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思维 Matters
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-- David Dobbs，《思维 Matters》编辑
模块、网络和大脑的注意需求
导言
作者：David Dobbs
《思维 Matters》编辑
注意力！
大脑如何协调其注意力机制
Helen Wills 神经科学中心
加州大学伯克利分校
大脑如何组织其工作？以及如何注意到它需要注意的事物？大脑组织理论侧重于大脑组织的两个不同但互补的原则：模块化，即具有专门功能的大脑区域的存在；以及网络连接性，即来自不同大脑区域的信息整合，从而产生有组织的行为。在本篇评述的研究中，模块和网络模型似乎在指导猴子通过“自上而下”或“自下而上”的注意力策略寻找特定视觉目标时发挥着专门的作用。模块与网络 在模块与网络的争论中，模块化可能是更容易理解的大脑模型。对脑损伤个体的临床观察，以及对健康个体的脑成像研究（功能性磁共振成像，或 fMRI）表明，某些大脑区域控制着特定的认知过程，例如产生言语的能力。例如，在患有非流利性失语症的患者中，这种疾病会选择性地丧失说话能力，但对口语的理解仍然完好无损。1861 年，Paul Broca 观察到，在一个尸检大脑的左额叶的损伤导致了非流利性失语症。现代脑成像研究证实了 Broca 的理论，该研究针对该区域（现在被称为“Broca 区”）中风患者。此外，健康个体的 fMRI 显示，当受试者产生言语时，左额叶会被激活。当然，某些大脑区域专门负责某些功能并不排除这些区域也是相互交流的更大脑区域网络的一部分的可能性。虽然模块化模型可能准确地描述了许多认知功能，但它不足以解释无法定位到孤立大脑区域的复杂认知过程。例如，我们理解谈话要点的能力不太可能是一个单一的专门大脑模块的工作。这种复杂的行为更可能源于大脑区域之间通过网络连接的相互作用。在 1995 年出版的著作《大脑皮层中的记忆：人类和非人灵长类动物神经网络的实证方法》中，加州大学洛杉矶分校的神经学家 Joaquin Fuster 开始了一个论点，并在他 2002 年的著作 皮层与心智：统一认知 中进行了扩展。根据 Fuster 的说法，对大脑网络的新研究引发了“当代神经科学的革命”。他认为，从还原论的模块化模型到整体网络模型的经验转变，有望实现我们解决心脑问题的长期目标。Fuster 对大脑功能网络模型的概念包括几个关键概念：（1）认知信息以广泛、重叠和交互式的大脑网络表示。（2）这些网络在基本感觉和运动功能的有组织的模块核心上发展，并与之保持连接。（3）认知代码是一种关系代码，基于离散大脑区域之间的连接。（4）代码的多样性和特异性源于这些大脑区域的无数种可能的组合。（5）任何大脑区域都可以成为许多网络的一部分，因此也可以成为许多感知、记忆、经验项目或个人知识的一部分。（6）给定的大脑网络可以服务于多种认知功能。（7）认知功能包括大脑网络内部和网络之间的功能性相互作用。劳动分工…… 在今年发表在《科学》杂志上的“前额叶皮层和后顶叶皮层中自上而下与自下而上的注意力控制”（点击此处下载 pdf）一文中，麻省理工学院的 Timothy Buschman 和 Earl Miller 通过探索功能专业化和功能整合的神经机制，对该模型进行了补充。Buschman 和 Miller 研究了大脑如何使我们能够有意地注意环境中的事物，例如寻找钥匙（自上而下的注意力），以及自动注意显着的事物（或引人注目的事物），例如火警警报（自下而上的注意力）。为了研究这些过程，研究人员专注于已知与注意力过程相关的两个大脑区域：额叶和顶叶。Buschman 和 Miller 使用猴子，记录了这些大脑区域中神经元的活动，同时猴子在电脑屏幕上定位视觉目标。目标始终随机位于四个刺激物的阵列中，但有两种条件：在第一种“弹出”任务中，目标物体将与非目标刺激物明显不同（例如，它不仅颜色不同，而且方向也不同），从而使目标更加显眼。在第二种“搜索”测试中，目标刺激物将在至少几个维度上与某些非目标刺激物匹配（例如，它可能具有相同的颜色但方向不同）。由于后一种测试中的目标刺激物不显眼，因此猴子必须依靠对所需目标外观的记忆来寻找它。正如预期的那样，猴子找到第二种目标花费了更长的时间。Buschman 和 Miller 发现，在搜索任务期间，额叶神经元首先找到目标，而在弹出任务期间，顶叶神经元首先找到目标。换句话说，选择更模糊的目标（自上而下的注意力）可能由额叶介导，而快速选择高度显眼的目标（自下而上的注意力）可能由顶叶介导。这些发现表明，额叶和顶叶可能介导不同的认知过程，这与功能专业化相符。……以及合作冒险 研究人员还通过测量每个区域神经元活动之间的同步程度，研究了这两个大脑区域在两个注意力任务期间如何相互交流。（这种同步性——来自不同大脑区域的电波模式的粗略对齐——被认为有助于或指示大脑区域之间的交流与合作。参见 Gyorgy Buzsaki 的 大脑的节律。）在搜索任务期间，额叶和顶叶区域之间的同步性在较低频率下更强，而在弹出任务期间，同步性在较高频率下更强，这表明大脑区域之间的同步活动可能会提高这些区域之间通信的效率。此外，不同的注意力模式（例如，自上而下与自下而上）可能会强调不同频率的同步性。Buschman 和 Miller 提出，搜索任务期间低频同步性的增加可能反映了自上而下信号在整个大脑中的“广播”，而高频同步性可能支持大脑区域之间的局部相互作用。方法上的进步 这些结果为神经科学正在获得的大脑网络如何运作的图景增添了细节。该研究的方法学进步——能够同时记录清醒和活跃猴子的两个遥远大脑区域的活动——为研究大脑网络连接性提供了一个重要的新工具。（在人类中，功能性磁共振成像或 fMRI 也可以探索大脑区域之间的相互作用，因为它同时记录整个功能性大脑的神经活动的相关性。）在接下来的十年中，全球各地的神经科学实验室将进行数百项大致相似的猴子神经生理学和人体成像研究。通过这些研究，拼图的碎片将继续就位，使我们能够在回答终极问题：大脑如何工作方面取得重大进展？Mark D'Esposito 是加州大学伯克利分校的神经科学和心理学教授，同时也是 Helen Wills 神经科学研究所 Henry H. Wheeler Jr. 脑成像中心主任。他研究工作记忆、额叶功能和认知神经科学。他还从事临床神经病学实践。 -- David Dobbs 编辑于 2007 年 11 月 30 日上午 11:26 -- David Dobbs 编辑于 2007 年 11 月 30 日上午 11:28