的研究进展还体现在神经胶质瘤的手术中。在北师大与天坛医院外科的合作下，由北师大的科研人员在手术前为医生提供大脑中负责语言的详细区域；在手术中，医生利用技术手段再一次把病人唤醒，通过完成一些认知任务，再一次对语言区域进行确认，这样“心中有数”的医生在进行脑手术时就会尽量不伤及这些区域，最大限度地保留住患者的语言功能。  



　　“改变大脑，改变世界”。在这一口号的激励下，北师大认知神经科学与学习国家重点实验室正从“脑与认知加工、脑发育与认知发展、脑与语言学习、脑与数学学习、脑与心理健康、神经建模和脑科学的教育应用”等方面探索着大脑的奥秘，为认识脑、保护脑和开发脑提供科学的原理与方法。  



　　认知神经科学是一门揭示大脑工作的奥秘、探索智能的产生、发展与运作的科学；也是认知科学和神经科学相结合的新生儿