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2014年02月20日 星期四
周玮的大脑究竟是怎样活动的?
“中国雨人”核磁共振检测报告出炉
张 漪

    周玮脑区活动图

    图六

    图四

    图五

    图一:周玮正在做测试。磁共振对于心理学,便如显微镜对于生物学,望远镜对于天文学;它的出现直接导致了认知神经科学这个学科的诞生。

    图二:磁共振可以无创地(non-invasive)获取大脑的多模态的数据,从而了解大脑的灰质结构(神经元)、白质纤维(神经网络)和在完成各种认知任务时大脑的功能激活。(周玮脑区活动图)

    图三:磁共振成像是对大脑活动的直接观察(direct observation)。这是在屏幕上呈现字母“W”,而在人的视觉初级皮层上观察到的一个形似“M”的激活图,即倒立的“W”。(Image courtesy: Lawrence Wald)在面对乘方和开方的题目时,磁共振成像仪中周玮的大脑究竟是怎样的呢?(周玮脑区活动图)

    《最强大脑》“中国雨人”周玮播出后,引发巨大讨论。为此,《最强大脑》节目组带周玮到北京和上海两地的北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室、上海交通大学Bio-x研究院、华东师范大学等科研机构进行了行为及脑测试。其中,最重要的核磁共振检测结果清楚说明:周玮是在计算,而不是在记忆。

    扬子晚报记者 张 漪

    科学解惑1

    为什么要启用“核磁共振”检测?

    周玮无疑是江苏卫视《最强大脑》中最充满魅力的一个选手。他的大脑因为低血糖症而受到了永久性的损伤么?他是自闭症患者么?他展现出来的乘方和开方是怎么做到的?除了数学,他还会什么?现在亡羊补牢,给予他充分的支持,他会成为“中国的霍金”么?他的世界是如此的奇特,以至于大家在感叹之余又多了几分疑惑。疑惑之一就是周玮在乘方和开方的时候,他究竟是真的在计算,还是在回忆事先记下的答案?

    小时候,每个人都背过九九乘法表,所以在随后看见9×9,我们可以直接根据九九乘法表的口诀,记出答案为81。再如因为计算机知识的普及,看见2的10次方,我们也无需计算而直接通过给出1024这个答案。周玮在完成乘方和开方的时候,是不是也用了类似的技巧呢?如果是,也许周玮在记忆上有一定的天分,但是他就不能被称之为数学天才。但是要在行为结果上区分“计算”还是“回忆”却是近似于不可完成的任务。首先,周玮可能会撒谎,明明是通过回忆得到的答案,却报告成是通过计算得到的答案。在另外一方面,任何一个人的能力都是有边界的;周玮也一定有不能完成的乘方和开方题目,但这并不能证明他依靠的是回忆而不是运算(即科学研究中面对Null Results的推论困境)。

    所以庆幸的是,现在有了“磁共振成像仪”(Functional Magnetic Resonance Imaging,fMRI),磁共振成像中的周玮不能撒谎。这是因为不同的认知功能通常是在大脑的不同部位完成,而参与长时记忆提取(即回忆)和参与计算的脑功能区在解剖结构上是分离的。所以,逻辑非常简单:如果周玮是通过计算来完成乘方和开方的,那么他大脑中参与数学运算的脑区会激活,而不是参与记忆的脑区激活。在报告磁共振成像结果之前,先来欣赏一下磁共振成像仪的景象。

    科学解惑2

    周玮大脑在计算而不是在记忆

    因为不同的认知功能通常是在大脑的不同地方完成,而参与回忆和参与计算的脑功能区在解剖结构上是分离的。所以,我们可以自然而然地推测:如果周玮是通过计算来完成乘方和开方的,那么他大脑中参与数学计算的脑区,而不是参与回忆的脑区,会激活。首先,需要定位周玮参与数学计算的脑区。这是因为周玮可能因为幼儿时期的低血糖导致了脑结构的异常,从而他的参与数学计算和参与回忆的脑功能区,与常人不一样。这里科学家采用经典的数学计算脑区定位的实验范式:周玮需要判断下左或下右的数字哪个与正上方的数字在数字距离上更接近(在图四上的例子中,下右的72与正上方的56在数字距离上更接近)。周玮完成这个任务的正确率是100%。

    图四:数学计算脑区定位实验范式(上)以及定位出的参与数学计算的脑功能区(下):内顶沟和上额叶。(控制条件为语义比较)

    磁共振脑成像的结果表明,周玮在进行数字计算时,他大脑的内顶沟和上额叶激活了。这两个脑区是正常人进行数学计算时通常激活的脑区,表明周玮也是在用与常人一样的脑功能区在进行数学计算。下面,就是大家面对真相的一刻了:周玮在进行乘方和开方的时候,这两个脑区:内顶沟和上额叶,是否会激活?怎么来验证呢?在科学研究中,任何一个实验设计都至少需要两个条件:一个是实验条件(对假设进行验证),一个是控制条件(作为实验条件的基线)。这里我们采用Parametric Design,设计了简单的乘方(如5的三次方)和开方(如36开平方)作为控制条件,而复杂的乘方和开方作为实验条件。实验流程为Event-Related Design,控制条件和实验条件随机混合。周玮在控制条件(即简单的乘方和开方)下,正确率为100%;在实验条件(即复杂的乘方和开方)下,正确率是84.3%。 磁共振脑成像的结果表明,周玮在进行复杂的乘方和开方时,他大脑的参与数字运算的内顶沟和上额叶激活了。这两个脑区与数学计算定位实验中看到的内顶沟和上额叶在位置上重合,表明周玮是通过计算来完成乘方和开方的。同时,参与回忆的脑区没有任何激活。

    图五:在实验条件下(复杂的乘方与开方),周玮的大脑激活。

    图六:在控制条件下(简单的乘方与开方),周玮大脑的激活

    周玮在进行简单的乘方和开方运算时,除了视觉区域的激活之外,他的高级脑功能区(包括数学计算脑功能区)没有显著地激活,表明这些运算对他而言过于简单,基本上不需要太多的心理能量,符合科学家对他的预期,即复杂的开方和乘方需要更多的心理能量。这和人们在行为上观察到的结果是一致的:在简单的乘方和开方题目上,他仅用了1分6秒完成了15道题,正确率为100%,平均每4.4秒正确完成一道题;而在复杂的乘方和开方题目上,他用了17分59秒完成了40道题,其中正确33道,错误1道,6道题没有做,平均32.7秒正确完成一道题目。因此,磁共振成像的结果表明:周玮是在计算,而不是在回忆。

    古希腊三圣之一的苏格拉底曾经画了一个圆来表示我们知道的和我们未知的事物。已知的在圆内;未知的在圆外,充斥了整个世界。更重要的是,随着已知的增加,圆周的扩大,于是我们又不得不面对更多的未知。为什么周玮在进行乘方和开方计算的时候,参与计算的脑功能区的激活强度要小于判断数字距离远近的任务?周玮的开方和乘方能力的边界在哪,究竟是什么认知因素在制约?除了乘方和开方,周玮还拥有哪些数学能力?他是数学天才么?天才的定义是什么,智商高就一定是天才么?天赋(gifted)和成就(achieved)之间是平坦大道还是有坎坷不断?“问天才,谁是天才”——综上所述,周玮是一个很难定义的人,这大概就是生命的奇迹吧。  

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