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引言

大脑皮层可划分为几十个解剖学上不同的脑区。认知和系统神经科学的大部分研究都认为，脑区是认知功能最重要的组织原则。此研究将这种观点称为“脑区化范式”。其信条包括：（1）不同脑区具有性质不同的功能；（2）脑区边界与功能边界相对应；（3）脑区边界在不同方法、任务情境和时间上保持一致；（4）脑区内功能同质（即使一个区内神经元具有异质性）；（5）一个脑区的独特功能（将其与邻近脑区区分开来的功能）是其最重要的功能，因此识别独特功能是首要目标。尽管并非所有研究都认同所有这些信条，但它们共同构成了神经科学中的主导范式。 

此研究批判性地审视了脑区化范式背后的证据。近年来，越来越多的神经影像研究工作对脑区化提出了质疑。此研究的目标是将电生理学和解剖学整合到这场讨论中。在解剖学方面，此研究认为，不同结果之间的分歧（无论是在不同模态内部还是跨模态）对脑区的基础性地位提出了质疑；相反，此研究主张存在多个嵌套的组织原则，脑区并不具有特权地位。在电生理学方面，此研究认为，现有文献对脑区与功能之间的一致性提供的支持较弱。最后，此研究承认，脑区化范式的吸引力部分在于它为认知功能提供了一套现成的机制性例示。因此，此研究将讨论如何在不依赖脑区的情况下进行认知和系统神经科学研究。

脑区化范式与定位主义范式相关但不同，后者认为认知功能的分类在脑组织的结构中得以具体化。尽管有其成功之处，定位主义范式面临着来自科学家和哲学家的实质性挑战。由于两者重叠，这些出版物中的许多论点也与脑区化辩论相关。

此研究认为，该领域之所以采纳脑区化，是因为其便利性而非其实证成功。正如将要展示的，仔细审视数据会发现，支持它的证据相当模棱两可。简而言之，此研究是在遵循并扩展Carmichael和Price的话，他们指出：“对于大多数神经解剖学染色方法，甚至对于皮层的大部分区域，结构与功能之间的明确相关性仍有待建立。”在那之后的30年里，测量神经活动并将其与功能关联的能力有所提高，而脑区与功能之间的错位只会变得更加明显。

解剖学告诉我们关于脑区的什么

有很多方法可以将大脑划分为脑区，但没有一种单一方法能给出在全皮层一致且清晰的边界。这就是为什么大多数学者赞成用跨方法共识来定义边界。例如，Van Essen和Glasser提出，脑区由功能、解剖、连接性和地形学的汇聚来定义。其他标准，如神经递质和受体类型、转录组学特征和发育轨迹，也被提出过。

现有可用的细胞构筑数据远多于其他方法；因此，在实践中，大多数解剖学边界主要是细胞构筑学的，即基于细胞在层中的详细排列。细胞构筑学特征包括神经元大小、密度、分层以及通过特定染色显示的分子特性等。然而，这些特征远比我们想象的要模糊得多。因此，不同的边界基于不同的标准。例如，在人类和猴脑中，10区可以通过其低神经元密度来区分；同样，8Av区和8Ad区可以根据第III层神经元的大小和密度相互区分。在这种情况下，这两个标准并不冲突，但是，即便如此，关注功能的研究者很少认识到不同的脑区边界是基于不同的标准。 

跨方法和谐的理念在理论上比在实践中更有效，并且在拥有多个领域数据的情况下，分歧而非汇聚更常见。有时，缺乏统一的标准会导致研究者之间的分歧。在腹内侧前额叶皮层内存在一个有争议的边界，根据研究团队的不同，其大部分区域归属于10m区或14区。同样，前扣带回沟的背侧岸被指定为9区、32区或24区。为了说明这些问题有多普遍，可以考虑皮层中最清晰的边界——V1和V2之间的边界。V1与V2的区别在于第IV层的厚度和三层层状结构，这在V2边界处急剧变化。然而，V1和V2之间的过渡区根据不同的细胞构筑学标准显示出多个离散边界，例如第V层和第VI层细胞的密度。如果使用这些标准中的另一个，边界将会偏移几毫米。没有理由偏爱这些定义中的一个而排斥其他定义。实际上，甚至不清楚V2区是否应被视为单一区域。这些只是例子；几乎每一个脑区边界在同样的审视下都会变得有问题。

过渡区不是对脑区组织概念的否定，但它们确实违背了脑区化范式的某些核心假设，并对在这些假设下收集的数据的解释提出了挑战。神经影像研究已经开始强调大规模功能梯度相对于脑区的重要性。平滑的过渡区在细胞构筑测量中也很常见。例如，Sanides识别出跨眶额叶表面内外侧和前后维度的细胞构筑变化梯度。因此，即使某些转变是突变的，也可能存在跨越多个区域的其他宏观尺度细胞构筑组织。

最近，从小鼠大脑获得的大量信息使得数据驱动的分区成为可能。特别是，转录组学研究强调了跨越脑区边界的组织原则，可能反映了潜在的发育过程以及功能。例如，在一项人类大脑单核RNA测序的标志性研究中，主要的组织特征是超级簇，它们跨越了脑区，并且在整个皮层中分布不均匀。同样，在小鼠大脑的转录组图谱中，分子簇很少精确匹配脑区边界。基于连接性的边界同样与细胞构筑学边界分歧。

除了宏观尺度组织，还存在微观尺度组织。最著名的是，感觉和运动区域以柱状方式组织；连接模式也提示联合皮层和边缘皮层有类似的柱状组织，尽管其功能映射尚不清楚。值得注意的是，许多对脑区观点的批判也可以应用于柱：柱边界根据所用标准不同而不一致，并且可能没有严格的功能对应。除了柱之外，还存在其他精细组织。例如，第V层背内侧前额叶神经元的不同群体投射到丘脑底核、V1和下丘脑外侧；这些群体具有功能意义，提示存在基于投射靶点而非脑区、层或柱的丰富组织。

电生理学告诉我们关于脑区的什么

电生理学数据长期被用来推断大脑功能的组织。尽管这些数据长期以来一直通过解剖学脑区的视角来解释，但从生理学推断的功能与从解剖学推断的结构之间紧密对应的证据比许多人认为的要弱。直到最近，单神经元电生理学数据仍然难以收集；即使是表征单个区域的功能特性也是大多数实验室能力的极限。在整个区域内均匀采样仍然很少见，在解剖边界两侧采样也是如此。因此，生理学家倾向于接受解剖学家提出的边界，然后在其中描述功能。换句话说，大多数生理学证据并没有为脑区化提供汇聚证据。相反，它在脑区化假设下承担着描述脑区功能的补充目的。

最近的电生理学进展使得高密度神经信息的收集成为可能。这些新技术产生的结果通常不支持脑区化。考虑国际脑实验室一项涉及小鼠267个脑区近30万个神经元的卓越研究。有了这一前所未有的数据量，可能会期望找到对先前提出的脑区/功能映射的一些明确支持。然而，报告的主要结果包括所有测试任务变量的广泛编码。这些结果并非例外，而是反映了在大量使用群体记录的现代研究中，高密度技术下功能组织的样子。当然，后续研究可能会揭示第一轮研究中遗漏的重要脑区差异；然而，脑区与功能之间缺乏对应关系已经是宝贵的信息。

为什么高密度映射研究与之前的低密度记录研究不一致？大多数电生理学数据都可以用多种功能组织来解释，但由于对脑区化范式的遵从，生理学家倾向于按照其信条来解释数据。考虑一位比较两个相邻区域的电生理学家。即使对两个区域进行了密集且均匀的采样，显示两个区域有显著功能差异的数据也常常与梯度同样一致。事实上，两个不同方向的上升梯度可能错误地支持功能双重分离。来自两个表面区域的有显著差异的数据也可能与多个边界、斑块状结构以及盐粒状组织分布。

电生理学中还有许多其他偏倚来源。首先，均匀采样在实践中几乎是不可能的；因此，如果区域不均质，区域间测量的差异可能反映采样偏倚。例如，生理学家倾向于避开靠近重要血管或需要困难开颅手术的子区域。生理学家通常从上方向下移动电极，并记录他们首先捕获的任何神经元。不同区域具有不同取向；因此，比较主沟背侧岸与腹侧岸将显示出对第V/VI层或第III/II/III层的偏倚。然后是细胞类型偏倚；例如，前扣带回皮层在第V层具有许多其他皮层区域所没有的大细胞；因此，直接比较会由于前扣带回记录中的第V层偏倚而夸大功能差异。这些偏倚不是那种会随着研究平均掉的类型，而且它们的幅度可能很大。最后，还有一种来自遵从脑区化范式的更微妙的元科学偏倚。也就是说，当遵循该范式时，此研究倾向于关注那些按照脑区边界组织的功能，因为此研究认为这些是重要的、值得研究的功能。

记录“万物皆在万物之中”革命

神经记录革命产生了一股虚拟的数据洪流，指向广泛的功能重叠。例如，运动功能长期以来被认为定位于运动皮层和前运动皮层，但最近的研究发现，运动变量在大脑皮层中广泛而强烈地编码。关于决策变量也可以提出类似的观点。

导航变量长期以来与海马结构相关联；最近的研究表明，它们可以在许多区域找到，例如前扣带回皮层、眶额叶皮层、顶叶皮层，甚至梨状皮层和初级视觉皮层。

认知地图最初与海马和内嗅皮层相关，但后来也在多种多样的区域中发现，如眶额叶皮层、压后皮层、腹内侧前额叶皮层，甚至顶叶皮层。

工作记忆中信息存储的位置长期以来被认为是在背外侧前额叶皮层。然而，在早期研究证明工作记忆存在于顶叶皮层甚至早期躯体感觉皮层之后，大量近期工作证明了广泛存在的工作记忆信号。同样，语言长期以来被认为定位于语言网络；最近的研究表明，它可能分布得更为广泛。

同样，奖赏价值的神经编码（通常与眶额叶皮层相关）现在被认为几乎遍布大脑的各个角落，包括感觉皮层和联合皮层以及海马。

最后，时间感知现在与一组广泛分布的区域相关联，包括内侧前额叶皮层、压后皮层、海马、内侧内嗅皮层、背内侧额叶皮层和外侧顶内沟皮层。

万物皆在万物之中？

尽管似乎有大量结果显示任务变量的普遍广泛编码，但显然并非“万物皆在万物之中”。确实，有一些电生理学证据支持强有力的功能组织，即使这种组织不一定映射到细胞构筑学定义的脑区。功能的最大驱动因素可能是连接性。例如，Le Merre等人最近的一项研究考察了细胞构筑学定义的脑区与功能之间的一致性。通过记录小鼠大脑中超过20,000个神经元，他们能够构建前额叶皮层的功能图。这个功能图与标准的细胞构筑图基本无关。相反，它与基于连接性的图几乎相同。此研究自己的实验室在眶额叶皮层中也有平行但更聚焦的结果，其中基于连接性的区分也显示了功能分化。

同样，大部分看似广泛分布的脑组织实际上是斑块状的。语言区和视觉词形区具有斑块状结构，并不整齐地映射到细胞构筑学定义的区域。类似地，面孔斑块对面部和类面部刺激具有清晰且稳健的选择性，并且与成熟的细胞构筑区域不对应，但它们确实具有独特的连接特征。

然而，这些结果并不意味着我们只需要等待基于连接性或功能的测量来描绘大脑的功能组织。事实上，对于大脑功能的许多方面，已经有强有力的证据支持其他组织方式。其中最突出的是大规模功能梯度，沿着一个或多个轴存在信息的逐渐转换。这些在功能磁共振成像中研究得更透彻，但大量的电生理学也支持大规模功能梯度的存在。在这些研究中，作者发现跨区域的是平滑、连续的变化，而不是离散的、阶梯状的转变。这些梯度可能反映了一个计算原理，即利用解剖位置逐渐将信息从感觉转变为运动指令。

另一种组织模式是网络。面孔特化和语言特化似乎与皮层中不同的非连续区域相关。这些网络之所以被识别出来并且至今仍被研究得最透彻，很可能是因为功能磁共振成像是一种全脑方法，而不是单元生理学，后者不适合识别或研究功能性群岛。同样值得注意的是，这些网络的组成部分比大多数结构学定义的脑区小得多，意味着在没有全脑测量指导的情况下，以脑区为中心的方法甚至都不是研究它们的正确尺度。

如何在不依赖脑区的情况下进行功能神经科学

脑区化范式的主要吸引力之一在于，它为任何想要研究功能如何在大脑中实现的人提供了一个直接的公式。你设计一个控制任务来操纵你的功能，然后识别其活动与该功能最强共变的脑区。反之，没有同样简单的公式可以在没有脑区的情况下进行功能神经科学。此研究认为，缺乏相应的公式，而非其经验上的成功，是脑区化范式成功背后的最大因素。因此，此研究尝试提供这样一个公式。简而言之，此研究提出，脑区提供了信息的组织；同样的目标可以通过神经反应的高维度来实现。 

神经科学的关键问题不仅仅是“在哪里”，而是“如何”。也就是说，此研究的目标通常是理解大脑如何实现某一特定功能，但此研究倾向于关注“在哪里”，因为它常常作为“如何”问题的便捷答案。此研究需要发展替代策略来回答“如何”问题，而不将其转化为“在哪里”问题。认知神经科学中最常见的问题之一是如何将不同的信息片段彼此分开。在知觉中，必须分开形式与位置。在经济选择中，必须将价值与选择分开。在运动执行中，必须将运动计划与运动执行分开，以防止过早动作。在这些每一种情况下，不同的脑区都被用作划分不同信息片段的方式。

然而，在每种情况下，曾经令人信服的解剖分离证据已被强调信息在单神经元水平混合的数据所挑战。作为回应，理论家提出了不涉及脑区分离的替代方法来保持信息分离，而是使用高维空间中的划分。神经群体发放可以通过共变模式被限制在有限的范围内，并且不同的范围可用于保持信息分离。换句话说，由群体内共变形成的一组活动模式充当了信息处理的单位。群体子空间可以分离知觉与记忆、不同的积分器、运动准备与运动执行、记忆内容，以及工作记忆与运动准备、两个选项的值以便它们可以无干扰地比较，甚至主体的身份。

同样，脑区也被用来回答关于信息组合的“如何”问题，并且人们一直在寻找特化的整合位点。考虑过去使用解剖分离的一些情境，而更现代的方法使用子空间划分而不是解剖划分。例如，观察和执行动作必须联系起来，以便主体能够更有效地学习，这可能通过特化的镜像神经元发生。或者，考虑分离的背侧和腹侧视觉流必须被绑定。同样，神经经济学中的许多工作关注奖赏元素在何处被绑定成整合的价值信号，以及价值在何处与空间绑定以实现选择。

有许多方法可以在不借助多个脑区汇聚到一个脑区的情况下实现信息组合。例如，将非线性信息解缠成线性可访问的表征可能提供一种替代方法。换句话说，大脑可以用一种方式表征信息，使其在某些情境下更容易被读出，然后在其他情境下用不同的方式表征，使其他方面更容易被读出。这就提出了一个问题：如果组合信息从感知到行动在整个大脑中传递，那么不同的信息片段如何根据认知需求被独立控制？最近关于信息抽象的理论工作提供了一个潜在的解决方案，即解缠表征，它允许灵活和独立地控制信息，而不需要严格的脑区分离。

此研究可以采用类似的方法来处理功能的组合，例如工作记忆引导的选择。脑区化提供了一个现成的组织，即一个区域用于记忆存储，另一个区域用于选择。然而，最近的研究表明，组合可以在不假设特化区域的情况下完成，而是通过部署组合式计算模式来实现。动力学模式是指在神经群体中出现的反复出现的时间活动模式，如吸引子或积分器，它们可以作为可重用的构建块，根据期望的任务变量通过组合来实现计算。这些模式可以在特定区域内实现，但这种模式的存在不一定局限于特定区域。总之，这些例子表明，通过一些努力，有可能为那些自然通过脑区分离或汇聚来解决的老问题开发新的解决方案。尽管它们看起来可能更复杂，但它们仍然得到了实证支持。

结论

以脑区化为导向的神经科学方法可能会陷入所谓的“独特功能谬误”，即因为脑区存在，它们就会具有独特的功能。这种谬误可能导致无休止的探索：如果不知道一个脑区的独特功能，那是因为还没有找到它。然而，这不一定是真的。第二个相关的谬误是，一个脑区的独特功能在某种程度上比它与其它区域共享的功能更重要。打个比方，几乎所有的美国榛子都产自俄勒冈州，但仅凭这一点对了解俄勒冈州的文化几乎没有什么帮助。关于俄勒冈州最有趣和最重要的东西也可以在其他州找到，尽管程度可能较小。过度关注独特功能是有误导性的。

让脑区化成为认知和系统神经科学的核心有三个弊端。第一，在理论不正确的情况下，它会分散可用于其他可能指明前进方向的研究项目的精力。第二，它是自我强化的，意味着支持脑区化的数据开始排挤其他对立的数据。第三，它导致神经科学家专注于那些脑区更适合描述功能的主题，而将脑区不太适合描述功能的研究领域置于次要地位。

此研究提出了一个更灵活的框架，而不是倡导单一的组织原则。这种方法将考虑如何通过多种组织的组合来实例化必要的计算。然而，此研究不应仅仅用另一种形式的组织来取代脑区；还需要探索群体计算和其他非定位主义的方法。从哲学上讲，反模块主义和反定位主义的对立叙事有着悠久的历史，包括神经科学史上的重要人物。因此，反定位主义比其最著名的阐释要广泛得多。此研究认为也许更好的榜样是Wilfrid Le Gros Clark，他在1952年回应Von Bonin和Bailey的一篇文章时写道：“一些神经学家可能倾向于关注皮层结构的差异，而不是整个皮层普遍存在的相似性。”

参考文献：Hayden, B. Y., Heilbronner, S. R., & Yoo, S. B. M. (2026). Rethinking the centrality of brain areas in understanding functional organization. Nature neuroscience, 29(2), 267–278. https://doi.org/10.1038/s41593-025-02166-z

解读：脑海科技