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如何研究一个婴儿
#生物
Alulull/译)5个月的埃兹拉(Ezra)坐在妈妈膝头,好奇地打量着面前显示屏上不断变换的画面。屏幕下方,一台仪器正在利用红外光追踪他的眼球运动。在伦敦大学伯贝克学院的婴儿实验室(Babylab),这样的情景每天都在上演。 然而,小埃兹拉并不知道自己此刻背负着怎样的“科研重任”。他的注意力总是难以保持,一个不留神就吃起了自己的袜子。又过了一会儿,埃兹拉邹起了眉毛,这是一个只有妈妈才懂的暗号:该换尿布了。 如果你是位神经科学家,你该如何去研究一位不会说话、不会听指挥,还总爱打断实验的被试?这正是科学家们在“婴儿实验室”受到的挑战。出生后头两年是大脑发育最快的时期,也是一些神经发育问题初步显露的阶段。但是,这也是最难研究的时期。很多标准的研究手段都不再适用:你没法指望宝宝既安静又清醒地躺在磁共振扫描仪里,也不能让他们回答问题,或者接受指示。

一位参与研究的小被试。图片来自:Wes Fernandes/Nature

目前,研究者大多用追踪眼动的方式研究婴儿的注意活动,但由于提供的证据有限,这种方法也遭到了不少质疑。“很多研究试图证明婴儿能理解目标、因果和数字——但其中99%的实验只测量了注视时间的变化。”哈佛大学心理学家杰罗姆·凯根(Jerome Kagan)说道。 现在,伯贝克的科学家们正在努力改变这一现状。他们率先使用了很多新技术,例如可以通过分析血氧含量判断大脑活跃程度的近红外光谱分析法(near-infrared spectrometry,NIRS)。为了让结论变得更可信,他们也尝试着在同一个实验中使用多种测量方法。 就这样,婴儿实验室在婴儿行为认知领域创下了许多个“第一次”。他们第一次发现婴儿喜欢看着那些正面直视自己的面孔;当看到这些面孔时,他们的神经活动会增强;而这一神经活动的异常可能与日后发作的自闭症有关——这是首个有可能成为自闭症预测标准的大脑功能测量方法。2013年,实验室发起了一个研究项目,以12周大的自闭症及注意力缺陷多动障碍(ADHD)高风险婴儿为目标被试,对他们进行长达2年多的跟踪研究,目的便是寻找更多疾病早期症状以及相应的行为治疗法。而小埃兹拉正是此项研究的对照组被试。

注视,学习

20世纪中叶,科学家们开始在婴儿身上开展研究,瑞士心理学家让·皮亚杰(Jean Piaget)便是这群拓荒者中的一员。他发现在8个月大之前,婴儿不会去尝试寻找那些被研究者藏起来的玩具,也就是说,他们无法理解一个简单的概念,即“位于视野之外的物体依旧是一个真实存在的物体”。皮亚杰进一步发展出了一套理论,认为婴儿在出生时就如一块空无一物的白板,但已经掌握了探索和学习的能力。 到了60年代初期,美国发展心理学家罗伯特·范兹(Robert Fantz)开始测量婴儿的注视时间,以此来衡量他们对目标物体的兴趣,例如,比起一个普通的注视点,婴儿的视线在人脸图片上停留的时间明显更长。从此以后,注视时间测量法便成为了发展心理学领域的主力。科学家们渐渐发现,婴儿其实并不是一块纯粹的“白板”,他们天生就对数字和面孔感兴趣,而且能够识别出母亲使用的母语。 “目前已有数以千计的研究使用了测量注视时间的方法。”婴儿行为学家、罗彻斯特脑成像中心主任理查德·阿斯林(Richard Aslin)说,“从大体上看,这也是一个非常可靠的方法;你可以让两个实验室分别进行同一个实验,得到的结果也是一致的。”但是,越来越多的研究者认为这些结果需要谨慎解读。“太多因素都会影响注视时间的长短。”凯根指出,“刺激有哪些物理特征?线条多为直线还是曲线?图案是什么颜色?明暗对比度如何?”

很多婴儿研究都采用注视时间作为指标。图片来自:Wes Fernandes/Nature

婴儿大脑的成长速度惊人,这也为研究带来了困难:一个新生儿的视线变化可能反映了某些与生俱来的能力,但对于7个月大的婴儿,学习和记忆就会在其中造成影响了。“注视时间增长可能意味着婴儿正试图将眼前的情景与已有的知识联系起来,”凯根说。要想知道婴儿的小脑袋里到底在想什么,单一的研究方法已经不够用了。 1993年,约翰森在伦敦大学学院(University College London)成立了一个婴儿实验室,5年后又搬到空间更为宽裕的伯贝克学院。不过约翰森的目标一直没有改变,那就是用更多高科技手段研究大脑发育过程。 2005年,结合脑电记录与注视时间测量法,约翰森和同事们向皮亚杰的经典实验发起了挑战。当成年人看到一个物体在眼前消失时,右颞叶皮层的一种特定的神经震荡活动会增强。根据约翰森等人的实验结果,6个月大的婴儿也会发生类似的变化——也就是说,这提示他们并不会把消失的物体完全置之脑后。 就这样,约翰森用一系列实验证明,新生儿的确不是白板一块,与此同时,他们也有许多概念尚未建立。婴儿们倾向于对一些特定的刺激——诸如面孔和言语——投入更多注意资源,也正是这些基本的注意偏好影响了大脑的发育。就拿上文提到的一个研究结果为例:婴儿偏好那些正面直视自己的面孔,这就使得他们能够更好地将注意放在身边那些社交相关的信息上,这有利于他们学习语言及面部表情的含义。

开心的宝宝才是好被试

和婴儿一起工作并不简单,一天能接待十几位小被试的婴儿实验室更是如此。实验室的厨房备有热奶器,卫生间囤积了大量湿纸巾,色调明快的等候室里布满了各种易于清洗的玩具。不过,真正进行实验的房间布置非常简单,墙壁也是沉闷的灰色。这是因为婴儿很容易分心,研究者们只有把背景弄得要多无聊有多无聊,才能确保他们专注于实验。

装备有热奶器、玩具和可爱装饰的婴儿实验室。图片来自:Wes Fernandes/Nature

除此之外,时间安排也是关键——你可不希望小被试在实验途中闹着喝奶或者是犯困。在等候室里,4个月大的凯特琳(Caitlin)正在享用实验前的最后一餐。她参加了一个研究婴儿模仿行为的项目。 模仿(mimicry)是一种潜意识的行为倾向:看到别人皱眉头,自己也不由自主地皱起了眉头;看到别人微笑,自己也忍不住微笑。即使在成年人的世界里,模仿行为也有着非常重要的社会意义。不过,这种行为倾向是如何产生的,以及到底出现在哪一个年龄段?一些研究者认为,这是一种与生俱来的能力——比如你对着新生儿吐舌头,他们时常也会以吐舌头作为回应。但是“我们并不清楚婴儿是否真的在模仿,也许他们吐舌头只是因为觉得眼前的现象很有趣。”本项研究的负责人德·克勒克(de Klerk)如是说。 克勒克一边唱着歌,一边向凯特琳的脸上贴电极,但是小宝宝看上去依旧有些坐立不安。另外一位助手赶紧上前,摆弄起一个漂亮的玩具电话——若想在婴儿实验室工作,你就必须学会如何转移小被试们的注意。效果很不错,凯特琳开始开心地咕哝。研究者暂停下工作,好让妈妈用手机给自己的“科学宝宝”拍张照片。接下来便是正式实验时间:凯特琳将看到一系列视频,视频里的女主人公正做出不同的表情动作。 凯特琳专注地看着屏幕,她似乎并没有模仿视频中的动作,不过,电极信号却透露了完全不同的故事:研究者们发现,当视频中的女人抬眉毛时,凯特琳眉毛区域的肌肉也开始了活动。 几天后,凯特琳再次来到实验室,这一回,轮到近红外光谱分析(NIRS)登场了。NIRS正在改变整个婴儿神经科学领域的面貌,它能追踪含氧血的动向,帮助研究者锁定大脑中那些活动增强的区域。不过,NIRS并不完美。它只能测量大脑表层的神经活动,对那些埋藏在深处的脑区——例如杏仁核和海马——就无能为力了。凯根指出:“大脑是一个复杂的连接环路。如果只测量表层活动,你很可能得出错误的结论。”若想研究深部脑区,研究者就必须使用功能性磁共振扫描(fMRI)一类的技术。然而fMRI对头部运动非常敏感,因此婴儿被试只有在麻醉或睡着后才能接受扫描,这又给实验带来了麻烦。

关注自闭症

当然,在伯贝克的婴儿实验室,注视时间依旧是一项重要的指标,利用眼球运动追踪设备,研究者可以方便地获取更为精确的数据。回到小埃兹拉的实验现场,心理学家埃米莉·琼斯(Emily Jones)正在分析埃兹拉的视线变化:“我们发现,发育正常的婴儿通常会选择先去看面孔图片,并且注视的时间更长。” 在过去20年间,自闭症和ADHD引起了越来越多的关注,相关研究也成为了婴儿实验室的工作重点。他们去年发表的一系列论文显示,那些在测试后期出现自闭症症状的婴儿对物体的注视时间明显更短,而他们却更容易在一堆字母当中找出与众不同的那个。 自闭症患病风险高的婴儿为何会有这些表现,目前还不清楚。一个可能的解释是,这些孩子更容易将注意力放在细节上,而很难产生总体认识。小埃兹拉参加的实验正是此项研究的后续,婴儿实验室的研究者们将收集更多更丰富的数据,以确定这些表现是否与自闭症相关。作为被试的小埃兹拉一共要接受5次实验室测试,他的父母则要填写大量问卷,用于评估孩子的语言能力、社会能力发展、性格以及睡眠规律。

这些长相密集的“头盔”是婴儿实验室中的脑电图检测设备。图片来自:Wes Fernandes/Nature

自闭症往往在3岁左右才能被确诊,如果能找到一些更早期的检测指标,或许就能为这些孩子提供更多改善病情的机会。婴儿实验室的一项临床实验已经发现,同样是高自闭症风险的婴儿,如果在7个月到10个月间接受至少6次干预治疗,他们的注意力和社交行为便能得到一定的提升。不过,研究者也指出,这一结果还需要更多验证。 与此同时,婴儿实验室的研究方法也在不断进步。琼斯目前正在尝试一个名为“注视跟随(gaze-contingent)”的任务,在该任务里,电脑屏幕上会出现一只四处飞舞的蝴蝶,而婴儿需要集中注意力追踪这只蝴蝶,只要他们的注意力没有被其他东西带跑,蝴蝶就会一直飞下去,婴儿也会因此得到一些奖励。一个更远大的目标则是改进fMRI,使之能够使用于清醒的婴儿。另一方面,需要解答的问题还有很多:婴儿时期的性格是如何进一步发展而儿童时期的人格特征?为什么人们记不住自己在婴儿时期的经历? 等小埃兹拉长大以后,他也会忘掉自己在实验室度过的时光。黄昏已至,妈妈把他放进婴儿车,准备回家了——这将是一段长达1个小时45分钟的旅程。不过,在妈妈看来,这一切并不是徒劳无用:“我对埃兹拉的反应很感兴趣,也很想知道这些实验任务的研究目的。”埃兹拉和妈妈还收到了一些纪念品,这其中包括照片和志愿者证书,以及一件婴儿尺寸的T恤衫,上面写着:“我是小小科学家。”(编辑:窗敲雨)

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编译来源

NATURE:The big baby experiment