在過去的幾百年裡，當科學家們努力理解我們頭骨中驚人處理能力的來源時，他們採用了許多基於當時熟悉技術的隱喻。大腦曾被認為是液壓機（18世紀）、機械計算器（19世紀）和電子計算機（20世紀）。
今天，在21世紀初期，我們又有了另一種隱喻，它是由當前技術的能力驅動的——這次是來自現代大腦掃描的彩色影像。例如，進化心理學家將大腦概念化為瑞士軍刀，其中包含一系列專門的模組，這些模組進化出來是為了解決我們進化歷史中的特定問題，例如用於交流的語言、用於區分朋友和敵人的面部識別、用於防止搭便車的欺騙檢測、用於提高個人或群體成功機率的冒險行為，甚至還有上帝來解釋世界，並在來世的想法中找到個人幸福。許多神經科學家都採用了模組隱喻來描述大腦的特定區域“用於 X”，其中 X 是在機器掃描他們的大腦時給予受試者的任何任務。此類任務可能包括選擇他們喜歡的品牌標識（例如，可口可樂或百事可樂）或他們會投票的政治候選人（保守派或自由派）。
科學家們經常使用諸如此類的隱喻作為理解和解釋複雜過程的輔助手段，但這種做法必然會過度簡化物理世界錯綜複雜和微妙的現實。事實證明，我們在大腦影像中看到的那些彩色斑點的作用並不像我們一直被引導相信的那樣明確。“沒有封裝的模組，只是將資訊傳送到中央處理器，”加州大學聖地亞哥分校的哲學家帕特里夏·S·丘奇蘭德宣稱。“確實存在專業化領域，也可能存在網路——但這些並非總是專門用於特定任務。”
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功能性磁共振成像等技術幫助科學獲得了新的見解，但過度依賴它們的使用也呈現出大腦運作的過於簡化，有時甚至是誤導性的圖景。即使是本雜誌，其重點是解釋大腦和行為，也經常依賴這些簡化的隱喻[參見 David Dobbs 的“事實還是顱相學？”；大眾科學-心智，第 16 卷，第 1 期，2005 年]。
所以，讓我解釋一下這些影像實際上可以和不能顯示什麼，方法是仔細看看 fMRI（可能是最常被吹捧的成像技術）的功能和操作。在您閱讀完本文後，您將能夠以懷疑的眼光更好地評估您未來在媒體頭條新聞中遇到的任何大腦研究。以下是大腦掃描的五個缺陷
1. 不自然的認知環境。
我參觀了加州大學洛杉磯分校神經科學家羅素·波德拉克的實驗室，並安排在他的 MRI 機器內掃描我的大腦。掃描器通常重約 12 噸，成本約為 250 萬美元（不包括安裝、培訓和維護，這可能會使典型賬單再增加 100 萬美元）。一開始我就意識到，在那個棺材狀的管子裡是多麼不自然的環境。事實上，實驗甚至還沒有開始，我就不得不退出了。我突然患上了幽閉恐懼症，這是我以前從未經歷過的問題。我並不孤單。波德拉克說，多達 20% 的受試者也受到類似的影響。由於並非所有人都能在被擠在管子裡時保持相對放鬆，因此 fMRI 研究受到選擇偏差的影響；受試者樣本不可能完全隨機，因此不能說它能公平地代表所有大腦。
一個人被塞進狹窄的管子裡，他的頭部也被泡沫楔子牢牢地固定在頭部線圈內（綽號“籠子”），以在實驗開始前減少頭部運動（這會使影像模糊）。MRI 掃描器每兩秒鐘拍攝一張大腦照片，同時受試者觀看影像或做出選擇（透過按下護目鏡上的小螢幕上的按鈕）。
因此，當您閱讀關於受試者在購物時掃描大腦的流行報道時，請記住他們並沒有戴著頭盔在沃爾瑪裡走來走去。遠非如此。
2. 掃描是對大腦活動的間接測量。
人們經常閱讀關於 fMRI 研究的流行報道，描述大腦在思考金錢、性或上帝或其他任何事物時如何“亮起來”。以下是 MRI 機器在您思考時真正做的事情。掃描器是一個大型電磁圓柱體，由氦冷卻的超導線構成，可產生強大的磁場。這些磁場的強度是地球磁場的 25,000 到 80,000 倍。它們非常強大，受試者必須在進入遮蔽區域之前移除所有金屬物品。（被 MRI 機器拉動的飛行金屬物體已經造成人員死亡。）裝有心臟起搏器或金屬植入物的患者甚至無法進入房間，房間本身也用鋼材進行了嚴密加固，並使用了隔音技術來降低磁鐵工作時產生的震耳欲聾的噪音。
當一個人在管子裡時，他或她組織中的一些原子會與磁場對齊。只有大約百萬分之一的原子會如此對齊，但這個數字已經足夠了，因為人體內大約有七千萬億（一千個四千萬億，或一千個萬億）個原子；總數相當於大約 600 萬億個原子在一個 2x2x5 毫米的組織立方體中——足夠掃描器讀取。這些原子核中的質子在旋轉，並且像旋轉的陀螺一樣，它們也會進動（或擺動，旋轉軸由此掃出一個圓錐）。質子進動的頻率（軸掃出一個圓錐一次所需的時間，稱為共振頻率）取決於磁場的強度，磁場的強度沿管的長度而變化。這種“梯度”在頭部末端略高，導致那裡的質子以略微不同的頻率進動。為了生成影像，機器會傳輸特定的無線電波頻率，這會激發質子以匹配磁場引起的共振頻率。這種激發實際上會使它們對齊方向向側面傾斜。隨著時間的推移（毫秒），這些質子會重新與主磁場對齊，並且在此過程中，它們會釋放一些能量。機器測量的就是這種能量，以建立影像。
3. 顏色誇大了大腦中的效果。
大腦圖片上點綴著輪廓分明的彩色區域，這極具誤導性，因為它們暗示了輪廓分明的處理模組（模組隱喻），而實際上神經活動可能分佈在更鬆散定義的網路中。以下是 fMRI 如何產生可能導致這種人為模組化的資料。作為一個基本原則，科學家們一致認為，大腦特定區域血流量和氧合水平的變化表明神經活動增強。當神經元活躍時，它們會消耗更多的氧氣，這些氧氣是從附近毛細血管中紅細胞中的血紅蛋白中提取出來的；大腦透過傳送更多氧氣來響應這種對氧氣增加的需求——並且由於尚未完全理解的原因，它實際上傳送的量超過了需要的量。神經活動和血流變化之間存在大約五秒的延遲，這導致活性大腦區域中含氧血紅蛋白的相對濃度存在差異。由於血紅蛋白中的鐵對磁性敏感，因此有氧和無氧血細胞之間存在可測量的磁性差異，MRI 掃描器會測量這些差異。
著色是人為的，而對區域進行著色的過程更具誤導性，正如丘奇蘭德所說：“活動水平的差異很小。您可以透過將這些差異塗成紅色並減去其他所有內容來使這些差異看起來很大，因此它給人一種誇大的印象。”強調什麼的選擇也具有誤導性。“以扣帶核為例，這是一個處理衝突的區域，”丘奇蘭德補充道。“你可以透過向受試者展示一張比如希拉里·克林頓的照片來讓它做出反應。但扣帶核也做了 57 件其他事情。”
最後，當我在掃描器內詢問她讓受試者接觸各種刺激時，丘奇蘭德帶著部分惱怒驚呼：“問題在於，大腦的大部分活動不是刺激驅動的，而是自發的，我們不知道為什麼有這麼多活動以及它在做什麼。”換句話說，大腦的許多區域在不同的處理任務中持續活躍，正確地將它們區分開來是一項需要仔細實驗設計的挑戰。
4. 大腦影像是統計彙編。
在給定的實驗中，掃描器僅每兩秒鐘拍攝快速大腦活動的照片，每個掃描週期（可能持續 15 分鐘到 2 小時）會產生數百到數千張影像。實驗結束後，研究人員會對頭部運動以及不同大腦中大腦大小和結構位置的微小差異進行校正。科學家們將所有單獨的影像相互對齊，然後組合資料並取實驗中受試者的平均值。他們使用額外的統計軟體將原始資料轉換為影像，並校正其他可能的干擾變數，例如認知任務，這些任務產生的大腦神經活動變化速度快於 MRI 實際測量的血流變化。
下次您看到其中一張彩色大腦掃描圖，箭頭指向某個位置並說“這是你的大腦在 X 上的狀態”時，請記住所有這些背景知識。該影像通常不代表任何一個人的大腦。它是對整個受試者群體進行的統計計算，並使用人工顏色渲染，以突出顯示對給定任務或實驗條件做出一致反應的位置。
5. 大腦區域因各種原因而啟用。
波德拉克承認，解釋 fMRI 掃描既是一門科學，也是一門藝術。“很容易看到其中一個點並說，‘這是你的大腦中 X 發生的地方，’而實際上，該區域可能在參與各種任務時都會亮起來，”他解釋道。“以右前額葉皮層為例，當您執行幾乎任何困難的任務時，它都會亮起來。一種思考方式是根據網路而不是模組。當您思考金錢時，會有一個由幾個不同區域組成的網路，這些區域以特定的方式相互交流。因此，前額葉皮層可能參與許多不同的任務。但在與其他大腦網路交流時，當參與某個特定任務（例如思考金錢）時，它會變得活躍。”要區分這些差異，需要跨任務譜進行相對比較。某些實驗與 fMRI 特別有效，因為決策提供了任務之間的對比，從而為神經科學家提供了比較依據。
關於研究表明大腦的理性部分與情感部分存在差異，例如大腦更深層和更古老部分中的“情感低速公路”和大腦皮層區域中的“理性高速公路”呢？“確實存在理性和情感的思維方式，”波德拉克說。但“事實證明，它們彼此之間互動很多。”杏仁核是通常與處理恐懼反應相關的區域，也會因喚醒和積極情緒而啟用：“如果我讓你處於恐懼狀態，你的杏仁核就會亮起來。但這並不意味著每次你的杏仁核亮起來時，你都在體驗恐懼。每個大腦區域都在許多不同的狀態下亮起來。我們只是沒有資料來告訴我們一個區域的選擇性活動有多強。”
網路，而非模組
許多相互連線的神經網路在某些情況下可能是區域性化的並捆綁成類似模組的單元，但在大多數方面，它們最好被描述為分散在大腦的裂縫之上、之下或之中。“分散式智慧”的隱喻（有時用於描述全球資訊網的力量）比模組隱喻更符合大腦中任務的網路分佈。
當然，有些區域專門用於某些型別的處理，例如大腦後部的視覺皮層和左額葉的語言區布羅卡區。粗略地說，理性和理性發生在皮層區域，而情感和非理性則在邊緣系統中體驗。
然而，正如許多神經科學家現在認為的那樣，“神經網路”的隱喻優於心理模組的隱喻。後者迫使我們將大腦視為為一種功能而非其他功能而專門化的封裝器官的拼湊物，而前者更準確地反映了現代神經科學告訴我們認知過程中實際發生的事情。諸如 fMRI 之類的大腦掃描技術將繼續為我們的隱喻理論生成大量資料——只要我們的懷疑網路保持活躍，我們就應該能夠更好地將神經網路及其伴隨的功能對映到我們的行為景觀中。
注意：本文最初的標題為“為什麼要對大腦掃描持懷疑態度”。