脑功能的研究背景与意义论文

《本文同步发布于“脑之说”微信公众号，欢迎搜索关注~~》 具有阳性家族史的精神分裂症被称为家族性精神分裂症(familial-schizophrenia, PFS)，家族性精神分裂症被认为是更多由遗传因素引起的，而具有阴性家族史的精神分裂被称为散发性精神分裂症(sporadic -schizophrenia, PSS)，散发性精神分裂症被认为是更多由环境因素引起的。前人的研究表明，家族性精神分裂症和散发性精神分裂症临床症状存在一定差异[1, 2]；此外，结构磁共振研究表明，与健康对照组和散发性精神分裂症患者相比，家族性精神分裂症患者具有更低的丘脑灰质密度[3]。但是，两种精神分裂症脑功能网络是否存在差异呢？本文主要根据参考文献[4]整理而成，文献[4]采用静息态磁共振技术，主要对家族性精神分裂症和散发性精神分裂症患者的脑功能网络及其拓扑结构进行了研究，以揭示两者之间的脑功能差异。笔者在这里对这篇文章的分析方法和结果进行剖析，希望各位朋友从中有所启发，对大家的研究有所帮助。 研究方法 医院搜集26个PSS患者，26个PFS患者以及26个对照组，采集静息态fMRI。 被试的fMRI数据采用SPM8软件进行标准的预处理流程，预处理后的数据采用GRETNA软件构建AAL 90个ROI脑区之间的功能连接矩阵。具体来说，就是计算90个AAL脑区BOLD信号两两之间皮尔森相关系数，对于每个被试得到一个90*90的皮尔森相关系数矩阵。 对于得到的功能连接矩阵，研究者采用图论的分析方法，计算每个功能连接矩阵的如下拓扑参数：聚类系数（clustering-coefcient）Cp,特征路径长度（characteristic-path length）Lp,归一化的聚类系数γ，归一化的特征路径长度λ，小世界系数（small-worldness）δ，网络的全局效率（global effciency）Eglob,以及局部效率（local effciency）Eloc等参数。 最后研究者采用network-based statistics (NBS)的分析方法，研究不同被试组之间存在显著差异的子网络。 研究结果 与健康被试组HC相比，家族性精神分裂症(PFS)患者表现出显著降低的归一化聚类系数γ，小世界系数δ和局部效率Eloc；而与PSS患者相比，PFS同样表现出显著降低的Eloc，具体结果如图1所示。 与HC相比，PFS在如下脑区表现出显著增加的节点中心度（nodal centralities）：right mid-cingulatecortex (MCC), middle occipital gyrus (MOG)；而在以下脑区表现出显著降低的节点中心度：bilateral middle frontal gyrus (MFG), left insula (Ins), calcarinegyrus(Cal), caudate (Cau), putamen (Put) 和 Heschl’sgyrus (HG), and right thalamus (T)，具体如图2所示。 与健康被试HC相比，PSS在如下脑区表现出显著增加的节点中心度（nodal centralities）：bilateral supplementary motor area(SMA), medial part of the superiorfrontal gyrus (SFGm), left parahippocampal gyrus (PH), right cuneus (Cun) 以及 MOG；而在以下脑区表现出显著降低的节点中心度：left olfactory cortex(Olf), Ins, Cal, right MFG, paracentral lobule (PCL) 和Put，具体如图3所示。 与PSS相比，PFS患者在如下脑区表现出显著增加的节点中心度：right superior parietal gyrus (SPL), supramarginal gyrus (SMG) 和 PCL；而在以下脑区表现出显著降低的节点中心度：left Cau,left HG, rightorbital part of inferior frontal gyrus (IFG_Orb), SMA 以及 Th.具体如图4所示。 研究者采用NBS方法，与HC相比，PFS患者表现出如图5A所示的功能连接强度显著降低的子网络；而PSS患者表现出如图5B所示的功能连接强度显著降低的子网络。 最后，研究者对计算的脑功能网络指标与临床数据评分PANSS进行相关分析，结果如图6所示。结果表明，对于PFS患者来说，归一化聚类系数γ和小世界系数δ与PANSS 阴性评分呈现显著负相关；对于PSS患者来说，脑区的节点效率与PANSS阴性评分呈显著负相关，而脑区的节点中心度与PANSS阳性评分呈现显著相关。 总结 本篇研究论文结合静息态fMRI功能连接和图论的分析方法来揭示两类精神分裂患者（PSS和PFS）脑功能网络的差异，结果显示，与PSS患者相比，PFS表现出显著降低的局部效率Eloc，并且在如下脑区表现出显著增加的节点中心度：right superiorparietal gyrus (SPL), supramarginal gyrus (SMG) 和 PCL，而在以下脑区表现出显著降低的节点中心度：left Cau,left HG, right orbital part of inferior frontal gyrus(IFG_Orb), SMA 以及 Th。结合前人的研究，这些结果表明，PFS和PSS之间除了有临床表现和脑结构的差异，而且在功能网络上也存在显著差异，这可能主要是由于两种精神分裂症是由不同的因素造成的。

脑科学狭义上指神经科学，是为了了解神经系统内分子水平、细胞水平、细胞间的变化过程，以及变化过程在中枢功能控制系统内的整合作用而进行的研究。广义上，脑科学是指研究脑的结构和功能的科学，包括认知神经科学等。1、基础神经科学：侧重基础理论– 神经生物学：研究人和动物的神经系统的结构与功能、及其相互关系的科学，是在分子水平上、细胞水平上、神经网络或回路水平上乃至系统和整体水平上阐明神经系统特别是脑的物质的、能量的、信息的基本活动规律的科学。(认识脑)由六个研究分支：分子神经生物学（化学物质）、细胞神经生物学（细胞、亚细胞）、系统神经生物学、行为神经生物学（学习记忆、情感、睡眠、觉醒等）、发育神经生物学、比较神经生物学– 计算神经科学：应用数学理论和计算机模拟方法来研究脑功能的学科。(创造脑)2、临床神经科学：侧重医学临床应用研究与神经系统有关的疾病，及其诊断、治疗方法、技术等(保护脑)

前言：我想很多人在看前面的4篇文章的时候，已经被我搞晕了。那么多人名，那么多发现，都记糊涂了，而且题文不符，一点也不有趣。嗯，我同意，我道歉，我改正…… 在本章开始之前，我先想带大家回顾一下我之前的四篇文章里出现的人物们。 我们一直都说，心理学是一门科学也是一门哲学。所以心理学的发展一定是建立在哲学与科学两种基础之上的。但回顾一下我们过去的四篇文章，你会发现科学的部分写的非常少。在古希腊还有希波拉底和阿尔克麦翁撑着，然后就沉默了2000多年，到了18世纪，霍布斯才提出了关于“原子的”思想运动的假设，而这一假设，则是建立在天文学和物理学研究基础上的。到了笛卡尔关于松果体和脑脊液的假说也是建立在解剖学基础上的。 而现代心理学之所以被称作“现代”，也就是它使用了“科学的”研究方法来研究心理活动。因此，在心理学“现代化”的过程当中，科学的发展是起到了很大的推动作用的。以前谈哲学多些，也是因为科学，特别是与心理学相关的生物学的发展是比较有限的，所以没有特别多要谈的。进入19世纪以后，神经科学、脑科学、感觉生理学、心理物理学和进化论等学科的出现与发展，推动了心理学的现代化进程。所以心理学史的第四部分就来谈谈这些科学。 从阿尔克迈翁时代，我们就已经知道了，心理活动发生在脑部，那我们今天就先来谈谈脑科学的进展。 说到脑科学，我们不得不从一个伪科学开始谈起——颅相学。 魏延反骨的故事我们都听过了，我记得我小时候家里有本《麻衣看相书》（别问我为什么会有，也别问我为什么要看），也有关于头型的描述。可见所谓颅相学，在中国早在公元二、三世纪就有了，当然现在还是有很多人相信这个。但在欧洲，这个学说是在19世纪才出现的。 颅相学始于弗兰茨.高尔（1758-1828），他是一名德国的内科医生，以精湛的解剖技术和奢靡的生活方式著称。在他小时候，他就注意到，拥有良好记忆力的人，通常有一双大而突出的眼睛（我个人猜测这是是戴眼镜的人的通病，而为什么会戴眼镜，肯定是爱学习，看书多啊，那拥有良好记忆也就不足为奇。眼镜是17世纪之后就慢慢普及了的，如果你想知道的话），所以后来他就开始思考，人的其他特性是不是也会跟头部的特征有关呢？作为一个解剖学家，他充满热情的，系统的开始了这一领域的研究，弃婴堂、精神病院、监狱和停尸房都是他常去的地方。以至于当时去世的人都要在遗嘱里写上一条，特别要求“保护他们的头颅不受高尔博士的研究”。 不断测量之后，高尔形成了一套自己关于颅相学的假说，他将人的27种特性与27个头部位置联系起来，认为如果该特质发育的好，该部分就应该略微凸起，如果发育的不好，该部分就会微微凹陷。 高尔的《人的构造》被他的合作者施普兹海姆广泛宣传，在高尔1828年死后（顺便说一下，高尔认为，头盖骨厚的人，因为脑容量小，所以比较愚笨，嗯。他自己的头盖骨差不多有常人的两倍厚。）施普兹海姆与他的新搭档库姆继续推广，在施普兹海姆去世之后，库姆还坚持不懈的在欧洲和美国建立了45个颅相学的研究协会。据说当时《人的构造》一书成了家庭必备书，售出10万多本。 在当时的美国，颅相学也被福勒兄弟和他们的姐夫威尔斯推向了一个新高度。他们打着“认识自己”的旗号，出版了一本名为《颅相学自我指导》的畅销书。一些美国企业将颅相学检查作为一个雇用条件；竞选公职的政治家要经过颅相学的分析；打算结婚的年轻人去咨询颅相学家，应该跟谁结婚及婚后会遇到什么情况。等等等等。 在19世纪的文学作品中，正面人物通常拥有巨大的头颅，高额头和分的很开的眼睛，而坏人则有尖尖的脑袋，突出的眉毛和小眼睛。在《蓝宝石案》中，福尔摩斯也曾通过一个大号的帽子推论出它的主人有极高的智商。 既然颅相学曾这么受欢迎，那为什么后来还是失去了人们青睐呢？归根到底，颅相学不过是一种经验的组合，根本无法验证也无法证伪。当人们把注意力从验证颅相学的正确性，转移到验证颅相学的矛盾之处的时候，自然就会发现该学说的不合理之处。 最终，法国外科医生 马里-让.弗卢龙 （1794-1867）这个19世纪最重要的脑机能研究者，在1843年发表了《评颅相学》一书，终结了颅相学的狂热。在该书中，弗卢龙通过许多对动物脑的精确实验，发现了许多脑功能区，且与颅相学说有很大差异。 弗卢龙通过对动物脑精确的手术，证明了大脑各个部分的主要功能。 1）大脑的两个半球（四对脑叶）支配所有的自发动作。切除了脑叶的动物，只会表现出反射动作，而失去主动行为。你不将食物放进嘴里就不会主动寻找食物，你不将鸟儿抛向空中，他就不会主动飞翔。基于这些实验，弗卢龙认为脑叶是知觉、记忆、意志力等高级心理活动的基础。 2）小脑的切除带来的是运动神经的损伤，鸟儿飞行能力下降，小狗无法协调四肢行走。 3）脑叶与小脑切除后，动物仍能存活，但延髓——生命中枢——受到破坏时，动物将立刻死亡。因此，延髓是控制呼吸、心脏等自主活动的核心区域。 虽然发现了不同脑区的功能，弗卢龙也强调，脑是一个相互连接的完整器官，不同脑区需要共同作用才能运转。弗卢龙还发现，如果脑受损的区域不大，受到的影响也会较小，而且有时候，还会逐渐恢复一些已经丧失的功能，这可能是脑的某些区域接管了受损区域的功能。这与人类中风患者遇到的情况类似。中风可能导致某些功能的丧失，但随着时间的推移，许多患者会在一定程度上恢复部分功能。 但动物脑的实验结果可以直接运用在人身上吗？一些特殊意外事件肯定了这个答案，比如菲尼亚斯. 盖奇额叶受伤的故事等（顺便插播一句，我在写完心理学史之后，第二个系列准备写有趣的心理学实验，其中会涵盖这个故事，不过估计还要等很久，有兴趣的朋友自己去百度吧）。 1861年，同样也是一位法国外科医生和神经学家皮埃尔-保罗.布洛卡通过对失语病人的解剖发现，人的语言中枢位于左额叶，而且布洛卡认为语言是人类的最高成就，那么左半脑应该是比右半脑更加发达，也就是优势半脑。左右半脑分工不同的观点，至今还在被沿用。应该说，对脑功能的研究，在19世纪取得了巨大的进步。 同样在19世纪还发明了一种脑研究的方法——脑的直接刺激。最精准有效的方法是电刺激。通过电刺激获得最显著成果的两个人是古斯塔夫.费里奇（1839-1927）和爱德华.希齐格（1838-1907）。费里奇是一个富裕的人，他主要是对这项研究提供经济上的支持。希齐格是一名解剖学家，战时曾担任过军医。两人合作了许多实验，成功定位了5种不同的肌肉群的脑区，并在1870年共同发表了一篇《关于脑的电刺激》的论文。 其他各国实验室也很快复制了这个实验（这是科学的一个重要因素，可验证，所以你知道之前有学者因无法重复自己的实验结果，而被迫撤销论文的原因了吧）。其中英国学者戴维.费里尔（1843-1928）运用刺激法和切除法做了一系列经典实验，成功定位了十五种运动技能（详见《脑的机能》一书）。并由于他定位的精准性，他直接将猴脑的定位图直接转换到人脑中，成功的定位了一次脑瘤切除手术。 后来，费里尔还发现，身体的不同部分在脑中的运动反射区，与这部分的功能有关，而不是与面积有关。举例来说，人手虽然面积并不大，但在脑中反射区却非常大，详见下图。（前方高能，小心！） 关于感觉机能，费里尔发现把视觉定位与枕叶皮层，把听觉定位与颞叶，躯体感觉定位于后中枢神经区域。 虽然19世纪，关于脑的研究取得了很大的成绩。但同时也引发了一些问题。尤其是对于人脑的实验，引起了关于伦理道德方面的强烈的社会议论。这迫使外科医生们无法再通过人体实验获得更准确的实验结果。 这里插一句我对这个问题的一些引申的思考。其实我觉得仔细想想这事还挺有意思的。因为其实所谓科学精神倡导的是一种“唯事实论”。但由于人有“自我”意识的存在，所以会认为“我”与“其他人”不同，“人类”与“动物”不同，“生物”与“非生物”不同，而实际上，这种不同是意识层面，而非事实层面的。所以我觉得，科学对于人类来说，可能快要走到头了，因为人类不可能放下“我”的意识存在。 好啦，关于十九世纪脑的研究，我就先先说到这，下周会跟大家分享在十九世纪神经学、感觉生理学、心理物理学和进化论方面的进展。（我不确定一章能写完，这一部分可能会有上中下，捂脸捂脸）

我非常荣幸能有机会参加新东方这次家庭教育研究与指导中心成立的发布会，由于时间关系，我直接切入话题，我讲座的题目是“脑科学研究对儿童早期教育的启示”。

其实脑科学的研究涉及到三方面内容：怎么样理解脑？怎么样保护脑？怎么样开发脑？早期教育的体制涉及到早期教育的两个部分：一个是正常儿童早期教育，另一个是特殊儿童早期教育，也就是残疾儿童，当然特殊儿童也包括残疾儿童、超常儿童和有行为和情绪问题的儿童，当然也涉及到非早期教育的一些其他问题。

我谈两方面问题：一个是脑科学目前在研究方面主要缺哪些成果？也就是对人脑奥秘的解读达到哪一种水平；第二个问题，脑科学为早期教育提供了哪些启示。

大家知道人成为万物之灵最重要特点是因为人有聪明的大脑，离开聪明大脑，我们和动物没有很多区别，神奇无比的大脑也就使人成为万物之灵，对脑科学研究应该说是国际性课题，中国从1999年香山会议以后也开始逐步进行脑科学研究，有这方面研究条件的研究所、研究院和大学基本上都开展了这方面的研究，华东师大在这方面的研究主要集中在特殊儿童脑科学研究方面。

脑科学研究到现在为止，人们想解开心智的秘密，实际上离这个距离非常远，也就是说我们刚刚从一个黑箱走到灰箱。

但是人们对人脑的奥秘这种科学研究已经有很长的历史，成为许多科学家追求的目的，主要范围有三点：理解脑、保护脑、开发脑。

我们不是借助于神经科学研究，我们的着眼点除了物质能量和信息以外，我们关心人脑的信息活动，人脑的活动之所以几十年来成为一个研究的焦点，主要是研究手段的改进，尤其是脑功能成像，能在不破坏脑的情况下进行这方面的研究，原来的研究多半都是静态的，在脑不发生功能情况下进行研究，由于这样一些条件，我们开始能够了解到人的动作中枢、语言中枢、视觉中枢在什么地方。

从1968年到2004年，关于脑功能研究论文数目急速上升，我们学校从去年开始装3T脑功能研究设备，我个人负责自闭症儿童脑功能研究。

脑功能成像研究，听到一个词，被动的看到一个词，或者什么都没有做，脑子里想到的一个词，内部研讨都可以从脑功能里做出一些区别。

从这些研究里面，我们首先肯定了一点，人脑是种系进化的结果，人之所以那么聪明，不是一代、两代形成的，而是种系长期进化的过程，经过六百多万年脊椎动物脑的进化，尤其额叶的发展，尤其是额叶前部。

值得注意的是种系比较中得出来的结论并不能简单的推而广之。

第一是种系的发展，进化，另外就是个性的发展，对我们来说，种系的发展是无能为力的，谁也没有办法改变几百万年怎么样进化，这是事后才知道的，而脑的个体发展，是我们人在一生过程中多少能够控制的一个部分，我们的研究落实到这方面更有意义。

整个的生长发育，是以遗传信息为基础的自我建构过程，教育学上有一个永恒的命题，就是遗传和环境之间的关系，有机体还是以遗传信息为基础，同时又在环境的熏陶下不断的进行自我构建，比如10月怀胎，完成了个体种系发展从单细胞到高级哺乳动物经历了10亿年这一历程。

基因是控制生命遗传特征的最基本的单位，人类基因组计划是生命科学史上最伟大的工程之一。

对我们的教育来说，母亲怀孕的最后三个月，与婴儿出生后的头两年被称为大脑发育的加速期，成人大脑一半以上的重量是这段时间获得的，从母亲怀孕的第7个月开始到1岁生日期间，大脑每天增加克，或者每分钟增加重量1毫克多。

上个月我们还跟上海精神病院开了一个联席会议，随着医学的发展，很多低体重儿、早产儿基本上都能救活，死亡率降的非常非常低，我说死亡率降的越来越低，你有成就感，我们增加了很多特教对象，当然了，最近在教育部起草特殊教育12年发展规划时我谈到人其实是从特殊教育开始从特殊教育结束，最早时候很多东西都没有达到正常水平，但是到一定时候又离开了正常水平。

脑到底是由什么东西构成呢？由脑细胞、神经元构成，脑神经细胞分为神经元和神经胶质细胞，每个神经元每秒钟可以传递250-2500个神经冲动，每个神经冲动以不同的组合形式在神经纤维中传输成“编码”，前20年时还不知道大脑怎么研究，希望通过用电脑模拟研究，现在发现人脑跟电脑操作方法完全不一样，这种模拟非常有限，但是也给我们提供了很多启示。