我们如何认知空间

伟大的哲学家伊曼纽尔·康德认为，空间是我们存在中最重要的一部分。我们所经历的一切——从脑海中的想法到我们看到的在天空中旋转的星星——只有当我们能为其分配一个位置时才有意义。他在1781年写道：“我们永远无法想象或描绘出一个没有空间的存在。”

你不妨自己试试：一个没有空间的世界似乎说不通。但对某些人来说，这就是日常生活。中风会剥夺我们的空间感。脑损伤和肿瘤也是如此。1941年，在苏格兰爱丁堡工作的神经学家安德鲁·帕特森和O. L. 桑威尔发表了一篇关于一名34岁患者的报告，他曾被迫击炮弹碎片击中头部。这次损伤抹去了他对自己世界左半边的感知。帕特森和桑威尔描述了这个人“即使意识到左边的门和转弯的存在，也一直未能注意到”。他还“忽略了图片左侧或书籍左页的内容，尽管他的注意力一直在被提醒注意这些疏忽”。这名患者能玩跳棋，但忽略了棋盘左侧的棋子。“当他的注意力被引到这一侧的棋子时，”医生们写道，“他认出了它们，但很快就忘记了。”

这种被称为空间忽略的疾病，挑战了我们对世界理解的观念。但通过绘制人们如何失去空间感，神经科学家们正在获得关于我们如何首先建立这种感觉的新见解。

当科学家们开始研究导致空间忽略的损伤时，在大约20世纪中叶，他们的发现还很粗糙。例如，他们发现许多患有这种疾病的人曾遭受顶叶损伤，顶叶是位于头顶附近的一块脑组织，对许多心智任务至关重要，从注意力到制定计划。然而，顶叶是巨大的神经区域。说损伤顶叶会导致空间忽略，其意义就像说把车开下悬崖可能会损坏挡风玻璃一样。

更复杂的是，空间忽略可以有多种形式——正如英格兰伯明翰大学的实验心理学家格林·汉弗莱斯及其同事最近在一项研究中记录的那样。他们对41名遭受脑损伤的患者进行了考试。每位受试者都拿到一张纸，上面有150幅苹果的线描图，其中只有50幅的轮廓是完整的。50个苹果右侧有缺口；其余50个苹果左侧有缺口。汉弗莱斯和他的同事告诉受试者划掉所有完整的苹果，而将不完整的苹果放在一边。

受试者有五分钟时间完成测试。对有些人来说，这绰绰有余。但汉弗莱斯和他的同事发现，有11个人忽略了纸张左侧的许多苹果。另外两人忽略了右侧的苹果。有10名参加测试的人犯了一个根本性的错误：他们划掉了纸张两侧的苹果，但有时他们划掉了有缺口的苹果，错误地认为这些形状是完整的。八个人划掉了左侧有缺口的苹果，两人划掉了右侧有缺口的苹果。

两种类型的忽略

受试者犯的两类错误表明存在两种不同的空间忽略形式。第一组患有“以自我为中心”的忽略，对身体一侧的空间没有感知。第二组患有“以物体为中心”的忽略，对他们所看物体的某一边没有感知。

一旦汉弗莱斯识别出患有“以自我为中心”和“以物体为中心”忽略的人，他和他的同事就拍摄了受试者大脑的高分辨率图像。他们发现，“以自我为中心”忽略的患者大脑一侧的一组区域（包括顶叶的一部分）都有损伤。患有“以物体为中心”忽略的患者则在大脑的不同区域网络中出现损伤。其中一些区域与“以自我为中心”区域重叠；另一些区域则延伸到大脑更靠后的部分。

为了更深入地探究我们的空间感，加州大学圣地亚哥分校即将完成医学学位的李·洛夫乔伊研究了上丘，这是大脑深处的一个区域。研究人员早就知道，大脑的这个部分与我们眼球的运动有关。洛夫乔伊怀疑它也可能对我们对周围空间的感知很重要。只有极少数患者能从该区域的损伤中幸存下来。上丘位于脑干中控制心脏跳动和其他维持生命功能的部分旁边。导致上丘损伤的中风或其他伤害，也常常会损害这些区域。大多数情况下，它们不仅仅是让人无法玩跳棋——它们会致人死亡。因此，洛夫乔伊和他的同事使用了猴子和一种名为梭莫西汀的药物，该药物通过抑制注射部位的神经元来安全地关闭大脑的部分区域。他们因此能够在不造成任何长期损害的情况下调节健康大脑的活动。

之前的研究表明，在上丘中，来自眼睛的信号会被扩散成一个二维地图，相对于视野来说是左右颠倒的。例如，如果一只猴子在其视野的左上角看到一个光点，那么放置在上丘地图的右上角的电极就会放电。因此，洛夫乔伊和他的同事只需选择注射梭莫西汀的位置，就可以选择性地关闭视觉地图的特定部分。

洛夫乔伊训练了两只猴子完成一项简单的视觉任务：动物盯着电脑屏幕的中心点，同时在四个角落出现四个圆圈。三个是绿色的，一个是红色的。然后圆圈消失，被四组点取代。在红色圆圈出现过的角落，点开始一起移动。如果猴子朝同一方向移动眼睛，它就会得到一小口果汁作为奖励。使这项任务棘手的是洛夫乔伊添加的干扰。与红色圆圈相对的角落的点朝相反方向移动，其他两组点则朝随机方向移动。猴子必须专注于红色圆圈的角落，而不是被其他点分心。

在正常情况下，猴子几乎每次都能学会正确完成测试。当科学家们将梭莫西汀注入上丘接收关于红色圆圈的眼睛信号的部分时，情况发生了变化。突然间，猴子朝相反的方向移动了眼睛。洛夫乔伊让猴子暂时患上了空间忽略。

洛夫乔伊在上丘进行的实验，以及对顶叶脑损伤的研究，都表明这两个区域都对我们对空间的感知做出了贡献。一个大规模的大脑区域网络似乎对此负责——考虑到这项任务的复杂性，这并不令人意外。但识别那个网络的一部分只是第一步。神经科学家必须弄清楚这些部分到底做什么，以及它们如何协同工作，使我们能够感知周围的空间。

汉弗莱斯和他的同事们通过开发一个空间感知计算机模型，朝着这个方向迈出了重要一步。他们将模型建立在神经科学关于大脑如何工作的最深刻的见解之一之上。当我们观察世界时，我们似乎能完美地感知进入我们眼睛的图像。但实际情况要复杂得多。来自我们眼睛的信号会传播到大脑后部的视觉皮层，然后向前移动到其他区域。在此过程中，我们视野中重要特征——清晰的轮廓、人脸、明亮的光点——的信号会增加某些神经元的放电，而不太重要的特征则会减少其他神经元的放电。我们大脑中这种对话需要十分之一秒的时间才能产生我们对周围空间的感知。

在汉弗莱斯的模型中，来自模拟眼睛的信号会传播到几个不同的神经元集群。在每个集群中，神经元像地图上的点一样排列，每个点对应我们视野中的一个点。这些地图中的每一张都对我们所见事物的特定特征敏感：颜色、形状等。然后，每张地图中的神经元会将信号发送到一个主地图，该地图会结合信息并发送反馈。在接收到强信号的点，它会指示较低地图中的神经元变得更敏感——例如，更关注鲜艳的颜色。在输入较弱的地方，主地图可能会降低神经元的活动。

研究人员迈出了下一步，并将他们的模型与真实大脑进行了比较。他们让受试者看一个屏幕，上面布满了蓝色的脸、蓝色的房子和红色的房子。在每次试验中，人们必须说屏幕上是否有蓝色的房子。汉弗莱斯测量了受试者响应不同组合所需的时间，然后将同样的挑战呈现给计算机模型。

模型行为与人类非常相似。当汉弗莱斯和他的同事在一个充满红色房子的海洋中呈现一个蓝色的房子时，模型和人都迅速做出了反应。当研究人员呈现一个被红色房子和蓝色脸混合包围的蓝色房子时，计算机模型和人都反应得更慢。当他们添加更多的红色房子和蓝色脸时，反应速度会进一步减慢。

汉弗莱斯想知道，如果他的模型真的展示了我们大脑的工作方式，他能否确定人类主地图的位置。他的团队在人类受试者寻找蓝色房子的同时进行了fMRI扫描。在这些扫描中，大脑中的一个区域显示出与计算机模型中的主地图相同的活动模式。这个区域是右顶叶交界处边缘的一小块神经元，被称为右侧颞顶联合区，这一发现与最初的空间忽略研究息息相关。

右侧颞顶联合区是那些常常在失去部分空间感的人身上出现损伤的大脑区域之一。通过聚焦于这个区域——并继续解构空间网络的整体运作——神经科学家们可能最终能够解释康德的哲学，以及我们感知周围世界的基础。