1996年，神經科學家賈科莫·裡佐拉蒂和他在義大利帕爾馬大學的同事發表了一些引人注目的發現。他們進行了一項實驗，記錄兩隻食蟹猴中專門負責手部運動的神經元的電活動。正如預期的那樣，當動物伸手去拿放在它們面前的花生時，這些神經元會放電。然而，完全出乎意料的是，當實驗室的科學家伸手去拿堅果時，這些相同的神經元也會放電。猴子仍然靜止不動。儘管如此，觀看科學家的動作激活了獼猴大腦中的運動區域，就像動物自己執行了動作一樣。
裡佐拉蒂和他的同事使用功能性磁共振成像 (fMRI) 技術，很快記錄了人類的相同現象，並將負責的神經細胞稱為“映象神經元”[參見 David Dobbs 的文章“揭示反射”；《大眾科學·思想》，2006 年 4 月/5 月刊]。這些細胞看起來與其他神經元沒有什麼不同，但卻擁有令人驚訝的雙重功能：無論我們自己做還是僅僅觀看別人做，它們在任何型別的定向行為（咀嚼食物、扔球、跳舞）期間都會變得活躍。事實上，當我們跟隨另一個人的動作時，我們有意識的大腦會產生某種內部模擬。據推測，映象神經元在負責計劃和啟動動作的大腦區域中大量存在，包括初級運動皮層、前運動皮層和輔助運動區。
自從裡佐拉蒂的發現以來，其他科學家已經揭示，映象神經元不僅反映了他人的行為，還反映了他們的意圖和情感。這一發現為科學家們提供了對人類同理心、語言進化和心智理論等方面的新見解。此外，映象神經元可能有助於解釋某些神經系統疾病。例如，一些證據表明，自閉症兒童可能患有映象神經元缺陷，導致他們無法直覺地理解他人的情緒狀態。我們自己的工作表明，可以利用映象系統來加速出血性中風患者的康復。
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猴子看，猴子學，猴子康復
2001 年，帕爾馬的另一個研究團隊（由我們中的一位（布奇諾）領導）使用 fMRI 追蹤人們觀看顯示嘴、手或腳運動的影片序列時的大腦活動。結果證明，當受試者觀看嘴巴運動時，他們大腦中負責控制嘴巴的部分會亮起來。同樣，觀察手和腳的影像會啟用相應的大腦區域。這些反應保持在動作閾值以下——受試者實際上並沒有移動——但它們與影片的大腦反應完全匹配。鑑於這些發現，我們推測，如果腦出血患者在治療過程中觀看他人協調這些動作，他們可能會更容易恢復失去的運動能力。
在物理治療期間，損傷部位附近的大腦區域確實經常承擔失去的功能，但這是一個漸進的過程。如果相關神經元可以排練它們的新角色，這種轉移可能會更快發生，這似乎是合乎邏輯的。為了檢驗這個想法，我們招募了在德國呂貝克石勒蘇益格-荷爾斯泰因大學醫療中心參加為期 40 天康復計劃的中風患者。我們要求受試者觀看一部六分鐘的影片，影片中展示了一系列動作——伸展手臂、張開手、抓蘋果等等[參見對頁的方框]。然後，我們要求他們嘗試模仿這些動作。我們發現，這些患者的運動能力確實比未觀看影片的對照組患者提高得更快。
在最近的一項後續研究中，我們記錄了 22 名手臂和手部使用困難的中風患者的相同進步。當他們在每次治療課程之前和之後觀看人們演示日常手部動作的短片時，身體康復進展得更快。藉助 fMRI，我們能夠證明，隨著運動能力的改善，相關皮層區域變得越來越活躍。影片觀察顯然加強了負責計劃運動的大腦區域。內部模擬使受試者更容易執行實際動作。
扶手椅運動員？
事實上，我們的映象神經元對許多運動都有反應，但研究表明，它們的活動水平取決於我們對所見動作的熟悉程度。學習協調全新的動作（例如，玩一項新的運動）比例行任務需要更多的有意識控制。布奇諾和他的同事向受試者展示了各種影片片段，描繪了一個人、一隻猿或一隻狗吃東西或交流：人移動嘴巴，好像在說話，猿撅起嘴唇，狗吠叫。有趣的是，咀嚼動作普遍激活了受試者的映象神經元。然而，當談到交流時，只有當移動的嘴唇屬於同類時，才會發生這種啟用。
我們的映象神經元可能只對我們自身運動庫中的動作做出反應。因此，觀察者顯然需要理解他人的意圖才能啟用他們的前運動中心。加州大學洛杉磯分校的神經科學家馬可·雅各博尼進行了一項有趣的實驗，他要求受試者觀看人們使用相同動作達到不同目的的短片。在一個序列中，一個人拿起杯子喝了一口。在另一個序列中，他拿起杯子並清洗了它。另一個片段顯示了動作本身，沒有任何目的，另一個片段則只顯示了一套盤子和杯子，沒有任何動作。雅各博尼發現，無論是運動動作還是環境本身，都沒有像兩者結合那樣強烈地啟用映象神經元。缺乏明顯目的的運動活動可能不太能有效地幫助某人重新學習特定的動作。
進一步的研究可能會揭示，映象神經元是許多基本人類特徵的根源——從我們學習的方式到我們發展出獨特文化的方式。與此同時，中風患者有望從利用這個非凡的系統中獲得巨大的益處。