大腦和脊髓｜第3章 生物心理學 3.4《心理學 2e》

本篇文章由夜黎最後一次更新於2023年10月09日

原文傳送門：<3> Biopsychology — 3.4 The Brain and Spinal Cord
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前言

大腦是一個非常複雜的器官，由數十億個相互連接的神經元和膠質細胞〔glia〕組成。 它是雙邊或兩側的結構，可以分為不同的腦葉〔lobes〕。 每個腦葉都與某些類型的功能有關，但最終，大腦的所有區域都會相互作用，為我們的思想和行為提供基礎。 在本節中，我們從可以被視為大腦延伸的脊髓開始，討論大腦的整體組織以及與不同大腦區域相關的功能。

脊髓

可以說，是脊髓將大腦與外界連結起來。 正因為如此，大腦才能行動。 脊髓就像一個中繼站，而且是一個非常聰明的中繼站。 它不僅將訊息傳入和傳出大腦，而且還有自己的自動過程系統，稱為反射〔reflexes〕。

脊髓頂部是一束神經，與腦幹融合在一起，腦幹控制生命的基本過程，例如呼吸和消化。 在相反的方向上，脊髓正好終止於肋骨下方——與我們的預期相反，它並沒有一直延伸到脊椎底部。

脊髓在功能上分為 30 個節段，與椎骨相對應。 每個節段透過周圍神經系統連接到身體的特定部位。 神經從每個椎骨的脊椎分支出來。 感覺神經傳遞訊息； 運動神經向肌肉和器官發送訊息。 訊息透過每個節段傳入和傳出大腦。

有些感覺訊息會立即受到脊髓的作用，而無需大腦的任何輸入。 迴避熱物體和膝跳反射〔knee jerk〕就是兩個例子。 當感覺訊息滿足某些參數時，脊髓就會啟動自動反射。 信號從感覺神經傳遞到一個簡單的處理中心，該處理中心啟動運動命令。 節省了幾秒鐘，因為訊息不必進入大腦、被處理並被發回。 在生存方面，脊髓反射使身體反應異常迅速。

脊髓受到骨椎骨〔bony vertebrae〕的保護，並且被腦脊髓液〔cerebrospinal fluid〕緩衝，但損傷仍然會發生。 當脊髓的某一節段受損時，所有下部節段都會與大腦切斷，導致癱瘓。 因此，脊柱損傷越輕，受傷者喪失的功能就越少。

神經可塑性

美國廣播公司 (ABC) 記者鮑勃·伍德拉夫 〈Bob Woodruff〉 在伊拉克報道新聞時，他所乘坐的車輛旁發生炸彈爆炸，導致腦部嚴重受傷。 由於這些傷害，Woodruff 經歷了許多認知缺陷，包括記憶和語言困難。 然而，隨著時間的推移，在大量認知和言語治療的幫助下，Woodruff 的功能恢復得令人難以置信（Fernandez，2008 年，10 月 16 日）。

使這種恢復成為可能的因素之一是神經可塑性〔neuroplasticity〕。 神經可塑性是指〝神經系統如何改變和適應〞。 神經可塑性可以透過多種方式發生，包括個人經驗、發育過程，或像 Woodruff 的例子一樣，是對已經發生的某種損害或傷害的反應。 神經可塑性可能涉及新突觸的產生、不再使用的突觸的修剪、神經膠細胞的變化，甚至是新神經元的誕生。 由於神經可塑性，我們的大腦不斷變化和適應，雖然我們的神經系統在我們很年輕的時候最具可塑性，正如 Woodruff 的案例所表明的那樣，但它仍然能夠在以後的生活中發生顯著的變化。

兩個半球

大腦的表面（稱為大腦皮質〔cerebral cortex〕）非常不平坦，其特徵是具有獨特的褶皺或凸起模式（稱為腦迴〔gyri〕〈單數：gyrus〉）和凹槽（稱為腦溝〔sulci〕〈單數：sulcus〉），如圖所示3.15。 這些腦回和腦溝形成了重要的地標，使我們能夠將大腦劃分為功能中心。 最突出的溝，稱為縱裂〔longitudinal fissure〕，是將大腦分為兩半〔halves〕或半球〔hemispheres〕的深溝：左半球和右半球。

有證據顯示，每個半球都存在功能專門化（稱為偏側化〔lateralization〕），主要涉及語言功能的差異。 左半球控制身體的右半部，右半球控制身體的左半部。 邁克爾·加茨尼加〈Michael Gazzaniga〉 和他的同事對功能偏側化進行了數十年的研究表明，〝從因果推理到自我識別的各種功能〞可能遵循某種程度的半球優勢的模式（Gazzaniga，2005）。 例如，左半球已被證明在形成記憶、選擇性注意力和積極情緒方面具有優勢。 另一方面，右半球在音調感知、喚醒和負面情緒方面表現出優越性（Ehret，2006）。 然而，應該指出的是，關於〝哪個半球在各種不同行為中占主導地位〞的研究產生了不一致的結果，因此，最好考慮兩個半球如何相互作用以產生給定的行為，而不是將某些行為歸因於一個半球與另一個半球的比較（Banich & Heller，1998）。

兩個半球由一條厚厚的神經纖維帶（稱為胼胝體〔corpus callosum〕）連接，由約 2 億個軸突組成。 胼胝體允許兩個半球相互溝通，並允許大腦一側正在處理的信訊與另一側共享。

通常，我們並沒有意識到我們的兩個半球在日常功能中扮演的不同角色，但有些人非常了解他們的兩個半球的能力和功能。 在某些嚴重癲癇〔epilepsy〕病例中，醫生選擇切割胼胝體作為控制癲癇發作〔seizures〕蔓延的方法（圖 3.16）。 雖然這是一種有效的治療選擇，但它會導致個體出現 “裂腦〔split brains〕”。 手術後，這些裂腦患者表現出各種有趣的行為。 例如，裂腦患者無法說出患者左視野中顯示的圖片的名稱，因為該信訊很大程度上，僅在非語言的右半球中可用。 然而，他們能夠用左手重現影像，而左手也是由右半球控制的。 當更善於語言表達的左半球看到手畫的圖畫時，患者能夠說出它的名稱（假設左半球可以解釋左手畫的東西）。

我們對大腦不同區域功能的了解，大部分來自於對大腦受損個體的行為和能力變化的研究。 例如，研究人員研究中風引起的行為變化，以了解特定大腦區域的功能。 中風是由於大腦某個區域的血流中斷而引起的，會導致受影響區域的大腦功能喪失。 損害可能發生在一個小區域，如果是這樣，研究人員就有機會將任何由此產生的行為變化與特定區域聯繫起來。 中風後表現出的缺陷類型，在很大程度上取決於大腦損傷發生的位置。

以 Theona 為例，她是一位聰明、自給自足的女性，現年 62 歲。 最近，她的右半球前部中風。 結果，她很難移動左腿。 （正如你之前了解到的，右半球控制身體的左側；此外，大腦的主要運動中心位於頭部前部的額葉〔frontal lobe〕。） Theona 也經歷了行為變化。 例如，在雜貨店的農產品區，她有時會直接從箱子吃葡萄、草莓和蘋果，然後再付款。 這種行為在中風之前會讓她感到非常尷尬，這與額葉另一個區域——前額葉皮質〔prefrontal cortex〕的損傷是一致的，該區域與判斷、推理和衝動控制有關。

前腦結構

大腦皮質的兩個半球是前腦〔forebrain〕的一部分（圖3.17），也是大腦最大的部分。 前腦包含大腦皮質和位於皮質下方的許多其他結構（稱為皮質下結構〔subcortical structures〕）：視丘〔thalamus〕、下視丘〔hypothalamus〕、腦下垂體〔pituitary gland〕和邊緣系統〔limbic system〕（一個結構的集合）。 大腦皮質是大腦的外表面，與意識、思考、情緒、推理、語言和記憶等更高層次的過程有關。 每個大腦半球可分為四個葉〔lobes〕，每個葉與不同的功能相關。

腦葉

大腦的四個葉分別是額葉、頂葉、顳葉和枕葉（圖 3.18）。 額葉〔frontal lobe〕位於大腦的前部，向後延伸至稱為中央溝〔central sulcus〕的裂隙。 額葉涉及推理、運動控制、情感和語言。 它包含運動皮層〔motor cortex〕，參與規劃和協調運動； 前額葉皮質〔prefrontal cortex〕，負責高階認知功能； 和布洛卡區〔Broca’s area〕，這對於語言的產生至關重要。

布洛卡區〔Broca’s area〕受損的人很難說出任何形式的語言（圖 3.18）。 例如，Padma 是一位電氣工程師，她積極參與社交活動，也是一位充滿愛心、積極參與的家長。 大約二十年前，她遭遇了一場車禍，布洛卡區受損。 她完全喪失了說話和形成任何有意義語言的能力。 她的嘴和聲帶沒有任何問題，但她無法說出話來。 她可以遵循指示，但不能口頭回應，可以閱讀，但不能再寫。 她可以做日常工作，例如跑去市場買牛奶，但如果情況需要，她無法進行口語溝通。

最著名的額葉損傷案例可能是一位名叫菲尼亞斯·蓋奇〈Phineas Gage〉男子的案例。 1848 年 9 月 13 日，Gage（25 歲）在佛蒙特州擔任鐵路工頭。 他和他的工作人員正在使用一根鐵棒將炸藥壓入爆破孔中，以清除鐵路沿線的岩石。 不幸的是，鐵棒產生了火花，導致鐵棒從爆破孔中爆炸，擊中Gage的臉，並穿過他的顱骨（圖 3.19）。 儘管 Gage 躺在自己的血泊中，腦漿從他的頭部冒出來，但他仍然有意識，能夠站起來、行走和說話。 但在事故發生後的幾個月裡，人們注意到他的性格發生了變化。 他的許多朋友都形容他不再是他自己了。 在事故發生前，據說 Gage 是一個彬彬有禮、說話輕聲細語的人，但事故發生後，他的行為開始變得奇怪和不恰當。 這種性格的改變與衝動控制的喪失（額葉功能）是一致的。

除了對額葉本身的損害之外，隨後對棒的路徑的研究還發現，額葉和其他大腦結構（包括邊緣系統）之間的路徑可能受到損害。 由於額葉的計畫功能和邊緣系統的情緒過程之間的連結被切斷，Gage 很難控制自己的情緒衝動。

然而，有一些證據表明，Gage 性格的戲劇性變化被誇大和修飾了。 Gage 的案例發生在 19 世紀關於定位〔localization〕的爭論中——關於大腦的某些區域是否與特定功能相關。 根據關於 Gage 的極有限信息、他的受傷程度以及事故發生前後的生活，科學家傾向於找到支持他們自己觀點的證據，無論他們站在辯論的哪一邊（Macmillan，1999）。

大腦的頂葉〔parietal lobe〕位於緊接著額葉的後方，參與處理來自身體感官的信息。 它包含體感皮層〔somatosensory cortex〕，對於處理全身的感覺信息（例如觸摸、溫度和疼痛）至關重要。 體感皮質是大腦中處理觸覺和感覺的區域。 體感皮質非常有趣，因為皮質的每個不同區域都會處理身體不同部位的感覺。 此外，特定身體部位的表面積越大，該身體部位的神經數量越多，體感皮質中專門用於處理來自該身體部位的感覺的區域就越大。 例如，手指比腳趾佔據更多的空間。 正如你可以注意到的（圖3.20 ），手指處理感覺的空間比腳趾大得多。

顳葉〔temporal lobe〕位於頭部的一側（顳的〔temporal〕意思是 “太陽穴〔temples〕附近” ），與聽覺、記憶、情緒和語言的某些方面有關。 聽覺皮質〔auditory cortex〕是負責處理聽覺信息的主要區域，位於顳葉內。 對於言語理解很重要的韋尼克區〔Wernicke’s area〕也位於這裡。 布洛卡區〔Broca’s area〕受損的人很難產生語言，而韋尼克區〔Wernicke’s area〕受損的人可以產生合理的語言，但他們無法理解它（圖 3.21）。

枕葉〔occipital lobe〕位於大腦的最後部，包含初級視覺皮層，負責解釋傳入的視覺信息。 枕葉皮質〔occipital cortex〕是按視網膜拓撲〔retinotopically〕組織的，這意味著〝物體在人的視野中的位置〞與〝該物體在皮層上的表示位置〞之間存在密切的關係。 當你研究感覺和知覺時，你將更多地了解視覺信息在枕葉皮層中的處理方式。

前腦的其他區域

前腦的其他區域位於大腦皮質下方，包括視丘和邊緣系統。 視丘〔thalamus〕是大腦的感覺中繼站。 除了嗅覺之外，我們所有的感官都經過視丘，然後被引導到大腦的其他區域進行處理（圖 3.22）。

邊緣系統〔limbic system〕參與處理情緒和記憶。 有趣的是，嗅覺直接投射到邊緣系統。 因此，毫不奇怪，氣味可以以〝其他感官方式無法做到的方式〞喚醒情緒反應。 邊緣系統由許多不同的結構組成，但其中最重要的三個是海馬體、杏仁核和下視丘（圖 3.23）。 海馬體〔hippocampus〕是學習和記憶的重要結構。 杏仁核〔amygdala〕參與我們的情緒體驗，並將情感意義與我們的記憶連結起來。 下視丘〔hypothalamus〕調節許多體內平衡過程，包括調節體溫、食慾和血壓。 下視丘也充當神經系統和內分泌系統之間的介面〔interface〕，並調節性動機和行為〔sexual motivation and behavior〕。

Henry Molaison (H.M.)的案例

1953 年，27 歲的亨利·莫萊森 (H.M.)〈Henry Gustav Molaison〉 經歷了嚴重的癲癇發作。 為了控制癲癇發作，H.M. 接受了腦部手術，切除了海馬體和杏仁核。 手術後，H.M 的癲癇發作變得不那麼嚴重，但他也遭受了手術的一些意想不到的、毀滅性的後果：他失去了形成多種新記憶的能力。 例如，他無法了解新的事實，例如誰是美國總統。 他能夠學習新技能，但後來他不記得學過這些技能。 例如，雖然他可能學習使用電腦，但他不會有意識地記得曾經使用過電腦。 他記不起新面孔，也記不起事件，即使在事件發生後不久。 研究人員對他的經歷著迷，他被認為是醫學和心理史上研究最多的案例之一（Hardt，Einarsson，＆Nader，2010；Squire，2009）。 事實上，他的案例讓我們對海馬體這個角色有了深入的了解，即海馬體負責將新學習的內容鞏固為外顯記憶。

中腦和後腦結構

中腦〔midbrain〕由位於大腦和小腦之間的深部結構組成。 網狀結構〔reticular formation〕以中腦為中心，但實際上它向上延伸到前腦，向下延伸到後腦。 網狀結構對於調節睡眠/覺醒週期、喚醒、警覺性和運動活動很重要。

黑質〔substantia nigra〕（拉丁語 “黑色物質〔black substance〕” ）和腹側蓋區 (VTA) 〔ventral tegmental area〕也位於中腦（圖 3.24）。 這兩個區域都含有產生神經傳導物質多巴胺的細胞體，兩者對於運動都至關重要。 黑質和 VTA 的退化與帕金森氏症有關。 此外，這些結構也與情緒、獎勵和成癮有關（Berridge & Robinson, 1998；Gardner, 2011；George, Le Moal, & Koob, 2012）。

後腦〔hindbrain〕位於頭部後部，看起來像脊髓的延伸。 它包含延腦、腦橋和小腦（圖 3.25）。 延腦〔medulla〕控制自律神經系統的自動過程，例如呼吸、血壓和心率。 橋腦〔pons〕這個詞的字面意思是“橋樑〔bridge〕”，顧名思義，橋腦的作用是將後腦與大腦的其他部分連接起來。 它也參與調節睡眠期間的大腦活動。 延腦、橋腦和各種結構被稱為腦幹〔brainstem〕，腦幹的各個方面跨越了中腦和後腦。

小腦〔cerebellum〕（拉丁語 “小腦〔little brain〕” ）接收來自肌肉、肌腱、關節和耳朵結構的訊息，以控制平衡、協調、運動和運動技能。 小腦也被認為是處理某些類型記憶的重要區域。 特別是程序性記憶〔procedural memory〕，或涉及學習和記住如何執行任務的記憶，被認為與小腦有關。 回想一下，亨利·莫萊森 (H.M.)無法形成新的外顯記憶，但他可以學習新任務。 這可能是因為 H.M. 的小腦完好無損。

腦部影像

你已經了解了腦損傷如何提供有關大腦不同部分功能的信息。 然而，我們越來越能夠利用腦部成像技術，對未遭受腦損傷的個體獲取這些信息。 在本節中，我們將更深入研究一些可用於大腦成像的技術，包括依賴大腦內輻射、磁場或電活動的技術。

涉及輻射的技術

電腦斷層掃描 (CT) 〔computerized tomography〕掃描涉及〝對人的身體或大腦的特定部位〞進行多次 X 光檢查（圖 3.26）。 X 光以不同的速率穿過不同密度的組織，允許電腦能夠建立被掃描身體區域的整體影像。 CT 掃描通常用於確定某人是否患有腫瘤或嚴重的腦萎縮。

正子斷層掃描 (PET)〔Positron emission tomography〕 掃描可產生活體、活躍大腦的圖片（圖 3.27）。 接受 PET 掃描的人會飲用或注射一種輕度放射性物質（稱為示蹤劑〔tracer〕）。 一旦進入血液，就可以監測大腦任何給定區域的示踪劑數量。 隨著大腦區域變得更加活躍，更多的血液流向該區域。 電腦監控示踪劑的運動，並在給定行為期間創建大腦活動和非活動區域的粗略地圖。 PET 掃描顯示的細節很少，無法及時準確地找出事件，並且需要將大腦暴露在輻射下； 因此，該技術已被功能性磁振造影（fMRI）取代，作為替代診斷工具。 然而，與 CT 結合，PET 技術仍在某些情況下使用。 例如，CT/PET 掃描可以更好地對神經傳導物質受體的活動進行成像，並為精神分裂症研究開闢新途徑。 在這種混合 CT/PET 技術中，CT 提供大腦結構的清晰影像，而 PET 顯示大腦的活動。

涉及磁場的技術

在磁振造影 (MRI) 〔magnetic resonance imaging〕中，人類被放置在產生強磁場的機器內。 磁場導致人體細胞中的氫原子移動。 當磁場關閉時，氫原子返回原來的位置時會發出電磁訊號。 不同密度的組織會發出不同的訊號，電腦會解釋這些訊號並將其顯示在顯示器上。 功能性磁振造影 (fMRI) 〔functional magnetic resonance imaging (fMRI)〕的工作原理相同，但它透過追蹤血流和氧氣水平來顯示大腦活動隨時間的變化。 與 PET 掃描相比，fMRI 提供了更詳細的大腦結構影像，以及更高的時間準確性（圖 3.28）。 MRI 和 fMRI 具有很高的細節水平，通常用於比較〝健康個體的大腦〞與〝被診斷患有心理障礙的個體的大腦〞。 這種比較有助於確定這些人群之間存在哪些結構和功能差異。

涉及電活動的技術

在某些情況下，了解一個人大腦的整體活動是有幫助的，而不需要有關活動實際位置的信息。 腦電圖 (EEG) 〔Electroencephalography〕透過提供大腦電活動的測量來達到此目的。 一系列電極被放置在人的頭部周圍（圖 3.29）。 電極接收到的訊號會列印出大腦的電活動或腦波，顯示記錄的腦電波的頻率（每秒電波數）和振幅（高度），精確度在毫秒內。 這些資訊對於研究睡眠障礙患者的睡眠模式特別有幫助。

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2023/10/09 發佈本文