小寶寶以斯拉坐在他母親的腿上，以一個對世界仍感到新鮮的人的驚奇表情盯著電腦螢幕。這個五個月大的寶寶的目光停留在一些圖片上：三個跳舞的女人，四個黑色的圓圈，然後是一個隨機物體中的臉。以斯拉全神貫注地研究著螢幕——儘管時不時地，他的注意力會遊走。他發出咕嚕咕嚕的聲音，片刻之後，又發出一陣短促的哭聲。他正在嚼著襪子。
在螢幕下方，一個盒子正將紅外光照射到他的角膜上，然後捕捉並處理反射光，以計算出他目光的方向。在窗簾後面，博士後詹納斯·貝古姆·阿里正在她的監視器上檢查傳入的資料。這是倫敦大學伯克貝克學院嬰兒實驗室一項複雜實驗的一部分，旨在瞭解人類思維的早期發展。這裡的科學家將在未來兩年半的隨訪中密切監測以斯拉的大腦和行為。
以斯拉沒有意識到自己在科學研究中的重要作用，他皺著眉頭，一臉不悅。接下來發生的事情只有他的母親才清楚，她把他轉過來，檢查了他的屁股。在計劃好的 15 分鐘觀察時間只完成一半的時候，以斯拉就排便了。這時，大家都要休息一下了。
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如何進入一個不會說話、不聽從指示，並且粗魯地打斷你實驗的人的大腦？這就是嬰兒實驗室的科學家們所面臨的挑戰。大腦在生命的前兩年經歷的變化比任何其他時候都多：意識、性格特徵、脾氣和能力都變得明顯，並且發展偏離軌道的最初跡象也開始顯現。但是這段時期也是最難探索的，因為許多人類神經科學的標準工具都無用：嬰兒不會在成像機器中保持清醒和靜止，他們也不能回答問題或按照指示行事。研究人員主要透過跟蹤嬰兒的目光來測量他們的興趣和注意力——但即使是這種方法也被批評為粗糙。
“有很多研究試圖證明嬰兒理解目標、因果關係、數字——在 99% 的研究中，他們唯一關注的衡量標準是觀察時間的變化，”馬薩諸塞州劍橋市哈佛大學的心理學家傑羅姆·卡根說。
該領域現在正變得更加成熟，這在一定程度上要歸功於伯克貝克實驗室。那裡的科學家率先開發了諸如嬰兒近紅外光譜（NIRS）之類的技術，該技術透過記錄血液的顏色以及因此的氧合作用來測量大腦活動。他們還試圖透過結合多種技術來加強結論。在世界各地為數不多的嬰兒實驗室中，這使得倫敦的實驗室脫穎而出。“他們正在使用你能想象到的每一種技術對嬰兒進行研究，”紐約州羅切斯特大腦成像中心主任、嬰兒行為研究員理查德·阿斯林說。
該實驗室已經使用這些工具揭示了一系列關於嬰兒思維的“第一”：嬰兒更喜歡看著直接看著他們而不是看著別處的臉；他們以增強的神經處理來回應這種直接的目光；並且這種大腦反應的變化可能與自閉症的後期出現有關——這是首次證明大腦功能指標可以用來預測這種情況。2013 年，嬰兒實驗室啟動了以斯拉參與的旗艦專案：一項研究 12 周大、患有自閉症譜系障礙或注意力缺陷多動障礙 (ADHD) 高風險的嬰兒，以及對照組，以便檢測這些疾病的更多早期跡象，並找到可能有幫助的行為療法。“這是一個令人興奮且新興的領域，”嬰兒實驗室主任馬克·約翰遜說。
而且，就像它的研究物件一樣，倫敦實驗室也在成長。2014 年，約翰遜從三個基金會獲得了 230 萬英鎊（350 萬美元）的資助，在伯克貝克建立一個幼兒實驗室，讓 18 個月至 3 或 4 歲的兒童在四處走動、玩耍並與其他兒童互動時，佩戴無線形式的腦電圖（EEG）、NIRS 和眼動追蹤技術。其目的是為了解幼兒時期的大腦，這是兒童開始理解自我與他人之間差異、複雜語言發展和長期記憶首次形成的時候。“總的來說，在兒童發展方面，包括我們的大腦發育研究，‘可怕的兩歲’都是一個主要的黑洞，”約翰遜說。
觀察和學習
演藝界有一個老生常談的說法，就是永遠不要與兒童或動物合作。約翰遜的職業生涯就是兩者兼顧。在他的 20 世紀 80 年代的博士專案期間，他研究了剛出生一天的雞是否會對放在它們圍欄中的任何物體形成社會依戀，或者它們是否更喜歡類似母雞的物體。（小雞特別喜歡帶有類似母雞脖子和臉的物體，但對它們其餘的外觀並不太挑剔。）但約翰遜對人類發展更感興趣，因此在獲得博士學位後，他在倫敦找到了一份研究科學家職位，開始研究嬰兒。“在某些方面，這並不像聽起來那樣是一個很大的飛躍，”他說。“在這兩種情況下，你都在試圖開發任務並從非語言生物那裡獲取資訊。”
自 20 世紀中期以來，科學家們一直在嘗試對嬰兒進行實際研究。最早這樣做的其中一人是瑞士心理學家讓·皮亞傑，他透過對嬰兒和年齡較大的兒童進行詳細觀察來深入瞭解他們如何理解世界——其中包括，透過隱藏一個物體來觀察嬰兒是否會嘗試找到它而聞名。他的結論是，直到大約八個月大時，嬰兒才能理解當物體不在視野中時仍然存在的概念。皮亞傑繼續發展了嬰兒本質上是作為一張白紙出生的理論，但他們擁有激發他們探索世界並使他們能夠吸收知識的機制。
嬰兒神經科學在 20 世紀 60 年代初取得了飛躍，當時美國發展心理學家羅伯特·範茨開始測量嬰兒注視某物的時間量，以此來衡量他們對它的興趣程度。例如，範茨報告說，一個兩個月大的嬰兒看人臉草圖的時間是看靶心草圖的兩倍。從那時起，基於注視測量的實驗一直是該領域的支柱。“毫不誇張地說，如果沒有觀察時間測量，我們對嬰兒發展的幾乎任何方面都知之甚少，”阿斯林說。注視實驗促使一些研究人員得出結論，嬰兒並非空白一片，而是天生就對數字和人臉具有鑑賞力，並且能夠識別何時說出他們母親的母語——這種熟悉感被認為是透過在子宮中聽到語言而產生的。
“已經進行了數千次使用這些觀察時間方法的實驗，”阿斯林說，“總的來說，這是一種非常可靠的技術；你可以讓兩個實驗室執行相同的實驗，你會得到相同的結果。”但阿斯林和卡根是越來越多認為應該謹慎看待此類嬰兒研究的研究人員中的兩位：僅憑嬰兒的匆匆一瞥就推斷太多關於嬰兒大腦的運作是危險的——他們擔心一些實驗室沒有像他們應該的那樣控制混雜因素。“觀察時間受多種條件控制，”卡根說。“刺激的物理特徵是什麼？它的線條主要是彎曲的還是筆直的？存在哪些顏色？光照對比度有多大？”
嬰兒的大腦正在以驚人的速度生長和發育，這使得不同年齡之間的比較變得困難：新生兒的目光可能反映了先天能力，但七個月大的嬰兒的目光也會受到他或她開始學習和記住的世界的影響。“嬰兒可能會為了將事件與它已經知道的知識聯絡起來而看得更久，”卡根說。“關鍵在於，沒有哪一種單一的衡量標準能夠為關於嬰兒所知的結論提供所有需要的證據。”
這就是約翰遜在開始嬰兒研究時很快得出的觀點：僅僅依賴觀察時間和觀察結果是不令人滿意的。他於 1993 年在倫敦大學學院（UCL）建立了一個嬰兒實驗室，並於 1998 年搬到了伯克貝克更寬敞的場所。從一開始，約翰遜就想採取比其他少數類似實驗室更先進的方法來研究大腦發育。
2005 年，約翰遜和他的同事們將觀察時間與大腦活動的電測量相結合，以研究皮亞傑的觀點，即九個月以下的嬰兒不理解消失物體的永續性。當成年人看到物體消失時，他們傾向於在右顳葉皮層上顯示出特定型別的神經振盪增加。約翰遜與同事格爾蓋伊·奇布拉和喬迪·考夫曼合作，證明六個月大的嬰兒也顯示出類似的模式——這表明他們確實會將隱藏的物體記在腦海中。當物體分解而不是被隱藏時，沒有觀察到相同的模式。
諸如此類的研究使約翰遜相信，嬰兒並非空白一片，但他們也不具備像數字之類的成年概念。“我認為，我的工作是走中間路線，”他說。他認為，新生兒對人臉和言語等事物具有基本的注意力偏好，這些偏好在它發育過程中塑造著大腦。約翰遜觀察到，年幼的嬰兒更喜歡直接的眼神交流就是這樣一個例子；這使他們專注於周圍環境中與社交相關的部分，這反過來又使他們能夠學習語言和其他社交線索，例如面部表情。
快樂寶寶
與嬰兒打交道需要專門的裝置，尤其是在一個一天內可能接待多達 14 名嬰兒的實驗室中。嬰兒實驗室的廚房配備了溫奶器，浴室裡也備有充足的溼巾。等候室裝飾得色彩鮮豔，並散落著易於清潔的玩具。然而，實驗室則大多空曠，並漆成沉悶的戰艦灰色——這是一個刻意的選擇，因為嬰兒很容易分心。“我們儘量讓這裡變得儘可能單調，除了我們需要他們關注的東西，”大腦和認知發展中心的協調員萊斯利·塔克（Leslie Tucker）說道，嬰兒實驗室是該中心的一部分。
飢餓或疲憊的嬰兒不利於進行實驗，因此一切都圍繞著用餐和午睡精心計劃。在等候室裡，凱特琳——一個穿著藍色條紋揹帶褲的四個月大的嬰兒——在被帶進實驗室之前，正在接受最後一次母乳餵養。她正在參與一項評估嬰兒模仿能力發展的研究：人們在看到別人皺眉時會無意識地皺眉，或在看到別人微笑時會無意識地微笑。
“模仿在成人中具有重要的社會功能，甚至被認為是將我們聯絡在一起的‘社會膠水’，”卡琳娜·德克萊克（Carina de Klerk）說，她正在伯貝克（Birkbeck）領導這項研究。但關於它是如何以及何時發展的知之甚少。一些研究人員認為，這是嬰兒與生俱來的能力——有人觀察到新生兒在看到成年人伸出舌頭時，也會伸出舌頭。但德克萊克說，“目前尚不清楚嬰兒是否真的在模仿，或者他們只是在發生令人興奮的事情時伸出舌頭。”
她一邊給嬰兒凱特琳唱歌，一邊將電極貼在她的太陽穴、臉頰和下巴下方。嬰兒似乎有些猶豫，這時，一名研究助理出現了，揮舞著一個色彩豔麗的音樂電話。分散注意力是在嬰兒實驗室工作的人必須快速掌握的基本技能。“其他領域的研究人員來到這裡，常常會對缺乏控制而感到震驚，”塔克說。“如果你必須這樣做，你就會中斷實驗，或者如果他們看起來要哭了，你會發出聲音來分散他們的注意力。”
這招奏效了：凱特琳現在正在咯咯地笑著，臉上帶著笑容。研究人員暫停了一會兒，凱特琳的母親用手機給她的“科學寶寶”拍了一張照片。然後，凱特琳被展示了一系列影片序列，影片中一位女性在抬起眉毛或張合嘴巴，其間穿插著農場動物的靜態圖片。
模仿實驗是嬰兒實驗室混合方法的一個典型例子。嬰兒凱特琳專注地盯著螢幕；她似乎沒有模仿女性的動作。但她臉上的電極可能會講述一個不同的故事：這項技術被稱為肌電圖（EMG），它會捕捉她面部肌肉中的電活動，這將表明凱特琳是否在啟用她的眉毛區域——即使她沒有明顯地移動它——以回應女性抬起眉毛的動作。當天晚些時候，凱特琳在連線上近紅外光譜儀（NIRS）後，會看到相同的影片序列。
近紅外光譜儀正在改變研究人員觀察嬰兒大腦的能力。它最初被倫敦大學學院（UCL）的醫學物理學家採用，作為一種幫助預測早產兒中風風險的技術。然後，他們開始與伯貝克的研究人員合作，將其調整為回答更基本的問題。透過追蹤含氧血液的流動，近紅外光譜儀使科學家能夠看到哪些大腦區域在響應外部事件時變得更加活躍。例如，嬰兒實驗室在 2009 年的一項研究中發現，五個月大的嬰兒的大腦在響應社會刺激（例如女性與他們玩躲貓貓）時，已經表現出類似成人的啟用模式。在模仿研究中，研究人員希望看到嬰兒的大腦是否表現出與正在模仿他人的成年人相似的模式，這應有助於解釋模仿是否部分是天生的。
但近紅外光譜儀並非完美，部分原因是它無法測量重要內部大腦區域（如海馬體或杏仁核）中發生的情況。“大腦是一個複雜的連線電路。如果你只測量該電路的表面部分，你可能會得出錯誤的結論，”卡根（Kagan）說。為了評估這些更深層的區域，研究人員需要一種功能性磁共振成像（fMRI）等技術，該技術為成人大腦提供了巨大的洞察力。但功能性磁共振成像對運動高度敏感，因此只有在嬰兒鎮靜或睡著時才能進行掃描，這嚴重限制了該技術的使用。
關注自閉症
注視時間仍然是伯貝克和其他地方的一項重要工具——儘管現在，它不是透過人類觀察來評估的，而是透過精確的眼動追蹤技術來評估的，例如在嬰兒埃茲拉（Ezra）身上使用的技術。埃茲拉是自閉症和多動症研究的對照組：他沒有患有這些疾病的哥哥姐姐，因此不被認為是高風險的。當他的注意力在螢幕上看似隨機的物體之間移動時，反射的紅外光使該專案的負責人心理學家艾米莉·瓊斯（Emily Jones）能夠精確地測量他在看什麼，以及以什麼順序看。“我們傾向於發現，正常發育的嬰兒總是先看臉，而且看得時間更長，然後再看其他物體，”她說。
自閉症和多動症已成為嬰兒實驗室的主要關注點，因為在過去二十年中，這些疾病的患病率和認知度有所提高——據信它們現在影響著英國約 4% 的人口。去年，在對 104 名嬰兒進行的一項研究中，伯貝克團隊表明，自閉症高風險的嬰兒首先會被臉部所吸引，但他們似乎在看任何物體時所花費的總體時間都比“神經正常”的嬰兒要少——而那些後來發展為自閉症的嬰兒的觀看時間最短。該小組今年早些時候發表的另一項眼動追蹤研究顯示，後來出現自閉症症狀的九個月大的嬰兒更有可能發現螢幕上一組字母中的異類。
目前尚不完全清楚為什麼會這樣，但工作假設是，這些嬰兒更關注他們所看到的細節，領導這項異類研究的特奧多拉·格利加（Teodora Gliga）說。她說，這方面的缺點可能是，後來發展為自閉症的兒童更難對他們所看到的東西得出普遍結論。埃茲拉參與的研究旨在透過收集來自 400 多個家庭的更詳細的測量資料來擴充套件這項工作——並確定那些與後來發生的發育障礙密切相關的特徵。在埃茲拉成長過程中前往嬰兒實驗室的五次訪問中，他將使用腦電圖、近紅外光譜儀和肌電圖進行測試，並且他的父母將被要求填寫廣泛的問卷，以評估他的語言技能、社會發展、性格和睡眠模式。
該團隊希望早期的腦部差異有一天可以為自閉症提供指標——或生物標誌物——自閉症通常要到孩子三歲左右才能確診。他們還希望找到方法，使大腦發育回到更正常的軌道。
嬰兒實驗室的一項臨床試驗已經表明，早期干預可以產生效果。在 28 個有自閉症哥哥姐姐的家庭中，嬰兒被隨機分配到一個小組，治療師在他們七到十個月大之間至少訪問他們六次，並將他們與一組沒有接受治療的高風險嬰兒進行比較。治療師向父母展示他們與孩子互動的影片，以幫助他們瞭解自己的寶寶是如何嘗試與他們交流的，以及如何做出回應。五個月後，與對照組相比，該團隊發現嬰兒的投入度、注意力和社交行為有所改善。但該團隊承認，許多結果的置信區間都很寬，而且現在說干預是否會產生長期影響還為時過早。
約翰遜希望，當幼兒實驗室開始工作時，那裡的調查最終也能找到實際用途，幫助研究人員設計出提高認知、注意力和記憶技能的方法。“我相信我們現在正處於基礎科學和臨床科學之間獨特融合的時刻，”他說。
與此同時，這些技術也在不斷發展。瓊斯目前正在試用“凝視依賴型”任務，這使嬰兒能夠成為實驗的積極參與者。“如果他們可以將注意力集中在螢幕上飛舞的蝴蝶上，而不會被其他正在發生的事情分散注意力，那麼蝴蝶就會繼續飛舞，因此他們會因為控制自己的注意力而獲得獎勵，”瓊斯說。一個更遙遠的目標是開發使用功能性磁共振成像的方法，以便它可以用於清醒的嬰兒。而且仍然有許多問題需要解答。嬰兒性格差異是如何隨著年齡的增長髮展成更復雜的人格特徵的？為什麼人們記不住他們最早的幾個月和幾年？
嬰兒埃茲拉肯定不會記得他在實驗室裡的一天。到了傍晚，他的母親把他塞進嬰兒車裡，準備踏上回家的旅程——乘火車到布里斯托爾需要 1 小時 45 分鐘的路程。她說，這次旅行是值得的，因為她很好奇嬰兒實驗室裡會發生什麼。“我既對埃茲拉會如何反應感興趣，也對為什麼要完成這些任務感興趣，”她說。
埃茲拉和他的母親現在有了他們這天的小紀念品：一些照片、一張參與證書和一件嬰兒尺寸的 T 恤。“我是個嬰兒科學家，”上面寫著。
本文經許可轉載，首次發表於 2015 年 11 月 4 日。首發連結