1.3.1 认知神经科学的研究基础和方法

认知神经科学是建立在脑结构和脑功能研究基础上的、利用神经科学方法来解释认知活动的科学。上面的定义将认知神经科学的基础、方法和目的阐述得一清二楚。理解认知神经科学的目的很容易——认知活动，这一点在定义中说得再明白不过了。那么认知神经科学研究的基础和方法具体又是什么呢？

首先谈谈认知神经科学的研究基础——脑结构和脑功能。无论是东方还是西方，最早都认为心脏是产生意识的场所，“心想事成”说的就是这个道理。得益于解剖学，尤其是神经解剖学的发展，人们才发现心脏只是一个“血泵”，大脑才是思维和认知的真正载体。接下来，人们开始将目光集中在大脑上，探究它的结构和功能：首先，发现大脑皮层（cerebral cortex）是意识活动的物质载体，几乎所有信息的加工过程都发生在大脑皮层中。大脑皮层可谓“千沟万壑”，按照皮层上较大的“沟回”[8]，首先将整个大脑分为左右半球，每个半球又都分为额叶、顶叶、枕叶和颞叶四个大的区域；接下来，探索朝着细胞级迈进——人们发现大脑皮层中的神经细胞具有不同的结构，相同结构的细胞喜欢“扎堆”，因此可以按照细胞的结构进行进一步区域划分。其中最为著名的当属德国解剖学家科比尼安·布罗德曼（Korbinian Brodmann，1868—1918年）在1909年提出的“布罗德曼分区”（Brodmann areas），布罗德曼分区系统将每个大脑半球分为52个分区。有了大脑的分区系统，我们等于拥有了一张大脑地图，认知的研究也拥有了能够精确定位的“坐标系”。图1-8所示为大脑两侧的布罗德曼分区图。

有了划分了区域的地图还不够，还得需要表示功能的地图。随着神经科学研究的深入，人们发现大脑中不同的区域具有不同的功能，掌管着人类不同的能力或行为。例如，人在主管语言的大脑分区发生损伤后，就会丧失说话能力。有着“神经外科先驱”之称的加拿大神经外科医生、神经生理学家怀尔德·潘菲尔德（Wilder Graves Penfield，1891—1976年）在1928—1959年间，通过在多名脑手术病人的大脑皮层上开展的电刺激探索，发现了大脑皮层中控制运动、语言等功能的区域。至此大脑皮层功能定位的早期模型已经有了一个比较清晰的轮廓（如图1-9a所示）。随着人们对神经元认识的不断深入和脑观测手段的不断进步，对大脑构造的认识也更加深刻，对大脑功能的划分也更加精确，发现了一系列完成某一类特殊认知功能的皮层区域及其作用关系。例如，人们发现大脑中位于枕叶距状裂周围的皮层主要负责处理视觉信息，于是将其命名为视觉皮层（Visual Cortex）。视觉皮层接收视觉信息输入，并对其进行分级处理。按照对视觉信息的加工过程，又将视觉皮层进一步分为初级视皮层和一系列次级皮层，分别用V1～V4[9]，以及MT（MT是“中颞”英文“Middle Temporal”首字母简写，该区亦简称为V5区）等作为其简称（如图1-9b所示）。

接下来再谈谈认知神经科学的研究方法——神经科学方法。与认知心理学研究认知行为时采用的实验手段类似，神经科学研究认知问题的一般方法也是通过给受试者施加特定输入，一方面获取其直接的行为反应输出，另一方面借助脑功能探测设备从整脑、脑分区、神经元和分子等不同尺度观测其脑功能及脑状态变化，从而确定认知过程在大脑中发生的时间、位置、强度以及依赖次序等关键特性。图1-10示意了这一方法框架。为了进一步说明行为反应与脑状态变化的区别，下面再举一例，设想下面的场景：角落里突然窜出一条狗，小明头脑瞬间一片空白，然后拔腿就跑。“拔腿就跑”即行为反应，而从头脑正常到“一片空白”，再到做出“拔腿就跑”的指令即脑功能的体现和脑状态的变化。在一般的神经科学实验研究中，往往会结合行为反应及脑功能探测设备共同研究某一认知过程的脑作用。

脑功能研究离不开脑探测技术。可以说认知科学能够取得重要进展，得益于神经科学的发展，而神经科学的发展又得益于对大脑的探测，尤其是非侵入大脑探测技术的进步。在脑电图（Electroen-cephalogram, EEG）、脑磁图（Magnetoencephalography, MEG）、事件相关电位（Event Related Potential，ERP）、计算机线断层扫描（Computerized Tomography, CT）、磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）、功能磁共振成像（functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）以及正电子发射断层显像（Positron Emission Tomography, PET）等脑探测技术的“加持”下，人们开始抵近观察认知过程发生的最重要场所——大脑，并可以“进入”大脑的内部一探究竟。不过需要说明的是，认知神经科学对脑机制研究主要是观测认知过程在脑中发生的时机和位置，因此需要从时间和空间分辨率两个方面来综合考虑所选择的观测技术。但是，正所谓“鱼和熊掌不可兼得”，上述设备难以在时间分辨和空间分辨上做到两全其美：某些设备可以“秒出”结果，如EEG和ERP等设备；而某些设备反应稍慢但可以“看”得很清楚，如fMRI等。另外，费用也是必须考虑的因素，毕竟某些设备可谓是“设备一转，成千上万”。

前文我们已经探讨认知心理学领域对注意的探索。与认知心理学中“给刺激，看行为”的方式相比不同，认知神经科学更多的是借助仪器设备，以“给刺激，找证据”的方式开展试验和研究，带有一种“合上电闸，看哪盏灯亮”的感觉。如果我们希望体会认知神经科学和哲学、心理学的差异，试着在脑海中构建如下的画面：一位穿着长袍、白髯飘飘的老者，每天坐在树下冥想，他叫作哲学家；一位穿着白大褂，一边观察一群受试者的反应，一边忙碌地在预先准备的表格上做着记录的人，他是心理学家；一位受试者头上连满了各种电极和传感器，旁边几台叫不上名字的机器嘶嘶作响，不断闪烁着数字或是绘制着曲线，机器旁边一个戴着眼镜的人目不转睛地看着机器的输出，这个人就是认知神经科学家。