如何测量大脑结构 - 从影帝的文章说起

    2011年奥斯卡奖已经过去很久了,但有一个话题还被人津津乐道,那就是奥斯卡奖的学术范儿。最佳女主角Natalie Portman早在2002年在哈佛心理系读书时就曾发表过关于婴儿前额叶皮层参与物体恒存性的文章。而最佳男主角Colin Firth刚刚在四月的Current Biology上发表了了一篇关于政治倾向与大脑结构关系的学术论文。这篇文章发表在生物学顶级期刊,主题也很抓眼球,值得仔细介绍一下。
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从颅相学说起
    扯远一点,人们逐渐意识到大脑是产生思维的器官后,就试图测量大脑与心理活动的关系。一个早期的尝试就是19世纪风靡欧洲的颅相学。颅相学认为思维由一系列不同的功能组成,不同的功能对应着不同的大脑结构。但受到技术的限制,当时能测量的只有颅骨的形状。德国医生Gall将颅骨的凹凸与不同的心理功能联系在一起,这就是所谓颅相学。
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颅相学
    现在看来,颅相学认为大脑特定区域负责特定心理过程的思路是正确的。但由于测量手段太粗糙,却过度解释了测量结果,最终走向了伪科学。另一方面,当时对心理过程的理解有限,颅相学所要定位的复杂人格成分,现在认为是分布在大脑的各个区域协作完成的。要想精确大脑结构负责的心理功能,还需要将心理现象分解成更精细的、相对独立的过程。

磁共振成像
    直到20世纪八九十年代,技术的进步才使得精确测量大脑结构成为可能。其中最有代表性的就是CT与磁共振 (MRI)技术的成熟。与常见的CT图像类似,MRI可以成像分辨率大约1毫米的三维大脑结构。而且MRI不使用放射线,应用更安全。
    如何测量大脑呢?人的大脑皮层折叠卷曲在一起,看上去沟壑丛生。早期解剖大脑,人们通常只是测量沟回的角度和宽度等等。但对于MRI的三维图像,就可以用计算建模的方法测量。
    首先根据灰度将整个大脑分割成灰质、白质、脑脊液等组织。这样,每一个体素 (体积像素)上的值就代表了这一位置灰质的密度。因为每个大脑的形状都有差异,所以接下来需要把每个人的灰质密度图标准化到一个通用的模板上。在标准化的过程中,某些区域可能被压缩,这一区域的值就相应增加;而某些区域可能被拉伸,相应体素的值就减小。这样每个体素的值也反映了体积的信息。
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左:原始MRI图像;中,分割后的灰质密度图像;右标准化后的灰质体积图像。
    有了一组人的大脑灰质“体积”图像,如果再测量了这批人的心理指标,就可以考察两者之间的联系了。如上面所提到的,灰质体积图像的每一个体素代表了这一位置的灰质“体积”。在每一个体素上用灰质体积与心理指标做相关,就不仅可以知道心理指标是否与大脑结构相关,而且还可以看具体哪个大脑区域与心理活动相关。
    比如,一个人空间位置感的高低与哪个脑结构有关呢?心理学家对比了伦敦的出租车司机与普通人的大脑结构。结果发现与空间记忆及导航有关的海马体存在结构差别。出租车司机有着更大的海马体。这也验证了长期经验会导致相应大脑结构的持久性变化的观点。

大脑结构?
    虽然相比于拿皮尺量头围已经精确了很多,但这种基于体素的形态学分析究竟反映了什么大脑结构还是经常受到怀疑。在目前常用的分辨率下,一个体素包含了超过1,000,000个神经元。因此所谓的灰质体积,既可能反映微观的神经元的数量、体积或髓鞘化程度,也可能反映了宏观的皮层折叠程度。而且一些研究发现,形态学测量的结果也不一定是持久的稳定变化。比如女性海马体和基底神经节的体积会随着月经周期而波动。
    和所有脑成像研究类似,基于体素的形态学分析无法直接测量大脑结构,因此在作为科学证据时并不是很“硬”。这种方法通常只能验证已知功能的脑区是否与某个心理活动有关,但如果得到某心理活动与一个完全无法解释的区域相关,人们更有可能怀疑是分析方法出错了。
    正因为如此,大多数脑成像研究都关注于比较简单的心理活动,比如运动加工、奖赏加工等等。而对于一些高级的社会认知,通常认为牵扯的加工过程多,涉及到多个脑区的协作。在心理学没有搞清楚内部加工过程时,很难找到特定的神经相关,就比如人的政治倾向。虽然在政治心理学是个热门问题,但通常认为倾向自由和保守是个复杂的过程,很难想象可以将其还原到大脑的某一个脑区。

政治倾向与脑结构
    直到2007年,纽约大学的一组心理学家用脑电发现了自由倾向和保守倾向被试在神经活动上的差别。当人在意识到自己犯了错误之后,脑电波中会出现一个负波,即错误相关负波。行为研究已经发现保守倾向者作决策时更结构化,更固执,而自由倾向者曾更能容忍模糊性和复杂性,有更好的开放性。脑电的结果表明了保守倾向的人的错误相关负波更小,也就是他们对错误不敏感,可能因此就表现得更固执、保守。
Amodio
上图显示了自由倾向的人有比保守倾向的人更大的错误相关负波;下图
显示错误相关负波的源定位在扣带回。图片来自Amodio et al., (2007)
    错误相关负波来源于大脑中一个叫前扣带回的结构,它对错误的敏感性决定了一个人是倾向于自由还是保守。那么这种敏感性是否是由脑结构决定的呢?这就是影帝这篇文章的研究假设来源。他与伦敦大学学院的神经科学家Kanai和Rees讨论了想法,并由后者实施了实验。他们用前面讲过的形态学方法统计了90名大学生的大脑灰质体积。结果发现与政治倾向相关的脑区正包含了前扣带回 (另一个是与知觉威胁有关的杏仁核)。如果一个人前扣带回的灰质体积更大,那么他就越可能倾向自由主义。
Kanai
自由主义者有更大的扣带回体积 (图片来自 Kanai et al., 2011)。

    发现大脑结构的差异要比仅仅神经活动的差异更进一步,但仍然很难说是由于遗传造成的大脑结构差异再导致了政治倾向,还是后天的发育的影响了大脑结构和政治倾向。另外,如果人为改变前扣带回的敏感性 (比如用药物,酒精等),是否会影响人们的自由/保守倾向?形态学的分析只是发现一个联系,更多有趣的问题,还需要更深入的研究来解答。

Kanai R, Feilden T, Firth C, & Rees G (2011). Political orientations are correlated with brain structure in young adults. Current biology : CB, 21 (8), 677-80 PMID: 21474316

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