科学家如何测量大脑活动？

是什么产生了我们的意识体验？由哲学家大卫·查尔默斯（David Chalmers）在 1995 年普及的所谓“意识难问题”询问，无生命的神经基质如何创造生动的第一人称意识体验。换句话说，我们的神经元是如何组合放电以唤起我们都拥有的内心主观宇宙。

意识领域的世界领先神经科学家和研究人员之一Anil Seth表示，科学家们正逐步努力连接意识的各个方面以及产生它们的动态大脑状态之间的点。并且，由于科学家们为意识（和其他认知功能）的内在运作提供的任何解释都是通过研究神经活动获得的，因此了解他们如何获取和分析大脑数据非常重要。

从基本层面来说，电是语言的大脑。电脉冲，也称为动作电位，持续不断地在你耳边嗡嗡作响。你的神经元以及神经元连接的突触间隙，都浸泡在一种化学环境中——以多巴胺等神经递质的形式——它们介导着邻近细胞的电活动。这是神经交流的还原性基础，并且有些神秘的是，这些相互作用支撑着你曾经经历过的每一个想法、感觉或行动。

但随着科学家们了解到更多关于大脑的知识，他们注意到大脑活动的大规模状态对其整体功能也很重要。不同的大脑区域已知会在它们以不同频率同步放电神经元时进行同步。这些神经振荡或脑电波被认为促进了大脑不同区域之间的交流。这意味着科学家们在努力理解意识的任务时，需要同时关注大脑活动的各个尺度，包括细胞层面和这些更大的网络。如果我们过于关注，比如，单个神经元的放电，那么我们就可能错过更大的图景，就像把一滴水误认为是整片海洋一样。

绘制神经活动图

当人们进行特定的认知或行为任务时，最常用的产生大脑数据的方法之一是功能性磁共振成像，即 fMRI。这种无创神经成像技术是认知神经科学家的首选，很大程度上是因为它生成数据方面非常方便。但 fMRI 实际上并不测量大脑的电活动；相反，它测量神经活动的间接结果，即含氧血液的流动位置。

这不一定是个问题。温度计不直接测量温度——它们测量玻璃管中汞的体积，而这与温度密切相关。当耦合不完整、嘈杂或复杂时，就会出现问题。与此同时，血氧，也称为血红蛋白反应，被认为与在神经交流中起重要作用的特定突触事件密切相关。

就像数码相机或电脑屏幕一样，fMRI 脑扫描可以以空间分辨率的单位来定义，但图像是 3D 的，而不是 2D 的。这些体积像素称为体素；在典型的扫描中，一个体素可能覆盖 3 立方毫米的组织，这个体积大约包含 630,000 个神经元。

除了一些脑部扫描方法（例如可以分离单个细胞活动的皮层脑电图（ECoG）等颅内记录），很少有脑部扫描方法的空间分辨率比 fMRI 更好。但这些侵入性技术，即将电极直接放置在大脑上，仅限于动物模型或特定临床环境，这些环境中的患者患有癫痫病等疾病，需要高精度才能定位癫痫发作。相比之下，fMRI 在精度和覆盖范围之间取得了良好的平衡。

fMRI 的一个更大问题是血氧是在一段时间内扩散的，这使得神经科学家很难精确确定活动的具体时刻。典型的 fMRI 图像是在一段时间内的平均大脑活动，通常仅为几秒钟，有点像长时间曝光的照片。这可能会导致高度动态或快速的神经过程变得模糊。

更直接测量电活动的方法让神经科学家能更好地了解神经事件实际发生的时间。脑电图，或 EEG，是神经科学家收集大脑数据的另一种教科书式方法。fMRI 测量大脑中含氧血液的流动位置，而 EEG 测量不同神经区域的神经元集体放电。EEG 的一个缺点是很难确切知道正在测量的神经活动是从哪里产生的。尽管如此，这种方法在很大程度上促成了我们对神经振荡或神经元同步放电的理解。如果大脑是一个体育场，里面挤满了人，每个人都是一个神经元，那么竞技场的一个部分可以通过同步活动（例如拍手）与另一个部分进行交流。

神经科学家收集大脑数据的另一种常见技术是脑磁图（MEG）。MEG 不测量电势本身，而是测量大脑电活动产生的微弱磁场。这项技术包括一个专业的头盔，上面有大约 300 个极其灵敏的磁力计，它们可以检测到大脑产生的非常小的磁场。这些神经读数必须在屏蔽室中进行，以阻止外部物体（甚至是地球磁场）的磁场。

目前的 MEG 技术仅限于检测皮层（最接近头皮的大脑部分）的磁场。但那里仍然发生着许多有趣的事件，特别是如果你正在研究意识体验的方面，因为皮层被认为与情绪、语言和记忆密切相关。大脑深层区域产生的磁场在到达可以被拾取的头部表面之前就会消散。据认为，MEG 中测量的磁场是至少 50,000 个神经元同时与其邻近神经元通信的组合活动的结果。如果皮层活动是研究的主题，与其他技术相比，MEG 能提供关于活动发生时间和地点最佳的数据。

深入挖掘数据

一旦科学家们通过这些不同的技术收集了数据，他们就必须决定如何分析这些数据。脑成像技术（如 fMRI）的一个熟悉结果是得到一张不同区域被点亮的图像，代表这些区域活动的增加。

简而言之，这些图像显示的内容取决于科学家做出的分析决定，不同的分析方法和样本量可能产生截然不同的结果。在一项 2013 年的研究中，研究人员没有依赖阈值来确定活动和噪声，而是将任何在多个受试者中发现的都视为信号，而未发现的则视为噪声。他们发现了与其他研究常提到的相同网络，但也发现这些网络在称为“枢纽”的区域重叠，这些枢纽连接密集，负责协调整个大脑的活动。

最终，我们能够对大脑功能得出结论的类型，以及它们如何产生意识体验，受到我们技术能够提供的数据类型的限制——以及我们在分析这些数据时所持的假设。

推测我们目前的技术无法访问的大脑中可能正在发生着何种动态，这是很有趣的。神经科学家仍在努力开发新技术来理解神经元之间复杂的神经化学相互作用，并尝试绘制大脑不同区域之间的连接图。

卡内基梅隆大学神经科学家罗伯特·梅森（Robert Mason）表示：“在我们的领域，技术不断被开发或改编，以获取大脑动态特性的信息。”他描述了该领域的两种相对较新的技术：TMS（经颅磁刺激）和 tDCS（经颅直流电刺激）。梅森说，这些技术的基本前提是刺激大脑以确定这如何影响行为和正在测量的脑状态，并可能绘制出不同皮层区域之间的连接图。“像大多数其他大脑测量技术一样，存在许多潜在假设，而且它并不像初看那样简单，”他补充道。

TMS 和 tDCS 等新技术有一天可能有助于科学家们回答关于意识本质的棘手问题。Seth 认为，随着我们将人类的感受与相应的神经过程之间的联系建立起来，“意识难问题”将逐渐消解。

然而，也有可能我们的技术无法提供足够完整的内在图像来明确回答任何关于意识的问题。我们大脑近乎难以理解的复杂性意味着，肯定有科学家完全不知道的动态特性在发生。此外，我们甚至可能遗漏了我们已有的数据。尽管如此，也并非不可想象，我们有一天能够更好地理解大脑的秘密，而大脑的秘密构成了其中一个最大的谜团。