Never

    高考刚过，现在又是广大大中小学生期末考试的时候了。考试是一件很痛苦的事，特别是在中国，人们总是把脑力劳动变成体力劳动。所谓体力劳动，就是重复的、机械的记忆大量无意义的内容。而我最近无意发现一篇论文，高强度的准备考试，竟然会改变学生的大脑结构。     这是一组德国科学家在2006年做的研究。研究设计很简单，就是拉来准备德国医学考试的学生分别在考前3个月、考试后1-2天以及考试后3个月进行大脑磁共振扫描。研究者扫描的并不是反映脑功能的BOLD图像，而只是反映大脑结构的T1像。对于MRI图像，研究者可以把每个被试的图像分割成灰质、白质和脑脊液，然后用形态学分析方法计算大脑中每个位置的灰质密度。这样研究者就可以比较这组被试在不同考试阶段的脑结构的变化。     下图左显示了被试在考试后灰质体积显著大于考试前的区域，主要分布在后部和外侧顶叶皮层。如右图所示，这些区域的灰质体积在3个月的复习后会显著增加，而在另外三个月没有复习的阶段灰质体积保持不变。这一结果有一点出乎意料，因为研究者的假设是高强度学习会改变与记忆有关的海马。不过也有证据表明后部顶叶皮层也与陈述性记忆有关。     三个月的复习就会改变大脑结构，这还是挺让人惊讶的。不知道这种结构的改变是否有极限。我想要研究这个问题，中国的高中生应该是最好的样本了。高中生的整个高中阶段就是为一个一个的期末考试以及最后的高考准备。那么高中生的大脑结构会在每次考试后达到顶点然后下降波动，还是会像登台阶一样一直上升，还是在某一时刻就达到了平台？不管做出什么样的结果，都还是蛮有趣的。     最后还有一个想法，就是应该研究一下读了PhD (博士)后大脑结构的变化。我猜测肯定能做出结果，这样就可以为永久性脑损伤 (Permanent Head Damage)假说提供证据支持了 :) Draganski, B., Gaser, C., Kempermann, G., Kuhn, H.G., Georg, H., Winkler, J., Büchel, C., & May, A (2006). Temporal and Spatial Dynami...

    我们理解别人的行动与情绪，依赖于所谓镜像神经元 ( wiki )。镜像神经元最早在猴子的电生理研究中被发现，即这一组神经元既在猴子完成某一动作时发放，也在观察别人完成同一动作时发放。当前的理论认为镜像神经元会对他人执行的动作产生共振，从而帮助理解对方的行为。由于技术限制，共振理论一直只是推测，不过最近PNAS上的一篇文章巧妙的记录了执行动作与理解动作的两个大脑，并找到了支持共振理论的证据。     研究者让12对情侣在MRI机器中完成猜词游戏。就是一方通过手部动作描述一个动作或物体，比如骑车、电话，另一方猜出是什么词。因为MRI机器的局限，两个人不能同时扫描。所以一个人先到机器里做7个词语的动作，被录像。随后另一个人进入机器中看录像猜词语，然后再做7个动作给对方猜。如此反复。虽然执行动作和猜动作不是同时进行，但可以根据录像的时间将两个人的神经信号放在一起进行分析，以检验是否大脑中存在同步。     研究者使用Granger causality来研究执行动作和和猜动作者大脑活动的相互关系。与预期相同，结果发现执行动作的大脑中的镜像神经元区域的神经活动可以引起猜词者大脑中镜像神经元区域的共振，而相反则没有。这一结果第一次在两个大脑之间发现了共振的关系。     不过这边文章选择情侣作为被试，似乎混淆了很多因素，比如两人对某一共同事件的回忆或者卷入了情感信息。这限制了研究的可推广性。如果选择两个完全不相关的人完成同样的任务，可能会使结果的解释更纯粹一些。不管怎样，这篇文章告诉我们，所谓心灵相通，就是大脑的同步。:) Schippers, M., Roebroeck, A., Renken, R., Nanetti, L., & Keysers, C. (2010). Mapping the information flow from one brain to another during gestural communication Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.1001791107

    今天李淼老师在他的 博客 上介绍了Benford定律。所谓Benford定律就是指从以1开头的数字到以9开头的数字，数字出现的频率以指数的衰减的规律。我一开始没太注意，但阿饭很激动。我本来不太相信，正好写论文写的无聊，就用Google验证了一下。我分别搜索了11, 21, 31, ..., 91这九个数字，以Google返回的结果数作为指标。下面是结果：     下面是归一化的结果，11的出现频率占了整个结果的33.2%, 而91只占了2.7%。我没有做函数拟合，但看起来还是符合指数衰减的。这个结果实际上已经可以回答阿饭的问题了，因为Google搜索结果可以作为词频的估计 (详见 这里 )，而词频可以影响人的加工速度已经是很确定的结论了。     当然，作为一个严谨的blogger，我还做了对照。下面是用Google搜索11, 12, 13, ..., 19 这九个数字的结果。这次并没有出现指数衰减，9个数字的频率差不多。这是为什么，其实我也没太搞清楚...

    股市会受到天气的影响？听起来荒诞，但其实挺靠谱的。这里首先要搞明白两个关系。第一是股市不仅受客观经济规律的影响，而且还会受到心理作用的影响。人们投资并不会完全理性的将自己的利益最大化，而常常会受到非理性因素的影响，其中情绪是很重要的一方面。第二是人们的情绪会显著受到天气的影响，晴天会高兴，雨天会抑郁，刮风会烦躁。将这两点关联起来，就可以推测天气也许会影响股市的走势。      Improbable Research 介绍了台湾学者的一个研究，证实了刮风会影响股市的收益。作者研究了欧洲18个国家1994年到2004年的股市走势与天气的影响。作者发现了风速与股市回报的显著负相关，即风越大则股市表现越差。而晴天对股市却没有什么影响，这说明风对人们心情的影响比阳光要大。不管怎样，这个研究告诉广大股民们，不要看股评了，看天气预报也许更靠谱。 Shu, H., & Hung, M. (2009). Effect of wind on stock market returns: evidence from European markets Applied Financial Economics, 19 (11), 893-904 DOI: 10.1080/09603100802243766

之前提到Ten simple rules for dynamic causal modeling这篇文章，最近因为要处理数据所以仔细看了一下。文章提到了很具体的操作建议，而且对一些常见疑问进行了回答。下面是我的笔记。 1 DCM的因果关系不只来源于观测信号的先后关系，还和模型的设置有关系 (主要是外部输入信号)。 2 使用DCM模型主要是为了做两类推测。推测模型空间vs.推测具体的模型参数。 3 DCM没有给出模型与数据的拟合性指标。即使整体拟合程度不好，仍然可以比较哪一个模型更好一些。 4 即使目的是估计一两个具体的模型参数，第一步仍然要做模型选择bayesian model selection。 5 DCM模型最适合估计连通性受实验操纵的改变 (modulatory effect)。 6 连接强度的改变可能源于膜兴奋性改变 (membrane exitability)或突触可塑性的改变。 7 所有的模型都是错的，但是有些是有用的“Essentially, all models are wrong, but some are useful.”-Box 8 要系统的定义模型空间。 9 模型选择的组分析。FFX假设每个被试的最佳模型是相同的；RFT每个被试的模型可能是不同的。 10 不同数据的模型不能用BMS比较。因此对于fMRI来说，区域数量不同的模型是不能比较的，因为观测数据就是区域的时间序列。但对于EEG/MEG，可以通过对比找到最合适的源。 11 对具体参数进行组分析需要注意多重比较校正。 12 优化fMRI实验的策略同样适用于DCM。但DCM最适用于参数设计，最好可以区分driving effect和modulatory effect。 13 扫描不同层信号的采集时间不同，但1s范围内的时间差别是可以忍受的。因此，TA最好限制在2s以内，并且用中间层作为分析的参照。基于上面的原因，最好采用升序或降序采集，而不是interleaved采集。 14 DTI纤维束可以作为DCM模型中连接的先验知识。解剖连接的发育会限制effective connectivity，但并不是完全决定effective connectivity。 15 计算模型的参数也可以用来建模DCM，比如prediction error。 &rft St...

绘画是二维平面的艺术，如何在二维平面中表现出超出二维的信息 (如立体感)，是绘画创作中的一个挑战性的问题 (纯外行，有错请拍砖)。除了空间感，另一个重要的维度就是时间。因此如何在绘画中表现动态感，也是一个很有意思的问题。我对绘画艺术不在行，但是还是看到过一些让我印象深刻的作品，比如法国画家杜尚的《下楼梯的裸女》 (右图)。这幅画用错乱的线条，将每一帧下楼梯的动作定格在画面上，从而展现出整个下楼梯的动态过程。不过说实话，我一直觉得创作这样作品的艺术家可能有某类精神疾病，比如李献计的差时症？ 在东方绘画中有一种截然不同的表达方法，比如日本画家葛饰北斋 (Katsushika Hokusai)的一组 北斋漫画 (Hokusai Manga)。北斋漫画是包含3000多幅木版画的漫画集，内容覆盖很多方面。其中一些人物图像以一种不稳定的姿势表现，如下图左侧的人物。画者通过这种极其不稳定的、挑战地心引力姿势来创造强烈的运动感觉。 人脑看到这样的图片会有什么反应呢？最近，日本京都大学的研究者研究了人们在观看北斋漫画时的大脑活动。被试躺在磁共振机器 (MRI)里观看不同类型的漫画图片，同时进行fMRI扫描。漫画分三种类型：第一类是处于不稳定姿势的人物图片，第二类是静止的人物图片，最后一类是静止的物体。通过对比在观看这三类图片大脑活动的差异，研究者发现，被试在观看带有运动信息的图片时会显著激活与运动加工相关的MT区。 这个结果其实并不奇怪，因为早就有研究发现蕴含运动信息的照片会激活MT区。不过对于人为创作的绘画作品来说，如何表现运动信息，表现的程度如何，也许可以通过脑成像的方法来验证。也许这门学科可以称之为艺术认知神经科学吧:) Osaka, N., Matsuyoshi, D., Ikeda, T., & Osaka, M. (2010). Implied motion because of instability in Hokusai Manga activates the human motion-sensitive extrastriate visual cortex: an fMRI study of the impact of visual art NeuroReport, 21 (4), 264-267 DOI: 10.1097/WNR.0b...

网格细胞 (grid cell)的发现，为我们理解大脑中如何表征空间位置提供了很直接的证据。2005年，一组挪威科学家在Nature上最先报道了大鼠脑中网格细胞的存在。研究者让大鼠在1平米左右的空间内自由活动，同时记录大鼠内嗅皮层 (entorhinal cortex)内神经元的发放模式。其中有一类很有意思，当大鼠走到环境中特定位置时神经元会激活，而且引起神经元发放的位置在空间中呈规则的形状排列。如下图所示，黑色或红色的线代表老鼠运动的轨迹，红色线表示网格细胞激活的位置。在整个空间中，网格细胞发放的点成规则的等边三角形排列，使整个空间成六边形蜂窝状。这个发现第一次揭示了老鼠大脑中对外部环境空间的表征方式。 图片来自 这里 那么人类脑中是否存在网格细胞呢？对于人来说研究网格细胞有两个困难。第一，无法对人进行单细胞记录，要记录活体人类的大脑神经活动，目前最好的办法只能是fMRI。但以fMRI的分辨率只能记录成千上万神经元的集合。第二，MRI扫描需要被试躺在机器里保持静止，被试根本无法在空间自由走动。 图片来自  这里 不过最近英国伦敦大学学院 (UCL)的一组科学家巧妙的用fMRI发现了支持人类存在网格细胞的证据。首先研究者采用虚拟现实技术，给被试呈现如上图一样的场景。被试可以操作键盘在场景中走来走去，同时完成一些任务。因为fMRI只能记录神经元群的活动，因此研究者先研究了大鼠脑中网格细胞神经元群的活动特性。因为不同网格细胞对环境中的不同位置起反应，从而可以对整个环境的不同位置进行编码，因此记录一群细胞是无法区分单个细胞所编码的网格位置。但是，对于同一只老鼠的不同网格细胞，网格朝向角度是相同的。进一步研究者还发现，网格细胞群的活动还受运动方向的调制。如果运动方向与网格朝向一致，则神经活动更高。最后，网格细胞的发放还受到运动速度的调制。运动速度越快，网格细胞群的网格性就越强。根据这三个属性，就可以用fMRI验证网格细胞的是否存在。 对于每个被试来说，网格细胞的朝向是不一样的。因此研究者首先用用结构像定义内嗅皮层，然后找到对某一运动方向相应最强的方向。实际上，内嗅皮层区域的激活在以60度为间隔的六个方向上激活最强，而且激活强度还受到运动速度的调制。随后再用新的一批数据，在全脑中寻找激活水平受到运动方向调制的区域，结果在全脑范围内只找到了内嗅皮层的...

植物人状态是受到严重脑外伤昏迷后，虽然苏醒但仍然没有意识的状态 ( Vegetative State, VS )。比植物人状态稍轻微一点的状态是最小意识状态 ( minimally conscious state, MCS )。在最小意识状态，病人偶尔会显示出对外界刺激的反应，但这种反应并不一致。在临床上对病人意识状态的诊断通常只能通过病人的行为反应进行判断，比如病人是否会对外界刺激进行反应。这就可能出现一个很可悲的状况，如果一个病人存在意识，但是丧失了运动能力，他同样无法对医生的刺激进行反应。这时我们仍然得把病人归类为植物人状态或最小意识状态。很多病人的家属会固执的认为病人还存在意识，可以理解自己的话，因此会坐在床边一直与病人说话。在琼瑶阿姨的电视剧中，这时镜头一转，就会发现病人眼角一行眼泪流下~ 眼泪是不靠谱的，不过有fMRI，我们可能读到藏在植物人脑中的意识。早在2006年，Owen等就在Science上就报告了一个惊人的发现。研究者对一名因车祸而成为植物人的病人进行fMRI扫描。同时，研究者让病人进行两种想象任务：一种与运动相关，想象自己打网球的动作；另一种与空间相关，想象自己在家中行走。结果病人在运动想象任务中激活了辅助运动皮层 (SMA)，而在空间想象任务中激活了海马旁回 (PPA)。这种激活模式与正常被试进行相同想象任务的激活模式是一致的。从而提供了很强的证据，表明这名女病人可以理解研究者的话，并与研究者合作完成了想象任务。虽然可能因为运动功能的丧失导致病人无法与研究者交流，但病人的某些大脑活动是正常的。 (病人在完成运动想象和空间想象任务时的激活模式与正常人很相似，图片来自Owen et al., 2006) 在这个病人之后的3年里，这个研究小组又扫描了54名植物人病人或最小意识状态病人。研究者都让病人完成这两类运动想象和空间想象任务。在这54名病人中，有5名病人显示出了可靠的辅助运动皮层或海马旁回的激活。 接下来，研究者又有了一个天才的想法。如果病人可以成功的主动操控大脑内两个区域的兴奋水平，那么也许可以通过监控这两个区域的激活水平来与病人交流。研究者选取了一名大脑活动响应最可靠的病人，让病人回答一系列问题。问题与病人生活有关，病人只要回答是/否就可以，比如“你父亲的名字是Alexander么？”同时，研究者告诉被试，如果答案是...

fMRI虽说是目前研究人类脑功能的空间分辨率最高的技术，但通常分辨率只是3mm×3mm×5mm，即几毫米的尺度。因此通常只能定位某一个脑区，而很难定位皮层上的某一层、或某一功能柱。最近发现一些小组试图用fMRI观察视皮层的特定一层的激活，感觉还是蛮有趣的。 上图是MRI图像得到的人类视皮层结构像。其中灰色的是灰质 (GM)，即皮层，白色为白质 (WM)，黑色为脑脊液 (CSF)。皮层分为六层，每层有不同种类的细胞，分别负责传入、传出或者水平联系。研究者让被试观察闪烁的棋盘格，同时计算沿皮层表面切线方向上的信号激活情况。结果如下图： 从左到右，分别是白质、灰质和脑脊液。可以看到，看到闪烁的棋盘格后，白质没有激活，灰质显示出了激活，而脑脊液中的激活最大。但脑脊液的激活是由于血管效应的影响，如果去除血管的影响，则脑脊液的激活就会降低。最有意思的结果是，在皮层的激活中，第4层产生了最高的激活。 从图中可以看到，整个皮层的厚度为2.25mm，而本研究中fMRI扫描的分辨率为0.75mm×0.75mm×0.75mm。看起来结果还不错。但想想整个第4层就是1个像素的宽度，这种分辨率在实际中应用可能还是很困难的。 文章中一个让我惊讶的结果是，由于血管效应的影响，使得脑脊液中的激活最大，甚至远远大于皮层第4层的激活。在通常fMRI的分辨率下，这些区域可能都混合在一个像素中，那得到的效应究竟是什么，鬼才知道... Koopmans, P., Barth, M., & Norris, D. (2010). Layer-specific BOLD activation in human V1 Human Brain Mapping DOI: 10.1002/hbm.20936

认知神经科学研究的一个热门问题就是欺骗和测谎的问题。功能磁共振的研究已经发现了在人在说谎时会显著激活前额叶皮层和前扣带回。一些实验室中的功能磁共振测谎研究报告的准确率能达到88%到99%。但是功能磁共振研究的局限是，只能得到相关的结果，即人在说谎的同时会前额叶皮层会激活。但解释可以是双向的，前额叶皮层既可能负责生成谎言，也可能是说谎后产生的内疚感造成的前额叶皮层的激活。要想得到因果推论，最好的办法是通过外部刺激激活或抑制某个大脑区域的活动，再观察刺激后被试的行为反应。 Cerebral Cortex这篇文章使用的是一种叫 透颅直流电刺激 (Transcranial direct current stimulation, tDCS)的方法刺激大脑活动。电刺激的方法是比较简单的，头皮上接上电极，通上1mA左右微弱的直流电即可。电流刺激通过改变神经元发放频率来控制神经区域的活动。通常来说，正性电流会增加神经活动，而负性电流会抑制神经活动。 在实验中，实验者让被试扮演小偷的角色，在实验的房间中偷走20欧元，随后接受实验者的审问。审问的方法采用犯罪知识测验 (Guilty Knowledge Test, GKT)。测试的场景与很多国外影片中的场景类似。被试身上贴满了电极，同时回答一系列与犯罪有关的问题，被试只能进行“是”或“否”的回答。比如，“你偷的钱包是红色的么？”问题可能是真的，也可能是假的。如果是无辜者，他将不知道问题是否正确。如果被试在判断与犯罪相关问题时生理响应显著大于无关问题，则说明被试了解犯罪的情况。被试被告知如果能够欺骗审问者，被试将会得到所偷的20欧元。因此在实验中，被试会选择在某些问题上说谎，以达到欺骗审问者的目的。 被试的右侧前额叶连接了电极，电刺激可能是正性、负性或是没有电流的控制条件。结果发现只有在负性电刺激时，被试说谎的比率会升高。同时，负性电刺激后说谎的反应时会变快，皮肤电导并不增加，而负罪感也会降低。而正性电刺激后的行为反应与控制条件没有差别。前额叶皮层被认为是与社会情感判断有关。因为在实验情境中，被试遇到了利益与道德的权衡，因此使用负性电刺激抑制了前额叶皮层的兴奋，可能会损坏被试的情感判断，以致增加了反社会行为。 目前比较流行的刺激大脑活动的方法是透颅磁刺激 (Transcranial magnetic stimula...