镜像神经元的简介与实际运用?脑中的镜子,野驴

2007-10-26 16:16:54

标签: 知识/探索 科学 科普 野驴 脑中的镜子 分类: 科普-《新发现》

女孩从桌上抓起一个苹果,男孩看着她,知道她在做什么,并且意识到马上就会有苹果吃了,因为女孩正面带微笑,含情脉脉。男孩对女孩行为、意图的理解丝毫不费力,不费功夫,说明男孩的大脑中拥有一种精确而高效的机制,能够帮助他瞬间完成这个看似复杂的过程。对于此过程,可以通过这样几个步骤来描述:微笑和抓苹果动作的视觉信息被输入到大脑中;信息经过一系列细致的处理;处理结果与记忆中的过往经验相比较;得出逻辑上的结论:她在抓苹果,接着会友好地递过来。这是十多年前神经科学家和心理学家们的普遍共识,但时至今日,越来越多的证据表明,事情似乎并不像我们认为的那么复杂。

识别动作的细胞

在女孩做出抓苹果的动作时,活动着的不仅仅是胳膊上的肌肉和关节,还有大脑中的一群细胞,这群细胞位于顶叶皮层(parietal cortex)和运动皮层(motor cortex)。当然,它们的活动并不似肌肉伸缩般看得见,而是体现在比平时生成了更多的电信号,即更加兴奋。这些细胞与抓苹果的动作遥相呼应,而且不管伸向什么方位,使用什么手法(整个抓住,还是只抓苹果杆);也不必非是苹果,香蕉、梨、杯子、手机……只要去“抓”而不是“推”或者别的什么动作,它们就会兴奋。换句话说,这些细胞专一代表了“抓”这个动作类别。

脑中的镜子——镜像神经元,镜像神经细胞

抓个苹果也好,踢一脚球也好,都不完全是手和脚的事情,它们是动作的实施者,而对任何一个计划来说,首先要有个发起者。这发起者就是负责运动的大脑皮层,因此这部分皮层中存在与手、脚同步活动的“抓”细胞、“踢”细胞,一点都不奇怪。奇怪的是这些“抓”细胞不仅在自己抓这抓那时勤奋工作,在看到别人做出同样的动作时也要有所作为。男孩脑中的“抓”细胞正兴奋不已,但他什么都没干,只是看着女孩的手伸向苹果。

作为独立的个体,所思所想与所作所为之间拥有必然的因果关系,想到要去抓苹果,于是胳膊伸出,五指弯曲,同时在躯体内还发生着看不见的对应事件,简单讲就是负责运动的皮层细胞兴奋,发出信号,信号沿着漫长的运动神经传至肌肉,引导其完成一系列的收缩、伸张。而如今,新发现了一种存在于个体之间的因果关系,女孩在抓苹果,一旁观看的男孩脑中负责做出该动作的细胞也兴奋起来,动作者的行为引发了观看者的想法。这些细胞似乎在观看者的脑中直接映照、再现出动作者的行为,因此被命名为镜像神经元(mirror neurons,神经细胞也叫做神经元)

镜像神经元的作用如同在自己脑中生成一个他人动作的像,眼睛是那面镜子,不过这个像有些特别,并不是将看到的依样画瓢,而是忽略具体细节,仅以动作的类别作为呈现与否的依据。只要是“抓”,不同的方位、手法都会导致同一个像的出现,即同样一群镜像神经元兴奋。

既然像反映出的不是动作的视觉特征,那么镜子是否只能是眼睛?把苹果换成一按就响的玩具鸭子,第一次,男孩看着女孩抓鸭子,同时听到独特的声音,“抓”镜像神经元兴奋;第二次,男孩只听不看,当声音响起的时候,那些家伙依旧兴奋了,看来耳朵也可以是镜子。有趣,这回干脆听都不听,直接想象女孩去抓苹果或是鸭子的动作,结果仍有大部分铁杆粉丝忠心耿耿,兴奋如故。

镜子各不相同,像却始终如一,说明镜像神经元的作用远非对他人动作的简单复制,它们的兴奋代表了某种动作的概念,或者说镜像神经元承担了对该动作概念进行编码的任务。

这种代表某个概念的神经元在其他地方也发现过,比如负责记忆的海马脑区。那里有一种对人的概念进行编码的细胞,只要某特定的人出现,无论他/她正在眼前,或只是照片、素描、甚至漫画形象,还是只闻其声,都会有一个细胞在此时专一兴奋,它被称作“祖母细胞”。显然,编码抽象概念的神经元是抽象思维的基础,祖母细胞使我们看到名字、听到录音就能够回忆起某人的点点滴滴,而镜像神经元则可能会在对动作含义的理解过程中担当重任。

镜子无处不在

镜像神经元最初是与行为、动作联系在一起的,但在科学家们的兴趣和想象力被激起后,一个镜像神经元的大家族被发现,其成员各具特色、各显其能,不再仅满足于对别人抓苹果的动作进行模仿。

首先想到的是我们能否还可以模仿他人的感觉?把手平放在桌子上,用一把金属制的器具接触一下手背,这时你脑中位于体感皮层(somatosensory cortex)的一群神经元正常地兴奋起来。然后你站在旁边,集中精神看着别人的手重复刚才的接触,不出所料,同样的一群神经元做出强烈反应,就好像你也被碰了一下。镜像神经元的工作空间扩展至触觉。

接下来看看痛觉。人们平时难免都会有个小病小灾、感冒发烧,如果吃药不管用就要去打针或是打吊瓶,不管屁股、胳膊、还是手,当针头进入皮肤后,被纳入痛觉系统的运动皮层(这部分运动皮层负责在受到实际或潜在的有害刺激时做出适当的动作以自我保护)中与挨打部位有关的神经元兴奋性会减弱,紧接着针刺部位肌肉的兴奋性也会随之降低,结果是屁股、胳膊、手会老老实实保持不动,这样至少不会痛的更厉害。

随后的步骤大家都已耳熟能详了,被固定的手和脚出现在眼前,针筒毫不留情地刺下去,当然,实验中用的是足以乱真的模型。你发现自己的手脚一阵僵硬,没错,镜像神经元正在发挥着作用,这次是与痛觉有关的。

自己挨了一针,屁股、胳膊、手痛的不轻,碍于面子,不愿叫出声来,但心里难免会“唉呦”一下,这表明心里也在“痛”,但有别于感觉之痛,这是一种情绪上的痛,或者说痛的情绪。证据是前脑岛(anterior insula)在此刻活跃异常,而该脑区的兴奋通常意味着负面情绪的出现,在这里就是痛的情绪。

如果这块脑区中也有镜像神经元的话,看到别人受苦,自己心里也应该不好受,事实可不正是如此?我们的同情心时刻都在。镜像神经元将它们的服务范围从简单的感觉延伸至更为复杂的情绪。

为了确认这一点,可以通过其他情绪来进行验证。中选者是“厌恶”,想要生成这种情绪很容易,一个杯子,里面放一个臭鸡蛋,举到鼻子跟前,闻一下,是不是想想都觉得倒胃口?既然是负面情绪,兴奋的还是前脑岛。那么看着别人因倒霉地闻到如此令人作呕的气味而露出很嫌恶的表情时,自己脑中会发生什么事?结果已经没有任何新奇之处了。

在对他人负面情绪感同身受的过程中,镜像神经元要登场发挥作用已经确然无凿,而我们即会痛苦着别人的痛苦,也能快乐着别人的快乐,因此没理由它们会刻意回避不参与对正面情绪的理解,只是具体的脑区还没有被确定出来。

除此之外,镜像神经元的身影还在负责语言的左脑布鲁卡区域(Broca’area),以及通常被认为与高级认知活动有关的扣带前回(ACC)区域出现过。看情形,将来的研究很可能会证明一件事:我们的脑中,镜像神经元无处不在。

直指人心

这无处不在的镜像神经元意义何在?发现它们之前,我们平静而繁忙地生活着,发现它们之后,我们依旧平静而繁忙地生活着,唯一的不同之处在于,对我们是如何生活的有了新的认识。

人是社会性动物,正常情况下每一天都要在与他人的交流中度过。即便晚上回到家,不用再跟老板、同事面对面的接触、沟通,一个人躺在床上欣赏无聊的言情、古装电视剧时,同样需要对剧中人的言行举止进行理解,并产生共鸣。若非如此,不知各方角色你来我往所为何事,还看个什么劲?

对他人行为、心理、情绪、感受等等的理解和认同被通称为社会认知。那么这个理解过程是如何实现的?一种解释如下:女孩抓苹果,男孩在一旁看着,整个景象进入男孩的眼睛,并在其视觉系统内得到精细而巧妙的加工、处理;而后由负责逻辑、推理的皮层网络接手工作,对获取到的视觉信息,即女孩当下的行为进行分析和判断;这期间可能会有负责记忆的脑区参与进来,因为男孩曾经的类似行为有助于增加判断的可靠性,最终,一个基于逻辑的结论被得出来:女孩在抓苹果。

这是镜像神经元被发现之前的解释。而现在,在把镜像神经元考虑进去后,我们得到了第二种解释:最初仍是视觉系统的事,但随后接班的变成了运动系统,运动系统中的“抓”镜像神经元开始兴奋,接下来呢?不用接下来,结论好像已经得出了。

从头再来一遍,女孩产生了要抓苹果的想法,运动皮层中的“抓”细胞兴奋,动作做出,男孩看到这一切,运动皮层的“抓”镜像神经元兴奋,而它们在自己想要去抓的时候也会兴奋,这似乎表明男孩在此刻产生了与女孩同样去抓的想法。事情到了这个地步,逻辑已无用武之地,因为显然没必要再对自己的想法推断一番。

如此看来,镜像神经元的意义在于能让我们通过延迟产生与他人相同的想法,来对他人在这种想法下的行为进行理解。看到别人做什么,自己也模仿着做一遍,当然,只是想,不是真的做出来。这样的理解方式自然很能保证准确性,而且效率更高,历史也应该更悠久。远在思索哲学问题、分析战争成败的逻辑、推理能力被进化出来之前,远古的先人们就已经在彼此交流了,那时还没有语言,所以要更多地依靠动作和手势,相互理解的重任从那时起就被镜像神经元承担着。

随着语言的出现,相应的专门负责语言的脑区也应运而生,而镜像神经元在这块脑区的存在,说明它们作为得力的工具被新兴的交流手段所采用。这意味着我们对他人话语的理解也可以不通过思考来获得,有些时候好像是这样的,如果直截了当的话。

同样的,那些感觉、情绪镜像神经元使我们能够及时了解对方的感受。并非来自思考,而是确确实实的感同身受。在你分担分享亲人、朋友的痛苦快乐,察觉出上司面色不善,或是情绪随情感剧中神经质主人公同步波动时,它们正忙得不亦乐乎。它们令“我清楚你的感受”这句话显得词不达意,要改成“我感受着你的感受”才更为贴切。

总之,我们的日常生活之所以能顺利进行,有条不紊,镜像神经元功不可没。

它们的意义还可以再被拔高点。刚出生不久的你,就能模仿妈妈的动作,伸出舌头;呀呀学语时不断重复着大人的话;中学最好的朋友家庭出现变故,郁郁寡欢,你第一次深切地为别人感到难过;大学迷上了吉他,一边盯着师兄熟练弹拨的手,一边依样摆弄自己的琴弦……技能、语言的传习,情感的分享都要依赖镜像神经元在其中发挥关键性作用,因此不妨说是它们实现了文明传承、社会进步。

镜像神经元知道你将要做什么

镜像神经元的本事尚不止于此,它们还能帮助你识破他人的意图,为了说明这一点,要再来麻烦一下男孩、女孩和那个被不停抓来抓去的苹果。女孩做出抓苹果的动作,其脑中的“抓”细胞兴奋,男孩脑中的“抓”镜像神经元紧跟着兴奋,于是他理解了她正在做的事情。新出现情况是,此时女孩脑中还有另外一些编码其他动作的细胞也在兴奋,而这些细胞所编码的正是她接下来要做的动作。

这一刻,女孩抓着苹果,如果接下来的动作是送到自己嘴里,“送”细胞与“抓”细胞在此刻同时兴奋;如果接下来的动作是递给男孩,“递”细胞与“抓”细胞在此刻同时兴奋。也就是说,代表下一个动作,本应在下一个动作做出时才兴奋的细胞,提前于上一个动作还在进行时就开始反应了。

对此不必太感惊奇,既然这些细胞是与运动发起有关的,在自己知道接下来要做什么的情况下,提前一步就位,形成一个连续的动作链,能够提高效率,保证动作的连贯性。这跟公司为了持续发展,要采取研发一代,生产一代的经营策略非常类似,只不过,远在公司被发明之前,人类的大脑就已经在利用该机制了。

令人惊讶的是男孩脑中此刻的情形,如你所料,“送”或“递”镜像神经元与“抓”镜像神经元同步兴奋。在对方下一个动作做出之前,自己代表下一个动作的镜像神经元就已经开始活跃,好像自己正经历着对方对接下来动作的打算,或者说正实现着对对方意图的推测。对他人意图进行推测的能力,向来被认为是一种富有神秘色彩的高级认知活动,需要依靠复杂的逻辑推理才能做到。但现在发现,至少在对行为意图的推测上,可以通过镜像神经元形成的动作链,简单而快速地完成。

当然,毕竟人心隔肚皮,动作链的形成不会平白无故,而是有赖于清晰的线索,这线索是以往的经验和当下的相关情境。比如,通常这个女孩是很体贴的,此时又面带微笑,含情脉脉,于是“抓”——“递”这条动作链进入状态;而如果刚刚吵过架,女孩面色不善,那么“抓”——“送”链被选中的机率就大大增加,甚至有可能是“抓”——“扔”链。

同样是编码动作,但地位有所不同,编码“送”的人多势众,编码“递”的就要少一些。这是因为“送到嘴里”的动作更基础,也更本质,是先天本能的体现。要知道,细胞被限定在只专一代表某种动作概念,是对资源的一种浪费,若想资源利用率达到最高,细胞应该彼此没有差别,完全通过排列组合来对不同的动作进行编码。但正因为某些动作特别重要,需要特别对待,才出现了专业工种,目的是提高识别效率。

这种提高效率的手段是以牺牲资源为代价的,而对生物体来说,资源非常宝贵,所以要根据重要性对动作加以区分,按需分配细胞。耗时数百万年进化出来的大脑神经机制果然不同凡响,巧妙地实现了对效率和资源利用率的兼顾。

镜像神经元帮助我们及时准确地识破了他人的意图,但有时会出错,比如她明明在微笑,却把苹果扔向你的头。那就没办法了,听天由命吧,女人的心思,镜像神经元再神通广大也束手无策。

参考文献:

  1. Iacoboni M, Molnar-Szakacs I, Gallese V, Buccino G, Mazziotta JC, Rizzolatti G. Grasping the intentions of others with one's own mirror neuron system[J]. PLoS Biol. 2005 Mar;3(3):e79. Epub 2005 Feb 22.

  2. Leonardo Fogassi et al. Parietal Lobe: From Action Organization to Intention Understanding[J]. in Science, Vol. 302, pages 662–667; April 29, 2005.

  3. Giacomo Rizzolatti, Leonardo Fogassi and Vittorio Gallese. Mirrors in the Mind[J]. Scientific American Vol. 295, pages 54–61; November, 2006.

  4. Avenanti A, Bueti D, Galati G, Aglioti SM. Transcranial magnetic stimulation highlights the sensorimotor side of empathy for pain[J]. Nat Neurosci. 2005 Jul;8(7):955-60.

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