给思维秤重

日期：2014-05-21 作者：何积惠 来源：文汇报

19世纪后期，一位意大利生理学家试图用简陋的天平测知人类的思维活动。如今，他的这一开拓性研究在现代实验室得到延续—— 给思维秤重

　　□何积惠 编译

　　宽敞的实验室里摆满了匪夷所思的仪器，一名男子躺在一张奇怪的如同跷跷板的床上，守在旁边的是一位留着大胡子的科学家。这位科学家时而调整这里的闸阀，时而拨弄那里的砝码，眼睛不住地扫视着转筒上展开的一条抖动的线条。如果他没有弄错的话，那么高低起伏的线条所反映的正是这名男子潮起潮落般的思维。

　　发明这一被称为“思维称重机”的安杰洛·莫索--这位19世纪意大利生理学家--着迷于人的脑血流与认知关系的研究，找到了仅用一个天平来测知变幻莫测的神经活动的途径，此举要比轰动世界的现代大脑成像技术提早了一个多世纪。

　　关于安杰洛·莫索的这一装置，长久以来可供评判的只有寥寥几份语焉不详的报告，所以很难知道它究竟是不是行之有效。直到他的原始手稿去年被人发现，才让世人对他的开拓性研究有了一个迄今为止最为透彻的了解。

　　令人惊讶的是,经证明,重新打造的现代版天平真的可以测量大脑活动，而其中蕴涵的原理可能对今天的神经科学家具有一定的借鉴作用意义。

　　

探寻未知的人发明“思维称重机”

　　现代心理学奠基人之一威廉·詹姆斯在1890年出版的《心理学原理》一书中，对安吉洛·莫索的“思维称重机”有过语焉不详的描述：它好比一张微妙地维系着平衡的桌子，在大脑血流量增加时会朝一端倾斜。

　　莫索在都灵实验室殚精竭虑的研究生涯，似乎很难同他的贫寒出身相联系。1846年5月30日，他出生在一个父亲当木匠、母亲做裁缝的家庭，童年时代是在相对贫困中度过的。但是，他那优异的学业成绩给人留下了非常深刻的印象，足以为他赢得入读都灵大学专攻医学的奖学金。1870年毕业时，他踏上了历时5年的欧洲之旅，参观了那里设施最齐全的一些实验室，然后重返大学，在那里一呆就是30年。

　　莫索的兴趣范围广泛，涵盖了从循环、肌肉疲劳到情绪生理学的一切领域，晚年甚至对考古学也有所涉猎。“他是一位真正的博学者”，伦敦国王学院的神经科学家、曾与人合作为《神经学期刊》撰写莫索生平的斯特凡诺·山德罗内如此形容莫索，“既充满激情，又不流于浅尝辄止，他无论研究什么都要进行深入细致的调查。”在莫索的影响下，都灵生理学派兴旺发达起来，成了当时令意大利科学家神往的圣地，莫索本人甚至也一度获得诺贝尔奖提名。

　　为莫索众多探索提供驱动力的，是他在父亲木匠作坊里学会的实用性技能。“假如他想干点什么而缺乏工具，他会自己动手制作。”山德罗内说。正是这种敢于拓荒开创的心态，引领着他一有机会就投身于自我试验。譬如在研究高原反应的那段日子，他和助手乔治就轮流进入模拟山顶条件的低压舱。

　　他的女儿咪咪在《探寻未知的人》一书中对这样的试验有过扣人心弦的描述：“大家目不转睛地注视着那人此时此刻的脸庞，他即将跨入几乎没有生物尝试过的禁区……”在气压达到相当于埃佛勒斯峰的8000米高度后，莫索做了个示意停止的手势，乔治如释重负地松了口气，同时让空气重新回归舱内。他们将门打开，“我的父亲脚步踉跄地从潜水钟里出来，不得不身子靠着墙壁才没有颓然倒地。”莫索错误地认为，导致高原反应的“元凶”是二氧化碳而并非氧的含量偏低，但其实正是因为提高了舱内的氧浓度，他才始终保持着清醒的意识。

　　这些实验固然称得上勇气可嘉，但最让当今生理学家感兴趣的还是他在大脑方面的探索成果。相关实验表明：供给大脑的血流量是随着我们的所思所想而发生变化的，在执行繁重费劲的任务时会有更多的血液涌向颅骨，以便为我们的神经元提供燃料。莫索是最早信奉这条规律的科学家之一。与此相似的原理同样贯穿于功能磁共振成像（fMRI）等现代技术，那就是通过测量大脑不同区域输入和输出的血液量来比较它们的相对活动。“现代神经成像与这一观念有着千丝万缕的联系。”同样执教于伦敦国王学院的马尔科·卡塔尼声称，“你无法直接对神经活动进行测量，却可以留心察看其影子，它们之中有一个永远代表着血流量的变化。”但这一点在莫索时代是颇具争议的。

　　莫索采取的初步方法是对患颅骨缺损的人展开调查。这种疾病的患者，大脑有一部分未被硬骨所覆盖。莫索把气腔注满后填塞到病人的颅骨四周，当血液急速涌向或涌出大脑时，软组织就会发生上下搏动，迫使气腔排出足以得到显示的空气，其间利用的是一种名叫体积描记器的修改版装置。莫索证明，人在解答计算难题时，大脑搏动的幅度就会趋于剧烈。现代心理学奠基人之一威廉·詹姆斯，赞誉它是“精神活动期间血液即刻汇聚大脑的最好佐证。”

　　这样的颅骨缺损患者是非常罕见的，所以莫索又另辟蹊径地对颅骨完好者的同样活动作了测量，其结果便是他的“思维称重机”。詹姆斯在1890年出版的《心理学原理》一书中对这个装置有过语焉不详的描述，形容它好比“一张微妙地维系着平衡的桌子”，在大脑血流量增加时会朝前端倾斜。但是，莫索本人这方面的著述并没有被广为报道，很快就销声匿迹了，所以这个装置是否像詹姆斯说的那么灵验，我们现在已经很难知晓。

　　

利用现代技术 重新复制实验

　　莫索发现他的被试对象在阅读哲学教科书时，天平倾斜的速度要比他们阅读报纸或小说时更快。重新打造的现代版天平证实：大脑的重量真的会随着刺激的强弱发生变化。

　　在时隔100多年后，这个创意理念激发起英国雷丁大学综合神经科学和神经动力学中心大卫·菲尔德和劳拉·伊曼的想象力，他们决定根据詹姆斯的叙述来打造这样的装置。它基本上是一个杠杆：让参与试验的人躺到上面，然后将装置一直调整到他们的重力中心正好对着支点为止，以便于它对血液急速涌向和涌出大脑时体重的细微变化作出回应。

　　菲尔德和伊曼很快发现他们的装置太过灵敏，总是时不时地朝一侧下沉。“让人油然而生的第一个意念，是这玩意儿永远不可能保持水平状态。”菲尔德抱怨说。为了纠正这个问题，他们让它略微朝前端倾斜而搁置在一套电子秤上，后者所起的另一个作用是测量施加于天平的隐约微妙之力。

　　研究团队在解决一个问题后接着又发现，左右测量出来的读数，是呼吸和心跳等体内运动所引起的波动。“比起任何与大脑有关的变异来，那种运动的幅度要大多了。”菲尔德说。他们采取的解决办法，就是利用计算机将这些波动予以去除。最后经仔细分析，他们得出结论认为：大脑重量真的是随着刺激强弱而发生变化的--虽然在正常情况下受到的力不到百分之一牛顿。

　　由此可见，大脑天平是切实可行的，至少在原则上如此。那么，究竟是莫索努力逾越了障碍，抑或像菲尔德最初怀疑的那样是一场“骗局”呢？直到山德罗内、卡塔尼及其同事揭开莫索手稿的面纱，并在去年早些时候发表对其试验的详尽陈述后，这个答案才算姗姗而来。菲尔德见到论文时就意识到，莫索当年面临的问题跟他和伊曼面临的是一样的，而且他曾经“苦苦探询19世纪70年代实验条件下的解决方案。”

　　和菲尔德不同，莫索允许他的装置左右摇摆，正是这种跷跷板式的运动，反映出被试对象的思维蜿蜒曲折的线条。但是，为了防止它过于剧烈地向两边摇摆，他用悬挂在桌子底下可调整的砝码来抑制它的运动。

　　他还设法连带考察了身体其他部分的躁动，利用经改造的体积描记器来测量双手和腿脚与脉搏有关的变化，了解胸口与呼吸有关的变化。他把所有这些变化同天平运动逐一比较，终于分辨出血流量与大脑有关的变化，其方式多半和菲尔德利用21世纪版的机器来观察变异是相同的。

　　山德罗内在其论文中阐述的，是莫索第一次对乔治和一名22岁学生进行试验的陈述报告。例如他在报告中声称，令人惊恐的响声会增加涌向大脑的血液量。在随后几次试验中，他让被试对象阅读摘引自报纸、小说和哲学教科书的某些段落。据报告透露，在他们阅读哲学教科书的时候，天平加快了倾斜速度--正是从事难度较大的活动时可以预期的反应。

　　

前人开拓性工作 留下广阔的空间

　　现代神经成像尽管已取得多方面进展，但依然有不少地方需要向莫索学习。历史的天平终将会向他的“思维秤重机”倾斜。

　　尽管有这些陈述作为依凭，但山德罗内和他的同事还是不能确信莫索的机器的准确性。“但也许那不是什么问题。”山德罗内说。更何况，莫索在开拓大脑活动研究的同时，思考的种种问题也与现代神经成像工作者今天所面临的相同。举例来说，科学家对功能磁共振成像技术的运用仍得考虑脉搏和呼吸所引起的波动，他们必须以多半和莫索相同的方式让“信号-噪声比”最大化。山德罗内表示，莫索在推断结论时对年龄、性别和受教育程度等因素的考量同样是引人注目的。现在，他希望围绕着属于都灵科技档案馆的那架天平，组织一次专题活动。

　　让人心生好奇的是，现代神经成像尽管已取得多方面进展，但依然有不少地方需要向莫索学习。菲尔德指出，通过比较含氧血和脱氧血流经不同区域的相对分布，功能磁共振成像可让你看到哪些大脑区域更加繁忙。但和天平不同，它无法揭示总血量是如何发生变化的--所以无法判明两种情况哪一种需要大脑作出更全面的努力。天平在医学研究中也可望发挥作用。“试想你服用的药物可能会影响到大脑的血流量，”菲尔德说，“功能磁共振成像就无法掌握那种状况，而莫索提供的技术却能胜任自如。”

　　此外，菲尔德还在考虑对该装置进行修改，以便解决另一个问题。假如按纵向来设置支点，也许天平就能测知大脑两半球的活动差异，这可能有助于解答大脑在执行某些任务时更活跃的是“右脑”还是“左脑”。他不知道这样做是否行得通，但是打算为此探一个究竟。“我多年从事科学研究的体会是，你在尝试之前什么也不知道。”他说。

　　莫索如果至今健在，无疑是会表示赞同的。当他埋头在实验室里忙碌不已的时候，他无法想象自己的开拓性工作在此后岁月里取得如此长足的进步，当然也不可能预知后人为重塑其声誉所付出的巨大努力。但是，历史的天平终将会朝着他的“思维称重机”倾斜。

　　

“思维称重机”的工作原理

　　记波器的原始轨迹

　　记波器将这种摇摆记录下来，一旦减去脉动和与呼吸有关的运动，就被认为在记录精神活动的强度。

　　19世纪测量大脑活动的装置，让被试对象躺在呈水平状的天平上。它的工作原理是：一旦精神活动加剧，就会促使更多的血液流向大脑，进而造成天平摇摆。

　　胸口和手脚部位的传感器记录其他可能曲解结果的运动