腦門大的人更聰明？看科學家怎么說

常聽說這樣一句話，天庭飽滿的人聰明，有智慧。天庭也就是額頭，里面包含著人腦的前額葉。腦科學家魯白為你解讀，前額葉究竟有哪些功能，它與我們說的智慧又有什么關系。

人類的大腦，概括來說，有五大方面的功能：感覺的功能，能感知外界各種信息，包括視覺、聽覺等；控制運動的功能，保證能做出各種動作；記憶的功能，把外界信息儲存起來；情感和情緒，即人有七情六欲；認知功能，用來進行邏輯思維、判斷、計劃和決策等。目前的神經科學研究對前面四種功能已有相當深入的了解，但對認知功能所知甚少。本文主要談談大腦的認知功能，特別是大腦前額葉的功能。

大腦前額葉

大腦有些地方與電腦很像。先來看一下電腦，買電腦往往要考慮兩個指標，一個是硬盤，另一個是內存。硬盤的作用跟人腦的記憶功能是一樣的，用來儲存信息，硬盤越大，儲存的信息越多。內存是用來暫時儲存信息數據，用于CPU 的運算，電腦工作時所有軟件和程序的運行都在CPU 里完成。也就是說，一個電腦的性能很大程度上取決于它的內存質量和大小。

大腦中負責記憶功能的結構叫海馬，而相當于電腦內存的結構就是大腦的前額葉——腦袋前額頭后面的那部分大腦皮層區域。這部分區域是靈長類生物進化中變化最大的部分，靈長類進化到人，大腦容量增加了一倍，而這增加的部分主要體現在大腦前額葉變得越來越大。

蓋奇的頭顱（左）和受傷的部位

那么這部分區域到底起什么作用呢？這里先講一個小故事。有一個人對神經科學有巨大的貢獻，那就是蓋奇（P. Gage）。他不是科學家，也不是醫師，而是一位美國鐵路工人。在一次意外事故中，他的臉頰部分被一根鐵釬穿過，恰好損毀了他的大腦前額葉。但他卻奇跡般地活了下來，感覺功能和運動功能沒有問題，記憶功能也正常，但情緒出了一些小問題。然而，時間久了，醫生發現他已經完全變了一個人：他對事物的判斷和分析能力已完全不能像正常人那樣。所以科學家就對前額葉有了進一步的認識，經過長時間的研究，確認前額葉的基本功能就是負責工作記憶。工作記憶是一種對信息進行短暫儲存和加工以指導下一步行動的記憶，這樣的記憶信息就像存在電腦內存里的信息數據。

用猴子做一個簡單實驗來說明工作記憶究竟是怎么回事。猴子關在籠子里，籠子外面左右各有一個托盤，左邊托盤里放上一顆葡萄干，然后將葡萄干用布遮上，再把籠子外的簾子拉下。經過一段時間（幾秒到十幾秒），再把簾子拉開，這時猴子會毫不猶豫地選擇從左邊托盤中將葡萄干拿過來吃。這個實驗說明猴子有一種短暫的記憶功能，那就是工作記憶，之前看到“左邊托盤有葡萄干”的信息已經在猴子前額葉中進行了儲存和處理，等簾子拉開，就會指導它去取葡萄干。

宇宙中的成分構成

經過一系列實驗可以總結出三點：首先，前額葉是一個非常重要的行使工作記憶的腦結構，如果損傷了，簡單的工作記憶的功能就不能完成。其次，信息在前額葉不但被儲存，還有加工過程，從而使得猴子可以做出后面的行為。第三，信息加工過程是通過前額葉里某些神經元延遲性的持續放電完成的。

那么，人是如何完成工作記憶的？來看這樣一個檢測，它稱為N-back test。拿一套撲克牌，先讓你看第一張，再看第二張，第三張……當你看到第二張時問你第一張是什么，看到第三張時問你第二張是什么，依此類推，這叫one-back，是最簡單的。難一點的，看到第三張時問你第一張是什么，看第四張時問你第二張是什么，以此類推，這叫two-back。更難一點的，是three-back，這可以很好地考驗大腦的工作記憶功能。所以，當一個人的大腦前額葉不正常，患有某些精神疾病，比如精神分裂癥，可以用N-back來檢測其認知功能的障礙。

工作記憶的形成和復雜化

工作記憶往往伴隨著前額葉神經元的延遲性持續放電。再來看一個用猴子做的實驗。先在猴子大腦前額葉插入一個電極，給猴子看一個紅色的圓，同時記錄猴子的神經放電，然后停頓幾秒鐘，即形成一個延遲，不給它看。這時它的大腦前額葉在儲存、處理這個信息，當下一次再給他看的時候，則給它看兩個點：一個沒有看過的藍色的圓和一個已經看過的紅圓。經過訓練，這個猴子會精準無誤地選擇那個紅色的圓，而不選擇藍色的圓，這稱為滯后樣本配對（delay matching to sample），是一個典型的工作記憶的實驗。用磁共振方法可以看到，在滯后的那幾秒鐘內，猴子的大腦前額葉被激活了。

當用電生理記錄方法觀察前額葉細胞時，發現一種特殊的神經元，它們在猴子看樣本時并不放電，在延遲期樣本不出現時反而放電了，但是一旦再一次呈現樣本的時候，細胞又馬上停止放電了。在樣本消失得比較早時，細胞停止放電也早，而樣本消失得比較晚時，細胞停止放電也晚。說明這部分僅僅在延遲期做持續性放電的神經元，很可能是一種具有“內存”性質的神經元，它們在工作記憶的過程中對信息做短暫的儲存和處理，以備后用。

猴子的延遲期持續性放電實驗

再把工作記憶的實驗做得更復雜些，做兩個工作記憶的串聯。還是用猴子做試驗，一開始讓猴子關注電腦屏幕中間的點，然后給它看一個位于屏幕中央的鈴的圖像，接著有一段幾秒鐘延遲，再呈現給它兩個圖像：郵箱和鈴，但這時鈴的圖像已從中間位置被移到正上方位置。再延遲幾秒讓猴子做動作，它會準確無誤地選擇處于正上方位置的鈴，這里產生了兩個工作記憶。在記錄前額葉神經元放電的時候，會發現有一組神經元專門用來感知“是什么”的信息：只有當猴子看到鈴時，放電頻率才會增加，看到郵箱時放電不會增加；另外一組神經元則對“在哪里”的信息起反應：只有當猴子看到圖像在屏幕上方時，放電頻率才會增加而在屏幕任何其他部位時，放電不會增加。當把兩個連續的工作記憶連起來，就可以知道一個特殊的物體在什么地方。

兩個組分的工作記憶

一般認為工作記憶是前額葉認知功能的基本功能單元，以它為基礎可以構建很多其他認知功能。比如告訴你A等于B，B等于C，你就會利用工作記憶的原理做出A等于C的邏輯推理判斷。當你知道A、B、C之間的關系時，一旦A和B相繼出現，你就會預期C的出現，這就是預期功能。以此類推，還有就是對規則的學習，也是通過前額葉完成的。

前額葉的其他功能

糾錯功能

糾錯功能或者稱翻轉學習功能，對于人類適應外界變化是非常重要的。開車時，前面的路被堵了，我們會很快做出反應：繞行。做一個項目，試了幾次不成功，就必須改變做法。威斯康星卡片分類測試是常用的神經心理測評方法，可以部分反映前額葉的糾錯功能。受試者被要求按照撲克牌的三個要素（數字、顏色、形狀）中的一個將牌進行配對。譬如被試者一開始是按照數字來配對，這時護士告訴他錯了，他得到這個信息后馬上反饋，不再按照數字分，轉而按照顏色分，然后護士說對了，這時他就知道配對的規則是顏色不是數字。他可以十次、一百次地按照顏色分類來做。但在之后的測試中，護士會突然改變規則，且不告訴被試者。當受試者還在按照顏色分類配對卡片的時候，護士突然告訴他錯了。這時正常人一般來說試兩次就知道什么是對的規則，但對于患有精神分裂癥的人來說，他們往往會三次、四次一直試下去，這代表他的前額葉功能出現了障礙。

威斯康星卡片分類測試

大腦的信息整合（位置、顏色、形狀）功能

前額葉規劃目標的功能（一個學生要通過考試，就要完成去聽課、完成作業、考前復習、休息好等子目標。）

信息整合功能

進入大腦的信息是如何整合的？當有人跟你談到美國舊金山的金門大橋時，假如你去過那里，馬上會在大腦的不同部位顯示不同的信息：一塊顯示大橋的地理位置，一塊顯示大橋顏色，還有一塊可能是橋的形狀，等等。而前額葉皮層則具有整合功能，可以把來自不同腦區的不同信息進行整合，最后形成關于大橋的全面信息，這是前額葉很重要的高級功能。

規劃目標功能

一個猴子想要吃到對面的香蕉，但香蕉離它較遠，前面有欄桿它又過不去，這時它會用邊上的竹竿去鉤過來吃。當一根竹竿夠不到，假如現場有兩根竹竿，猴子是不知道把兩根竹竿接起來去鉤香蕉的，但是猩猩就會想到。如果把完成一件事作為一個大目標，正常人會通過規劃將其分解成幾個子目標逐一完成，而當前額葉出現問題，那么這個人就不知道怎么來安排子目標了。

前額葉的功能除工作記憶之外，還有預期、規則學習、邏輯推理以及翻轉學習、適應性等。目前的神經科學研究對概念形成、計算、判斷、計劃、決策等都了解得相當少，我們不知道有哪些神經結構共同參與這些功能，不知道其神經環路，不知道有哪些分子，哪些基因起關鍵作用。還需要相當多的探索和研究才能了解它們如何工作。

此外，大腦如何合理分布腦容量、腦的功能，在各個子目標里面通過協調完成大目標，也是前額葉重要的功能，更是一個非常有挑戰性的課題。