作为高级灵长类动物 婴儿天生就能理解这个世界吗？

出品 | 王真 网易科学人栏目组

丽贝卡·萨克逊（Rebecca Saxe）是麻省理工学院的认知科学家，她的第一个儿子亚瑟（Arthur）首次接受核磁共振成像大脑扫描时刚刚满月。就像所有父母那样，萨克逊想要知道儿子的大脑在想些什么。当萨克逊怀孕时，她已经与同事们进行了多年研究，甚至设计出特定设置以获得婴儿大脑的活动图像。到2013年9月份预产期时，一切都已经准备就绪。

在过去20多年中，许多像萨克逊这样的研究人员已经利用功能性核磁共振成像（fMRI）技术研究成年人和儿童的大脑活动。但看起来就像19世纪的银版照像法那样，fMRI要求扫描目标静静地躺着，以免图像模糊不清。当婴儿不睡觉的时候，很难接受成像扫描，他们无法被哄骗或收买以保持安静。迄今为止，有关婴儿的fMRI研究多数集中在他们睡觉时播放声音。

但是萨克逊希望了解，当婴儿醒着时会如何看世界，她希望获得亚瑟观看视频剪辑时的大脑图像。对于成年人来说，这种研究非常简单。但是对于婴儿来说，他们的大脑会是成人大脑的缩小版本吗？亦或是与成人大脑完全不同？萨克逊说：“我对大脑如何发育有很多基础性问题要问，而我现在有了大脑正在发育的婴儿。对于我来说，我此时生命中最重要的两件事在核磁共振成像机中突然汇集起来。”

萨克逊带着亚瑟在核磁共振成像机中度产假，她说：“那些日子，亚瑟似乎不喜欢这种机器。他要么睡觉，要么急躁不安，有时候还会感到精疲力竭。从婴儿大脑中获得有意义的数据非常困难。”在研究中，萨克逊及其同事们仔细研究他们的数据，调整他们的实验，寻找亚瑟大脑活动的模式。在亚瑟4个月大时，他们终于获得了首个有用的结果。

萨克逊等人近日在《自然通信》杂志上发表论文，阐述了亚瑟与另外8名婴儿过去2年间的大脑活动模式。在论文中，萨克逊等人发现，在对视觉信息作出反应时，婴儿与成年人的大脑惊人地相似，同时也存在一些有趣的差异。萨克逊希望这项研究能引导更多研究，让我们更深入理解智慧的最早开端。

在不必打开颅骨的情况下，fMRI可能是科学家们研究大脑活动的最强大工具。它依赖于大脑区域中比其他人更活跃的血流变化成像，这种变化可被机器检测到信号。然而这项技术也受到许多批评，因为它只是间接对大脑活动进行测量，简单而醒目的图像需要靠幕后统计操作产生。然而，fMRI已经为科学家们开辟了全新的研究途径，萨克逊等人称之为“人类大脑移动绘图”。它揭示了许多令人难以置信的细节，比如大脑不同部位如何基于某人正在做的事情、感受或思维编排它们的活动。

大脑皮层的某些区域似乎也有特定用途。麻省理工学院神经学家、萨克逊的前顾问南希·坎维西尔（Nancy Kanwisher）曾发现梭状回面部区(fusiform face area)的组织，与其他视觉输入形式相比，它会对人脸图像做出更多响应。坎维西尔的实验室也发现了“旁海马风景区”（Parahippocampal place area），它会对场景描绘做出优先响应。萨克逊还是坎维西尔实验室的研究生时，她就曾发现一个特殊的大脑区域，并提出“心智理论”，即思考其他人在想什么。自从那以来，多家实验室的研究已经确定了大脑许多部位的功能，包括社交判断以及决策等。

萨克逊研究许多有关大脑的哲学和深度基础问题。对于她来说，接下来最显著的问题就是：大脑组织是如何产生的？她说：“看看成年人的大脑，拥有非常丰富和抽象的功能，我们不禁要问：它是如何形成的？”我们的大脑是否进化出专门的区域，用于处理攸关我们生存的最重要信息？亦或是我们生来就具有惊人的多功能学习机制，可以学习任何被我们发现的知识？我们是否带着天生的蓝图进入这个世界，比如大脑中专注于处理人脸的区域，亦或是在出生数月或数年后看到我们周围如此多的人后发育出专门的脸部识别区域？萨克逊说：“人类大脑的基本结构应该是相似的，因为每个人的世界都差不多，或者世界的轮廓在我们出生时就已经在大脑中存在。”

赖利·勒布朗（Riley LeBlanc）吐出奶嘴，开始啼哭。这个5个月大的女婴拥有蓬乱的棕色卷发，当萨克逊的实验室主管希瑟·考萨克维斯基（Heather Kosakowski）站在笨重的核磁共振成像机旁边时，勒布朗蹬开了她的襁褓。这台机器位于麻省理工学院下属大脑与认知科学大楼底层，勒布朗就在上面上下颠簸。她的母亲洛莉（Lori Fauci）坐在扫描床上，从口袋中拿出另一个奶嘴给了勒布朗。

图：勒布朗正在查看她的大脑图像

这里的一切都是为了抚慰勒布朗所设计的。房间里有柔软的光线，扬声器中播放着钢琴版本的摇篮曲。扫描床上有特殊设计的射频线圈，包括倾斜的椅子和婴儿大小的头盔，扫描期间可充当无线电信号天线。核磁共振成像机利用特殊协议进行编程，可以产生比平常更小的噪音，以避免伤及婴儿的听力。

在勒布朗愿意安静地躺在线圈中前，已经经历过数次错误的开始。母亲将脸贴在勒布朗的肚子上，同时用双手安抚她。考萨克维斯基将这对母女推进扫描仪中，然后移动到有窗户的房间中。实验室成员莱妮·赫雷拉（Lyneé Herrera）留在fMRI内，负责向考萨克维斯基打手势，帮助其了解勒布朗的眼睛已经睁开，看着头顶的镜子，镜子中反射出从机器后面投射的影像。

这个团队的目标是收集每个婴儿的10分钟数据，期间这些婴儿必须安静地观看视频。为了实现这个目标，研究人员们经常需要2个多小时时间才能完成。考萨克维斯基说：“孩子们来的次数越多，我们越有可能获得完整的10分钟数据，而这是勒布朗第八次来。”当赫雷拉发信号时，勒布朗停止打盹，考萨克维斯基启动扫描仪，播放各类视频剪辑，因为与静止图像相比，婴儿更有可能观看移动图像。不久，赫雷拉合上双手，意味着勒布朗的眼睛再次闭上。考萨克维斯基笑着说：“有时候我认为孩子们肯定在这里得到最好的打盹。”

研究婴儿总是需要创造性的技术，哈佛医学院认知神经学家、波士顿儿童医院的儿童发育专家查尔斯·尼尔森（Charles Nelson）说：“这是个非常有趣的问题，因为你面对的是个不善言辞、注意力有限的生命，并尝试搞清楚他们大脑中到底发生了什么。”类似技术经常被用于研究婴儿和非人类的灵长类动物，或者缺乏语言能力的残疾儿童。尼尔森说：“我们有许多隐蔽措施，可以让我们观察猴子、婴儿以及有障碍儿童的情况。”

最简单的方法就是观察他们的行为，并关注他们在看什么，也可使用眼动追踪技术。另一种方法是测量大脑活动，比如脑电图，只需要将电极和导线组成的帽子戴在婴儿头上，就可以探测波动的脑电波。名为近红外光谱(NIRS)的新技术可通过婴儿纤薄的头骨发射光，检测大脑中的血流变化情况。这些方法显示，大脑活动不断在变化，但近红外光谱技术只能到达大脑外层区域，而脑电图也无法精确显示哪部分大脑区域比较活跃。洛克菲勒大学研究员本·迪恩（Ben Deen）表示：“为了研究详细的大脑空间组织，以及探索更深入的大脑区域，你必须利用fMRI技术。”

利用其它方法，研究人员已经发现，婴儿对不同类别的视觉输入会产生不同反应，特别是脸部。伦敦大学学院的发育神经学家米歇尔·哈恩（Michelle de Haan）说：“脸部是环境中非常突出的部分。”在诞生的最初几周，婴儿的眼睛最专注于观看母亲脸部周围的物体。有些研究人员认为，婴儿的大脑深处或许存在先天机制，可引导他们的眼睛观看脸部。

有证据显示，婴儿观看脸部的时间比其他东西更长。随着时间推移和经验增加，婴儿对脸部的反应也更加专业化。距离来说，当两张面孔颠倒过来时，成年人更难区分它们。可是不到4个月大的孩子却没有这种问题，他们可以更轻松地分辨出两张脸的区别。然而4个月后，他们就会获得脸部偏见。6个月左右，看到脸部的婴儿会产生类似成年人的脑电图活动信号。但是这项研究表明，婴儿大脑中识别某些特定类别的物体似乎特别有效，比如脸部。迪恩说：“我们对这些信号来自大脑何处所知甚少。”

图：婴儿大脑似乎可以区分脸部和自然场景之间的区别。婴儿对脸部或自然场景做出反应的区域，几乎与成人大脑相同。这张图显示，在4到6个月时，婴儿大脑的组织方式已经与成年人基本相同。

在当前研究中，萨克逊和同事们共从扫描的17名婴儿中获得9人的数据。尽管实验室越来越依赖于被招募到研究中的外部家庭，但他们更加依赖“实验室婴儿”，包括亚瑟、萨克逊的第二个儿子珀西（Percy）、萨克逊的外甥以及一位博士后的儿子。他们观看有关面部、自然场景、人类身体以及其他物体（比如玩具）和场面比较混乱的视频，萨克逊说，他们之所以关注脸部而非自然场景，是因为两种刺激可在成人大脑中产生鲜明差异，唤起不同区域的活动。

令人感到惊讶的是，他们在婴儿大脑中也发现了类似模式。萨克逊表示：“我们在承认大脑中发现的面部识别和自然场景识别区域，在4到6个月的婴儿大脑中几乎完全相同。这表明，大脑皮层已经开始形成不同的功能，而非完全处于未分化状态。”

婴儿天生就具备这种能力吗？迪恩说：“严格说来，我们不能说任何东西都是天生的，我们认为其可能是很早就发育出来的。”萨克逊也指出，这种反应超出了视觉皮层的范畴。研究人员还发现额叶皮层的差异，这个大脑区域涉及情绪、价值以及自我表征等。萨克逊表示：“看到婴儿大脑中额叶皮层参与反应令人感到非常兴奋，这里曾被认为是大脑中最后的发育点之一。”

尽管萨克逊的团队发现婴儿和成人大脑中类似区域活跃状态相当，但他们依然没有找到证据，可以证明婴儿大脑中存在应对特别输入的区域，比如脸部或场景等。尼尔森说，这表明婴儿大脑具有“更多功能”，而婴儿大脑与成人大脑之间存在根本上的差异。

令人感到惊异的是，在考虑到他们的视觉差异时，婴儿大脑行为与成人非常像。麻省理工学院MRI室外的电脑屏幕上，我可以看到勒布朗打盹时拍摄的大脑图像。与成人大脑扫描图相比，显示他们的大脑构造差异非常明显，勒布朗的大脑颜色似乎更加暗淡。考萨克维斯基说：“它看起来就像质量非常糟糕的图像。”她解释称，处于这个阶段的婴儿还没有围绕神经纤维发育出完全的脂肪绝缘层——髓磷脂，它构成了大脑中的白物质。大脑中左右半球间进行信息交流的重要连接性神经通道——胼胝体，依然处于依稀可见的状态。

在这个年龄段，婴儿大脑正在扩张，在出生后1年中，婴儿的大脑皮层会扩张88%。脑细胞也会自我重组，并迅速形成新的连接，这个过程会贯穿整个童年和青少年阶段。此时，大脑拥有惊人的恢复弹性：当婴儿中风或癫痫发作时，需要手术切除大脑中的整个半球，但它们后期可以恢复良好。但是这种弹性也存在限制，经历剥夺或虐待的婴儿可能患上终身学习障碍。

研究健康人类大脑如何发育有助于科学家理解这个过程有时候为何会出错。举例来说，许多患有自闭症的儿童或成年人在从事社交认知任务时存在困难，比如识别面部。这些差异存在于大脑发育的最初阶段吗？或者它们源自婴儿的经验，并受到缺少对面部和社交线索的关注所驱动？我们才刚刚开始理解婴儿的大脑如何组织，还需要更多时间收集更多婴儿数据。但是萨克逊及其同事已经证明，这类研究可开辟全新的研究领域。萨克逊说：“如果你更有耐心，在清醒的婴儿身上，我们更有可能获得更好的fMRI数据。现在，让我们尝试着搞清楚能从中学到什么。”