功能性磁共振成像（fMRI）自十年前問世以來，引起了相當大的轟動。它在空間維度和時間尺度上比之前的腦部掃描技術更為精細，透過讓我們最終能夠觀察大腦的工作，激發了極大的興奮。成千上萬的 fMRI 研究探索了大腦啟用的廣泛差異：青少年與成人、精神分裂症患者和正常思維、有同情心和冷漠的人。研究人員使用 fMRI 對面部和單詞識別、工作記憶和虛假記憶、人們預期疼痛、母親識別自己的孩子、公民思考倫理困境——更不用說為什麼許多消費者購買可口可樂，即使他們真的更喜歡百事可樂的味道——得出了大膽的結論。心理學家讚揚 fMRI 最終使他們的科學更加量化。認知神經科學家在最近對大腦理解的巨大擴充套件中大量引用了掃描結果。
然而，越來越多的爭論開始圍繞 fMRI 結果的可靠性展開。這場爭論既具有技術性又具有哲學性，既關乎 fMRI 的準確性（因為它透過檢測相關的血流量增加來間接測量神經元活動），也關乎其將複雜心理功能與特定大腦區域聯絡起來的合理性。批評者認為，fMRI 忽視了大腦運作的網路化或分散式性質，強調區域性活動，而區域之間的溝通對於心理功能至關重要。
“這是一種非常粗略的技術，”德雷克大學心理學系主任史蒂文·福克斯批評道。“它就像一張模糊的照片——比沒有照片好，但仍然模糊，存在經常被忽視的真正侷限性。很容易過度誇大這項技術的價值。”
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許多 fMRI 從業者似乎對這種強大的新工具引發爭議感到困惑。“這個問題變得如此之大，讓我感到非常驚訝，”華盛頓大學神經病學家馬庫斯·E·雷克爾說道，他研究腦部掃描已有二十多年。
模糊的精確度
腦部成像始於 20 世紀早期的一種稱為腦 пневмоencephalography 的方法，這是一種危險的手術，其中顱骨的腦脊液被空氣取代，以便在 X 射線下更清晰地顯示大腦。血管造影術於 20 世紀 20 年代開發，透過捕捉注入血液的染料影像，產生了改進的結果。（血管造影術仍然用於幫助診斷和追蹤血管缺陷和一些腫瘤。）這些早期方法僅顯示靜態結構而不是功能。計算機軸向斷層掃描（CAT 或 CT）掃描於 20 世紀 70 年代開發，利用 X 射線技術並拍攝靜態圖片，但細節要豐富得多。
20 世紀 70 年代也帶來了第一項功能成像技術——旨在不僅顯示大腦結構，還顯示大腦如何運作的掃描。正電子發射斷層掃描 (PET) 測量與神經元活動相關的血流量增加，從而瞭解哪些神經元可能正在處理資訊。受試者被注射放射性元素，這些元素標記葡萄糖等分子，這些分子透過血液輸送到大腦。這些標記物發射正電子，並揭示細胞消耗葡萄糖的相對速率，這是心理過程期間哪些細胞活躍的標誌。掃描結果引人入勝，但存在許多缺點。受試者擔心攝入放射性物質；掃描過程需要將近一個小時；影像提供的時間解析度相當寬泛，為 60 秒（意味著測量一個區域的血流量需要這麼長時間），空間解析度為 6 到 9 立方毫米——對於細緻入微地理解正在發生的事情來說太大了。
相比之下，fMRI 可以在不到兩秒鐘內掃描大腦橫截面，使其能夠在 1 到 2 分鐘內對大部分大腦進行建模。它可以以精細到 2 到 3 立方毫米的空間解析度工作，但在實踐中，它通常以體素（一個將“體積”與“畫素”合併的術語）收集資訊，體素大約為 2 毫米見方，4 到 5 毫米長，大約相當於一粒米的大小。FMRI 不需要注射，允許更廣泛的掃描。在一項典型的研究中，受試者躺在甜甜圈狀的機器中，首先閉上眼睛進行靜息掃描，以提供基線讀數。然後，在執行某些心理任務時再次掃描他：識別面孔、穿過計算機迷宮、參與角色扮演遊戲。在最常用的技術中，稱為 BOLD（血氧水平依賴）fMRI，機器透過發現當血液激增提高新鮮的含氧血紅蛋白與“使用過的”脫氧血紅蛋白（其電荷明顯不同）的比率時發生的磁性變化來測量血流量的增加。產生激增的區域在影像上顯示為更亮的顏色，紅色隨著流量增加而變為黃色。關於這些增加是否與實際神經元活動相對應的疑問已通過幾項研究得到解答，這些研究將血流量直接與神經元訊號傳遞聯絡起來，包括最近的動物模型，這些模型使用探針將單個神經元的放電與 fMRI 掃描中看到的血流量增加相匹配。
然而，這種聯絡顯然是粗略的。達特茅斯學院心理學家阿比蓋爾·A·貝爾德使用 fMRI 研究青春期大腦變化，她簡潔地總結道：“血流動力學反應是一件馬虎的事情。”首先，神經元活動發生在毫秒級，而血液激增則在 2 到 6 秒後發生；因此，檢測到的血流量增加可能“供給”不止一個操作。此外，由於每個體素包含數千個神經元，因此可能需要數千甚至數百萬個神經元放電才能顯著照亮一個區域；這就像體育場的整個區域都必須喊叫才能被聽到一樣。
與此同時，在某些情況下，一小群神經元吸取的血液很少，或者連線大區域的稀疏神經元網路，可能執行與其他地方較大群體一樣重要的功能，但要麼未被檢測到，要麼顯示為輕微活動。同樣，一些神經元可能比其他神經元更有效地運作，消耗更少的血液。所有這些因素可能意味著 fMRI 影像錯誤地表示了實際的神經動力學。
處理掃描的千兆位元組原始資料以使其成為影像引入了其他注意事項。研究人員必須在許多不同的演算法之間進行選擇和調整，以提取準確的影像，並在此過程中補償顱骨和大腦配置的變化、受試者在掃描器中的運動、資料中的噪聲等等。正如最近的《自然神經科學》雜誌文章所稱，這種“推論鏈”為錯誤提供了很多機會。
最後，大多數 fMRI 研究使用單變數處理，批評者說這低估了神經動力學的分散式性質。指責聲越來越高，因為單變數（字面意思是“一個變數”）演算法將掃描期間來自每個體素的資料視為一個總和，這使得不可能知道特定體素中的活動是如何累積的（例如，一次性累積，還是分多次脈衝累積）或它如何與其他體素中的活動按順序相關。單變數處理確實看到了所有部件都在工作——因此大多數影像中都亮起了多個區域——但沒有以顯示一個區域如何跟隨或響應另一個區域的方式顯示。這種情況使得觀看 fMRI 影像有點像聽絃樂四重奏，但只聽到（在音樂結束後濃縮成一個單一噪音）每種樂器在該樂曲中產生的總音量，而不是聽到演奏者如何相互伴奏和回應。稱為多變數分析的統計方法可以分解每個體素的活動並分析大腦區域之間的相互作用，但這些分析的複雜性迄今為止限制了它們的使用。
顯而易見和不太明顯
對於某些人來說，這些模糊性和侷限性使 fMRI 成為一種過於粗略的工具，無法用於正在進行的更具雄心的工作。“fMRI 產生的精美圖形暗示了比實際情況更高的精度，”德雷克大學的福克斯說。“這確實是一種非常粗略的，如果不是模糊的，生理測量，人們正在使用它來試圖確定一些非常複雜的行為。在太多的研究中，作者過度解讀了資料。這些都無助於科學進步。”
雷克爾說，這種譴責是因為從業者偶爾不當使用而貶低了一種非常寶貴的工具。“我們必須記住我們正在研究大腦，”雷克爾說，“我們對大腦知之甚少。成像讓我們能夠探測它以產生新的假設。有些探測在回顧時看起來很愚蠢。但其中大部分是非常有成效的。”
愚蠢的追求並不難找到。例如，考慮一項研究表明，當男性觀看法拉利時，他們的杏仁核（在產生情緒中起關鍵作用）會亮起來。正如福克斯所說，其他研究魯莽地過度解讀：一項關於民主黨人和共和黨人觀看約翰·克里和喬治·W·布什影片的研究得出結論，當受試者觀看反對派候選人時，他們對情緒敏感的杏仁核的活動增強“表明志願者正在積極嘗試不喜歡反對派。”然而，其他研究存在重大設計缺陷，例如 30 多項聲稱在被診斷患有 ADHD 的兒童中發現 ADHD 生理標記的研究——但未能控制受試者利他林使用的影響。
達特茅斯的貝爾德說，這樣的工作並沒有證明 fMRI 存在任何致命缺陷，而是突出了使用謹慎技術、可靠的研究設計和明智解釋的重要性。貝爾德喜歡將她的 fMRI 研究與其他使用其他方法的類似研究進行對比，她將 fMRI 解釋比作分析事故現場的剎車痕跡：“一個經常這樣做、謹慎並且收集了大量其他證據的人可能會得出有用的結論。一個沒有經驗或不檢查整個現場的人可能會讀錯它們。”
即使是嚴肅、精心設計的研究也可能因微妙的設計缺陷而被破壞。例如，在哈佛醫學院麥克萊恩醫院的黛博拉·尤爾格倫-託德進行的一項被廣泛引用和宣傳的青少年情緒反應性研究中，她掃描了青少年，讓他們描述黑白照片中呈現的充滿恐懼感的中年面孔的表情。與成人相比，觀看影像的青少年在前額葉（大部分分析和判斷髮生的地方）表現出較少的活動，而在杏仁核中表現出更多的活動。青少年在描述表情方面也得分很低。尤爾格倫-託德告訴 PBS 的前線，結果表明“青少年的大腦可能更多地以本能反應而不是執行或思考型別的反應來回應。”但在後續研究中，貝爾德進行了一項類似的實驗，使用彩色青少年面孔照片，發現青少年受試者的反應和得分與成人非常相似。“他們只是對更現代的彩色照片更感興趣，”貝爾德說。“如果他們關心，他們就會做得很好。”
這個故事突出了 fMRI 最令人煩惱的一些非技術性難題：設計缺陷會破壞結果的危險性和容易性；儘管存在這些缺陷，影像的力量仍然可以影響專業人士、媒體和公眾；以及結果如何強化傳統觀念，例如關於青少年思維和行為的觀念。最後一個問題激起了對 fMRI 最重要的批評。包括福克斯和密歇根大學安娜堡分校心理學榮譽退休教授威廉·R·烏塔爾在內的一些批評者認為，fMRI 工作中研究的許多認知功能是如此抽象和模糊，以至於它們幾乎沒有比概念性神經系統更多的意義。在福克斯的清單中，最重要的是大腦所謂的執行功能。“那是真正的最愛，”他說，“測量中央執行官。現在——那是什麼？”
許多精神科醫生和神經科醫生都認為執行功能是一種真實的能力，成像和物理研究表明它源於前額葉皮層和前扣帶回皮層（位於兩個額葉之間的一個小位置）中的區域網路。執行功能組織思想，並賦予人們計劃和執行決議的能力。但大腦專家對執行功能在 fMRI 測試中被引用的頻率表示懷疑；涉及的區域經常亮起。太多的研究人員可能過於輕率地得出結論，認為執行功能是罪魁禍首，而其區域可能只是亮起，因為執行功能是如此多大腦活動的基礎，以至於它可能幾乎總是“開啟”的。
在某種程度上，福克斯和烏塔爾等批評者正在抗議必然抽象的術語的任意性質；他們正在質疑關於看不見的事物的現實性的判斷性呼籲。掃描只是一種活動表現。但 fMRI 的支持者反駁說，當物理學家和天文學家描述根本看不見但從資料中推斷出來的遙遠宇宙物體時，每個人似乎都接受了。亞原子粒子的最終組成部分也是如此。“你無法直接看到或測量亞原子粒子，”達特茅斯 fMRI 資料中心運營主管約翰·達雷爾·範·霍恩指出。“但它們是我們可以根據實驗進行改進的有用、得到充分支援的模型。我認為許多這些功能非常相似。”然而，正如範·霍恩指出的那樣，中央執行官的概念對包括他在內的許多人來說都突破了極限；他認為它更像是一個隱喻，而不是一個模型。將需要進一步的證據來解決這些模糊的命名問題。
更廣闊的視野
fMRI 爭議同時涉及概念性和有形事物並非偶然。這種二元性是科學家試圖將短暫的思維與有形的大腦聯絡起來時固有的。一個基本問題是，fMRI 是將特定心理過程與特定大腦區域聯絡起來的舊誘惑的新變體。
很少有研究人員認真地認為大腦功能如此分隔。正如雷克爾所說，“沒有哪個理性的人會認為存在一個單一的‘情感’點，例如。”然而，大多數 fMRI 研究確實側重於給定的心理過程如何啟用某些區域。這引起了尖銳的指責，即 fMRI 研究構成了“新的顱相學”，是 19 世紀實踐的現代版本，該實踐將一個人頭骨上的凸起解釋為他的智力和性格地圖。烏塔爾寫了一整本書來探討這個主題[參見下面的“延伸閱讀”]。
這種指責可能言過其實。大多數 fMRI 研究人員尋求的不是定位大腦功能，而是繪製系統各部分的地圖，這些部分在不同任務中以不同的組合發揮作用。儘管這種方法本身可能暗示了一種定位思維模式，但這可能僅僅是因為 fMRI 作為一種技術仍然很年輕，並且正在被用作未來更復雜繪圖的首次調查工具；自然而然地，先繪製簡單的城市地圖，然後再描繪連線它們的複雜道路系統。即使與僅僅三年前的研究相比，今天的 fMRI 研究也更頻繁地識別和討論幾個活躍大腦區域之間的關係。有一天，fMRI 可能會顯示大腦的真實本質，雷克爾說，大腦“就像一個管絃樂隊”，不同的部分在不同的時間、音量和音色演奏，具體取決於所需的效果，以無盡的組合相互作用，創造出無限多樣的音樂。
下一步是什麼？
為了更充分地聽到這種音樂，當前的 fMRI 技術必須進步。一個關鍵是改進可以跟蹤大腦區域之間相互作用的多變數演算法。普林斯頓大學的詹姆斯·V·哈克比、麻省理工學院的大衛·考克斯、瑞士日內瓦大學的莫娜·斯皮裡頓和哥倫比亞大學的克里斯蒂安·哈貝克等研究人員已成功使用多變數處理來揭示大腦區域之間的相互作用。考克斯發現，志願者觀看不同物體產生的模式非常獨特，以至於他可以很快學會檢查受試者的一系列掃描結果，並正確猜測該人一直在觀看哪個物體。擴充套件和改進此類多變數協議應該讓 fMRI 揭示更多關於大腦區域如何協同工作的資訊。
這些改進是否會結束關於 fMRI 和其他腦部成像的爭議？也許部分會。更標準化的處理協議和同行評審應該會減少方法上的錯誤。進步很可能會克服技術問題；研究人員已經在努力將 fMRI 的空間敏銳度與腦電圖和腦磁圖更嚴格的時間解析度相結合，腦電圖和腦磁圖分別透過檢測神經元產生的微小電活動和磁活動來測量神經元活動。這些創新以及其他尚未預見的創新，有一天應該能夠以更高的空間和時間精度測量神經元活動。
這些進步可能無法解決腦部成像引起的哲學焦慮。試圖確定意識的神經相關性激起了長期以來的堅持，勒內·笛卡爾首次充分闡明瞭這一堅持，即我們的思維不僅僅是我們的頭腦。我們抵制“思維是肉”的觀念，正如小說家喬納森·弗蘭岑在思考他父親的阿爾茨海默病時所說的那樣。大多數人對自己的想法和感受——似乎是他們自己的性格和身份——被簡化為神經元活動的畫素化圖片感到不舒服。
隨著技術使兩者更容易結合，這種形而上學的不安可能只會增長。或者也許我們會克服它。正如著名的愛荷華大學神經科學家安東尼奧·R·達馬西奧所指出的那樣，他稱這種抵抗為“笛卡爾的錯誤”，他認為我們最終可能會將思想和情感的複雜性與我們的神經元聯絡起來，而不會有任何失落感。
（作者）
大衛·多布斯是珊瑚礁瘋狂：查爾斯·達爾文、亞歷山大·阿加西斯和珊瑚的意義的作者，該書最近由萬神殿出版社出版。他的作品可以在 www.daviddobbs.net 上找到
（延伸閱讀）
神經元耗氧量的量化觀察。約翰·E·W·梅休，刊登於《科學》雜誌，第 299 卷，第 1023-1024 頁；2003 年 2 月 14 日。
新顱相學。威廉·R·烏塔爾。麻省理工學院出版社，2003 年。
解讀 BOLD 訊號。尼科斯·K·洛戈塞蒂斯和布萊恩·A·萬德爾，刊登於《生理學年度評論》雜誌，第 66 卷，第 735-769 頁；2004 年 3 月。