5個月大的埃茲拉(Ezra)坐在媽媽膝上,好奇地打量著面前螢幕上不斷變換的畫面。螢幕下方,一台儀器正在利用紅外線追蹤他的眼球運動。在倫敦大學伯貝克學院的嬰兒實驗室(Babylab),這樣的情景每天都在上演。

然而,小埃茲拉並不知道自己此刻背負著怎樣的「科研重任」。他的注意力總是難以保持,一個不留神就吃起了自己的襪子。又過了一會兒,埃茲拉皺起了眉毛,這是一個只有媽媽才懂的暗號:該換尿布了。

如果你是位神經科學家,你該如何去研究一位不會說話、不會聽指揮,還總愛打斷實驗的受試者?這正是科學家們在「嬰兒實驗室」遇到的挑戰。出生後頭兩年是大腦發育最快的時期,也是一些神經發育問題初步顯露的階段。但是,這也是最難研究的時期。很多標準的研究手段都不再適用:你無法指望寶寶既安靜又清醒地躺在磁共振掃描儀裡,也不能讓他們回答問題,或者接受指示。

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一位參與研究的小受試者。圖片來自:Wes Fernandes/Nature

目前,研究者大多用追蹤眼動的方式研究嬰兒的注意活動,但由於提供的證據有限,這種方法也遭到了不少質疑。「很多研究試圖證明嬰兒能理解目標、因果和數字——但其中99%的實驗只測量了注視時間的變化。」哈佛大學心理學家杰羅姆·凱根(Jerome Kagan)說道。

現在,伯貝克的科學家們正在努力改變這一現狀。他們率先使用了很多新技術,例如可以通過分析血氧含量判斷大腦活躍程度的近紅外線光譜儀分析法(near-infrared spectrometry,NIRS)。為了讓結論變得更可信,他們也嘗試著在同一個實驗中使用多種測量方法。

就這樣,嬰兒實驗室在嬰兒行為認知領域創下了許多個「第一次」。他們第一次發現嬰兒喜歡看著那些正面直視自己的面孔;當看到這些面孔時,他們的神經活動會增強;而這一神經活動的異常可能與日後發作的自閉症有關——這是首個有可能成為自閉症預測標準的大腦功能測量方法。2013年,實驗室發起了一個研究項目,以12週大的自閉症及注意力不足過動症(ADHD)高風險嬰兒為目標受試者,對他們進行長達2年多的追蹤研究,目的便是尋找更多疾病早期症狀以及相應的行為治療法。而小埃茲拉正是此項研究的對照組受試者。

注視,學習

20世紀中葉,科學家們開始在嬰兒身上展開研究,瑞士心理學家尚·皮亞傑(Jean Piaget)便是這群拓荒者中的一員。他發現在8個月大之前,嬰兒不會去嘗試尋找那些被研究者藏起來的玩具,也就是說,他們無法理解一個簡單的概念,即「位於視野之外的物體依舊是一個真實存在的物體」。皮亞傑進一步發展出了一套理論,認為嬰兒在出生時就如一塊空無一物的白板,但已經掌握了探索和學習的能力。

到了60年代初期,美國發展心理學家羅伯特·弗朗茲(Robert Fantz)開始測量嬰兒的注視時間,以此來衡量他們對目標物體的興趣,例如,比起一個普通的注視點,嬰兒的視線在人臉圖片上停留的時間明顯更長。從此以後,注視時間測量法便成為了發展心理學領域的主力。科學家們漸漸發現,嬰兒其實並不是一塊純粹的「白板」,他們天生就對數字和面孔感興趣,而且能夠識別出母親使用的母語。

「目前已有數以千計的研究使用了測量注視時間的方法。」嬰兒行為學家、羅徹斯特腦成像中心主任理查德·阿斯林(Richard Aslin)說:「從大體上看,這也是一個非常可靠的方法;你可以讓兩個實驗室分別進行同一個實驗,得到的結果也是一致的。」但是,愈來愈多的研究者認為這些結果需要謹慎解讀。「太多因素都會影響注視時間的長短。」凱根指出,「刺激有哪些物理特徵?線條多為直線還是曲線?圖案是什麼顏色?明暗對比度如何?」

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很多嬰兒研究都採用注視時間作為指標。圖片來自:Wes Fernandes/Nature

嬰兒大腦的成長速度驚人,這也為研究帶來了困難:一個新生兒的視線變化可能反映了某些與生俱來的能力,但對於7個月大的嬰兒,學習和記憶就會在其中造成影響了。「注視時間增長可能意味著嬰兒正試圖將眼前的情景與已有的知識聯繫起來,」凱根說。要想知道嬰兒的小腦袋裡到底在想什麼,單一的研究方法已經不夠用了。

1993年,馬克.強森(Mark Johnson)在倫敦大學學院(University College London)成立了一個嬰兒實驗室,5年後又搬到空間更為寬裕的伯貝克學院。不過強森的目標一直沒有改變,那就是用更多高科技手段研究大腦發育過程。

2005年,結合腦電記錄與注視時間測量法,強森和同事們向皮亞傑的經典實驗發起了挑戰。當成年人看到一個物體在眼前消失時,右顳葉皮層的一種特定的神經震盪活動會增強。根據強森等人的實驗結果,6個月大的嬰兒也會發生類似的變化——也就是說,這提示他們並不會把消失的物體完全置之腦後。

就這樣,強森用一系列實驗證明,新生兒的確不是白板一塊,與此同時,他們也有許多概念尚未建立。嬰兒們傾向於對一些特定的刺激——諸如面孔和言語——投入更多注意資源,也正是這些基本的注意偏好影響了大腦的發育。就拿上文提到的一個研究結果為例:嬰兒偏好那些正面直視自己的面孔,這就使得他們能夠更好地將注意放在身邊那些社交相關的訊息上,這有利於他們學習語言及面部表情的含義。

開心的寶寶才是好受試者

和嬰兒一起工作並不簡單,一天能接待十幾位小受試者的嬰兒實驗室更是如此。實驗室的廚房備有溫奶器,廁所囤積了大量濕紙巾,色調明快的等候室裡布滿了各種易於清洗的玩具。不過,真正進行實驗的房間佈置非常簡單,牆壁也是沉悶的灰色。這是因為嬰兒很容易分心,研究者們只有把背景弄得要多無聊有多無聊,才能確保他們專注於實驗。

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裝備有溫奶器、玩具和可愛裝飾的嬰兒實驗室。圖片來自: Wes Fernandes/Nature

除此之外,時間安排也是關鍵——你可不希望小受試者在實驗途中鬧著喝奶或者是喊累想睡覺。在等候室裡,4個月大的凱特琳(Caitlin)正在享用實驗前的最後一餐。她參加了一個研究嬰兒模仿行為的項目。

模仿(mimicry)是一種潛意識的行為傾向:看到別人皺眉頭,自己也不由自主地皺起了眉頭;看到別人微笑,自己也忍不住微笑。即使在成年人的世界裡,模仿行為也有著非常重要的社會意義。不過,這種行為傾向是如何產生的,以及到底出現在哪一個年齡層?一些研究者認為,這是一種與生俱來的能力——比如你對著新生兒吐舌頭,他們時常也會以吐舌頭作為回應。但是「我們並不清楚嬰兒是否真的在模仿,也許他們吐舌頭只是因為覺得眼前的現象很有趣。」本項研究的負責人德·克勒克(de Klerk)如此說。

克勒克一邊唱著歌,一邊向凱特琳的臉上貼電極,但是小寶寶看上去依舊有些坐立不安。另外一位助手趕緊上前,擺弄起一個漂亮的玩具電話——若想在嬰兒實驗室工作,你就必須學會如何轉移小受試者們的注意。效果很不錯,凱特琳開始開心地咕噥。研究者暫時停下工作,好讓媽媽用手機給自己的「科學寶寶」拍張照片。接下來便是正式實驗時間:凱特琳將看到一系列影片,影片裡的女主角正做出不同的表情動作。

凱特琳專注地看著螢幕,她似乎並沒有模仿影片中的動作,不過,電極信號卻透露了完全不同的故事:研究者們發現,當影片中的女人抬眉毛時,凱特琳眉毛區域的肌肉也開始活動。

幾天後,凱特琳再次來到實驗室,這一回,輪到近紅外線光譜儀分析(NIRS)登場了。NIRS正在改變整個嬰兒神經科學領域的面貌,它能追蹤含氧血的動向,幫助研究者鎖定大腦中那些活動增強的區域。不過,NIRS並不完美。它只能測量大腦表層的神經活動,對那些埋藏在深處的腦區——例如杏仁核和海馬迴——就無能為力了。凱根指出:「大腦是一個複雜的連接環路。如果只測量表層活動,你很可能得出錯誤的結論。」若想研究深部腦區,研究者就必須使用功能性磁共振掃描(fMRI)一類的技術。然而fMRI對頭部運動非常敏感,因此嬰兒受試者只有在麻醉或睡著後才能接受掃描,這又給實驗帶來了麻煩。

關注自閉症

當然,在伯貝克的嬰兒實驗室,注視時間依舊是一項重要的指標,利用眼球運動追蹤設備,研究者可以方便地獲取更為精確的數據。回到小埃茲拉的實驗現場,心理學家艾蜜莉·瓊斯(Emily Jones)正在分析埃茲拉的視線變化:「我們發現,發育正常的嬰兒通常會選擇先去看面孔圖片,而且注視的時間更長。」

在過去20年間,自閉症和ADHD引起了愈來愈多的關注,相關研究也成為了嬰兒實驗室的工作重點。他們去年發表的一系列論文顯示,那些在測試後期出現自閉症症狀的嬰兒對物體的注視時間明顯較短,而他們卻更容易在一堆字母當中找出與眾不同的那個。

自閉症患病風險高的嬰兒為何會有這些表現,目前還不清楚。一個可能的解釋是,這些孩子更容易將注意力放在細節上,而很難產生總體認識。小埃茲拉參加的實驗正是此項研究的後續,嬰兒實驗室的研究者們將收集更多更豐富的數據,以確定這些表現是否與自閉症相關。作為受試者的小埃茲拉一共要接受5次實驗室測試,他的父母則要填寫大量問卷,用於評估孩子的語言能力、社會能力發展、性格以及睡眠規律。

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這些長相密集的「頭盔」是嬰兒實驗室中的腦電圖檢測設備。圖片來自:Wes Fernandes/Nature

自閉症往往在3歲左右才能被確診,如果能找到一些更早期的檢測指標,或許就能為這些孩子提供更多改善病情的機會。嬰兒實驗室的一項臨床實驗已經發現,同樣是高自閉症風險的嬰兒,如果在7個月到10個月間接受至少6次干預治療,他們的注意力和社交行為便能得到一定的提升。不過,研究者也指出,這一結果還需要更多驗證。

與此同時,嬰兒實驗室的研究方法也在不斷進步。瓊斯目前正在嘗試一個名為「注視跟隨(gaze-contingent)」的任務,在該任務裡,電腦螢幕上會出現一隻四處飛舞的蝴蝶,而嬰兒需要集中注意力追蹤這隻蝴蝶,只要他們的注意力沒有被其他東西干擾,蝴蝶就會一直飛下去,嬰兒也會因此得到一些獎勵。一個更遠大的目標則是改進fMRI,使之能夠使用於清醒的嬰兒。另一方面,需要解答的問題還有很多:嬰兒時期的性格是如何進一步發展而兒童時期的人格特徵?為什麼人們記不住自己在嬰兒時期的經歷?

等小埃茲拉長大以後,他也會忘掉自己在實驗室度過的時光。黃昏已至,媽媽把他放進嬰兒車,準備回家了——這將是一段長達1個小時45分鐘的旅程。不過,在媽媽看來,這一切並不是徒勞無用:「我對埃茲拉的反應很感興趣,也很想知道這些實驗任務的研究目的。」埃茲拉和媽媽還收到了一些紀念品,這其中包括照片和志願者證書,以及一件嬰兒尺寸的T恤衫,上面寫著:「我是小小科學家。」

撰文:Linda Geddes

編輯:窗敲雨

翻譯:Alulull

編譯來源:NATURE:The big baby experiment

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