为思想称重
用一把简单的秤，你能否称量大脑活动变化？一位19世纪科学家在这方面的工作，给了现代科学家以启迪。
在一间摆着各种奇异仪器的宽大实验室里，一位留着胡子的科学家正在打理仰卧在一张床上的一名男子。这张床有些奇怪，它看上去更像是跷跷板。科学家调试一下床这头的阀门，又调整一下床那头的平衡物，但目光始终没离开转筒上展开的一根跳动的线。如果他的想法没错，线的跳动就反映了这名男子的思绪起伏。
这个名叫安格鲁·莫索的科学家，也许会把自己的这个装置称为“灵魂之秤”。但实际上，他的兴趣是出于纯粹的科学。在大脑成像仪问世之前100多年，这位19世纪生理学家显然就已找到一种方法：运用一把简单的秤，称量神经活动变化。直到最近，由于对莫索这一实验的了解太少，科学家一直无法确知他的思路是否可行。现在，他的原始草稿终于浮现，这能否揭示他的实验是否有效呢？
当莫索在意大利都灵的实验室里工作之时，他的生涯已经与他的平凡出生形成强烈反差。莫索1846年5月30日生于一个木匠之家，他的大部分童年时期都在相对贫困中度过。然而，上佳的学习表现为他赢得助学金，让他得以进入都灵大学学医。1870年毕业后，他在5年里去过欧洲的一些最好的实验室，然后回到大学待了30年之久。
莫索的兴趣很广泛，从循环和肌肉疲劳到情感生理学无所不包。在他生命的最后几年里，他甚至开始探索考古学。莫索不仅是一个全才，而且他在各方面的成就都不肤浅。受他影响，都灵生理学院蓬勃发展，成为当时意大利科学家的一个朝圣地。莫索本人甚至获得了诺贝尔奖提名。
推动莫索在许多方面的研究的动因，是他在父亲的木工店里学到的知识。如果缺乏实验设备，他就自己动手造。每当有机会，这种工程师心态就让他勇于自我试验。例如，在研究由高度产生的效应时，他和助手乔乔轮番进入模拟山顶条件的低压舱。莫索的女儿在其所著的父亲传记中如此描述这一实验：“所有目光都聚焦在这位男子脸上，他现在已经进入人迹罕至的危险地带……”到达相当于8000米高峰的气压水平时，莫索示意停止。乔乔长舒了一口气，让空气进入实验舱。舱门打开，“我父亲酿跄着走了出来。为了不至于跌倒，他不得不靠在墙上。”莫索误以为高山病是由二氧化碳含量低而非氧含量低造成的。颇有戏剧性的是，正是因为他不断增加实验舱里的氧含量，才让他保住性命。
尽管这类实验颇为大胆，莫索在大脑方面的研究却最令今天的心理学家感兴趣。莫索是最早相信进入大脑的血流量会依据我们正在进行的思考内容而改变的人之一，思考越费力，涌进头骨驱动神经元的血液也越多。相似的原则是功能性磁共振成像等技术的核心，这种成像测量的是出入不同大脑区域（与其活性相比较）的血流量。现代神经成像其实与一个古老的概念有关，因为不可能直接测量神经活动，但可以观察神经活动的影子，其中之一就是血流量的改变。而在莫索时代，这个概念颇具争议性。
莫索最初的方法是检验有颅骨缺陷的人，这些人的部分大脑未被硬骨覆盖。他用一个充满空气的封闭舱包裹这些人的头部，随着血液进出大脑，大脑软组织就会上下跳动，舱中空气量变化会记录在一个显示器上。莫索由此证明，当一个人进行复杂计算时，其大脑搏动幅度更大。现代神经心理学研究证明，莫索的这一判断不仅是准确的，而且是最早的。
这类头骨缺陷很少见，所以莫索也寻找其他方法测量头骨完整者的相同大脑活动。其结果就是他的“灵魂之秤”。1890年的一本书籍——《心理学原则》中，对这种“秤”有简短的描述：它是一张“精细平衡的桌子”，随着进入大脑的血流量增加，桌子向接受测量者头部所在端倾斜。然而，莫索自己对这一实验的记述却未得到广泛报告，并且很快就失传了，这就意味着现代人很难搞清“灵魂之秤”是否正如《心理学原则》中所描述的那样工作。
100多年后，上述理念却抓住了英国瑞丁大学“合成神经科学与神经动力学中心”科学家戴维·菲尔德和劳拉·茵曼的想象力，他们决定依据《心理学原则》一书中的描述建造一部“灵魂之秤”。它基本上就是一根杠杆：一名志愿者躺在上面，整个装置被调试，直到引力中心正好位于支点上方，从而使得整个装置能回应随着血流进出头部而发生的很小的重量变化。
菲尔德和茵曼很快就发现，他们的装置过于灵敏，总是倒向一端。他们首先想到的是，这种装置永远不可能达到水平平衡。但他们并未放弃，而是尽力补救。他们让这个装置稍稍向头颅所在那一端倾斜，以便它靠在一部电子秤上面，电子秤同时测量正施加给“灵魂之秤”的微妙力量。
解决这个问题后，实验人员接着发现，呼吸和心跳之类的人体内部运动造成的震动会主导读数，因为这类运动力度远远大于与大脑活动相关的改变。他们的解决办法是，随着志愿者经历不同的场景和声音，从“灵魂之秤”记录到的力量中用电脑减去人体内部运动造成的震动。经过仔细分析，他们得出结论：大脑重量的确会随着刺激而改变，只不过改变程度很轻微——通常不到1%牛顿。
如此看来，“灵魂之秤”在理论上确实是可以工作的。不过，莫索当初是否也克服了以上挑战？或者，正如菲尔德当初所怀疑的那样，莫索只是个“骗子”？直到数位学者2013年发现莫索的手稿，并发表对他的相关实验的详细描述后，菲尔德才意识到莫索当年曾面临他和茵曼遇到的同样难题。
与菲尔德不同，莫索让他的装置摇摆，正是这种跷跷板运动造成了反映志愿者思想的摇摆曲线。但为了不让装置向两侧摇晃太厉害，他把可调平衡物悬挂在桌子底面，以抑制桌子的运动。莫索还设法把身体其余部分的振动也考虑进来：使用改进的仪器测量四肢与脉搏相关的变化，以及测量胸部与呼吸有关的变化。通过比较这些变化和秤的运动，莫索得以确定与大脑相关的血流量改变，其原理与菲尔德和茵曼在实验中的解释基本相同。
上述学者的论文中，包括莫索讲述的他针对乔乔和他的一名22岁学生的“思想称重”实验情况的译文。例如，他报告说，一次警报声增加了进入志愿者大脑的血流量。在后来的实验中，他让志愿者阅读报纸、小说和哲学文章段落，并且报告说秤在志愿者读哲学文章时倾斜最快，而哲学文章显然在这三种文章中最难读。
尽管有这些讲述，上述学者却无法确定莫索的“灵魂之秤”精度如何。但这并不重要，重要的是莫索开了大脑活动研究的先河，同时又考虑到了现代神经成像专家所面临的问题。例如，今天的科学家在运用磁共振成像仪时仍然需要考虑由心跳和呼吸引起的振动，并且他们也需要像莫索那样让“信噪比”最大化。莫索还有一点很了不起：他在做结论时考虑到了性别、年龄和教育背景等因素。莫索的“灵魂之秤”目前存放在都灵的“科技档案馆”里，科学家准备围绕它办一次专门的展览。
耐人寻味的是，虽然有了不少进展，但现代神经成像学家依然能够从莫索那里学到不少东西。菲尔德指出，通过比较大脑不同部位的充氧血和去氧血的相对分布，磁共振成像仪能让你看见大脑的哪些部位更忙碌。但与“灵魂之秤”不同，它不能揭示总血流量变化，因此不能表明哪种情况要求大脑总体上更努力工作。“灵魂之秤”在研究医药方面也有用场。试想，有一种药物可能影响大脑血流量，磁共振成像仪不能查明这方面情况，但“灵魂之秤”却能。
菲尔德也在考虑用改进的“灵魂之秤”研究另一个问题。如果让支点纵向移动，“灵魂之秤”或许就能测量两个大脑半球的活性差异，这有助于解决“左脑”和“右脑”是否在某些任务中更活跃的问题。菲尔德不知道这一想法是否可行，但他决心尝试。他说：“做科研这些年来我发现，不尝试你就不知道。”
莫索对此无疑会认同。然而，当初他在实验室里捣腾时，不可能想象到自己的先驱性工作将会带来的后续性进步，也不可能想象到后人会竭尽全力重建他在100多年前发明的“灵魂之秤”，并且在其中获得可引发技术革命的种种启迪。
作者： 吴青
来源：《大自然探索》
