我国建成高水平脑成像研究机构

我国建成高水平脑成像研究机构

随着国家大型科学仪器中心——北京磁共振脑成像中心２５日正式挂牌，我国科学家正在脑成像和认知神经科学领域努力建设具有国际水准的研究平台。

通过以功能磁共振成像为代表的脑成像方法，人类第一次可以直接“看到”大脑的认知活动，认知科学有了研究大脑认知和智力的“望远镜”和“显微镜”。脑功能成像领域像高能物理学一样被国际科学界称为“大科学”。近年来，国内外认知神经科学和脑成像技术飞速发展，发达国家在短短数年中建立起成批投资规模以千万美元计的脑成像研究中心。

作为我国认知科学领域和国际接轨的重要举措，北京磁共振脑成像中心是由科技部、中科院和卫生部共同出资２０００万元建立的国家大型科学仪器中心。中心装备了我国第一台专门用于研究的高场强磁共振成像系统，本着“公平、公正、公开、共享”的原则向国内外研究者开放。

中心位于中科院生物物理所内，２００２年２月通过论证后开始建设，２００３年６月对外开放试运行，２００３年１０月通过验收。中心主任陈霖院士说，目前中心磁共振成像系统的成像质量已跻身国际最高水准之列。

据悉，中心还和中科院研究生院等兄弟单位合作建成一个以磁共振成像和高分辨脑电成像相结合、磁共振成像和穿头颅磁刺激定位相结合为特色的脑成像实验环境。和众多国内单位联合实施的２０多项合作研究也已全面展开，课题涉及知觉、注意、记忆、情感、语言等方面。

关于大脑成像

闭上你的眼睛，考虑这样的问题：德国牧羊犬的耳朵是什么形状的?冻豌豆和圣诞树哪一个绿色更深一些?如果将字母 N向右旋转90°，还是英文字母吗?

科学家认为：在寻找这些问题答案的过程中，多数人在心目中构筑一个景象，用意念去“看”它。想出一个景象后再对它进行细微勾勒，然后说出看到了什么。看起来他们在头脑中有一个确切的画面。

但是在大脑中的什么部位形成了这些景象呢?它们又是如何产生的?人们又是如何让这些景色在脑海中活现出来?

通过脑损伤患者及先进的脑成像技术提供的线索，神经学家发现：大脑在视物和想像过程中，实际上使用了相同的途径，只是方法不同而已。

在人类视物过程中，外部世界的刺激通过视网膜到达初级视觉皮质，再传导至高级中枢直到认出物体。在大脑想像的过程中，来自高级中枢的刺激向下传到初级视觉皮质，直到被认知。

这种研究非常有趣。科学家们说，这是他们第一次注意到人类一些特殊能力的生物学基础。就是这些能力使得一些人比其他人更擅长数学、艺术、或驾驶战斗机等。科学家们现在明白，为什么当—个人想像自己像迈克尔·乔丹那样投篮时，真的会提高自己的投篮技术。这一研究认为，臆想出来的事物就跟真正看到的—模—样，至少对于观察者自己的头脑来说是这样。这一发现也引发了人们一系列的疑惑：证人提供的证据还会有效吗?

宾夕法尼亚大学的心理学教授玛莎·法拉博士说：“人们总是怀疑头脑中会有图像。”最近，她又说，这场争论的焦点集中在一个具体的问题上：作为思维的一种形式，大脑影像的原理究竟是语言的抽象符号，还是视觉系统的生物学机制?

法拉博士说，这场生物学论战正日益使得更多的人放弃原有的主张。新发现的理论依据是：思维能力——如记忆、感知、大脑影像、语言、思维等，其根源在于大脑中复杂的潜在结构。因此，头脑中的影像必然具有物质特性，而绝不仅仅是虚无缥缈的抽象概念。

哈佛大学的史蒂芬·凯斯兰博士在大脑影像和视觉系统两个研究领域都成果显著。他说，随着视觉系统研究的飞速发展，大脑影像的研究取得了飞速进步。两个领域的互通有无、互相借鉴，有助于搞清高度复杂的系统的每一细节。

视觉过程不是—个单独的过程，而是将处理视力各个方面的亚系统连结在—起。凯斯兰博士说，为了理解这一原理，我们可以假想看着10英尺外野餐桌上的一个苹果。苹果的光线反射到视网膜，通过神经纤维传到初期“视觉转运站”，称为视觉缓冲器。在这里，苹果的影像照其空间原样被传到大脑组织的表面，并且具有很高的分辨力。

凯斯兰博士说：“你可以把视觉缓冲器认为是一个屏幕。一张图片可以通过照相机或摄像机放映到屏幕上。而你的眼睛相当于照相机，你的记忆则相当于摄像机。”

在这个例子中，苹果的影像展现在屏幕上，视觉缓冲器对景物进行了初步的分析。边缘、轮廓、色彩、景深以及一些其它的特征被一一分析处理，但此时大脑仍不知道看着的是一个苹果。

接下来，这个苹果的鲜明特征被传送到两个更高的亚系统进行分析处理。—般都称作“什么”系统和“哪里”系统。大脑需要将个别苹果的信息与脑中关于苹果已有的记忆和知识联系起来，从而在视觉系统(相当于大脑中的录像带)中搜寻有关知识。

凯斯兰博士说，这个“什么”系统位于大脑的颞叶，含有处理物体的形状和颜色的细胞。有些细胞专门对于各种各样姿态的红色、圆形物体有反应，而不管它的空间位置。那么这个苹果可以是在远处的树上，可以在餐桌上或者在眼前。并且，苹果、皮球或西红柿等均可刺激这些专门针对红色圆形物体的细胞。

“哪里”系统位于大脑的顶叶，该系统的细胞针对物体的不同位置发射信号。当苹果在远处时，一群细胞被激活；而当苹果在近处时，另一群细胞被激活。这样，大脑就有了对物体进行距离定位的方法，并依据它指挥人体的运动。

当“什么”和“哪里”系统的细胞受到刺激时，它们将把各自的信号在—个更高的亚系统合成，这里是被用来储存联想记忆的。这个系统就好比一个储存视觉记忆的文件夹，就像录像带那样，可以随时被查找或激活。

凯斯兰博士说，如果“什么”系统和“哪里”系统的信号在联想记忆中得到匹配，那么你将知道这个物体是苹果，你还将知道它的味道、它的气味、它有籽、它可以做成你最喜爱的苹果饼，还会知道你头脑中储存的其它一切关于苹果的信息。

但是有时候，这种识别在联想记忆层次上还不能实现。由于距离远，餐桌上的红色物体可能是苹果，也可能是西红柿，你不能确定。那么这时就需要另一个层次的分析参与。

凯斯兰博士说，这个最高层次位于大脑的额叶，在这里，大脑制订决策，在大脑中它就相当于录像带中的目录。你在这里寻找关于该影像的特征以便确定它是什么。西红柿有尖形的叶子，苹果有细长的茎。当在这个层次上发现苹果的茎之后，大脑就能够确定视野中的物体是苹果。

然后，信号经过系统发回到视觉缓冲器，苹果就被识别了。值得注意的是，每个视觉区既通过神经纤维向上发送信息，同时也接受从那里反馈回来的信息。两个方向常有大量信息在流动。头脑中的影像是这两种因素共同作用的结果，是精神的刺激活化了这个系统，而不是视觉刺激。这个刺激可以是任何形式，包括记忆、气味、面孔、幻想、歌曲或问题。

凯斯兰博士说：“例如，我请你想像一只猫。”这时脑中猫的形象是以往信息编码输入大脑的形象。“所以，你在联想记忆的录像带中找到了猫。”

当那个亚系统被活化，一个完整的猫的影像就出现在屏幕上，或称做初级视觉皮质的视觉缓冲器上。这是个盗版猫的形象。这种形象在每个人的头脑中各不相同。

“现在我问你另外一个问题，这只猫的爪子是弯曲的吗?”为了得出答案，大脑会转移注意力，回到更高的亚系统，在那里储存着详细的特征。

“你激活了关于弯曲爪子的记录，并且将注意力移到猫的前爪，并把这些特征附上，每一个影像就这样一步步建立起来。”

一个印象越复杂，那么它在视觉缓冲器出现所需的时间就越长，凯斯兰博士说。根据大脑扫描技术——正电子发射体层摄影，凯斯兰博士估计，每附加一项内容，需要75/1000～100/1000秒的时间。

对于想像的物体和场面，视觉系统能够提供非常精确的图像，再现—个真实的世界。“你对臆想的景象进行扫描观察，会有身临其境的感觉。”凯斯兰博士说。

要求一个人想像不同大小的物体，就可以表现出视觉系统的准确再现能力。凯斯兰博士说：“想像一只小蜜蜂，它的头是什么颜色的?”为了回答，人们需要花时间将焦点聚集到蜜峰的头部，才能做出回答。

相反，也可以想像物体溢出视野。凯斯兰博士说：“想像朝着—辆汽车走去，你走得越近它显得越大。终于你看不见汽车，似乎它从你脑海的屏幕上退掉了。”

大脑受损的人其视觉系统常常表现为肩负双重责任。法拉博士说，例如，中风的病人失去了辨别颜色的能力，同时也想像不出颜色。

法拉博士还说，一位女癫痫患者，医生为了减少病症发作而切除了她的左侧枕叶，这使她想像物体的能力发生了显著变化。手术前，她在脑海中估计，自己距离一匹马大约14英尺时马的形象溢出视野；而手术后，她估计该距离变为34英尺。她的脑海影像的区域被减少了一半。

另一位患者的“什么”系统受到损伤，而“哪里”系统完好无损。“如果你让他想像西瓜里面是什么颜色的，他不知道”，法拉博士说，如果你追问，他也许会说是蓝色。但如果你问他新泽西和北卡罗来那哪个州距俄克拉何马更近，他会立刻给出正确答案。

法拉博士说，对于健康人大脑影像的研究也得出类似的结论。当一个人看一个物体，然后想像这个物体时，脑中相同区域被激活。当人们细致地勾划自己的想象时，他们应用了与视觉中使用相同的神经通路。有趣的是，那些自称想像力非常丰富的人，大脑的相关区域的活动确实比普通人更强烈。

科学家说，在日常生活中，人们常常运用想像力唤起记忆中的信息，进行推理和学习新的技巧。事实证明，想像力能够激发创造力。当爱因斯坦想像追逐一束光线并赶上光速时，他第一次想到了相对论。

想像力能够提高运动技能。当你看到一个杰出的运动员做出特殊的动作，你会注意他(她)是如何做的，并且你用那些信息来为你自己的肌肉制定程序。基本上，大脑的“哪里”系统也运用同样的影像，来指导实际的运动和想像中的运动。这样，实际参加运动时考虑想像中的这些影像信号，并将其运用到实际运动中。

关于脑海影像系统的各组成部分，每个人都显示出很大的差异性。这有利于解释人为什么有的具有天赋，有的偏爱某些方面。凯斯兰博士说，比如，战斗机驾驶员能够瞬间就想像出复杂物体旋转的样子，但许多人完成这种想像需要较长的一段时间。

在目前正在进行的一项研究中，凯斯兰博士等人利用新的仪器，对数学家和艺术家的大脑进行了测试，结果显示这些人大脑的连接网络都存在生物学差异。那么一个擅长几何的人的大脑与一个擅长代数的人是否相同?他们正在这方面努力探索。

新的研究引出了一个哲学难题，即人们容易将臆想和真实相混淆，继而引发了人们对证词的质疑和对记忆本身的疑虑。

凯斯兰说：“在视觉感知中，当你只看到画面的一部分时，你会以为看到了完整的物体。如果你期望看见的是一个苹果，那么各种信息片断就会驱驶整个系统在你的视觉缓冲器上产生苹果的印象。”换句话说，你过于控制自己的思维，以致你从记忆库调出了有关苹果的录像带进行播放。

这样，人们在可能被自己脑海中的印象所欺骗。试想，当你看到一个店员惊恐万状，有个人站在他的面前，这时你会猜想这里正在发生一场抢劫。天很黑并且这人的手在黑暗中。因为你料想会看到一支枪，所以你的思维被诱导，从而启动了记忆系统中关于枪的记录，尽管他的手上并没有枪。对于大脑而言，它看到了枪，但那是虚幻。

幸好，视觉输入的信号要比由想象产生的信号更清晰。但在漆黑的夜里，有些时候，人们容易被自己的大脑所欺骗。

令人惊奇的是，人们并不经常混淆现实和想像，马西娅·约翰逊博士说。约翰逊博士是普林斯顿的心理学家，她通过实验可以证明使人发誓认为自己看见了什么或听到了什么，而实际上并不存在。她说，总的来说，想像较模糊，没有现实的记忆清楚。人们通过事物可能性大小，来区分真实的记忆与想像。

脑科学研究对早期教育有什么启示

我非常荣幸能有机会参加新东方这次家庭教育研究与指导中心成立的发布会，由于时间关系，我直接切入话题，我讲座的题目是“脑科学研究对儿童早期教育的启示”。

其实脑科学的研究涉及到三方面内容：怎么样理解脑？怎么样保护脑？怎么样开发脑？早期教育的体制涉及到早期教育的两个部分：一个是正常儿童早期教育，另一个是特殊儿童早期教育，也就是残疾儿童，当然特殊儿童也包括残疾儿童、超常儿童和有行为和情绪问题的儿童，当然也涉及到非早期教育的一些其他问题。

我谈两方面问题：一个是脑科学目前在研究方面主要缺哪些成果？也就是对人脑奥秘的解读达到哪一种水平；第二个问题，脑科学为早期教育提供了哪些启示。

大家知道人成为万物之灵最重要特点是因为人有聪明的大脑，离开聪明大脑，我们和动物没有很多区别，神奇无比的大脑也就使人成为万物之灵，对脑科学研究应该说是国际性课题，中国从1999年香山会议以后也开始逐步进行脑科学研究，有这方面研究条件的研究所、研究院和大学基本上都开展了这方面的研究，华东师大在这方面的研究主要集中在特殊儿童脑科学研究方面。

脑科学研究到现在为止，人们想解开心智的秘密，实际上离这个距离非常远，也就是说我们刚刚从一个黑箱走到灰箱。

但是人们对人脑的奥秘这种科学研究已经有很长的历史，成为许多科学家追求的目的，主要范围有三点：理解脑、保护脑、开发脑。

我们不是借助于神经科学研究，我们的着眼点除了物质能量和信息以外，我们关心人脑的信息活动，人脑的活动之所以几十年来成为一个研究的焦点，主要是研究手段的改进，尤其是脑功能成像，能在不破坏脑的情况下进行这方面的研究，原来的研究多半都是静态的，在脑不发生功能情况下进行研究，由于这样一些条件，我们开始能够了解到人的动作中枢、语言中枢、视觉中枢在什么地方。

从1968年到2004年，关于脑功能研究论文数目急速上升，我们学校从去年开始装3T脑功能研究设备，我个人负责自闭症儿童脑功能研究。

脑功能成像研究，听到一个词，被动的看到一个词，或者什么都没有做，脑子里想到的一个词，内部研讨都可以从脑功能里做出一些区别。

从这些研究里面，我们首先肯定了一点，人脑是种系进化的结果，人之所以那么聪明，不是一代、两代形成的，而是种系长期进化的过程，经过六百多万年脊椎动物脑的进化，尤其额叶的发展，尤其是额叶前部。

值得注意的是种系比较中得出来的结论并不能简单的推而广之。

第一是种系的发展，进化，另外就是个性的发展，对我们来说，种系的发展是无能为力的，谁也没有办法改变几百万年怎么样进化，这是事后才知道的，而脑的个体发展，是我们人在一生过程中多少能够控制的一个部分，我们的研究落实到这方面更有意义。

整个的生长发育，是以遗传信息为基础的自我建构过程，教育学上有一个永恒的命题，就是遗传和环境之间的关系，有机体还是以遗传信息为基础，同时又在环境的熏陶下不断的进行自我构建，比如10月怀胎，完成了个体种系发展从单细胞到高级哺乳动物经历了10亿年这一历程。

基因是控制生命遗传特征的最基本的单位，人类基因组计划是生命科学史上最伟大的工程之一。

对我们的教育来说，母亲怀孕的最后三个月，与婴儿出生后的头两年被称为大脑发育的加速期，成人大脑一半以上的重量是这段时间获得的，从母亲怀孕的第7个月开始到1岁生日期间，大脑每天增加1.7克，或者每分钟增加重量1毫克多。

上个月我们还跟上海精神病院开了一个联席会议，随着医学的发展，很多低体重儿、早产儿基本上都能救活，死亡率降的非常非常低，我说死亡率降的越来越低，你有成就感，我们增加了很多特教对象，当然了，最近在教育部起草特殊教育12年发展规划时我谈到人其实是从特殊教育开始从特殊教育结束，最早时候很多东西都没有达到正常水平，但是到一定时候又离开了正常水平。

脑到底是由什么东西构成呢？由脑细胞、神经元构成，脑神经细胞分为神经元和神经胶质细胞，每个神经元每秒钟可以传递250-2500个神经冲动，每个神经冲动以不同的组合形式在神经纤维中传输成“编码”，前20年时还不知道大脑怎么研究，希望通过用电脑模拟研究，现在发现人脑跟电脑操作方法完全不一样，这种模拟非常有限，但是也给我们提供了很多启示。

陈根：绘制婴儿大脑地图，为科技医疗提供研究进路

文/陈根

不论是脑机接口，还是人工智能，归根结底，都离不开脑科学的支撑。事实上，脑机接口和人工智能始于脑科学，也受脑科学发展的局限。因此，对于人脑的研究显得至关重要。

近日，英国科学家和工程师团队展示了一种对婴幼儿大脑进行成像的新技术。 这一突破希望能让研究人员在不需要昂贵的核磁共振成像机的情况下，有新的方法来研究自然环境中的婴儿大脑活动 。

用传统的神经影像学方法研究清醒婴儿的大脑皮质功能是一项极具挑战性的工作。这是因为，婴儿通常非常活跃，由于他们一直移动，且很容易分心，而使用核磁共振成像这样的技术，受试者必须完全保持静止，这对清醒的婴儿来说几乎是不可能的。

为了应对这一挑战，功能性近红外光谱（fNIRS）在发育神经科学中越来越普遍，但其在分辨率、空间特异性和工效学等方面都有很大的局限性 。此外，与典型的fNIRS方法相比，高密度近红外光源和探测器阵列在空间分辨率和特异性方面有了显著提高。

然而，大多数现有的fNIRS设备只允许获得约20-100个稀疏分布的fNIRS信道，增加光电二极管的数量带来了重大的机械挑战，尤其是对于婴儿应用。

而在此次研究中，新一代可穿戴、模块化、高密度漫反射光学层析成像（HD-DOT）技术则克服了传统的、基于光纤和低密度fNIRS测量的局限性。 在这项新技术发展的推动下，研究人员利用可穿戴HD-DOT进行了第一项婴儿大脑研究 。

其中，可穿戴HD-DOT系统被称为LUMO，测试的原型来自UCL的衍生公司Gowerlabs。帽上的每个六边形包含三个LED光源和四个传感器。近红外光用于检测大脑氧合的变化。 这些氧合变化显示了大脑中正忙于处理信息的区域，这意味着研究小组第一次能够在核磁共振扫描仪之外创建婴儿大脑活动的高质量三维图像 。

通过这些变化，研究人员可以有效地绘制出大脑哪些部位正在积极工作的实时地图 。这也为各个领域的研究人员更多地了解 健康 婴儿大脑的发育情况提供了技术途径，不仅是人工智能的脑科学研究，更对关于脑类疾病建立疾病诊断、监测和最终治疗提供了新的方法。

这项新研究发表在《NeuroImage》杂志上。

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