1996年，神经科学家贾科莫·里佐拉蒂和他在意大利帕尔马大学的同事发表了一些引人注目的发现。他们进行了一项实验，记录两只食蟹猴中专门负责手部运动的神经元的电活动。正如预期的那样，当动物伸手去拿放在它们面前的花生时，这些神经元会放电。然而，完全出乎意料的是，当实验室的科学家伸手去拿坚果时，这些相同的神经元也会放电。猴子仍然静止不动。尽管如此，观看科学家的动作激活了猕猴大脑中的运动区域，就像动物自己执行了动作一样。
里佐拉蒂和他的同事使用功能性磁共振成像 (fMRI) 技术，很快记录了人类的相同现象，并将负责的神经细胞称为“镜像神经元”[参见 David Dobbs 的文章“揭示反射”；《大众科学·思想》，2006 年 4 月/5 月刊]。这些细胞看起来与其他神经元没有什么不同，但却拥有令人惊讶的双重功能：无论我们自己做还是仅仅观看别人做，它们在任何类型的定向行为（咀嚼食物、扔球、跳舞）期间都会变得活跃。事实上，当我们跟随另一个人的动作时，我们有意识的大脑会产生某种内部模拟。据推测，镜像神经元在负责计划和启动动作的大脑区域中大量存在，包括初级运动皮层、前运动皮层和辅助运动区。
自从里佐拉蒂的发现以来，其他科学家已经揭示，镜像神经元不仅反映了他人的行为，还反映了他们的意图和情感。这一发现为科学家们提供了对人类同理心、语言进化和心智理论等方面的新见解。此外，镜像神经元可能有助于解释某些神经系统疾病。例如，一些证据表明，自闭症儿童可能患有镜像神经元缺陷，导致他们无法直觉地理解他人的情绪状态。我们自己的工作表明，可以利用镜像系统来加速出血性中风患者的康复。
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猴子看，猴子学，猴子康复
2001 年，帕尔马的另一个研究团队（由我们中的一位（布奇诺）领导）使用 fMRI 追踪人们观看显示嘴、手或脚运动的视频序列时的大脑活动。结果证明，当受试者观看嘴巴运动时，他们大脑中负责控制嘴巴的部分会亮起来。同样，观察手和脚的图像会激活相应的大脑区域。这些反应保持在动作阈值以下——受试者实际上并没有移动——但它们与视频的大脑反应完全匹配。鉴于这些发现，我们推测，如果脑出血患者在治疗过程中观看他人协调这些动作，他们可能会更容易恢复失去的运动能力。
在物理治疗期间，损伤部位附近的大脑区域确实经常承担失去的功能，但这是一个渐进的过程。如果相关神经元可以排练它们的新角色，这种转移可能会更快发生，这似乎是合乎逻辑的。为了检验这个想法，我们招募了在德国吕贝克石勒苏益格-荷尔斯泰因大学医疗中心参加为期 40 天康复计划的中风患者。我们要求受试者观看一部六分钟的影片，影片中展示了一系列动作——伸展手臂、张开手、抓苹果等等[参见对页的方框]。然后，我们要求他们尝试模仿这些动作。我们发现，这些患者的运动能力确实比未观看视频的对照组患者提高得更快。
在最近的一项后续研究中，我们记录了 22 名手臂和手部使用困难的中风患者的相同进步。当他们在每次治疗课程之前和之后观看人们演示日常手部动作的短片时，身体康复进展得更快。借助 fMRI，我们能够证明，随着运动能力的改善，相关皮层区域变得越来越活跃。视频观察显然加强了负责计划运动的大脑区域。内部模拟使受试者更容易执行实际动作。
扶手椅运动员？
事实上，我们的镜像神经元对许多运动都有反应，但研究表明，它们的活动水平取决于我们对所见动作的熟悉程度。学习协调全新的动作（例如，玩一项新的运动）比例行任务需要更多的有意识控制。布奇诺和他的同事向受试者展示了各种视频片段，描绘了一个人、一只猿或一只狗吃东西或交流：人移动嘴巴，好像在说话，猿撅起嘴唇，狗吠叫。有趣的是，咀嚼动作普遍激活了受试者的镜像神经元。然而，当谈到交流时，只有当移动的嘴唇属于同类时，才会发生这种激活。
我们的镜像神经元可能只对我们自身运动库中的动作做出反应。因此，观察者显然需要理解他人的意图才能激活他们的前运动中心。加州大学洛杉矶分校的神经科学家马可·雅各博尼进行了一项有趣的实验，他要求受试者观看人们使用相同动作达到不同目的的短片。在一个序列中，一个人拿起杯子喝了一口。在另一个序列中，他拿起杯子并清洗了它。另一个片段显示了动作本身，没有任何目的，另一个片段则只显示了一套盘子和杯子，没有任何动作。雅各博尼发现，无论是运动动作还是环境本身，都没有像两者结合那样强烈地激活镜像神经元。缺乏明显目的的运动活动可能不太能有效地帮助某人重新学习特定的动作。
进一步的研究可能会揭示，镜像神经元是许多基本人类特征的根源——从我们学习的方式到我们发展出独特文化的方式。与此同时，中风患者有望从利用这个非凡的系统中获得巨大的益处。