為思想稱重

吳青

用一把簡單的秤，你能否稱量大腦活動變化？一位19世紀科學家在這方面的工作，給了現(xiàn)代科學家以啟迪。

在一間擺著各種奇異儀器的寬大實驗室里，一位留著胡子的科學家正在打理仰臥在一張床上的一名男子。這張床有些奇怪，它看上去更像是蹺蹺板?？茖W家調(diào)試一下床這頭的閥門，又調(diào)整一下床那頭的平衡物，但目光始終沒離開轉(zhuǎn)筒上展開的一根跳動的線。如果他的想法沒錯，線的跳動就反映了這名男子的思緒起伏。

這個名叫安格魯·莫索的科學家，也許會把自己的這個裝置稱為“靈魂之秤”。但實際上，他的興趣是出于純粹的科學。在大腦成像儀問世之前100多年，這位19世紀生理學家顯然就已找到一種方法：運用一把簡單的秤，稱量神經(jīng)活動變化。直到最近，由于對莫索這一實驗的了解太少，科學家一直無法確知他的思路是否可行?，F(xiàn)在，他的原始草稿終于浮現(xiàn)，這能否揭示他的實驗是否有效呢？

當莫索在意大利都靈的實驗室里工作之時，他的生涯已經(jīng)與他的平凡出生形成強烈反差。莫索1846年5月30日生于一個木匠之家，他的大部分童年時期都在相對貧困中度過。然而，上佳的學習表現(xiàn)為他贏得助學金，讓他得以進入都靈大學學醫(yī)。1870年畢業(yè)后，他在5年里去過歐洲的一些最好的實驗室，然后回到大學待了30年之久。

莫索的興趣很廣泛，從循環(huán)和肌肉疲勞到情感生理學無所不包。在他生命的最后幾年里，他甚至開始探索考古學。莫索不僅是一個全才，而且他在各方面的成就都不膚淺。受他影響，都靈生理學院蓬勃發(fā)展，成為當時意大利科學家的一個朝圣地。莫索本人甚至獲得了諾貝爾獎提名。

推動莫索在許多方面的研究的動因，是他在父親的木工店里學到的知識。如果缺乏實驗設(shè)備，他就自己動手造。每當有機會，這種工程師心態(tài)就讓他勇于自我試驗。例如，在研究由高度產(chǎn)生的效應時，他和助手喬喬輪番進入模擬山頂條件的低壓艙。莫索的女兒在其所著的父親傳記中如此描述這一實驗：“所有目光都聚焦在這位男子臉上，他現(xiàn)在已經(jīng)進入人跡罕至的危險地帶……”到達相當于8000米高峰的氣壓水平時，莫索示意停止。喬喬長舒了一口氣，讓空氣進入實驗艙。艙門打開，“我父親釀蹌著走了出來。為了不至于跌倒，他不得不靠在墻上。”莫索誤以為高山病是由二氧化碳含量低而非氧含量低造成的。頗有戲劇性的是，正是因為他不斷增加實驗艙里的氧含量，才讓他保住性命。

盡管這類實驗頗為大膽，莫索在大腦方面的研究卻最令今天的心理學家感興趣。莫索是最早相信進入大腦的血流量會依據(jù)我們正在進行的思考內(nèi)容而改變的人之一，思考越費力，涌進頭骨驅(qū)動神經(jīng)元的血液也越多。相似的原則是功能性磁共振成像等技術(shù)的核心，這種成像測量的是出入不同大腦區(qū)域（與其活性相比較）的血流量?，F(xiàn)代神經(jīng)成像其實與一個古老的概念有關(guān)，因為不可能直接測量神經(jīng)活動，但可以觀察神經(jīng)活動的影子，其中之一就是血流量的改變。而在莫索時代，這個概念頗具爭議性。

莫索最初的方法是檢驗有顱骨缺陷的人，這些人的部分大腦未被硬骨覆蓋。他用一個充滿空氣的封閉艙包裹這些人的頭部，隨著血液進出大腦，大腦軟組織就會上下跳動，艙中空氣量變化會記錄在一個顯示器上。莫索由此證明，當一個人進行復雜計算時，其大腦搏動幅度更大?，F(xiàn)代神經(jīng)心理學研究證明，莫索的這一判斷不僅是準確的，而且是最早的。

這類頭骨缺陷很少見，所以莫索也尋找其他方法測量頭骨完整者的相同大腦活動。其結(jié)果就是他的“靈魂之秤”。1890年的一本書籍——《心理學原則》中，對這種“秤”有簡短的描述：它是一張“精細平衡的桌子”，隨著進入大腦的血流量增加，桌子向接受測量者頭部所在端傾斜。然而，莫索自己對這一實驗的記述卻未得到廣泛報告，并且很快就失傳了，這就意味著現(xiàn)代人很難搞清“靈魂之秤”是否正如《心理學原則》中所描述的那樣工作。

100多年后，上述理念卻抓住了英國瑞丁大學“合成神經(jīng)科學與神經(jīng)動力學中心”科學家戴維·菲爾德和勞拉·茵曼的想象力，他們決定依據(jù)《心理學原則》一書中的描述建造一部“靈魂之秤”。它基本上就是一根杠桿：一名志愿者躺在上面，整個裝置被調(diào)試，直到引力中心正好位于支點上方，從而使得整個裝置能回應隨著血流進出頭部而發(fā)生的很小的重量變化。

菲爾德和茵曼很快就發(fā)現(xiàn)，他們的裝置過于靈敏，總是倒向一端。他們首先想到的是，這種裝置永遠不可能達到水平平衡。但他們并未放棄，而是盡力補救。他們讓這個裝置稍稍向頭顱所在那一端傾斜，以便它靠在一部電子秤上面，電子秤同時測量正施加給“靈魂之秤”的微妙力量。

解決這個問題后，實驗人員接著發(fā)現(xiàn)，呼吸和心跳之類的人體內(nèi)部運動造成的震動會主導讀數(shù)，因為這類運動力度遠遠大于與大腦活動相關(guān)的改變。他們的解決辦法是，隨著志愿者經(jīng)歷不同的場景和聲音，從“靈魂之秤”記錄到的力量中用電腦減去人體內(nèi)部運動造成的震動。經(jīng)過仔細分析，他們得出結(jié)論：大腦重量的確會隨著刺激而改變，只不過改變程度很輕微——通常不到1%牛頓。

如此看來，“靈魂之秤”在理論上確實是可以工作的。不過，莫索當初是否也克服了以上挑戰(zhàn)？或者，正如菲爾德當初所懷疑的那樣，莫索只是個“騙子”？直到數(shù)位學者2013年發(fā)現(xiàn)莫索的手稿，并發(fā)表對他的相關(guān)實驗的詳細描述后，菲爾德才意識到莫索當年曾面臨他和茵曼遇到的同樣難題。

與菲爾德不同，莫索讓他的裝置搖擺，正是這種蹺蹺板運動造成了反映志愿者思想的搖擺曲線。但為了不讓裝置向兩側(cè)搖晃太厲害，他把可調(diào)平衡物懸掛在桌子底面，以抑制桌子的運動。莫索還設(shè)法把身體其余部分的振動也考慮進來：使用改進的儀器測量四肢與脈搏相關(guān)的變化，以及測量胸部與呼吸有關(guān)的變化。通過比較這些變化和秤的運動，莫索得以確定與大腦相關(guān)的血流量改變，其原理與菲爾德和茵曼在實驗中的解釋基本相同。

上述學者的論文中，包括莫索講述的他針對喬喬和他的一名22歲學生的“思想稱重”實驗情況的譯文。例如，他報告說，一次警報聲增加了進入志愿者大腦的血流量。在后來的實驗中，他讓志愿者閱讀報紙、小說和哲學文章段落，并且報告說秤在志愿者讀哲學文章時傾斜最快，而哲學文章顯然在這三種文章中最難讀。

盡管有這些講述，上述學者卻無法確定莫索的“靈魂之秤”精度如何。但這并不重要，重要的是莫索開了大腦活動研究的先河，同時又考慮到了現(xiàn)代神經(jīng)成像專家所面臨的問題。例如，今天的科學家在運用磁共振成像儀時仍然需要考慮由心跳和呼吸引起的振動，并且他們也需要像莫索那樣讓“信噪比”最大化。莫索還有一點很了不起：他在做結(jié)論時考慮到了性別、年齡和教育背景等因素。莫索的“靈魂之秤”目前存放在都靈的“科技檔案館”里，科學家準備圍繞它辦一次專門的展覽。

耐人尋味的是，雖然有了不少進展，但現(xiàn)代神經(jīng)成像學家依然能夠從莫索那里學到不少東西。菲爾德指出，通過比較大腦不同部位的充氧血和去氧血的相對分布，磁共振成像儀能讓你看見大腦的哪些部位更忙碌。但與“靈魂之秤”不同，它不能揭示總血流量變化，因此不能表明哪種情況要求大腦總體上更努力工作?！办`魂之秤”在研究醫(yī)藥方面也有用場。試想，有一種藥物可能影響大腦血流量，磁共振成像儀不能查明這方面情況，但“靈魂之秤”卻能。

菲爾德也在考慮用改進的“靈魂之秤”研究另一個問題。如果讓支點縱向移動，“靈魂之秤”或許就能測量兩個大腦半球的活性差異，這有助于解決“左腦”和“右腦”是否在某些任務中更活躍的問題。菲爾德不知道這一想法是否可行，但他決心嘗試。他說：“做科研這些年來我發(fā)現(xiàn)，不嘗試你就不知道?！?/p>

莫索對此無疑會認同。然而，當初他在實驗室里搗騰時，不可能想象到自己的先驅(qū)性工作將會帶來的后續(xù)性進步，也不可能想象到后人會竭盡全力重建他在100多年前發(fā)明的“靈魂之秤”，并且在其中獲得可引發(fā)技術(shù)革命的種種啟迪。