在过去的几百年里，当科学家们努力理解我们头骨中惊人处理能力的来源时，他们采用了许多基于当时熟悉技术的隐喻。大脑曾被认为是液压机（18世纪）、机械计算器（19世纪）和电子计算机（20世纪）。
今天，在21世纪初期，我们又有了另一种隐喻，它是由当前技术的能力驱动的——这次是来自现代大脑扫描的彩色图像。例如，进化心理学家将大脑概念化为瑞士军刀，其中包含一系列专门的模块，这些模块进化出来是为了解决我们进化历史中的特定问题，例如用于交流的语言、用于区分朋友和敌人的面部识别、用于防止搭便车的欺骗检测、用于提高个人或群体成功几率的冒险行为，甚至还有上帝来解释世界，并在来世的想法中找到个人幸福。许多神经科学家都采用了模块隐喻来描述大脑的特定区域“用于 X”，其中 X 是在机器扫描他们的大脑时给予受试者的任何任务。此类任务可能包括选择他们喜欢的品牌标识（例如，可口可乐或百事可乐）或他们会投票的政治候选人（保守派或自由派）。
科学家们经常使用诸如此类的隐喻作为理解和解释复杂过程的辅助手段，但这种做法必然会过度简化物理世界错综复杂和微妙的现实。事实证明，我们在大脑图像中看到的那些彩色斑点的作用并不像我们一直被引导相信的那样明确。“没有封装的模块，只是将信息发送到中央处理器，”加州大学圣地亚哥分校的哲学家帕特里夏·S·丘奇兰德宣称。“确实存在专业化领域，也可能存在网络——但这些并非总是专门用于特定任务。”
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功能性磁共振成像等技术帮助科学获得了新的见解，但过度依赖它们的使用也呈现出大脑运作的过于简化，有时甚至是误导性的图景。即使是本杂志，其重点是解释大脑和行为，也经常依赖这些简化的隐喻[参见 David Dobbs 的“事实还是颅相学？”；大众科学-心智，第 16 卷，第 1 期，2005 年]。
所以，让我解释一下这些图像实际上可以和不能显示什么，方法是仔细看看 fMRI（可能是最常被吹捧的成像技术）的功能和操作。在您阅读完本文后，您将能够以怀疑的眼光更好地评估您未来在媒体头条新闻中遇到的任何大脑研究。以下是大脑扫描的五个缺陷
1. 不自然的认知环境。
我参观了加州大学洛杉矶分校神经科学家罗素·波德拉克的实验室，并安排在他的 MRI 机器内扫描我的大脑。扫描仪通常重约 12 吨，成本约为 250 万美元（不包括安装、培训和维护，这可能会使典型账单再增加 100 万美元）。一开始我就意识到，在那个棺材状的管子里是多么不自然的环境。事实上，实验甚至还没有开始，我就不得不退出了。我突然患上了幽闭恐惧症，这是我以前从未经历过的问题。我并不孤单。波德拉克说，多达 20% 的受试者也受到类似的影响。由于并非所有人都能在被挤在管子里时保持相对放松，因此 fMRI 研究受到选择偏差的影响；受试者样本不可能完全随机，因此不能说它能公平地代表所有大脑。
一个人被塞进狭窄的管子里，他的头部也被泡沫楔子牢牢地固定在头部线圈内（绰号“笼子”），以在实验开始前减少头部运动（这会使图像模糊）。MRI 扫描仪每两秒钟拍摄一张大脑照片，同时受试者观看图像或做出选择（通过按下护目镜上的小屏幕上的按钮）。
因此，当您阅读关于受试者在购物时扫描大脑的流行报道时，请记住他们并没有戴着头盔在沃尔玛里走来走去。远非如此。
2. 扫描是对大脑活动的间接测量。
人们经常阅读关于 fMRI 研究的流行报道，描述大脑在思考金钱、性或上帝或其他任何事物时如何“亮起来”。以下是 MRI 机器在您思考时真正做的事情。扫描仪是一个大型电磁圆柱体，由氦冷却的超导线构成，可产生强大的磁场。这些磁场的强度是地球磁场的 25,000 到 80,000 倍。它们非常强大，受试者必须在进入屏蔽区域之前移除所有金属物品。（被 MRI 机器拉动的飞行金属物体已经造成人员死亡。）装有心脏起搏器或金属植入物的患者甚至无法进入房间，房间本身也用钢材进行了严密加固，并使用了隔音技术来降低磁铁工作时产生的震耳欲聋的噪音。
当一个人在管子里时，他或她组织中的一些原子会与磁场对齐。只有大约百万分之一的原子会如此对齐，但这个数字已经足够了，因为人体内大约有七千万亿（一千个四千万亿，或一千个万亿）个原子；总数相当于大约 600 万亿个原子在一个 2x2x5 毫米的组织立方体中——足够扫描仪读取。这些原子核中的质子在旋转，并且像旋转的陀螺一样，它们也会进动（或摆动，旋转轴由此扫出一个圆锥）。质子进动的频率（轴扫出一个圆锥一次所需的时间，称为共振频率）取决于磁场的强度，磁场的强度沿管的长度而变化。这种“梯度”在头部末端略高，导致那里的质子以略微不同的频率进动。为了生成图像，机器会传输特定的无线电波频率，这会激发质子以匹配磁场引起的共振频率。这种激发实际上会使它们对齐方向向侧面倾斜。随着时间的推移（毫秒），这些质子会重新与主磁场对齐，并且在此过程中，它们会释放一些能量。机器测量的就是这种能量，以创建图像。
3. 颜色夸大了大脑中的效果。
大脑图片上点缀着轮廓分明的彩色区域，这极具误导性，因为它们暗示了轮廓分明的处理模块（模块隐喻），而实际上神经活动可能分布在更松散定义的网络中。以下是 fMRI 如何产生可能导致这种人为模块化的数据。作为一个基本原则，科学家们一致认为，大脑特定区域血流量和氧合水平的变化表明神经活动增强。当神经元活跃时，它们会消耗更多的氧气，这些氧气是从附近毛细血管中红细胞中的血红蛋白中提取出来的；大脑通过发送更多氧气来响应这种对氧气增加的需求——并且由于尚未完全理解的原因，它实际上发送的量超过了需要的量。神经活动和血流变化之间存在大约五秒的延迟，这导致活性大脑区域中含氧血红蛋白的相对浓度存在差异。由于血红蛋白中的铁对磁性敏感，因此有氧和无氧血细胞之间存在可测量的磁性差异，MRI 扫描仪会测量这些差异。
着色是人为的，而对区域进行着色的过程更具误导性，正如丘奇兰德所说：“活动水平的差异很小。您可以通过将这些差异涂成红色并减去其他所有内容来使这些差异看起来很大，因此它给人一种夸大的印象。”强调什么的选择也具有误导性。“以扣带核为例，这是一个处理冲突的区域，”丘奇兰德补充道。“你可以通过向受试者展示一张比如希拉里·克林顿的照片来让它做出反应。但扣带核也做了 57 件其他事情。”
最后，当我在扫描仪内询问她让受试者接触各种刺激时，丘奇兰德带着部分恼怒惊呼：“问题在于，大脑的大部分活动不是刺激驱动的，而是自发的，我们不知道为什么有这么多活动以及它在做什么。”换句话说，大脑的许多区域在不同的处理任务中持续活跃，正确地将它们区分开来是一项需要仔细实验设计的挑战。
4. 大脑图像是统计汇编。
在给定的实验中，扫描仪仅每两秒钟拍摄快速大脑活动的照片，每个扫描周期（可能持续 15 分钟到 2 小时）会产生数百到数千张图像。实验结束后，研究人员会对头部运动以及不同大脑中大脑大小和结构位置的微小差异进行校正。科学家们将所有单独的图像相互对齐，然后组合数据并取实验中受试者的平均值。他们使用额外的统计软件将原始数据转换为图像，并校正其他可能的干扰变量，例如认知任务，这些任务产生的大脑神经活动变化速度快于 MRI 实际测量的血流变化。
下次您看到其中一张彩色大脑扫描图，箭头指向某个位置并说“这是你的大脑在 X 上的状态”时，请记住所有这些背景知识。该图像通常不代表任何一个人的大脑。它是对整个受试者群体进行的统计计算，并使用人工颜色渲染，以突出显示对给定任务或实验条件做出一致反应的位置。
5. 大脑区域因各种原因而激活。
波德拉克承认，解释 fMRI 扫描既是一门科学，也是一门艺术。“很容易看到其中一个点并说，‘这是你的大脑中 X 发生的地方，’而实际上，该区域可能在参与各种任务时都会亮起来，”他解释道。“以右前额叶皮层为例，当您执行几乎任何困难的任务时，它都会亮起来。一种思考方式是根据网络而不是模块。当您思考金钱时，会有一个由几个不同区域组成的网络，这些区域以特定的方式相互交流。因此，前额叶皮层可能参与许多不同的任务。但在与其他大脑网络交流时，当参与某个特定任务（例如思考金钱）时，它会变得活跃。”要区分这些差异，需要跨任务谱进行相对比较。某些实验与 fMRI 特别有效，因为决策提供了任务之间的对比，从而为神经科学家提供了比较依据。
关于研究表明大脑的理性部分与情感部分存在差异，例如大脑更深层和更古老部分中的“情感低速公路”和大脑皮层区域中的“理性高速公路”呢？“确实存在理性和情感的思维方式，”波德拉克说。但“事实证明，它们彼此之间互动很多。”杏仁核是通常与处理恐惧反应相关的区域，也会因唤醒和积极情绪而激活：“如果我让你处于恐惧状态，你的杏仁核就会亮起来。但这并不意味着每次你的杏仁核亮起来时，你都在体验恐惧。每个大脑区域都在许多不同的状态下亮起来。我们只是没有数据来告诉我们一个区域的选择性活动有多强。”
网络，而非模块
许多相互连接的神经网络在某些情况下可能是局部化的并捆绑成类似模块的单元，但在大多数方面，它们最好被描述为分散在大脑的裂缝之上、之下或之中。“分布式智能”的隐喻（有时用于描述万维网的力量）比模块隐喻更符合大脑中任务的网络分布。
当然，有些区域专门用于某些类型的处理，例如大脑后部的视觉皮层和左额叶的语言区布罗卡区。粗略地说，理性和理性发生在皮层区域，而情感和非理性则在边缘系统中体验。
然而，正如许多神经科学家现在认为的那样，“神经网络”的隐喻优于心理模块的隐喻。后者迫使我们将大脑视为为一种功能而非其他功能而专门化的封装器官的拼凑物，而前者更准确地反映了现代神经科学告诉我们认知过程中实际发生的事情。诸如 fMRI 之类的大脑扫描技术将继续为我们的隐喻理论生成大量数据——只要我们的怀疑网络保持活跃，我们就应该能够更好地将神经网络及其伴随的功能映射到我们的行为景观中。
注意：本文最初的标题为“为什么要对大脑扫描持怀疑态度”。