盲人“看”到的数字

作者：静兰、呵呵whatever（北师大脑院）

编辑：X

功能磁共振成像早期的一个经典案例，是人脑面部识别区的发现。女神经科学家Nancy Kanwisher把自己关在磁共振仪器中，不停地观看各种图片，她发现当人类的脸庞出现时，她左脑梭状回的一部分的血氧回流量总是高一些。她在1997年的一篇文章中报告了这个特异于人脸识别的脑区（Nancy et al., 1997），把它称为Visual Face Area(VFA)。

这个研究引人遐想，我们大脑是否总是会在视觉加工区特异地发展出加工某一类物体的“专职皮层”呢？大脑并不是一个通用机，而是许多不同的各司其职的脑区的集合？在Nancy Kanwisher 2014TED的一次报告中，她的意见表达得很清楚，大脑就是一个许多高度专业化认知机器的组合（见图1）。她甚至说，你的大脑就是一个瑞士军刀。

图1 Nancy Kanwisher 2014TED 中的报告

后来人们发现，就在人脑左侧腹侧视觉通路上，还有一部分脑区，专门负责字符加工。和其它图像，以及假造字符相比，字符总是更多地在这个Visual Word Form Area（VWFA）脑区产生更大的活动（Cohen et al., 2000）。

人类使用字符的年代有几千年之久，而人们采用在壁画上用简笔表示事物的历史则至少有几万年之久。几千年的进化或许会在大脑中留下痕迹，但是当今人类的绝大部分祖先或许都是文盲。而且，对于阿拉伯数字就更不能用进化来解释了。

世界上大部分文化利用阿拉伯数字，仅仅是几百年甚至几十年的事情。接受系统的教育使用阿拉伯数字，更不是我们绝大多数祖先的人生经验。如果我们发现了专职加工阿拉伯数字的脑区，那说明并不是进化使得人们能够在生长的几年里迅速发育出专职脑区，而主要归功于后天环境。

阿拉伯数字加工的特异化视觉脑区确实被发现了，在这个脑区（Visual Number Form Area：VNFA）中，视觉的阿拉伯数字总是会比其他字符、假造字符产生更强烈的活动（Shum et al., 2013）。这样说，尽管也许其它进化的原因都在，这个脑区的可塑性还是如此至强，以至于视觉符号体验能够将本文化只“认识”了几百年的阿拉伯数字，在短短几年的训练中，就能够发展出一个特别的脑区，来表示阿拉伯数字符号。

2015年发表的一个研究表明，视觉皮层上这种特异化脑区的形成，并不特别依赖视觉。一个来自不同国家的团队，对于盲人的视觉皮层上，数字符号的表征进行了探究。

他们招募了9个先天人盲人被试，其中两个是女性，12个视力正常的匹配的被试。所有的被试听力正常无其它神经类疾病。

他们采用声音对于被试进行了训练：训练的实验仪器为Eye Music SSD（见图2），仪器的原理是通过视觉听觉转换算法把输入的声音信号与看到的视觉信息匹配起来：颜色信息与不同的乐器所对应，二维视觉刺激的输入则转换成X轴的时间长度和Y轴的音调的高低，这样就可以对被试进行“形状知觉”的训练了。

图2 Eye Music SSD原理示意图

为了使所有的被试可以对图形的形状和颜色有着熟练的掌握，每个人训练了15节课，每节课训练五种颜色（白色、红色、绿色、蓝色和黄色）以及7到20种图形进行训练，课程刚开始只学习水平与垂直的图形，后来就开始学习不同角度的位置图形，所学习的字母包括：H, I, N, F, E，实质就是只包含了水平、垂直和斜对角线。为了确保所有被试对训练内容熟练掌握，每学完五节课之后就会对所学习的内容进行一次测试,在所有的课程学习完之后，所有的被试对所学习的内容有了熟练的掌握。

采用了事件相关实验范式对两组被试进行了核磁扫描，采用了I,V 和 X 三种字母和红色、白色、蓝色三种颜色，要求被试对每一个实验刺激判断出：1、是什么颜色；2、是罗马数字几？3、是什么拉丁字母。

通过对数字任务、颜色任务和字母任务进行多重比较矫正后的激活分析，他们发现数字任务比颜色任务和字母任务在右侧颞下回有着显著的激活（见图3）。和字母任务相比，右侧颞下回是唯一显著的脑区。而非矫正的结果中，左侧颞下回也激活了。

图3 先天盲患者数字任务在大脑中激活的脑区

功能连接分析发现，VNFA脑区存在和右侧顶内沟（数字加工脑区）等脑区的显著连接。在这个分析中，为了排除字符加工的影响，研究者还将VWFA脑区的信号在回归模型中控制掉了。在和VWFA种子点（功能连接的出发点）的分析的比较中，从VNFA脑区出发到右侧顶内沟数字加工脑区的功能连接显著更强，这说明通过激活定位到的盲人的VNFA脑区，确实参与了数字加工的大脑网络中。

为了探讨这个结论是否是特异的存在于先天盲患者中，他们又对视力正常的被试采用相同的脑功能连接分析方法发现与先天盲患者相同，视力正常被试在这些听觉任务中的激活、功能连接的分析结果和针对盲人研究的结果是一致的。

图4 功能连接分析

因为VNFA在右脑，而VWFA在左脑，为了确保数字和字母的功能连接脑区的特异性不是由于左右半球定位的差异造成的，他们用对称位置的种子点使用同样的分析方法，通过改变每个种子点X轴的符号来定义对称种子点，发现数字种子点和对称种子点以及字母种子点依然有着不同的功能连接（见图5）。表明了数字和字母功能连接的差异不是由于大脑半球的差异造成的。

图5 对称种子点功能连接分析

为什么先天盲患的视觉皮层上会出现数字符号的“形状”表征区域呢？作者认为，这部分皮层被认为是视觉皮层实际上是一种误解，它实际上是多个感知觉通道信息汇集、计算和加工的区域。人们的大部分感官体验都来自于视觉，所以，这个区域对于视觉信息异常敏感。这么看起来，“瑞士军刀”的比喻显然没有那么准确，可能只是针对物体识别分类，进行“通用”计算之后一个优化的表征方式而已。

参考文献：

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.

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