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1、第三章 生理学和心理学通过脑成像来建立联系研究大脑两半球间差异，比较直接的方法是检测脑的解剖结构和功能。这说起来容易，做起来却十分复杂，因为它涉及采用多种不同方法从不同方面来检查脑的结构和功能活动。脑活动包含多种化学和电的过程，是一个从微观（单个神经元）到宏观（如涉及特殊脑结构的局部活动）图3.1磁共振扫描(NMR)。借助于被试脑内水分子中的氢原子核磁共振的数据，计算机构建的正常脑的正中断面成像图。的连续体。在微观水平上发生在大量单个神经元之间的电化学联系，引起了宏观水平上电的和磁的整体活动模式，通过安放在头皮上的电极和专门的记录设备，可以记录到这些活动。神经元之间的联系由不同的神经递质来完成
2、。事实上，根据不同的神经递质，在脑中可以区分出不同的神经元网络。技术的发展已可以鉴定一些特定的神经递质，由此来“绘制”出它们在脑中的不同通路。最后，为了满足神经元代谢过程的需要，血液必须源源不断地给脑组织运输氧和葡萄糖，同时运走废物。所以，检测血流速度以及特殊营养物质的代谢变化，可以提供反映每个脑半球或局部脑区宏观脑活动的有用量化指标。近期，新发展的技术可以在被试活体状态下对复杂心理活动进行更清晰的脑结构成像。快速发展的“功能性脑成像”正吸引着研究者的想象力，他们将这类研究视为可以观察思想活动的技术手段。但另一部分人也认为，对脑成像的这种预期可能有些夸张。本章回顾了当前检查大脑组织成像技术的研
3、究，对这些令人兴奋工作的意义持中立观点。脑成像技术基本上分为“结构”与“功能”两类。脑结构成像技术是指可以呈现脑结构的扫描技术，例如，计算机断层扫描术（CT）和标准的磁共振成像术(MRI)。典型的结构扫描显示脑的断面图，就如同给脑依次切片那样，图3.1即为一张。功能性脑成像的相关技术可以提供脑某些方面活动的成像图，如大脑血流量，葡萄糖代谢和氧的消耗，这些技术常以首字母缩略词来表示：如正电子放射层描术（PET）, 单光子放射断层描术（SPECT） 和功能性磁共振成像（fMRI）。功能成像还可细分为多种，它们分别可以测量脑代谢和脑电（脑电波）与磁活动。尽管脑电和脑磁技术来源于电生理学检查脑功能的技
4、术，但现在也被看作是脑成像技术。本章我们先讨论测量脑代谢方面的技术（脑代谢成像），然后讨论测量脑电活动方面的技术（电生理成像）。当被试完成某项任务或心理操作时，这些技术都可用于研究脑的活动模式。因此，它们似乎可以直接评价心理功能的大脑半球组织，包括不对称性。有关脑半球间的解剖结构不对称性研究将在本章最后讨论。一、功能性脑成像：代谢技术图3.2 各种脑成像技术的时间与空间坐标分布图。垂直坐标为空间距离或大小的对数函数，从分子到整体脑。水平坐标为从毫秒到天的对数函数。阴影区为相关脑成像技术大致的时间与空间范围。 近期，有关脑与认知最有影响力的进展，莫过于可以在被试完成某项心理作业时对脑活动进行成像
5、技术的快速发展。这一技术建立于20世纪60年代末，那时人们观察到病人在语言产生时有脑区一致性皮质血流量增加。Niels Lassen和他的同事向颈动脉中注射一种放射性化学物质或示踪物（盐溶液中氙133气体），同时通过放在头外部的组合探测器，观测它们在脑区的积聚，以及随后的消退和清除，以测量大脑血流量。之后，脑成像技术有了明显改进，也包括现在使用的那些不要注射同位素示踪物的技术。然而，绝大部分技术仍需要依靠大脑血流量作为脑活动的指标。脑组织的血流速度随组织的活动和代谢而改变。脑不同区域的活动变化，会通过这些区域的相对血流量来反映，因为血流量对神经元的细微改变敏感。所以，通过测量局部血流的改变，可
6、以确定与研究脑的不同区域在人类行为发生时的相互作用。当今的代谢脑成像技术PET, SPECT, fMRI仍然主要评价心理加工过程中大脑皮质血流速度。但这些技术还可研究脑的其他代谢活动。需要考虑一些因素，它们会影响功能性脑成像技术所研究的问题，也会使研究效果出现差异。主要有：（1）脑功能测量的时间（时间分辨率）；（2）脑功能测量的最小区域（空间分辨率）；（3）可观察的范围；（4）进行扫描的时间点，这与所研究的行为或认知任务有关（通常与时间分辨率有关，但也有例外。我们经常是在被试完成一项任务时让同位素进入脑组织，过后再进行扫描）；（5）心理加工任务出现变化时扫描的速度有多快，以及重复的次数。当前，
7、功能成像技术在以上的因素上存在很大差别，使所能研究的心理活动状态也大相径庭，有时在相同条件下所收集到的资料也有很大差别。假如有人采用成像技术获取了5分钟的图像，它可能适用于在一个连续不间断的，且重复的任务中研究脑活动的平均值（如在5分钟之内听录音机呈现的一些单词），但它并不适用于鉴别在听到一个单词与单词间的停顿时脑活动的差异。研究者需要利用一种更加快速的“时间分辨”来研究后一个问题。但在这些因素之间，如时间分辨率、空间分辨率和需要分析与观测的脑区范围之间存在着互换效应（图3.2 表示包括电生理方法在内的各种功能成像技术的时间和空间分辨率范围与差别）。了解了这些，我们就可以简要了解一些主要的技术
8、。（一）皮层血流量的测定氙-133气体清除术是显示不同任务和心理状态下脑区血液速度变化的最早方法。既然已认定，原先对病人进行颈动脉注射的方法在临床上存在风险，后来改成了被试只需在60秒时间内吸入一种特殊的空气氙气混合物，然后在他们的头部放置一个特殊的监测器来检测他们的血流速度。这样方法可以精确测量绝对血流量（每1分钟每100g脑组织获得的毫升血流），但仅限于脑区皮层。尽管如此，各种不同的身体的和心理活动的研究结果令人印象深刻。人们通常所预测的许多参与心理功能的脑区都得到了证实。如当被试看一个正在移动的图形时，每个脑半球的视觉皮质区的血流速度会有所增加。言语刺激也会引起每侧听觉皮质区血流速度的增
9、加。值得注意的是，早期的研究报道了大脑两半球在进行高度一侧化任务的活动时，如言语活动时出现了类似的血流模式。在任务加工和心理活动进行时，更加明显的变化似乎出现在前后脑区之间，而不是左右半球之间。尽管如此，人们还是发现了一些半球间的差异。在一项早期的研究中，Jarl Risberg 在两个测验中比较右利手男性志愿者的血流方式：一个是言语类推测验，另一个是“知觉完形”测验，在完形测验中让被试看画得不清楚的图片，然后说说上面画的什么。这两种条件下两半球之间出现了大约3%血流量的微小而明显的差异。与预期一致，言语分析作业中左半球的血流量明显更大，而图像作业中右半球明显更大。Risberg 还测量了每个
10、半球对半球间血流量差异贡献最大的区域。言语测试中，最大差异出现在额区、额-颞区和顶区。而在安静状态下，半球间相应部分的差异非常小。许多采用这一技术的研究与半球间的不对称性有关，还有一些我们在其他章节中会介绍。然而，这一技术已被许多新的技术所取代，它们可以产生脑活动的三维图像，包括皮质表面和脑的内部结构。（氙SPECT技术结合了原来氙-133血流量检测方法和新的三维扫描功能的优点，会在后面讨论。）（二）放射扫描术（正电子放射断层扫描术, PET 和单光子放射计算机断层扫描术，SPECT） 正电子放射断层扫描术（PET）是一种可视化的成像技术，能提供分布在任何所要观察的身体或头部断面上的放射性标记
11、物的成像图。SPECT和PET是两类主要的放射扫描术，它们所用的放射物质和记录所需仪器有所不同。SPECT：将能在所有方向发射射线的放射性物质与感兴趣的生化物相结合。这些放射性药物注入被试的循环血流中。当它们到达脑部时，放在头部周围或绕头部旋转的监测器接受了这些射线，同时用计算机程序来“重构”这些放射标记物的分布。到目前为止，SPECT可用于测量大脑血流和脑断面的三维血流量。HMPAO SPECT研究大脑血流速度：当前，大多数脑SPECT使用放射性药物99 mTc-乙烷甲基丙烯胺（HMPAO）作为示踪物，它被注入静脉内后，以与大脑血流速度成比例的速度穿过大脑组织（被捕获）。此种化合物发射光子，
12、研究者可以通过图像观测HMPAO示踪物的分布。它反映了在注射的同一时间大脑的血流速度。因为被捕获到的示踪物的数量和位置建立在注射同一时间的大脑血流速度的基础上，利用这一技术研究者可以“锁定”那一时刻的大脑活动状态。研究发现，当癫痫发作时注射HMPAO，随后给患者扫描，这样可能截获大脑血流速度，图1和2 清楚定位了癫痫发作的活动。以同样的方式，当被试完成一项作业任务时的刺激作用或心理活动效应能被“锁定”，然后再扫描。例如，在一项心理旋转任务中，被试要求判别哪一对立方体排列是一样的，而它们仅在空间定位上不同（见图3）。被试躺在一个黑暗的房间里看呈现在银幕上的刺激完成任务，此时被注入此药物。半小时后
13、，被试在放松和平静时被扫描，图5，6显示扫描结果。扫描图显示，与安静状态相比，注射HMPAO的被试在两半球视觉皮质后部更活跃，右脑顶区也更活跃。这一结果与先前对这一任务进行的其他皮质血流速度的研究结果类似，不仅确认了有关的发现，也证实了HMPAO SPECT的作用。HMPAO SPECT技术的“状态锁定”特点，在研究被试扫描时不容易完成的任务或状态（例如睡眠时）相当有用，同时也提供一个更好的机会去研究那些不用镇静药物无法正常扫描的患者，如自闭症儿童。在使用镇静药之前注射HMPAO，然后扫描，可让研究者观看到镇静效应前的大脑活动。HMPAO示踪物的锁定性质在有利于研究某些问题的同时，也使其在一次
14、SPECT扫描时只能检查一两种条件，因为示踪素物几个小时才能从脑内清除。现在采用的多数任务是复合任务或条件，其成像研究采用了昂贵得多的PET和近期出现的fMRI，这将会在后面介绍。在我们介绍这些方法之前，我们要介绍另一种新的SPECT技术。氙SPECT：在60 秒内吸入一种空气氙气混合物质，这种新SPECT技术可以进行大脑血流速度的三维成像。快速连续成像可以显示这种同位素从大脑组织的清除；清除的速度依赖于局部脑组织血流速度。程序计算出一个最终成像，代表每分钟内每100克脑组织区域内以毫克计的绝对血流量（rCBF）。因为氙-133代谢快，所以可以在同一时间内进行多次扫描。这种快速清除率可以更加适
15、合做包括多种条件的激活测验，刺激和认知任务加工时氙-SPECT比HMPAO SPECT对局部皮层血流量更加敏感，图7 显示被试在进行氙-SPECT扫描，图8和9显示两种任务的扫描结果。PET：正电子放射断层扫描（PET）利用正电子放射物质产生特殊放射线的性质产生一对对光子精确沿相反方向运行。该技术利用正电子放射时所谓的同时计算即在成 180相反方向处放置探测器检测同时发出的每对光子，从而来准确绘制脑中被检测物质的分布。就理论上而言，PET的优点在于可以示踪许多生物化合物，因为使用特殊的回旋加速器程序，它们可以被直接“被标记”（如，正电子放射物），这个技术可以给活体人脑的局部葡萄糖和氧代谢进行三
16、维定量，也可以为成为了正电子放射物的一些神经递质进行定量分析。PET已被相当广泛地用于研究更高级心理功能。因为正电子放射葡萄糖混合物的合成与扫描需要大约30 分钟，因而需要太长时间去维持一个可靠稳定的心理状态或任务状态，因此绝大多数PET研究心理活动时采用与前面所提到的与氙-133清除法类似的以正电子标记的水（H215O）来检测脑的血流量。H215O在脑中清除速度极快（事实上，就是由放射性蜕变成无放射性物），所以新研究可在几分钟内完成。因为局部血流速度可被PET快速且重复测量，所以一些PET的研究者们通过给被试呈现一系列从简单的感觉运动到复杂的系列等级顺序任务，大胆地试图分离和研究这些复杂的心
17、理功能。假定与高等级水平相关认知功能的脑活动可以通过相减法来加以分离，即从中减去简单控制条件的图像。例如，有一项研究试图通过从7个正常被试的种任务水平中区分特定的负责语言功能的脑活动区域。最基本的水平是在监视器上呈现的 “十”字符号。单个名词的观察是第二水平。听觉呈现线索词的出声复述是第三种水平。最后一个水平是被试必须对呈现的物体名词产生某些可以描述其使用的动词，这就增加了一个语义加工要求。图3.3 从视觉初级皮层发出的背侧（顶叶信息流）和腹侧（颞叶信息流）通路。后部顶叶皮层可能调节着视觉刺激的位置和运动。颞叶下部调节着物体辨认和形状与颜色的分析。通过从一个任务水平中减去其他水平任务的血流速度
18、模式，研究者们试图分离一些由相对特异心理活动引起的改变。研究者们发现，发声时在两侧感觉运动皮层和一些额叶脑区血流量增加。语义任务与控制条件（单重复语音）相比引起了左下前额叶的不对称活动。尽管人们想要分离由认知过程引起的激活作用，但研究者们仍发现一些仅与“看”词相关的左脑半球联络区皮层的一侧化活动。研究者们认为，甚至在没有语言任务的要求时，被试可反射性完成线索词刺激的语言分析。在语音重复或语义作业时，左半球这些脑区的活动水平不发生改变，这一结果支持被试已自动完成对被动呈现的线索词的自动化的语言分析的观点。这类发现提出了一些重要问题，即对许多高水平任务的合适控制条件究竟发生了什么？最近的几年许多出
19、版物报道了采用PET对被试完成各种感觉运动和认知任务的研究。我们将在第章和章中回顾，因为他们与有关脑功能组织的经典脑生理模型关系密切。当我们讨论病理不对称的作用时，其他一些PET 研究也会提到。在结束PET的讨论前，我们希望提到另一种的研究，它们对脑成像资料的分析有意义。到目前为止我们所讨论的实验都建立在分析局部代谢或血流量的增减上。尽管这是最简单的观察在作业中发生改变的方法，但并不是唯一的方法可能也不是最好的方法。一些研究者主张，除了在特殊区域需要增加活动之外，合适的大脑工作依赖于特殊脑区域之间的相互作用。所以，脑区之间一同起作用或一同变化（与所谓的都一起活动不同）的区域或程度可能表明在某些
20、任务中起最大作用的脑区。James Haxby 和他的同事在国家健康研究所的PET研究使用了H215O PET技术，当志愿者们完成面孔匹配和点位置匹配实验时，检测局部大脑血流量的改变。研究者们使用这些条件，是因为动物和临床上人的神经生理资料都暗示在脑内存在着两种视觉系统，一条专门负责视物，包括大部分枕叶和颞叶脑区；另一条专用于空间定位，更多包括枕颞通路（见图3）。采用更传统的方式来分析时，即从更复杂的认知任务条件中减去一项控制的实验条件，研究者们确实发现了他们的预期：面孔确认似乎激活了枕叶和颞叶区域，而定位任务激活了枕顶脑区，这种激活模式出现在两个半球。尽管如此，当进行相关分析时，即检查每项任
21、务中哪些区域会在一起变化的程度时，另一个发现出现了：这些支持面孔识别和位置识别的后部脑区出现了功能性相互作用，右半球明显强于左半球。他们认为，在区域性激活增加的简单分析中出现的两侧激活，实际上也许是来源于右半球的变化通过胼胝体引起了左半球的激活。这个结论暗示，许多检查任务加工脑活动效应的成像研究，忽视了大脑半球功能的不对称，因为脑的活动会表现出对称增加的倾向，即使某项任务实际上更多地受到一个脑半球的控制。更新的研究，如上所描述的活动性协变分析为克服半球不对称成像研究的局限提供了方法。 (三)大脑活动的功能性脑成像：MRI的应用图3.1的成像图是磁共振结构性成像功能的一个好例子（原先叫做NMR，
22、现在一般从中去掉“核的”，使其听起来少些威胁）。MRI使用强磁场和电磁波来诱发水分子的改变，这种变化可被测量到，且可用于重构头部任何平面的解剖细节图像。当前，MRI已被更广泛地用于功能性脑成像的研究领域。目前的技术发展，已经可以采用MRI对刺激或心理活动时进行直接而快速的大脑活动成像。因为测量是基于血氧水平的改变，起初叫做BOLD（血氧依赖水平）MRI，但现在统称为功能性MRI（fMRI）。因为脑活动的区域会被带氧的血轻微充盈，又因为氧合的血与那些不含氧的血的磁性不同，所以，有特别程序的MRI扫描能够确认在受到刺激、运动激活和认知活动进行时的大脑活动区域。彩图10显示一个自愿的被试用右手，然后
23、用左手完成一个手运动实验时叠加在结构性MRI上的功能成像图。采用fMRI研究大脑组织和功能定位正在快速发展。仅在最近的几年里，这项技术已经使对正常被试大脑功能激活的研究大为改观，因为它能在几秒内提供具有时间分辨率的数据，并能对任务过程进行多次扫描，也能在实验任务条件改变时提供大脑皮层机能改变的几乎不间断的信息。这些功能使研究者们能够检测到如被试间策略改变等的一些因素。一些最新的发现显示，男性在押韵或语音任务加工中只激活左半球脑区，而女性激活了两个半球。另一项研究显示，阅读困难（失读症）儿童缺乏应有的视觉后部皮层的激活。我们将会在后面的章节介绍这些和其他的fMRI研究。尽管有不少优点，fMRI也
24、有一些缺点。其中之一就是被试身体的一部分，哪怕出现一个微小的移动，fMRI也会受到明显影响，以至许多合作的被试都不得不被舍弃。fMRI研究者们花费巨大的努力试图纠正任何由于头部移动加工产生的伪迹。另一个缺点就是，fMRI不能测量绝对意义上的CBF水平，仅能显示在控制状态和激活状态之间rCBF发生变化的部位。所以，fMRI不能轻易揭示与病人中风、痴呆和头部外伤相关的血流缺陷，也不能提供无论在休息还是受到刺激状态下的定量数据。因此，不可能通过使用fMRI来说明在休息时或在一种控制条件下有多少脑区域正在活动，以及在某项实验中有多少脑区在活动。研究者们只能说明血流量的增加或减少。这些变化通常被分别称为
25、“激活”或“去激活”，由此说明实验中激活了哪些脑区。另一需要关注的问题是，越来越多的研究者可以容易地使用fMRI去进行脑成像研究。因为几乎所有的医院和医院相关的机构都有基本的MRI科室，可以进行一定数量的fMRI扫描。现在，有上百个地方在进行此类研究。可以见到大量fMRI有关功能定位的研究报道，fMRI已经开始被一些批评者看作为一门新的“骨相术”研究。下面我们将介绍其他的成像技术。二、功能性脑成像：电生理技术PET，SPECT，fMRI技术有效解决了空间和结构上的分辨率问题，但许多科学家仍感到这些技术在成像时需要的时间太长，而不能解决与认知过程相关机能的快速改变模式。一些人认为，解决的方法在于
26、可以用电生理来测量脑功能，这是对前面提到的代谢成像技术的一种补充。如同我们将看到的，这些技术虽然空间分辨率比较粗糙，但对时间分辨很敏感（1-10毫秒范围），对心理活动中的变化很敏感。（一）脑电图（EEG）1929年，奥地利的精神病学家Hans Burger发现，可以在头皮上不同的点上放置电极来记录电活动模式。这种模式被称为脑电图（EEG），从字面上讲，就是“脑电描记”。虽然EEG是从头皮监测的，但Burger能够证明，它所记录的一些活动源于脑组织，而不简单地由头皮肌肉组织所产生。EEG存在一些不同的活动节律成分。第一个被发现的，也是最著名的是节律。 波是电活动中的一个节律性循环波，每分钟发生8
27、至12次。当被试安静地闭着眼睛休息时，节律在EEG中占优。Burger在他原先的研究中报道，在心算时EEG中的优势的波振幅明显减少。其它被确认的EEG节律也用希腊字母、等表示。记录EEG的设备在临床检查中越来越普遍，研究者们通过EEG证明，如癫痫、肿瘤等脑异常情况下会伴随特殊的电活动模式，作为一种研究工具的作用也被很快认可，人们正在进行大量试图寻找EEG与个性，智力和行为关系的研究。David Galin和Robert Ornstein 是两位第一次详尽研究EEG不对称性，并检查正在记录的EEG与被试完成的任务特性之间的关系，例如，当被试完成文字任务，如写字母，以及空间任务，如用色彩积木来构建
28、已经记住的几何图形时，在被试头部的两边对称位置记录EEG活动。结果分析用右半球EEG能量和左半球EEG能量之比（R/L）来表示。EEG能量是单位时间内能量的简单相加和。他们发现，R/L能量比率在文字任务要比在空间任务明显大得多。尽管这结果看起来让人吃惊，因为这我们预期的结果相反，但Galin和Ornstein进一步的分析显示在EEG记录中占优势的节律是波。因为波反映了脑安静休息状态，所以如果在完成一项特殊任务有较大得参与，应该伴随波的减少。所以，左半球的波在被试完成语言任务时相对于如积木设计问题的空间任务时要更少。所发现的结果准确验证了以上的推论。研究者普遍采用EEG测量活动中脑半球的不对称，
29、因为设备容易得到，且可广泛用于包括婴儿在内的各种被试。另外，EEG可以连续测量，并且能在被试完成时间长和复杂的实验时进行检查。虽然EEG测量的后一种特点在一些研究中十分有用，但EEG技术要观察与特殊刺激事件的发生相关的变化仍十分困难。（二）事件相关电位（ERP）对EEG的仔细分析可以揭示在刺激呈现时，如闪光确实会发生特定的变化，但这些变化隐藏在脑的整体活动之下。为了使对特殊刺激反应的变化更加明显，可以利用计算机对重复出现的同样刺激进行波形平均。使用这种方法，那些与刺激呈现相关的随机电变化会被消除，会出现与刺激呈现有固定时间关系的电活动，这就是刺激所诱发的电位。图3.4 典型的诱发电位：(A)
30、听觉；(B)躯体感觉；(C)视觉。虚线表示可记录到的最明显电位峰值的头皮位置。ERP是由以基线为准的一系列有序的正负波变化组成的，一般在刺激结束后持续大约500毫秒。每个电位可由确定的成分或参数来进行分析，如振幅和潜伏期（从刺激开始到反应开始的时间）。刺激的性质（听觉，视觉和身体感觉）是影响诱发电位确定波形的因素之一。另外，每个半球脑区所产生的最大活动因为刺激的类型而不同。图3.4显示了不同通道刺激的典型ERP。在20世纪70年代，心理学家Dennis Molfese和他的同事收集了大量有关言语和非语言刺激的ERP资料。在研究中，他们发现言语刺激引起的左半球ERP振幅比右半球大，这种差异甚至在
31、被试只听到刺激（词语）而不去辨认它们时也可以出现。然而，非言语刺激引起的右半球振幅更大些。大量的研究同样也检查了在ERP记录时这种不对称是如何受被试完成任务影响的。在一项研究中，给被试呈现由元音和辅音字母组成的不同的音节（辅音字母不同，如“ba”与”da”）或音高不同（高或低）。在一半被试中，要求被试只对每次出现的“ba”反应，而忽视音高；另一半被试对高音“ba”音节反应，而不注意它们的发音。在每种测验条件下只记录左右半球对高音“ba”的诱发电位。通过这个实验程序，研究者能够检查当准确保持相同刺激条件时，不同心理活动对ERPs不对称的影响（是指导功能性脑成像巧妙而有效的一般方法。）研究结果表明
32、，在名称辨认和音高鉴别测验中ERPs存在差异，但差异仅存在于左半球。研究者推测，半球间存在确认音节能力上差异，而不存在辨认音节音高上的差异。（三）心理活动的探测性诱发电位标准的ERP实验局限于记录对短而简单刺激的反应。探测性技术是更近期发展的方法，扩大了ERP的适用范围，可以进行包括更复杂心理活动中脑行为关系的研究。代替在安静状态下重复刺激的检测反应，一些不相关的探测性刺激在实验者要求被试完成一项任务时重复出现（例如滴答声或灯的闪烁）。研究者感兴趣的是当被试在完成一项任务时，探测性刺激所引发的ERP受到正在进行的任务加工的抑制程度。 研究的假设是，脑只能做好有限数量的同时发生的任务。所以，背景
33、任务越复杂，脑对间断出现的探测性刺激的正常反应就越少。记录不同脑区同时发生的探测性刺激的诱发电位。可以推测，探测性诱发电位的振幅决定于实验中的任务难度，以及参与任务加工脑区的不同。在一项使用这种方法的研究中，在被试完成一项算术作业和一个视空间作业的同时通过耳机呈现探测性声音，这时在左右半球的顶叶和颞叶记录由探测性刺激的ERPs，以决定这两个脑区的参与情况。在所有的情况下，被试看到是同样的一组刺激，它们是与一个完整几何图形相邻着的图形碎片，或里面印着数字的同样的一组图形刺激。在视觉空间操作中，如果图形碎片能构成相邻呈现的完整几何图形，被试就用一只手指的移动来提示。在算术测验中，如果碎片图形里的数
34、字加起来是完整图形内的数字，也要求被试发出同样的提示信号。根据被试所做实验的不同，探测性声音刺激ERP振幅发生了改变。相对于控制条件，在做算术时左颞区的探测性电位明显减弱。而视觉空间任务引起了右顶叶区探测性电位的显著降低。因此，这些结果证明了左半球负责“顺序分析”，如言语和计算，而右半球负责某种视空间加工。此外，这项研究提供了一个很好的实验范例，即在包含相同刺激和相同反应的任务加工中，可以通过改变指导语来有效分离由于心理或智力活动差异所导致的脑功能变化。（四）脑电活动的头皮记录研究的作用到底有多大？许多脑成像研究者已经意识到，EEG是PET，SPECT和fMRI的理想补充，因为当它们一起使用时
35、研究者们既能有高的时间分辨率（通过EEG），又能通过代谢扫描获得高空间分辨。尽管如此，由传统EEG提供的空间细节是如此粗糙，以至于它仅能解释在整体皮层水平上不太明确的功能性解剖。一些实验室试图安放高密度电极进行EEG记录，一方面改善对空间细节的分析处理，同时将记录的这些资料登载在其它的脑结构和功能成像图上，以提高空间分辨能力。 最近几年，Alan Gevins 和他的同事通过在被试整个头皮上放置125个电极，将EEG和诱发反应测量方法提高到一个让人难以置信的新水平。用计算机对重复任务条件下不同阶段记录的所有电极位置EEG变化进行复杂分析，Gevins发现许多与不同认知加工相关的大脑机能区。大多
36、数的发现是基于对多重脑区在刺激、反应和决策过程中互相间的“协变”关系得到的。这些脑区可能是参与对某项任务加工或介入特殊加工阶段的神经网络的一部分。这种研究促进了一些新概念的产生，包括对大脑机能变化交互作用的研究，而不只是简单确认最大机能改变的位置。（在早先PET讨论中，我们讨论过相关任务活动区域的交互作用这一概念）。尽管如此，许多电生理学家认为，头皮记录不足以充分准确分离脑电活动，有必要采用不同技术来考察这种多区域大脑活动的规律。这些思考推动了脑磁图的发展。（五）脑磁图(Magnetoencephalograhy，MEG)真空超导体感应线圈液氦磁通量磁场曲线电流偶极 图3.5 左图示低温超导量
37、子干涉装置的结构和检测到的磁场曲线图与产生源，右图示正在用脑磁图仪对被试进行检查（自Beatty等，1986）。神经活动不仅产生电场，而且产生磁场。最近几年，技术已经能够记录和分离伴随脑特殊区神经活动引起电场所产生的磁场。由单个神经元产生的磁场是很微弱的，但在一定条件下由许多同时激活的神经元所产生的磁场就足够强大，以至于能在头部表面检测到。这种记录叫做脑磁图（MEG），它是EEG的磁配对物。 基于对MEG的检测计算，可以对产生磁场的细胞组织进行三维定位。所以，与EEG相比较，MEG主要的优势是能够更好的定位所记录的脑活动。用特殊的超导线圈捕捉很弱的脑磁场，测量过程通常在密闭的磁屏蔽室内完成。M
38、EG探测器的核心部件是一个被称为超导量子干涉装置（SQUID）的检测器，它浸入在液态氦中。通过移动单个探测器或不同部位使用的复合探测器，MEG可以生成“等位轮廓图形”，即用同心圆图表示磁场的不同强度。通过这种磁场图，能估计出神经元诱发场的三维定位。图3.5和图3.6举例说明了这种设备和“等位轮廓图”。研究者们起初试图使用MEG来替代单独使用的EEG，以便更精确地确定癫痫病患者发作组织产生的电流位置和深度。他们十分成功，如一名患者癫痫发作时的定位精确到被试头皮下10至11毫米的区域。（六）诱发场(Evoked Fields)使用MEG记录对外部刺激的反应，可以通过以类似于早先讨论过的ERP的方法
39、来测量。我们已经知道，一个重复的听觉、躯体觉或视觉刺激是如何产生可测量到的反应或平均EEG波形改变的。同样的刺激也可导致特殊大脑区域磁场的特征性波形，它的定位比ERP的更精确。如由重复滴答声引起的磁场波形源可以更为清楚地定位在每个半球的颞叶听觉皮层。进一步的研究确定了来源于头部同侧或对侧耳刺激有关的半球活动源。在8个被试的右半球记录了对左耳或右耳刺激引起的磁场，将产生源的坐标定位叠加在每个被试头的结构性MRI成像图上。不仅MEG显示每个被试的活动源靠近听觉皮质，也显示同侧或对侧刺激的活动源有所不同，结果提示，右耳和左耳刺激激活了与右听觉皮质邻近而不同的区域。研究者们推测，采用MEG检查人类感觉
40、运动和认知过程的研究是相当准确和适合的。当前，MEG的研究已拓展至基本的生理学研究和更加复杂的心理活动研究。由于技术复杂和设备价格昂贵，多数MEG使用包含7至14通道的12套固定装置，这就限制了可检查的脑区。然而，新的MEG仪器能提供更多的通道，甚至包括覆盖整个头部的一组包含超过100个独立的超导量子干涉装置。这一仪器可更好地研究复杂认知活动中两半球间加工，包括对半球不对称性的检测。三、测量脑功能技术的存在问题使用PET、SPECT和fMRI来测量大脑血流速度和代谢，以及使用EEG和MEG测量脑电活动的研究，都为研究者们考察脑功能与行为之间的关系提供了契机。对于在生理上确认来自脑损伤和正常被试
41、的心理学研究资料中有关脑功能的认识有价值巨大。它们同样也开始对有关大脑功能组织的一些新发现有所贡献，包括半球的差异，而不是以前只从临床上寻找的证据。在任务加工过程中测量脑功能，已经引起了有关半球不对称被夸大的问题。几乎很少有证据来支持这样的观点，即在完成一项特殊任务时全靠一个或另一个半球单独来完成。我们所讨论过的每种测量都显示，甚至在最简单的任务中都是脑许多区域的互相合作。这些发现提醒我们，脑半球的差异只是多种脑组织活动机制之一。可以肯定，半球间存在着机能不对称，但它们很微妙。基于这一事实，我们应该放弃用过于简单化的概念来思考半球的专门化。脑成像研究的局限功能性脑成像已经成为一种作用巨大的研究
42、脑与行为关系的工具。它为在不干预正常或异常脑功能的条件下观察活体脑的图像打开了研究之门。这种似乎是很有可能的，但会受经济财力的限制，也会受到我们提出确当问题和做细致观察的能力的制约。就如一百多年来神经心理研究所预期的那样，最初在屏幕上成功观察到任务加工中参与脑区活动的一些人，很快会预测脑如何产生许多心理活动的“地图”。听到这些，我们也许会担心，人们可能会借助于脑成像来揭露人内心最深处的思想。然而，这只是一种无根据的想法。如同这个研究的领域令人兴奋一样，达到所要求的这种对脑功能成像的预期，在实践上和概念上都有必要克服的局限性。首先，我们必须记住绝大多数的检测示踪物分布的脑成像技术，反映的只是大脑
43、某些代谢的相对水平。被示踪的局部代谢也同样反映的是不同大脑区域活动的量化指标，而并不反映某种心理机能的实际生理机制，也不能代表某项任务或心理活动中脑加工的最大激活区域。脑成像充其量只提供了与某项特定任务发生有关事件的一个粗略的“地图”。 还因该记住，所有的代谢成像只表示在任务加工发生的整个进程中（借助于成像示踪物的分布）的累积或时间平均的“拍快照”。如同我们先前所讨论过的，在当前的PET，SPECT血流速度的扫描中，这段时间间隔至多近似一分钟，而绝大多数其他的PET，SPECT方法要长的多。所以，发生在短时间隙的机能变化被丢失了或平均化了。fMRI的时间分辨率被认为很快，大约5 至20秒。但它
44、相对于神经传导速度和脑电机能变化而言仍十分的慢。脑电图和MEG，虽然对这些快速发生的事件十分敏感，但仍有其他方面的缺点。另外，这里有更严肃的概念性问题，包括功能成像的“加工时间”和给“思想”定位。脑成像试图捕获心理加工操作，用拍快照的形式，或当技术进步时，用系列拍照。这种程序以一种有限的方式对简单的感觉-运动功能，甚至是在一些特殊实验条件下是可行的。然而，它永远也不适合描述与某个人的思想流相关的大脑活动特征，因为脑成像提供给研究者的信息还少，并不足以“解读”出思想。研究者不得不依靠重复许多相同的任务并进行平均，或让许多被试完成相同的实验任务，以便从存在着个体差异的多余信息或“噪音”中分离出某项
45、任务所共同的大脑机能激活。另外，在前面所提到的一项PET研究中，研究者通过相减技术试图直接分离特特定心理操作仍然遇到了不少假设和解释上的困难。一个复杂的心理加工真的是由简单的步骤总和起来的吗？如果增加一个新的“阶段”不会影响先前所发生的加工“阶段”呢？经验真的可以确定开始和结束吗？我们真的不知道什么时候思想开始？又是什么时候结束的？一项心理操作在重复时是否真的会一模一样？最后，所有成像实验都试图了解心理过程的脑机能基础，这自然需要当前心理学理论的指导，也会受研究者如何将心理过程进行成分分析和如何分离这一心理加工过程的指导。心理过程的实际组织作为其基础的大脑活动过程当然不会受到人们对它们概念的指
46、使。尽管我们通常会假设，不管用的心理学和神经成像模式会被放弃，或根据实际经验作出修改，但情况是如此复杂，影响成像的变量是如此之多，以至于我们可能相当容易地找到，或“看到”我们所预期的发现。这也容易坠入“心理学家的谬误”由于一个心理学实验已经限制了出现结果的方向，进而使心理学家有关某种心理效应的观点很容易就得到验证。这些考虑并不意味着怀疑功能性神经成像研究，也不意味着它研究正常或异常脑功能的潜力不大。事实上，功能性神经成像研究应该有助于重新定义一些心理活动的差别通过脑功能联合与分离的发现以一种与传统神经心理研究相似的方式。我们仅希望读者了解一些重要的局限，它们使得用这些新技术研究左右脑的努力面临更多挑战。