小宝宝以斯拉坐在他母亲的腿上，以一个对世界仍感到新鲜的人的惊奇表情盯着电脑屏幕。这个五个月大的宝宝的目光停留在一些图片上：三个跳舞的女人，四个黑色的圆圈，然后是一个随机物体中的脸。以斯拉全神贯注地研究着屏幕——尽管时不时地，他的注意力会游走。他发出咕噜咕噜的声音，片刻之后，又发出一阵短促的哭声。他正在嚼着袜子。
在屏幕下方，一个盒子正将红外光照射到他的角膜上，然后捕捉并处理反射光，以计算出他目光的方向。在窗帘后面，博士后詹纳斯·贝古姆·阿里正在她的监视器上检查传入的数据。这是伦敦大学伯克贝克学院婴儿实验室一项复杂实验的一部分，旨在了解人类思维的早期发展。这里的科学家将在未来两年半的随访中密切监测以斯拉的大脑和行为。
以斯拉没有意识到自己在科学研究中的重要作用，他皱着眉头，一脸不悦。接下来发生的事情只有他的母亲才清楚，她把他转过来，检查了他的屁股。在计划好的 15 分钟观察时间只完成一半的时候，以斯拉就排便了。这时，大家都要休息一下了。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。 通过购买订阅，您将帮助确保有关当今塑造我们世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
如何进入一个不会说话、不听从指示，并且粗鲁地打断你实验的人的大脑？这就是婴儿实验室的科学家们所面临的挑战。大脑在生命的前两年经历的变化比任何其他时候都多：意识、性格特征、脾气和能力都变得明显，并且发展偏离轨道的最初迹象也开始显现。但是这段时期也是最难探索的，因为许多人类神经科学的标准工具都无用：婴儿不会在成像机器中保持清醒和静止，他们也不能回答问题或按照指示行事。研究人员主要通过跟踪婴儿的目光来测量他们的兴趣和注意力——但即使是这种方法也被批评为粗糙。
“有很多研究试图证明婴儿理解目标、因果关系、数字——在 99% 的研究中，他们唯一关注的衡量标准是观察时间的变化，”马萨诸塞州剑桥市哈佛大学的心理学家杰罗姆·卡根说。
该领域现在正变得更加成熟，这在一定程度上要归功于伯克贝克实验室。那里的科学家率先开发了诸如婴儿近红外光谱（NIRS）之类的技术，该技术通过记录血液的颜色以及因此的氧合作用来测量大脑活动。他们还试图通过结合多种技术来加强结论。在世界各地为数不多的婴儿实验室中，这使得伦敦的实验室脱颖而出。“他们正在使用你能想象到的每一种技术对婴儿进行研究，”纽约州罗切斯特大脑成像中心主任、婴儿行为研究员理查德·阿斯林说。
该实验室已经使用这些工具揭示了一系列关于婴儿思维的“第一”：婴儿更喜欢看着直接看着他们而不是看着别处的脸；他们以增强的神经处理来回应这种直接的目光；并且这种大脑反应的变化可能与自闭症的后期出现有关——这是首次证明大脑功能指标可以用来预测这种情况。2013 年，婴儿实验室启动了以斯拉参与的旗舰项目：一项研究 12 周大、患有自闭症谱系障碍或注意力缺陷多动障碍 (ADHD) 高风险的婴儿，以及对照组，以便检测这些疾病的更多早期迹象，并找到可能有帮助的行为疗法。“这是一个令人兴奋且新兴的领域，”婴儿实验室主任马克·约翰逊说。
而且，就像它的研究对象一样，伦敦实验室也在成长。2014 年，约翰逊从三个基金会获得了 230 万英镑（350 万美元）的资助，在伯克贝克建立一个幼儿实验室，让 18 个月至 3 或 4 岁的儿童在四处走动、玩耍并与其他儿童互动时，佩戴无线形式的脑电图（EEG）、NIRS 和眼动追踪技术。其目的是为了解幼儿时期的大脑，这是儿童开始理解自我与他人之间差异、复杂语言发展和长期记忆首次形成的时候。“总的来说，在儿童发展方面，包括我们的大脑发育研究，‘可怕的两岁’都是一个主要的黑洞，”约翰逊说。
观察和学习
演艺界有一个老生常谈的说法，就是永远不要与儿童或动物合作。约翰逊的职业生涯就是两者兼顾。在他的 20 世纪 80 年代的博士项目期间，他研究了刚出生一天的鸡是否会对放在它们围栏中的任何物体形成社会依恋，或者它们是否更喜欢类似母鸡的物体。（小鸡特别喜欢带有类似母鸡脖子和脸的物体，但对它们其余的外观并不太挑剔。）但约翰逊对人类发展更感兴趣，因此在获得博士学位后，他在伦敦找到了一份研究科学家职位，开始研究婴儿。“在某些方面，这并不像听起来那样是一个很大的飞跃，”他说。“在这两种情况下，你都在试图开发任务并从非语言生物那里获取信息。”
自 20 世纪中期以来，科学家们一直在尝试对婴儿进行实际研究。最早这样做的其中一人是瑞士心理学家让·皮亚杰，他通过对婴儿和年龄较大的儿童进行详细观察来深入了解他们如何理解世界——其中包括，通过隐藏一个物体来观察婴儿是否会尝试找到它而闻名。他的结论是，直到大约八个月大时，婴儿才能理解当物体不在视野中时仍然存在的概念。皮亚杰继续发展了婴儿本质上是作为一张白纸出生的理论，但他们拥有激发他们探索世界并使他们能够吸收知识的机制。
婴儿神经科学在 20 世纪 60 年代初取得了飞跃，当时美国发展心理学家罗伯特·范茨开始测量婴儿注视某物的时间量，以此来衡量他们对它的兴趣程度。例如，范茨报告说，一个两个月大的婴儿看人脸草图的时间是看靶心草图的两倍。从那时起，基于注视测量的实验一直是该领域的支柱。“毫不夸张地说，如果没有观察时间测量，我们对婴儿发展的几乎任何方面都知之甚少，”阿斯林说。注视实验促使一些研究人员得出结论，婴儿并非空白一片，而是天生就对数字和人脸具有鉴赏力，并且能够识别何时说出他们母亲的母语——这种熟悉感被认为是通过在子宫中听到语言而产生的。
“已经进行了数千次使用这些观察时间方法的实验，”阿斯林说，“总的来说，这是一种非常可靠的技术；你可以让两个实验室运行相同的实验，你会得到相同的结果。”但阿斯林和卡根是越来越多认为应该谨慎看待此类婴儿研究的研究人员中的两位：仅凭婴儿的匆匆一瞥就推断太多关于婴儿大脑的运作是危险的——他们担心一些实验室没有像他们应该的那样控制混杂因素。“观察时间受多种条件控制，”卡根说。“刺激的物理特征是什么？它的线条主要是弯曲的还是笔直的？存在哪些颜色？光照对比度有多大？”
婴儿的大脑正在以惊人的速度生长和发育，这使得不同年龄之间的比较变得困难：新生儿的目光可能反映了先天能力，但七个月大的婴儿的目光也会受到他或她开始学习和记住的世界的影响。“婴儿可能会为了将事件与它已经知道的知识联系起来而看得更久，”卡根说。“关键在于，没有哪一种单一的衡量标准能够为关于婴儿所知的结论提供所有需要的证据。”
这就是约翰逊在开始婴儿研究时很快得出的观点：仅仅依赖观察时间和观察结果是不令人满意的。他于 1993 年在伦敦大学学院（UCL）建立了一个婴儿实验室，并于 1998 年搬到了伯克贝克更宽敞的场所。从一开始，约翰逊就想采取比其他少数类似实验室更先进的方法来研究大脑发育。
2005 年，约翰逊和他的同事们将观察时间与大脑活动的电测量相结合，以研究皮亚杰的观点，即九个月以下的婴儿不理解消失物体的持久性。当成年人看到物体消失时，他们倾向于在右颞叶皮层上显示出特定类型的神经振荡增加。约翰逊与同事格尔盖伊·奇布拉和乔迪·考夫曼合作，证明六个月大的婴儿也显示出类似的模式——这表明他们确实会将隐藏的物体记在脑海中。当物体分解而不是被隐藏时，没有观察到相同的模式。
诸如此类的研究使约翰逊相信，婴儿并非空白一片，但他们也不具备像数字之类的成年概念。“我认为，我的工作是走中间路线，”他说。他认为，新生儿对人脸和言语等事物具有基本的注意力偏好，这些偏好在它发育过程中塑造着大脑。约翰逊观察到，年幼的婴儿更喜欢直接的眼神交流就是这样一个例子；这使他们专注于周围环境中与社交相关的部分，这反过来又使他们能够学习语言和其他社交线索，例如面部表情。
快乐宝宝
与婴儿打交道需要专门的设备，尤其是在一个一天内可能接待多达 14 名婴儿的实验室中。婴儿实验室的厨房配备了温奶器，浴室里也备有充足的湿巾。等候室装饰得色彩鲜艳，并散落着易于清洁的玩具。然而，实验室则大多空旷，并漆成沉闷的战舰灰色——这是一个刻意的选择，因为婴儿很容易分心。“我们尽量让这里变得尽可能单调，除了我们需要他们关注的东西，”大脑和认知发展中心的协调员莱斯利·塔克（Leslie Tucker）说道，婴儿实验室是该中心的一部分。
饥饿或疲惫的婴儿不利于进行实验，因此一切都围绕着用餐和午睡精心计划。在等候室里，凯特琳——一个穿着蓝色条纹背带裤的四个月大的婴儿——在被带进实验室之前，正在接受最后一次母乳喂养。她正在参与一项评估婴儿模仿能力发展的研究：人们在看到别人皱眉时会无意识地皱眉，或在看到别人微笑时会无意识地微笑。
“模仿在成人中具有重要的社会功能，甚至被认为是将我们联系在一起的‘社会胶水’，”卡琳娜·德克莱克（Carina de Klerk）说，她正在伯贝克（Birkbeck）领导这项研究。但关于它是如何以及何时发展的知之甚少。一些研究人员认为，这是婴儿与生俱来的能力——有人观察到新生儿在看到成年人伸出舌头时，也会伸出舌头。但德克莱克说，“目前尚不清楚婴儿是否真的在模仿，或者他们只是在发生令人兴奋的事情时伸出舌头。”
她一边给婴儿凯特琳唱歌，一边将电极贴在她的太阳穴、脸颊和下巴下方。婴儿似乎有些犹豫，这时，一名研究助理出现了，挥舞着一个色彩艳丽的音乐电话。分散注意力是在婴儿实验室工作的人必须快速掌握的基本技能。“其他领域的研究人员来到这里，常常会对缺乏控制而感到震惊，”塔克说。“如果你必须这样做，你就会中断实验，或者如果他们看起来要哭了，你会发出声音来分散他们的注意力。”
这招奏效了：凯特琳现在正在咯咯地笑着，脸上带着笑容。研究人员暂停了一会儿，凯特琳的母亲用手机给她的“科学宝宝”拍了一张照片。然后，凯特琳被展示了一系列视频序列，视频中一位女性在抬起眉毛或张合嘴巴，其间穿插着农场动物的静态图片。
模仿实验是婴儿实验室混合方法的一个典型例子。婴儿凯特琳专注地盯着屏幕；她似乎没有模仿女性的动作。但她脸上的电极可能会讲述一个不同的故事：这项技术被称为肌电图（EMG），它会捕捉她面部肌肉中的电活动，这将表明凯特琳是否在激活她的眉毛区域——即使她没有明显地移动它——以回应女性抬起眉毛的动作。当天晚些时候，凯特琳在连接上近红外光谱仪（NIRS）后，会看到相同的视频序列。
近红外光谱仪正在改变研究人员观察婴儿大脑的能力。它最初被伦敦大学学院（UCL）的医学物理学家采用，作为一种帮助预测早产儿中风风险的技术。然后，他们开始与伯贝克的研究人员合作，将其调整为回答更基本的问题。通过追踪含氧血液的流动，近红外光谱仪使科学家能够看到哪些大脑区域在响应外部事件时变得更加活跃。例如，婴儿实验室在 2009 年的一项研究中发现，五个月大的婴儿的大脑在响应社会刺激（例如女性与他们玩躲猫猫）时，已经表现出类似成人的激活模式。在模仿研究中，研究人员希望看到婴儿的大脑是否表现出与正在模仿他人的成年人相似的模式，这应有助于解释模仿是否部分是天生的。
但近红外光谱仪并非完美，部分原因是它无法测量重要内部大脑区域（如海马体或杏仁核）中发生的情况。“大脑是一个复杂的连接电路。如果你只测量该电路的表面部分，你可能会得出错误的结论，”卡根（Kagan）说。为了评估这些更深层的区域，研究人员需要一种功能性磁共振成像（fMRI）等技术，该技术为成人大脑提供了巨大的洞察力。但功能性磁共振成像对运动高度敏感，因此只有在婴儿镇静或睡着时才能进行扫描，这严重限制了该技术的使用。
关注自闭症
注视时间仍然是伯贝克和其他地方的一项重要工具——尽管现在，它不是通过人类观察来评估的，而是通过精确的眼动追踪技术来评估的，例如在婴儿埃兹拉（Ezra）身上使用的技术。埃兹拉是自闭症和多动症研究的对照组：他没有患有这些疾病的哥哥姐姐，因此不被认为是高风险的。当他的注意力在屏幕上看似随机的物体之间移动时，反射的红外光使该项目的负责人心理学家艾米莉·琼斯（Emily Jones）能够精确地测量他在看什么，以及以什么顺序看。“我们倾向于发现，正常发育的婴儿总是先看脸，而且看得时间更长，然后再看其他物体，”她说。
自闭症和多动症已成为婴儿实验室的主要关注点，因为在过去二十年中，这些疾病的患病率和认知度有所提高——据信它们现在影响着英国约 4% 的人口。去年，在对 104 名婴儿进行的一项研究中，伯贝克团队表明，自闭症高风险的婴儿首先会被脸部所吸引，但他们似乎在看任何物体时所花费的总体时间都比“神经正常”的婴儿要少——而那些后来发展为自闭症的婴儿的观看时间最短。该小组今年早些时候发表的另一项眼动追踪研究显示，后来出现自闭症症状的九个月大的婴儿更有可能发现屏幕上一组字母中的异类。
目前尚不完全清楚为什么会这样，但工作假设是，这些婴儿更关注他们所看到的细节，领导这项异类研究的特奥多拉·格利加（Teodora Gliga）说。她说，这方面的缺点可能是，后来发展为自闭症的儿童更难对他们所看到的东西得出普遍结论。埃兹拉参与的研究旨在通过收集来自 400 多个家庭的更详细的测量数据来扩展这项工作——并确定那些与后来发生的发育障碍密切相关的特征。在埃兹拉成长过程中前往婴儿实验室的五次访问中，他将使用脑电图、近红外光谱仪和肌电图进行测试，并且他的父母将被要求填写广泛的问卷，以评估他的语言技能、社会发展、性格和睡眠模式。
该团队希望早期的脑部差异有一天可以为自闭症提供指标——或生物标志物——自闭症通常要到孩子三岁左右才能确诊。他们还希望找到方法，使大脑发育回到更正常的轨道。
婴儿实验室的一项临床试验已经表明，早期干预可以产生效果。在 28 个有自闭症哥哥姐姐的家庭中，婴儿被随机分配到一个小组，治疗师在他们七到十个月大之间至少访问他们六次，并将他们与一组没有接受治疗的高风险婴儿进行比较。治疗师向父母展示他们与孩子互动的视频，以帮助他们了解自己的宝宝是如何尝试与他们交流的，以及如何做出回应。五个月后，与对照组相比，该团队发现婴儿的投入度、注意力和社交行为有所改善。但该团队承认，许多结果的置信区间都很宽，而且现在说干预是否会产生长期影响还为时过早。
约翰逊希望，当幼儿实验室开始工作时，那里的调查最终也能找到实际用途，帮助研究人员设计出提高认知、注意力和记忆技能的方法。“我相信我们现在正处于基础科学和临床科学之间独特融合的时刻，”他说。
与此同时，这些技术也在不断发展。琼斯目前正在试用“凝视依赖型”任务，这使婴儿能够成为实验的积极参与者。“如果他们可以将注意力集中在屏幕上飞舞的蝴蝶上，而不会被其他正在发生的事情分散注意力，那么蝴蝶就会继续飞舞，因此他们会因为控制自己的注意力而获得奖励，”琼斯说。一个更遥远的目标是开发使用功能性磁共振成像的方法，以便它可以用于清醒的婴儿。而且仍然有许多问题需要解答。婴儿性格差异是如何随着年龄的增长发展成更复杂的人格特征的？为什么人们记不住他们最早的几个月和几年？
婴儿埃兹拉肯定不会记得他在实验室里的一天。到了傍晚，他的母亲把他塞进婴儿车里，准备踏上回家的旅程——乘火车到布里斯托尔需要 1 小时 45 分钟的路程。她说，这次旅行是值得的，因为她很好奇婴儿实验室里会发生什么。“我既对埃兹拉会如何反应感兴趣，也对为什么要完成这些任务感兴趣，”她说。
埃兹拉和他的母亲现在有了他们这天的小纪念品：一些照片、一张参与证书和一件婴儿尺寸的 T 恤。“我是个婴儿科学家，”上面写着。
本文经许可转载，首次发表于 2015 年 11 月 4 日。首发链接