盲人「看」到的數字

來自專欄大腦成像：基礎和前沿8 人贊了文章

本文已授權微信公眾號「腦人言」（ibrain-talk）首發，具備原創資質。

By: 靜蘭； 呵呵Whatever

功能磁共振成像早期的一個經典案例，是人腦面部識別區的發現。女神經科學家Nancy Kanwisher把自己關在磁共振儀器中，不停地觀看各種圖片，她發現當人類的臉龐出現時，她左腦梭狀回的一部分的血氧迴流量總是高一些。她在1997年的一篇文章中報告了這個特異於人臉識別的腦區（Nancy et al., 1997），把它稱為Visual Face Area(VFA)。

這個研究引人遐想，我們大腦是否總是會在視覺加工區特異地發展出加工某一類物體的「專職皮層」呢？大腦並不是一個通用機，而是許多不同的各司其職的腦區的集合？在Nancy Kanwisher 2014TED的一次報告中，她的意見表達得很清楚，大腦就是一個許多高度專業化認知機器的組合（見圖1）。她甚至說，你的大腦就是一個瑞士軍刀。

後來人們發現，就在人腦左側腹側視覺通路上，還有一部分腦區，專門負責字元加工。和其它圖像，以及假造字元相比，字元總是更多地在這個Visual Word Form Area（VWFA）腦區產生更大的活動（Cohen et al., 2000）。

人類使用字元的年代有幾千年之久，而人們採用在壁畫上用簡筆表示事物的歷史則至少有幾萬年之久。幾千年的進化或許會在大腦中留下痕迹，但是當今人類的絕大部分祖先或許都是文盲。而且，對於阿拉伯數字就更不能用進化來解釋了。

世界上大部分文化利用阿拉伯數字，僅僅是幾百年甚至幾十年的事情。接受系統的教育使用阿拉伯數字，更不是我們絕大多數祖先的人生經驗。如果我們發現了專職加工阿拉伯數字的腦區，那說明並不是進化使得人們能夠在生長的幾年裡迅速發育出專職腦區，而主要歸功於後天環境。

阿拉伯數字加工的特異化視覺腦區確實被發現了，在這個腦區（Visual Number Form Area：VNFA）中，視覺的阿拉伯數字總是會比其他字元、假造字元產生更強烈的活動（Shum et al., 2013）。這樣說，儘管也許其它進化的原因都在，這個腦區的可塑性還是如此至強，以至於視覺符號體驗能夠將本文化只「認識」了幾百年的阿拉伯數字，在短短几年的訓練中，就能夠發展出一個特別的腦區，來表示阿拉伯數字元號。

2015年發表的一個研究表明，視覺皮層上這種特異化腦區的形成，並不特別依賴視覺。一個來自不同國家的團隊，對於盲人的視覺皮層上，數字元號的表徵進行了探究。

他們招募了9個先天人盲人被試，其中兩個是女性，12個視力正常的匹配的被試。所有的被試聽力正常無其它神經類疾病。

他們採用聲音對於被試進行了訓練：訓練的實驗儀器為Eye Music SSD（見圖2），儀器的原理是通過視覺聽覺轉換演算法把輸入的聲音信號與看到的視覺信息匹配起來：顏色信息與不同的樂器所對應，二維視覺刺激的輸入則轉換成X軸的時間長度和Y軸的音調的高低，這樣就可以對被試進行「形狀知覺」的訓練了。

為了使所有的被試可以對圖形的形狀和顏色有著熟練的掌握，每個人訓練了15節課，每節課訓練五種顏色（白色、紅色、綠色、藍色和黃色）以及7到20種圖形進行訓練，課程剛開始只學習水平與垂直的圖形，後來就開始學習不同角度的位置圖形，所學習的字母包括：H, I, N, F, E，實質就是只包含了水平、垂直和斜對角線。為了確保所有被試對訓練內容熟練掌握，每學完五節課之後就會對所學習的內容進行一次測試,在所有的課程學習完之後，所有的被試對所學習的內容有了熟練的掌握。

採用了事件相關實驗範式對兩組被試進行了核磁掃描，採用了I,V 和 X 三種字母和紅色、白色、藍色三種顏色，要求被試對每一個實驗刺激判斷出：1、是什麼顏色；2、是羅馬數字幾？3、是什麼拉丁字母。

通過對數字任務、顏色任務和字母任務進行多重比較矯正後的激活分析，他們發現數字任務比顏色任務和字母任務在右側顳下回有著顯著的激活（見圖3）。和字母任務相比，右側顳下回是唯一顯著的腦區。而非矯正的結果中，左側顳下回也激活了。

功能連接分析發現，VNFA腦區存在和右側頂內溝（數字加工腦區）等腦區的顯著連接。在這個分析中，為了排除字元加工的影響，研究者還將VWFA腦區的信號在回歸模型中控制掉了。在和VWFA種子點（功能連接的出發點）的分析的比較中，從VNFA腦區出發到右側頂內溝數字加工腦區的功能連接顯著更強，這說明通過激活定位到的盲人的VNFA腦區，確實參與了數字加工的大腦網路中。

為了探討這個結論是否是特異的存在於先天盲患者中，他們又對視力正常的被試採用相同的腦功能連接分析方法發現與先天盲患者相同，視力正常被試在這些聽覺任務中的激活、功能連接的分析結果和針對盲人研究的結果是一致的。

因為VNFA在右腦，而VWFA在左腦，為了確保數字和字母的功能連接腦區的特異性不是由於左右半球定位的差異造成的，他們用對稱位置的種子點使用同樣的分析方法，通過改變每個種子點X軸的符號來定義對稱種子點，發現數字種子點和對稱種子點以及字母種子點依然有著不同的功能連接（見圖5）。表明了數字和字母功能連接的差異不是由於大腦半球的差異造成的。

為什麼先天盲患的視覺皮層上會出現數字元號的「形狀」表徵區域呢？作者認為，這部分皮層被認為是視覺皮層實際上是一種誤解，它實際上是多個感知覺通道信息彙集、計算和加工的區域。人們的大部分感官體驗都來自於視覺，所以，這個區域對於視覺信息異常敏感。這麼看起來，「瑞士軍刀」的比喻顯然沒有那麼準確，可能只是針對物體識別分類，進行「通用」計算之後一個優化的表徵方式而已。

參考文獻：

Kanwisher N, McDermott J, Chun MM (Jun 1, 1997). "The fusiform face area: a module in human extrastriate cortex specialized for face perception". J. Neurosci. 17 (11): 4302–11. PMID 9151747.

Abboud, S., Maidenbaum, S., Dehaene, S., & Amedi, A. (2011). A number-form area in the blind. Nature Communications, 6, 6026.

Cohen, L., Dehaene, S., Naccache, L., Lehéricy, S., Dehaenelambertz, G., & Hénaff, M. A., et al. (2000). The visual word form area: spatial and temporal characterization of an initial stage of reading in normal subjects and posterior split-brain patients. Brain, 123(2), 291-307.

一個耐心做股票分析的小哥的公眾號（附送認識一個有趣的靈魂）：

愛思考，愛燒腦｜就來關注「雙子鶴」

微信ID：Geminicrane