2005年1月中旬一个阴沉的日子里，时任哈佛大学校长劳伦斯·萨默斯提出，男性和女性大脑的先天差异可能是导致科学领域女性相对稀少的一个因素。他的言论重新点燃了一场已经酝酿了一个世纪的辩论，自从一些科学家评估男女大脑后，开始利用他们的主要发现——女性大脑往往较小——来支持女性在智力上不如男性的观点。
迄今为止，没有人发现任何证据表明解剖学上的差异可能导致女性无法在数学、物理或工程学领域取得学术上的杰出成就 [参见第11页的方框]。而且，男女大脑在许多方面已被证明非常相似。然而，在过去的十年左右，研究人员记录了男性和女性大脑中惊人的一系列结构、化学和功能差异。
这些不平等不仅仅是可能解释为什么男性比女性更喜欢《三个臭皮匠》的有趣的特质。它们提出了我们可能需要为多种疾病开发性别特异性治疗方法的可能性，包括抑郁症、成瘾、精神分裂症和创伤后应激障碍 (PTSD)。此外，这些差异暗示，研究大脑结构和功能的研究人员在分析数据时必须考虑到受试者的性别，并在未来的研究中纳入女性和男性，否则可能会获得误导性的结果。
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塑造大脑
不久前，神经科学家认为大脑中的性别差异主要局限于负责交配行为的区域。在 1966 年《大众科学》一篇题为“大脑中的性别差异”的文章中，斯坦福大学的西摩·莱文描述了性激素如何帮助指导大鼠不同的生殖行为——雄性进行爬跨，雌性弓起背部并抬起臀部以吸引追求者。莱文在他的综述中只提到了一个大脑区域：下丘脑，这是大脑底部的一个小结构，参与调节激素产生和控制基本行为，如饮食、饮水和性行为。一代神经科学家成熟起来，他们认为“大脑中的性别差异”主要指的是交配行为、性激素和下丘脑。
然而，这种观点现在已被大量研究结果推翻，这些研究结果突出了性别对认知和行为许多领域的影响，包括记忆、情感、视觉、听觉、面孔处理以及大脑对压力激素的反应。过去十年中，复杂的非侵入性成像技术（如正电子发射断层扫描 (PET) 和功能性磁共振成像 (fMRI)）的日益普及加速了这一进展，这些技术可以窥视活体受试者的大脑。
这些成像实验表明，解剖学上的变异发生在整个大脑的各个区域。例如，哈佛医学院的吉尔·M·戈尔茨坦和她的同事使用 MRI 测量了许多皮质和皮质下区域的大小。除其他外，这些研究人员发现，女性额叶皮质的部分区域（许多高级认知功能的所在地）比男性更庞大，边缘皮质的部分区域也是如此，边缘皮质与情绪反应有关。另一方面，在男性中，顶叶皮质的部分区域（与空间知觉有关）比女性更大，杏仁核也是如此，杏仁核是一个杏仁状结构，对情绪激起的信息做出反应——对任何让心脏怦怦直跳和肾上腺素飙升的事物做出反应。这些大小差异，以及整篇文章中提到的其他差异，都是相对的：它们指的是结构相对于大脑总体积的总体积。
大脑结构大小的差异通常被认为反映了它们对动物的相对重要性。例如，灵长类动物比嗅觉更依赖视觉；对于大鼠来说，情况恰恰相反。因此，灵长类动物的大脑维持着比例上更大的视觉区域，而大鼠则将更多空间用于嗅觉。因此，男性和女性之间广泛存在的解剖学差异表明，性别确实会影响大脑的工作方式。
其他研究正在细胞水平上发现解剖学上的性别差异。例如，麦克马斯特大学的桑德拉·威特尔森和她的同事发现，女性在与语言处理和理解相关的颞叶皮质部分中拥有更高的神经元密度。在计数尸检样本中的神经元时，研究人员发现，在皮质中存在的六层中，有两层显示女性每单位体积的神经元比男性更多。随后报告了额叶的类似发现。掌握了这些信息，神经科学家现在可以探索神经元数量的性别差异是否与认知能力的差异相关——例如，检查女性听觉皮质密度的增加是否与女性在语言流畅性测试中的增强表现有关。
这种解剖学上的多样性可能很大程度上是由浸泡胎儿大脑的性激素活动引起的。这些类固醇有助于指导大脑在发育过程中的组织和连接，并影响各个区域的结构和神经元密度。有趣的是，戈尔茨坦发现男性和女性之间存在差异的大脑区域是动物在发育过程中含有最多性激素受体的区域。成人大脑区域大小与子宫内性类固醇作用之间的这种相关性表明，至少一些认知功能上的性别差异并非源于文化影响或与青春期相关的激素变化——它们是与生俱来的。
先天倾向
几项有趣的行為研究进一步证明，大脑中的一些性别差异在婴儿出生前就已产生。多年来，许多研究人员已经证明，在选择玩具时，小男孩和小女孩会分道扬镳。男孩倾向于选择球或玩具汽车，而女孩更典型地会选择洋娃娃。但没有人能真正说清楚这些偏好是由文化还是由先天的大脑生物学决定的。
为了解决这个问题，当时在伦敦城市大学的梅丽莎·海恩斯和德克萨斯A&M大学的格里安·M·亚历山大求助于猴子，我们最亲近的动物表亲之一。研究人员向一群绿猴展示了一系列玩具，包括布娃娃、卡车和一些中性物品，如图画书。他们发现，雄性猴子花更多时间玩“男性化”玩具，而雌性猴子花更多时间与女孩通常喜欢的玩具互动。两性都花相同的时间摆弄图画书和其他中性玩具。
由于绿猴不太可能受到人类文化社会压力的影响，因此结果表明，儿童的玩具偏好至少部分源于先天的生物学差异。这种分歧，以及大脑中所有解剖学上的性别差异，大概是进化过程中选择压力的结果。就玩具研究而言，男性——无论是人类还是灵长类动物——都喜欢可以穿梭于空间并促进粗暴游戏的玩具。似乎可以合理地推测，这些品质可能与狩猎和获得配偶有用的行为有关。同样，人们也可以假设，另一方面，女性选择玩具是为了培养她们将来有一天需要用来养育幼崽的技能。
西蒙·巴伦-科恩和他在剑桥大学的同事采取了一种不同但同样具有创造性的方法来解决关于性别差异的先天与后天影响。许多研究人员已经描述了男性和女性婴儿在“以人为中心”方面的差异。例如，巴伦-科恩和他当时的学生斯维特拉娜·卢奇玛雅发现，一岁的女孩比同龄男孩花更多的时间看着她们的母亲。当给这些婴儿展示电影选择时，女孩会更长时间地观看面部电影，而男孩则倾向于观看以汽车为主题的电影。
当然，这些偏好可能归因于成人对待或玩弄男孩和女孩的方式的差异。为了消除这种可能性，巴伦-科恩和他的学生们更进一步。他们带着摄像机来到产科病房，检查仅出生一天的婴儿的偏好。婴儿要么看到一位友好的女学生的脸，要么看到一个与女学生的脸的颜色、大小和形状相匹配的移动物体，并且包括她面部特征的混乱组合。为了避免任何偏见，实验人员在测试期间并不知道每个婴儿的性别。当他们观看录像带时，他们发现女孩花更多时间看学生，而男孩花更多时间看机械物体。这种社会兴趣的差异在出生第一天就很明显——再次暗示我们带着一些内在的认知性别差异来到这个世界。
压力之下
在许多情况下，大脑化学和结构上的性别差异会影响男性和女性如何应对环境或对压力事件做出反应并记住压力事件。以杏仁核为例。戈尔茨坦和其他人已经报道，男性的杏仁核比女性更大。在大鼠中，该区域的神经元在雄性中比在雌性中形成更多的相互连接。
为了评估男性和女性的杏仁核对压力的反应是否不同，德国马格德堡奥托·冯·格里克大学的卡塔琳娜·布劳恩和她的同事短暂地将一窝八齿鼠幼崽从它们的母亲身边移开。对于这些群居的南美啮齿动物（像草原犬鼠一样生活在大型群体中），即使是暂时的分离也可能非常令人不安。然后，研究人员测量了各个大脑区域中血清素受体的浓度。血清素是一种神经递质或信号传递分子，是介导情绪行为的关键。（例如，百忧解通过增加血清素功能来起作用。）
工作人员允许幼崽在分离期间听到它们母亲的叫声，发现这种听觉输入增加了雄性杏仁核中血清素受体的浓度，但降低了雌性中相同受体的浓度。虽然很难从这项研究推断到人类行为，但结果暗示，如果类似的事情发生在儿童身上，分离焦虑可能会对男性和女性婴儿的情绪健康产生不同的影响。如果我们想了解例如为什么焦虑症在女孩中比在男孩中更普遍，就必须进行这样的实验。
现在已知在性别上存在解剖学差异且对压力的反应也存在差异的另一个大脑区域是海马体，海马体对于记忆存储和物理环境的空间映射至关重要。成像一致表明，女性的海马体比男性更大。这些解剖学上的差异很可能与男性和女性导航方式的差异有关。许多研究表明，男性更倾向于通过估计空间和方向上的距离（“航位推算”）来导航，而女性更倾向于通过监测地标来导航。有趣的是，大鼠也存在类似的性别差异。雄性大鼠更倾向于使用方向和位置信息来导航迷宫，而雌性大鼠更倾向于使用可用的地标来导航相同的迷宫。
即使是海马体中的神经元，在男性和女性中的行为也不同，至少在它们对学习经历的反应方式上是如此。例如，伊利诺伊大学的珍妮丝·M·尤拉什卡和她的同事已经证明，将大鼠放置在“丰富环境”中——充满玩具和同类啮齿动物以促进社交互动的笼子——对雄性和雌性大鼠海马体神经元的结构产生不同的影响。在雌性中，这种经历增强了细胞树突树分支的“茂密性”——树突树是从其他神经细胞接收信号的许多臂状结构。这种变化大概反映了神经元连接的增加，而神经元连接的增加被认为与记忆的形成有关。然而，在雄性中，复杂环境要么对树突树没有影响，要么稍微修剪了它们。
压力的益处？
但雄性大鼠有时在面对压力时学得更好。罗格斯大学的特蕾西·J·肖尔斯和她的合作者发现，短暂暴露于一系列一秒钟的尾部电击会增强雄性大鼠对一项学习任务的表现，并增加树突连接到其他神经元的密度，但会损害雌性大鼠的表现并降低连接密度。诸如此类的发现具有有趣的社会意义。我们越深入了解不同性别之间学习的大脑机制有何不同，我们就越可能需要考虑男孩和女孩的最佳学习环境可能存在哪些差异。
虽然雌性大鼠的海马体可能在应对急性压力时表现出下降，但在面对慢性压力时，它似乎比雄性大鼠的海马体更具弹性。亚利桑那州立大学的谢丽尔·D·康拉德和她的同事将大鼠限制在一个网状笼子里六个小时——这种情况让啮齿动物感到不安。然后，研究人员评估了啮齿动物海马体神经元对神经毒素杀伤的脆弱程度——这是衡量压力对这些细胞影响的标准方法。他们注意到，慢性限制使雄性大鼠的海马体细胞更容易受到毒素的影响，但对雌性大鼠的脆弱性没有影响。这些发现和其他发现表明，就大脑损伤而言，女性可能比男性更能耐受慢性压力。
扩展关于大脑如何处理和记住压力事件的工作，我和我的同事发现男性和女性在形成情绪激动事件的记忆方面存在对比——动物研究表明，这个过程涉及杏仁核的激活。在我们对人类受试者的第一个实验中，我们向志愿者展示了一系列图形暴力的影片，同时我们使用 PET 测量他们的大脑活动。几周后，我们对他们进行了测验，看看他们记住了什么。
我们发现他们能回忆起的令人不安的影片的数量与他们在观看过程中杏仁核的活跃程度相关。我们实验室和其他实验室随后的工作证实了这一普遍发现。但后来我注意到一些奇怪的事情。在一些研究中，杏仁核激活仅涉及右半球，而在另一些研究中，杏仁核激活仅涉及左半球。那时我意识到，右杏仁核被点亮的实验只涉及男性；左杏仁核被点亮的实验涉及女性。从那时起，随后的三项研究——我们小组的两项研究和约翰·加布里埃利和图汉·坎利（当时都在斯坦福大学）及其合作者的研究——证实了男性和女性大脑处理情绪记忆方式的这种差异。
认识到男性和女性的大脑以不同的方式将相同的情绪激动材料处理成记忆，这让我们想知道这种差异可能意味着什么。为了解决这个问题，我们求助于一个世纪前的理论，该理论指出右半球偏向于处理情境的中心方面，而左半球倾向于参与更精细的细节。我们推断，如果这种概念是真的，那么一种抑制杏仁核活动的药物应该会损害男性回忆情绪故事要点的能力（通过阻碍右杏仁核），但应该会阻碍女性想起精确细节的能力（通过阻碍左杏仁核）。
普萘洛尔就是这样一种药物。这种所谓的β受体阻滞剂可以抑制肾上腺素及其同类去甲肾上腺素的活性，从而抑制杏仁核的激活并削弱对情绪激动记忆的回忆。我们在男性和女性观看一段关于一个年轻男孩和他母亲一起散步时遭遇可怕事故的幻灯片放映之前，给他们服用了这种药物。一周后，我们测试了他们的记忆力。结果表明，普萘洛尔使男性更难记住故事的更全面的方面或要点——例如，男孩被汽车撞倒了。在女性中，普萘洛尔的作用相反，损害了她们对周边细节的记忆——例如，男孩当时拿着一个足球。
在最近的调查中，我们发现我们可以几乎立即检测到两性对情绪材料反应的半球差异。志愿者在看到情绪上令人不快的照片后，会在 300 毫秒内做出反应——这种反应在记录大脑电活动的尖峰中显示出来。我们与意大利拉奎拉大学的安东内拉·加斯巴里和其他人一起发现，在男性中，这种快速尖峰（称为 P300 反应）在右半球记录时更为夸张；在女性中，当在左半球记录时，它更大。因此，大脑处理情绪图像的方式中与性别相关的半球差异在 300 毫秒内就开始出现——远远早于人们有太多（如果有的话）机会有意识地解释他们所看到的东西。
这些发现可能对 PTSD 的治疗产生影响。德国路德维希-马克西米利安大学的古斯塔夫·谢林和他的同事之前的研究已经确定，当作为重症监护病房常规疗法的一部分给药时，普萘洛尔等药物可以减少对创伤性情况的记忆。在我们的发现的提示下，他们发现，至少在这样的病房中，β受体阻滞剂可以减少女性对创伤性事件的记忆，但在男性中则不然。因此，即使在重症监护中，医生在开药时也可能需要考虑患者的性别。
性别与精神障碍
PTSD 并不是唯一一种在女性和男性中表现不同的心理障碍。麦吉尔大学的米尔科·迪克西克和他的同事进行的一项 PET 研究表明，男性的血清素生成平均比女性高出惊人的 52%，这可能有助于阐明为什么女性更容易患抑郁症——抑郁症通常使用增加血清素浓度的药物治疗。
类似的情况可能在成瘾中普遍存在。在这种情况下，有问题的神经递质是多巴胺——一种与滥用药物相关的快感有关的化学物质。密歇根大学的吉尔·B·贝克尔和她的同事在研究大鼠时发现，在雌性中，雌激素会促进大脑中对调节寻药行为很重要的区域释放多巴胺。此外，这种激素具有持久的影响，使雌性大鼠在最后一次接受该药物后数周内更可能继续寻求可卡因。这种易感性的差异——特别是对可卡因和苯丙胺等兴奋剂的易感性——可以解释为什么女性可能更容易受到这些药物的影响，以及为什么她们比男性更容易从最初使用发展到依赖。
精神分裂症某些潜在的大脑异常在男性和女性中也似乎有所不同。宾夕法尼亚大学的鲁本·古尔、拉克尔·古尔和他们的同事多年来一直在调查与性别相关的大脑解剖结构和功能差异。在一个项目中，他们测量了与情绪调节有关的眶额叶皮质的大小，并将其与更多地与产生情绪反应有关的杏仁核的大小进行了比较。研究人员发现，女性的眶额叶-杏仁核比率 (OAR) 显著高于男性。从这些发现中可以推测，女性平均而言可能更能够控制自己的情绪反应。
在额外的实验中，研究人员发现，这种平衡在精神分裂症中似乎发生了改变，但在男性和女性中并不完全相同。患有精神分裂症的女性的 OAR 相对于她们健康的同龄人有所降低，这可能是预期的。但奇怪的是，男性的 OAR 相对于健康的男性有所增加。这些发现仍然令人费解，但至少它们暗示精神分裂症在男性和女性中是一种有些不同的疾病，并且对该疾病的有效治疗可能需要根据患者的性别量身定制。
在 2001 年关于人类健康性别差异的综合报告中，著名的美国国家科学院断言“性别很重要。性别，即男性或女性，是一个重要的基本人类变量，在设计和分析生物医学和健康相关研究的所有领域和所有级别的研究时都应予以考虑。”
神经科学家距离识别大脑中所有与性别相关的变异并查明它们对认知和脑相关疾病倾向的影响还很遥远。然而，迄今为止进行的研究无疑表明，差异远远超出了下丘脑和交配行为。研究人员和临床医生并不总是清楚在破译性别对大脑、行为和药物反应的全部影响方面如何最好地前进。但是越来越多的人现在同意，回到假设我们可以评估一种性别并同样了解两种性别不再是一种选择。