脑成像技术——21世纪的“读心术”

文/胡 理 罗 层 陈 军 

 



试想一下,如果我能用一种技术,不“掀开”你的头盖骨,也不用你说话,就可以窥探到你的真实想法,是不是很刺激、很神秘?!21世纪的“读心术”——脑成像技术或许可以做到这样。
通常我们会问别人:“你猜我在想什么?”实际上,我们就是想知道对方能否窥探到自己的想法。由此可见,人们历来对读心术有着无比高涨的热情。然而,窥探别人的内心世界并非易事。嘴巴会说谎,眼神会骗人,其他身体动作也会掩饰我们的真实想法。庆幸的是,现代脑成像技术这种“读心术”的运用有望让我们的内心世界表露无遗——揭示我们的内心到底在“想”什么。

“读心术”的历史渊源
“读心术”一词由来已久,我国古人称之为“观人术”。《论语·公冶长》:“今吾于人也,听其言而观其行。”意思是,要了解一个人,不仅要听他说的话,还要观察他的行为。《论语·为政》:“视其所以,观其所由,察其所安,人焉哉?人焉哉?”意思是,只要考察一个人行为的动机、行动的经过以及平时的所作所为,这个人就没什么可藏匿的了。
这是我国心理学的原始面貌,也是普通人用来了解别人的方法。换言之,“读心术”就是根据人们在社交中的面部表情、身体姿态、声调以及语言等方面的表现去揣摩人们的真实意图的一种方法。
在“听其言、观其行”的基础上,21世纪的“读心术”有望实现“察其心”,即运用脑成像技术精确探测我们内心的真实想法。现代脑成像技术于19世纪末初具雏形。1929年德国神经学家汉斯·贝格尔首次成功测量到人在休息时头皮上微弱的电信号,即脑电图(EEG)。随后,英国生理学家艾德里安和马修斯于1934年观察并证实了贝格尔的发现,从此开启了脑科学研究的脑电时代。
20世纪60年代,科学家首次记录到人在执行任务时的脑电活动,即事件相关电位,为研究人的内心世界提供了一个新的窗口。在同时期,美国物理学家戴维·科恩等人首次记录到人脑神经活动伴随的磁场变化,即脑磁图(MEG)。脑电图和脑磁图均具有极高的时间分辨率,能在毫秒级的时间窗口探测人脑的神经活动。
20世纪70年代,另一项具有里程碑意义的技术——磁共振成像技术得以发明。1990年,美国贝尔实验室的日裔科学家小川诚二发现了磁共振可用于实时测量脑部供氧量,在此基础上发明了功能磁共振成像技术(fMRI)。该技术具有极高的空间分辨率,能够精确定位脑神经活动的区域,在脑科学研究中具有划时代的意义。同在20世纪70年代,另一项重要的脑成像技术,即正电子发射断层成像技术(PET)也被发明。与功能磁共振成像技术相同,该技术也能在毫米级的精度上定位人脑的神经活动。

“读心术”的特点与应用
脑成像技术各有其优缺点,应用场合也不尽相同。

1. 脑电图
脑电图通过精密的电子仪器,探测头皮上的大脑神经活动所产生的电位,并将其成千上万倍地放大,从而实现对人脑神经活动及其功能的实时监测。从脑电图中提取的事件相关电位是特定的物理事件或心理事件所诱发的脑神经活动电位。通过有意地赋予事件以特殊的心理意义,所记录的事件相关电位能反映人脑的认知过程,即人的内心世界。
因为脑电图具有无创、可重复测量和高时间分辨率等优点,所以近年来,研究人员,尤其是心理学家,对该技术青睐有加。随着对各类心理事件所产生的脑神经电活动的深入了解,研究人员已经可以通过分析脑电图或事件相关电位来研究人的智力、情绪、个性、思维品质等心理特征。例如,在对犯罪案件的处理中,调查人员通过考察与案件相关的脑电位变化(如,嫌疑人所看见的图片刺激,与存储在他大脑中的犯罪细节部分相吻合时,大脑就会产生一种异常的脑电图反应),来判断嫌疑人是否与案件有关。

2. 脑磁图
脑磁图通过超导量子干涉设备来测量人脑神经活动时所产生的微弱的磁信号。脑磁图是一种完全无侵袭、无损伤的脑功能检测技术。由于脑磁信号不受容积传导和颅骨薄厚等个体差异的影响,所以脑磁图的定位精度远好于脑电图。该技术是实现复杂心理活动的实时脑定位的一种更为有效的脑成像技术。
目前,脑磁图已广泛应用于脑神经科学、精神病学和心理学等方面的研究。例如,脑磁图可以用于精确探测癫痫病灶的位置与活动,时间分辨率为毫秒级,与磁共振成像技术融合后,空间分辨率为毫米级。在航天员、飞行员或从事特殊职业者等人群的体检中,脑磁图可用于检测可能存在的癫痫,为被检人的病史提供客观依据。

3. 功能磁共振成像技术
功能磁共振成像技术通过测量磁共振信号来量化血氧饱和度和血流量的变化,这种变化间接反映了人脑神经活动所伴随的能量消耗,可用于研究人脑和神经系统的功能。该技术的突出优点包括无损伤、无辐射、可重复测量和高空间分辨率。因此,功能磁共振成像技术广泛用于感知觉、思维、语言和情绪等认知神经科学研究。
例如,富有同情心的人在看到他人疼痛时会产生生理和情感的多重反应,即我们常说的“感同身受”。心理学家运用功能磁共振成像技术考察受试者在观看他人疼痛图片时大脑的神经活动,发现疼痛相关脑区的活动明显增加。该结果证实了人类感知他人疼痛的能力,这种能力帮助人类更好地团结起来,面对各种困难和挑战。
4. 正电子发射断层扫描技术
正电子发射断层扫描技术通过检测被注入或吸入的放射性物质衰变时产生的伽马射线,并计算发出伽马射线的脑区,从而实现脑功能成像。正电子发射断层扫描技术具有灵敏度高、特异性强、全身显像、安全性好等特点。
该技术广泛应用于智力、网络成瘾和情绪等方面的研究。例如,科学家利用它对智力进行研究时发现,高智力的人在思考问题或执行任务时大脑消耗的能量更低,因为这些人在分配精力时,不是耗尽心力“全面撒网”,而是集中精力“重点打捞”,所以省时更省力。

“读心”有望成为现实
随着脑成像技术的飞速发展,大脑这个“黑匣子”的奥秘必将被解开,让“读心”成为可能。
当然,真正实现“读心”这一目标,研究人员还面临诸多挑战。我们知道,人脑有上百亿个神经元,且每个神经元通过成千上万个突触与其他神经元相连,形成超级庞大的神经元回路。这个复杂的系统并不仅仅取决于内因(即决定人脑结构和功能的基因),而且受诸多外界环境因素(如教育、文化、宗教信仰等)的影响。因此,“读心”的基础——人脑的认知神经机制还有待进一步深入研究与探讨。因此,现代脑成像技术还有很长的路需要走,而“读心”也显然不是一蹴而就的事情。
近年来,美国、欧盟、日本等相继推出了各自的脑计划,以研究脑和神经系统的工作原理和机制。为了回应西方发达国家在这一领域的强势出击,中国脑计划也在紧锣密鼓地筹备。杨雄里院士在《为中国脑计划呐喊》一文中详细阐述了中国脑计划的宏远规划:在认识到脑科学研究重要性的基础上,中国的脑计划将以认识脑认知原理(认识脑)为主体,以类脑计算与脑机智能(模仿脑)和脑重大疾病诊治(保护脑)为两翼。在可持续发展的构思下,中国脑计划有望得到长足发展,引领国际前沿,最终实现“读心”这一伟大壮举。
试想有一天,我们躺在床上,在脑海里集中注意力思考最爱的那家餐厅的食物,在大脑中订餐,脑成像设备就能精确解读我们的心思。半小时后,我们就能收到所订的午餐。这一天,绝不会太遥远!

(本文作者胡理为中国科学院心理研究所教授,罗层为第四军医大学神经生物学教研室教授,陈军为第四军医大学唐都医院疼痛生物医学研究所所长、教授)

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