挑戰(zhàn)不可能的腦掃描：科學(xué)家如何哄騙清醒嬰兒，找回嬰兒時(shí)期的記憶

嬰兒向來不安分，他們沒法安靜平躺，更沒法乖乖聽從指令。但現(xiàn)在，認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)家終于找到了在清醒的嬰兒身上開展基于任務(wù)的磁共振功能成像實(shí)驗(yàn)的方法。接下來，他們計(jì)劃借此觀察認(rèn)知功能是如何形成的，并希望厘清關(guān)于人類最早期記憶的爭議。近期，圖克-布朗實(shí)驗(yàn)室在《科學(xué)》發(fā)表了一項(xiàng)重要的研究成果，為我們提供了全新的線索。

嬰兒海馬體研究困境

十年前，耶魯大學(xué)心理學(xué)教授兼吳蔡神經(jīng)科學(xué)研究院院長尼克·圖克-布朗（Nick Turk-Browne）無意間發(fā)現(xiàn)了一個(gè)悖論。他在一系列研究中證明，統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)的能力（即從經(jīng)驗(yàn)中提取規(guī)律的能力[1]）依賴于海馬體[2]（一個(gè)同時(shí)參與情景記憶形成的腦區(qū)）。然而，以往的研究普遍認(rèn)為嬰兒無法形成情景記憶，但他們卻是統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)的佼佼者（統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)正是嬰兒習(xí)得語言的主要方式之一）。

“記憶研究領(lǐng)域一直以來的看法，都是海馬體要到4至5歲才會(huì)真正開始發(fā)揮作用。”圖克-布朗想知道，那嬰兒為什么依然能表現(xiàn)出如此卓越的統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)能力呢？

他推斷到，要解開這個(gè)難題的唯一方法，是像研究成人統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)那樣，直接測量清醒嬰兒的海馬體活動(dòng)。然而新的問題來了：嬰兒會(huì)扭動(dòng)身體、哭鬧、入睡，也無法聽從指令，通常需要在睡眠或鎮(zhèn)靜狀態(tài)下才能接受掃描。可以說，嬰兒是功能性磁共振成像（fMRI）實(shí)驗(yàn)中最不愿意配合的群體，但用于清醒嬰兒的其他神經(jīng)成像方法，又無法記錄到海馬體及其他深層腦區(qū)的活動(dòng)。

圖克-布朗直言，他和他的團(tuán)隊(duì)“有些天真地”想要找到合適的方法，讓清醒的嬰兒也能接受fMRI掃描。“我們必須嘗試，因?yàn)檫@是測量某些關(guān)鍵腦區(qū)活動(dòng)的唯一方法。”

?認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)家尼克·圖克-布朗，如圖左所示，正在為他的參與者量身定制功能性核磁共振成像掃描，他們的年齡從 3 個(gè)月到 2 歲不等。Courtesy of 160/90

歷經(jīng)種種艱難，他們最終在2021年找到了破解悖論的關(guān)鍵證據(jù)[3]：早在嬰兒3個(gè)月大時(shí)，海馬體就會(huì)在統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)過程中被激活。根據(jù)圖克-布朗實(shí)驗(yàn)室在2025年3月發(fā)表在《科學(xué)》上的最新研究結(jié)果[4]，到1歲時(shí)，海馬體在記憶編碼過程中也會(huì)變得活躍。這意味著，我們之所以無法回憶起嬰兒期的往事，很可能是記憶提取出現(xiàn)了障礙，而并非缺乏記憶本身的儲(chǔ)存。

在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，圖克-布朗屬于勇敢的探索者——他們率先嘗試對(duì)清醒嬰兒進(jìn)行腦部掃描。這類研究目前仍屬小眾，但參與其中的科學(xué)家群體正日益壯大。麻省理工學(xué)院腦與認(rèn)知科學(xué)教授麗貝卡·薩克斯（Rebecca Saxe）表示：“這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展簡直令人驚嘆。”十年的技術(shù)探索與改進(jìn)讓不可能變成可能，科學(xué)家們現(xiàn)在終于能夠解答那個(gè)嬰兒心智如何以及何時(shí)形成的問題。

我們對(duì)嬰兒心智的大部分了解都來自他們注視的方向和時(shí)長。行為實(shí)驗(yàn)通常以測量“注視時(shí)間”來推斷嬰兒的注意力焦點(diǎn)和記憶內(nèi)容。耶魯大學(xué)哈斯金斯實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)科學(xué)家理查德·阿斯林（Richard Aslin）表示：“僅憑行為數(shù)據(jù)，就能夠構(gòu)建非常精細(xì)的認(rèn)知模型。”他主要利用腦電圖和功能性近紅外光譜來研究語言發(fā)展。

然而，阿斯林指出，注視時(shí)間這種測量指標(biāo)不夠準(zhǔn)確[5]。在某些情況下，嬰兒可能更傾向于注視新奇的物體，而在另一些情況下，他們可能會(huì)更長時(shí)間地注視熟悉物體。他表示：“僅靠行為數(shù)據(jù)是不夠的。如果要準(zhǔn)確地挖掘出潛在的認(rèn)知機(jī)制，我們必須研究大腦。”

很多人都在說這件事不可能做到。但我覺得，我們正在證明它并非完全不可能。

——特里斯坦·耶茨（Tristan Yates）

嬰兒fMRI掃描史

針對(duì)睡眠或鎮(zhèn)靜狀態(tài)嬰兒的fMRI掃描始于20世紀(jì)90年代末。這些研究測量了嬰兒靜息態(tài)的腦活動(dòng)，結(jié)果顯示“發(fā)育中的大腦所具備的功能已經(jīng)超乎想象，”日內(nèi)瓦大學(xué)兒科教授佩特拉·蘇珊·休皮（Petra Susan Hüppi）說道。她是將fMRI應(yīng)用于嬰兒研究的先驅(qū)之一。如今，靜息態(tài)研究仍在通過諸如“嬰兒連接組計(jì)劃”[6]和“健康大腦與兒童發(fā)展研究”[7]等合作項(xiàng)目持續(xù)推進(jìn)。

斯坦福大學(xué)人類生物學(xué)與心理學(xué)教授邁克爾·C·弗蘭克（Michael C. Frank）認(rèn)為，將嬰兒的的神經(jīng)影像學(xué)和行為學(xué)數(shù)據(jù)，與成人的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究結(jié)果相結(jié)合，可以 “多角度地回答有關(guān)發(fā)育中大腦和心智的問題”。他補(bǔ)充道：“理想情況下，以計(jì)算理論為背景，將這些不同類型的信息整合在一起，科學(xué)家們可以為該問題做出當(dāng)下最優(yōu)的解釋。”

不過，神經(jīng)成像實(shí)驗(yàn)室“發(fā)育神經(jīng)影像學(xué)實(shí)驗(yàn)室”主任吉賽琳·德海涅-蘭伯特（Ghislaine Dehaene-Lambertz）也指出，對(duì)睡眠中的嬰兒進(jìn)行掃描，無法揭示驅(qū)動(dòng)“高級(jí)認(rèn)知功能”的神經(jīng)機(jī)制，要了解這些復(fù)雜過程，就必須讓嬰兒保持清醒。

最初，對(duì)清醒嬰兒的掃描面臨著諸多技術(shù)以及非技術(shù)性的挑戰(zhàn)。在一項(xiàng)早期實(shí)驗(yàn)中，德海涅-蘭伯特向躺在掃描儀中2到3個(gè)月大的嬰兒播放了正常語序和倒序的語音片段。她回憶道：“第一個(gè)嬰兒表現(xiàn)得很完美，我們捕捉到了一個(gè)‘漂亮’的血氧水平依賴（BOLD）信號(hào)，這是大腦活動(dòng)的間接指標(biāo)。”但隨后19名被試的情況參差不齊：僅有6名嬰兒沒有哭鬧或者睡著。盡管如此，她的團(tuán)隊(duì)在2002年發(fā)表的論文報(bào)告說[8]，在成功完成掃描的6名嬰兒中，一部分額葉皮層對(duì)正常語序的BOLD信號(hào)比對(duì)逆序語音的更強(qiáng)。

?新生兒大腦掃描后的信息可視化圖片。Credit: King's College London

2006年，薩克斯開設(shè)了自己的實(shí)驗(yàn)室，隨后接受了掃描清醒嬰兒大腦的挑戰(zhàn)。然而，操作難度遠(yuǎn)超她的預(yù)期。她表示：“我們實(shí)驗(yàn)室關(guān)于該主題的第一篇論文直到2017年才發(fā)表。這或許真實(shí)地反映了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)有多么困難，其中涉及各種各樣的原因。”

薩克斯表示，除了要努力讓嬰兒保持清醒并參與實(shí)驗(yàn)外，她還需要考慮如何保護(hù)這些小被試的聽力，以及怎樣減少他們的頭部運(yùn)動(dòng)。在成人研究中，被試不僅可以佩戴耳塞和耳罩，而且在聽力保護(hù)裝置滑落的情況下，他們可以向研究人員發(fā)出提醒。此外，成人還可以佩戴一種輕輕貼合頭骨的頭線圈以減少頭部運(yùn)動(dòng)，但嬰兒由于顱骨柔軟，無法使用這些裝置。

薩克斯和她的團(tuán)隊(duì)不斷嘗試各種解決方案，直到2013年，轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)了：薩克斯懷孕了。她回憶道：“我絕不能錯(cuò)過給自己寶寶做腦部掃描的機(jī)會(huì)。”

成功的曙光

她的兒子在那年9月出生，并在一個(gè)月后接受了第一次fMRI掃描。薩克斯回憶道：“產(chǎn)假期間，我大部分時(shí)間都待在磁共振成像儀里，一遍又一遍地唱著兒歌，努力讓寶寶保持平靜和開心。”針對(duì)聽力損傷風(fēng)險(xiǎn)和信噪比低的問題，研究人員分別使用了靜音掃描序列和專門為嬰兒設(shè)計(jì)的頭線圈。

2014年1月，團(tuán)隊(duì)完成了第一張真正成功的掃描圖，當(dāng)時(shí)薩克斯的兒子4個(gè)月大。研究團(tuán)隊(duì)在他觀看短視頻片段時(shí)，捕捉到了視覺皮層的活動(dòng)。在接下來的1年里，他們又成功掃描了另外8名4到6個(gè)月大的嬰兒，其中3名是實(shí)驗(yàn)室成員的孩子。每次掃描時(shí)，都會(huì)有一名被試的家長或另一名實(shí)驗(yàn)室成員躺在掃描儀中，以確保嬰兒保持清醒。2017年，他們報(bào)告稱[9]，嬰兒的視覺皮層組織方式與成人基本相似，并且包含對(duì)人臉和場景有反應(yīng)的特定腦區(qū)。

?Credit: Auditory Development Lab, McMaster University

大約在同一時(shí)間（但在薩克斯的研究發(fā)表之前），圖克-布朗和他當(dāng)時(shí)的研究生卡梅倫·埃利斯（Cameron Ellis）啟動(dòng)了另一項(xiàng)針對(duì)清醒嬰兒的fMRI項(xiàng)目。他們摒棄了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中每次只針對(duì)單一任務(wù)采集數(shù)據(jù)的方式，轉(zhuǎn)而設(shè)計(jì)多項(xiàng)任務(wù)，并根據(jù)嬰兒的興趣切換測試內(nèi)容。斯坦福大學(xué)心理學(xué)助理教授的埃利斯說道：“與其孤注一擲，不如多線并行。”他們最終選定了四個(gè)方向：統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)、注意力、視覺處理和嬰兒期記憶遺忘。

雖然德海涅-蘭伯特本人并未參與這項(xiàng)研究，但她表示，這是“非常聰明、絕妙的點(diǎn)子”。她補(bǔ)充道：“對(duì)于成年人，你可以讓他們做枯燥的任務(wù)，但對(duì)嬰兒可不行，切換任務(wù)增加了團(tuán)隊(duì)至少為一個(gè)實(shí)驗(yàn)收集到可用數(shù)據(jù)的幾率。”

圖克-布朗和他的團(tuán)隊(duì)始終堅(jiān)持為每位嬰兒量身定制實(shí)驗(yàn)流程。家長會(huì)陪同孩子進(jìn)入掃描室（但不進(jìn)入掃描儀內(nèi)部），并可以在孩子需要休息、進(jìn)食或更換尿布時(shí)告知研究人員。嬰兒也可以將他們最喜歡的毛絨玩具或毯子帶入掃描儀中。圖克-布朗說：“在這些掃描中，我大約和100名嬰兒握過手。”在2025年1月的一次掃描中，為了安撫一位情緒不安的嬰兒，他在掃描間隙唱歌，跟他玩躲貓貓，甚至還兩次探身進(jìn)入掃描儀，將吐出的奶嘴遞還給他。

圖克-布朗表示：“從某種意義上說，這是糟糕的研究設(shè)計(jì)，因?yàn)樗豢芍貜?fù)。我從未見過完全相同的兩次掃描結(jié)果。而這與我們通常期望的相反。我們一般希望有一個(gè)實(shí)驗(yàn)流程，它可以嚴(yán)格地適用于每個(gè)人，這樣就不會(huì)有偏差或混雜的因素。”他補(bǔ)充道：“但這就是與嬰兒被試合作的現(xiàn)實(shí)：必須具備適應(yīng)能力，并針對(duì)每個(gè)孩子和家庭的具體情況進(jìn)行靈活的調(diào)整。”

這種方法確實(shí)有效：圖克-布朗團(tuán)隊(duì)在一篇2025年2月發(fā)表的預(yù)印本論文中報(bào)告稱[10]，他們的每次成像環(huán)節(jié)平均可以收集到一個(gè)可用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。盡管不是每次掃描都能產(chǎn)生可用數(shù)據(jù)，但正如埃利斯所說：“平均來看，我們知道這個(gè)研究項(xiàng)目最終會(huì)有收獲。”他還表示，在斯坦福大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室中，他也實(shí)現(xiàn)了每次掃描平均獲得一個(gè)可用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的結(jié)果。

哥倫比亞大學(xué)蒂姆·托莫普（Nim Tottenham）實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員、圖克-布朗實(shí)驗(yàn)室的前研究生特里斯坦·耶茨（Tristan Yates）表示：“很多人都在說這件事完全不可能做到。但我覺得，我們正在證明它并非完全不可能。”

舉一反三：嬰兒心智的全面思考

在圖克-布朗和埃利斯發(fā)現(xiàn)海馬體早在嬰兒3個(gè)月大時(shí)就表現(xiàn)出活動(dòng)跡象后（這與人們通常的看法相反），他們開始思考關(guān)于這一腦區(qū)的其他假設(shè)是否也成立。

一項(xiàng)計(jì)算模型表明[11]，海馬體擁有情景記憶和統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)的獨(dú)立通路。2013年的一項(xiàng)研究顯示[12]，在非人靈長類動(dòng)物中，學(xué)習(xí)通路的成熟早于記憶通路。圖克-布朗表示，這種分階段的發(fā)育過程可以解釋為什么嬰兒擅長統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)，卻無法形成能夠在成年后被提取的記憶。然而，由于缺乏神經(jīng)證據(jù)，目前仍無法確定嬰兒記憶過程中的哪一環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問題：是編碼、存儲(chǔ)、提取，還是其他截然不同的環(huán)節(jié)。

為此，耶茨和圖克-布朗設(shè)計(jì)了一項(xiàng)fMRI實(shí)驗(yàn)來填補(bǔ)這一空白。他們?yōu)閶雰赫故玖艘幌盗袌D像，每張圖像呈現(xiàn)兩秒鐘，并在其上方疊加一個(gè)動(dòng)態(tài)的迷幻圖案，以吸引嬰兒的注意力。隨后，他們同時(shí)展示一張舊圖像和新圖像，并追蹤嬰兒注視時(shí)間更長的那張圖像。兩人預(yù)測，如果嬰兒記住了某張圖像，他們很可能會(huì)花更多時(shí)間注視它。

在記憶編碼過程中，當(dāng)嬰兒注視他們后來能夠識(shí)別的圖像時(shí)，其海馬體中的BOLD信號(hào)比注視似乎遺忘的圖像時(shí)更強(qiáng)；研究團(tuán)隊(duì)在2025年3月發(fā)表于《科學(xué)》的論文中報(bào)告稱[4]，對(duì)熟悉圖像表現(xiàn)出最強(qiáng)偏好的嬰兒，其信號(hào)差異也最為顯著。此外，相比于4-9個(gè)月大的嬰兒，信號(hào)差異在12-24個(gè)月大的嬰兒中更為明顯。

耶茨表示：“海馬體看起來能夠編碼新的個(gè)體記憶，”因此，可能是“后續(xù)的某個(gè)環(huán)節(jié)出了問題”。這一觀點(diǎn)與嚙齒類動(dòng)物的研究結(jié)果一致：在小鼠嬰兒期編碼記憶時(shí)標(biāo)記的神經(jīng)元，如果在成年期被激活，可以重新喚起這段記憶。換句話說，記憶仍然存在，只是通常無法被提取。

圖克-布朗正在探索海馬體中表征的復(fù)雜性如何隨著發(fā)育進(jìn)程發(fā)生變化，以及嬰兒期編碼的自傳體記憶在何時(shí)以及為何會(huì)出現(xiàn)提取障礙。他表示：“在嬰兒研究中，現(xiàn)在沒有其他方法能夠達(dá)到探究‘某種體驗(yàn)的神經(jīng)表征究竟是什么’的粒度。”

埃利斯表示，清醒嬰兒的fMRI技術(shù)還能夠解決其他“重大但觸手可及”的問題。她正在利用這項(xiàng)技術(shù)研究注意力和語言。“你可以設(shè)計(jì)一個(gè)相對(duì)簡單的任務(wù)，來回答一個(gè)長期以來懸而未決的問題。”

?Credit: Caitlin Cunningham Photography

在記憶領(lǐng)域之外，薩克斯正在分析有關(guān)幼兒語言功能偏側(cè)化和嬰兒場景處理項(xiàng)目的數(shù)據(jù)；都柏林三一學(xué)院認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)教授羅德里·庫薩克（Rhodri Cusack）表示，他的團(tuán)隊(duì)去年掃描了134名2個(gè)月大的嬰兒，以研究視覺系統(tǒng)的發(fā)育。

弗拉德·艾森伯格（Vlad Ayzenberg）說，一批“第一代年輕研究者”正在加入這一領(lǐng)域的研究行列，包括他自己、埃利斯和耶茨。耶茨在托莫普實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建了一個(gè)針對(duì)幼兒的掃描項(xiàng)目，此前該實(shí)驗(yàn)室的研究對(duì)象僅限于兒童。她計(jì)劃研究看護(hù)者與嬰兒之間的依戀關(guān)系如何影響認(rèn)知能力。艾森伯格則表示，他計(jì)劃在2025年的晚些時(shí)候開設(shè)自己的實(shí)驗(yàn)室，并利用清醒嬰兒的fMRI技術(shù)，研究皮層和皮下腦區(qū)如何在不同發(fā)育階段影響認(rèn)知能力。

艾森伯格表示，十年前，對(duì)于一名初級(jí)研究者來說，開展一項(xiàng)清醒狀態(tài)下的fMRI項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)太大。“如今已有足夠的證據(jù)表明這項(xiàng)技術(shù)是可行的，并且有足夠多的人成功完成了相關(guān)研究，這不再像天方夜譚。”但他強(qiáng)調(diào)：“盡管可能，但依然困難重重”。

編譯后記

原來，嬰兒期的記憶并非毫無痕跡，包括養(yǎng)育經(jīng)歷在內(nèi)的嬰兒早期記憶只是無法被我們的意識(shí)所提取。從心理動(dòng)力學(xué)治療的角度，這一方面印證了養(yǎng)育經(jīng)歷對(duì)于當(dāng)下的影響，另一方面也讓我意識(shí)到在臨床情境中部分基于聯(lián)系的詮釋可能是不準(zhǔn)確的，關(guān)于養(yǎng)育經(jīng)歷的回憶大多源于來訪養(yǎng)育者的傳述，而非一手的信息。希望有朝一日我們能通過新的技術(shù)自行回想起這些經(jīng)歷，讓來訪者和咨詢師都能夠更理解當(dāng)下的模式如何受到早期經(jīng)歷的影響。也希望我們都別再說小孩不記事兒，其實(shí)他們都“記”著呢，善待孩子～

原文鏈接：https://www.thetransmitter.org/cognitive-neuroscience/what-infant-fmri-is-revealing-about-the-developing-mind/

1. https://direct.mit.edu/jocn/article-abstract/21/10/1934/4727/Neural-Evidence-of-Statistical-Learning-Efficient?redirectedFrom=fulltext

2. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/hipo.22523

3. https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(21)00619-9

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6. https://fnih.org/our-programs/baby-connectome-project/

7. https://hbcdstudy.org/

8. https://www.science.org/doi/10.1126/science.107706

9. https://www.nature.com/articles/ncomms13995

10. https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2025.02.20.636736v1

11. https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rstb.2016.0049

12. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0166432813000818?via%3Dihub

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