范亮艷 范曉芳 羅位超 吳功航 嚴(yán) 序 尹大志呂 岳 朱君明 徐冬溶

(1華東師范大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究所, 腦基因組重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200062)

(2華東師范大學(xué)信息學(xué)院 計(jì)算機(jī)系, 上海 200062) (3浙江大學(xué) 第二附屬醫(yī)院 神經(jīng)外科, 杭州 310009)

(4 哥倫比亞大學(xué)醫(yī)學(xué)院/紐約精神疾病研究所 磁共振中心, 紐約 10032)

1 引言

聯(lián)想學(xué)派的Mednick (1962)在他著名的遠(yuǎn)距離聯(lián)想理論中認(rèn)為“在創(chuàng)造性過程中, 大腦中已經(jīng)存在的思想以不同尋常的、創(chuàng)新的和有用的組合方式聯(lián)系在一起。我們已有的每一個(gè)映像或概念與其它映像或概念聯(lián)系在一起?！?/p>

人類之所以能夠進(jìn)行創(chuàng)造, 是因?yàn)槭挛镏g能夠基于一定的聯(lián)系進(jìn)行相互的結(jié)合與重組。一個(gè)事物變成另一個(gè)事物, 是因?yàn)榻Y(jié)合了其它事物, 如果一個(gè)事物不與其它任何事物結(jié)合, 就永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生變化, 創(chuàng)造也不可能發(fā)生。客觀世界為人類提供了進(jìn)行創(chuàng)造的前提和條件, 提取客觀世界中的任何一個(gè)事物, 它的全部屬性都可以歸屬到這個(gè)高維空間中的某些維度上, 而該屬性所具備的值都可以定位到這一維度的某個(gè)點(diǎn)上, 正是這樣的一些坐標(biāo)點(diǎn)組成了人們所看到的具備不同屬性不同特征的各種事物。這就為不同事物之間建立聯(lián)系和進(jìn)行組合提供了可能, 高維空間中的這些不同的維度就是不同事物之間進(jìn)行彼此聯(lián)系的中介。通過對(duì)處于不同維度上的事物的不同屬性的值進(jìn)行各種變化與重組,即可不斷地生成新事物。創(chuàng)造性思維的本質(zhì)就是客觀世界的高維空間里, 人們以事物不同的屬性所屬的維度作為中介, 進(jìn)行交叉、重組與綜合, 進(jìn)而產(chǎn)生新穎性的一種認(rèn)識(shí)活動(dòng)。

近年來, 隨著功能磁共振技術(shù)等神經(jīng)科學(xué)研究手段的不斷發(fā)展與成熟, 針對(duì)創(chuàng)造性思維中發(fā)散性思維、頓悟這幾個(gè)研究領(lǐng)域的神經(jīng)機(jī)制的探索逐漸多了起來, 但是對(duì)于藝術(shù)設(shè)計(jì)及創(chuàng)作的研究不多。

Solso (2001)是較早采用神經(jīng)成像手段研究藝術(shù)家創(chuàng)作過程的科學(xué)家之一。實(shí)驗(yàn)要求專業(yè)畫家和普通被試創(chuàng)作一系列的臉部畫像并記錄其腦激活情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn), 無論是專業(yè)畫家還是普通人, 在任務(wù)進(jìn)行中右后側(cè)頂葉腦區(qū)都呈現(xiàn)血流量的增加,而這個(gè)區(qū)域通常與面部識(shí)別處理有關(guān)。但也發(fā)現(xiàn)專業(yè)畫家對(duì)應(yīng)腦區(qū)的激活程度比普通人低。此外, 專業(yè)畫家的右前側(cè)腦區(qū)激活程度要高于普通人, Solso(2001)認(rèn)為這是由于藝術(shù)家通常采用“高級(jí)指令”認(rèn)知功能來觀察和創(chuàng)作臉部畫像的緣故。Bengtsson,Csíkszentmihályi和 Ullén (2007)通過即興鋼琴演奏任務(wù)考察了音樂創(chuàng)作中的腦活動(dòng)。實(shí)驗(yàn)要求鋼琴家在一段簡單8拍旋律樂譜的基礎(chǔ)上進(jìn)行即興變奏創(chuàng)作, 然后憑記憶對(duì)自己創(chuàng)作的旋律進(jìn)行復(fù)彈。實(shí)驗(yàn)將即興變奏、回憶復(fù)彈以及靜息態(tài)分別作了對(duì)比,發(fā)現(xiàn)在包含創(chuàng)造過程的即興演奏中, 激活腦區(qū)包括右背外側(cè)前額葉, 前運(yùn)動(dòng)輔助區(qū), 前運(yùn)動(dòng)皮層的背側(cè)喙部以及顳上回的左后側(cè), 并且即興變奏越為復(fù)雜, 前運(yùn)動(dòng)輔助區(qū)的激活程度也就越高。Bengtsson等 (2007)認(rèn)為這些區(qū)域在音樂創(chuàng)作中構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)相互聯(lián)系, 彼此影響。同樣采用了鋼琴即興演奏任務(wù),Limb和Braun (2008)讓6名爵士樂演奏家彈奏簡單的普通旋律和復(fù)雜的爵士旋律, 然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行即興創(chuàng)作。結(jié)果發(fā)現(xiàn)背外側(cè)前額葉的廣泛抑制,激活主要集中在內(nèi)側(cè)前額葉皮層, 這與之前Bengtsson等(2007)的研究結(jié)果存在一定出入。Limb和 Braun (2008)認(rèn)為腦區(qū)呈現(xiàn)的這種激活-抑制模式反映了即興創(chuàng)作中自我監(jiān)控系統(tǒng)受到了抑制, 從而使得內(nèi)部激發(fā)的行為得到了更為自然流暢地展現(xiàn)。此外, 在即興演奏的過程中也觀察到了執(zhí)行音樂演奏行為的感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)廣泛的激活。Kowatari等人(2009)采用功能成像手段, 引入了物品設(shè)計(jì)的新穎范式來研究創(chuàng)造性思維。實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)專業(yè)和其它專業(yè)的 40名被試進(jìn)行鋼筆設(shè)計(jì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)專業(yè)組激活的腦區(qū)更為有限, 相關(guān)專業(yè)訓(xùn)練會(huì)在藝術(shù)創(chuàng)作時(shí)對(duì)大腦左側(cè)頂葉產(chǎn)生抑制, 這種抑制通過胼胝體等其它聯(lián)結(jié)擴(kuò)散到右頂葉和左側(cè)前額葉, 大范圍的抑制在右側(cè)前額葉形成了一個(gè)優(yōu)勢(shì)中心。Kowatari等(2009)認(rèn)為廣泛的抑制實(shí)際上是對(duì)無關(guān)記憶信息干擾的抑制, 通過優(yōu)勢(shì)集中誘發(fā)對(duì)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的提取、重構(gòu)、整合, 完成藝術(shù)創(chuàng)作的整個(gè)過程。

Bechtereva等(2004)采用PET技術(shù)對(duì)被試的言語創(chuàng)造力進(jìn)行了研究, 實(shí)驗(yàn)中給定被試 16個(gè)單詞,要求被試將這16個(gè)單詞按照自己的邏輯聯(lián)系起來,編成一個(gè)故事。結(jié)果發(fā)現(xiàn)頂顳區(qū)與言語創(chuàng)造有密切關(guān)系。

近期Gilbert, Zamenopoulos, Alexiou和Johnson(2010)的一項(xiàng)研究把設(shè)計(jì)創(chuàng)造力的探討引入到更為復(fù)雜綜合的實(shí)際層面。實(shí)驗(yàn)通過調(diào)整指導(dǎo)語讓 18名有相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的被試進(jìn)行室內(nèi)設(shè)計(jì)布置, 一種條件下有著對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的諸多明確要求, 另一種條件下則更為開放自由。通過腦激活數(shù)據(jù)的比對(duì), 觀察到了自由設(shè)計(jì)與限定條件相比右背側(cè)前額葉的顯著激活, 但這種差異只在任務(wù)初期對(duì)任務(wù)的學(xué)習(xí)和領(lǐng)悟階段出現(xiàn), 在正式操作階段未觀察到這種差異。

綜合各種研究, 發(fā)現(xiàn)前額葉對(duì)于藝術(shù)創(chuàng)作起到不可或缺的作用, 但藝術(shù)創(chuàng)作是通過前額葉與其它腦區(qū)的廣泛聯(lián)結(jié)協(xié)同作用來實(shí)現(xiàn)的, 后頂葉、頂顳區(qū)、邊緣系統(tǒng)等可能也都參與進(jìn)藝術(shù)創(chuàng)作的過程。

由于實(shí)驗(yàn)條件的限制, 在藝術(shù)創(chuàng)作活動(dòng)時(shí)不方便進(jìn)行腦成像掃描, 因此, 這類實(shí)驗(yàn)?zāi)壳敖?jīng)常采取的形式是在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中被試只需要想象自己將如何創(chuàng)作, 同時(shí)儀器對(duì)腦活動(dòng)進(jìn)行掃描和記錄,待掃描結(jié)束后被試再將剛才想到的結(jié)果畫下來或?qū)懗鰜?。這種方式解決了腦成像實(shí)驗(yàn)儀器內(nèi)無法進(jìn)行創(chuàng)作活動(dòng)的問題, 也排除了因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)等不相關(guān)變量而可能產(chǎn)生的干擾。但是, 掃描過程所記錄腦圖像并非真正創(chuàng)作狀態(tài)下的, 而且與實(shí)際創(chuàng)作過程的差異不得而知。其次這些實(shí)驗(yàn)任務(wù)都缺乏一個(gè)目標(biāo)明確的模型, 只是一個(gè)傳統(tǒng)的行為學(xué)實(shí)驗(yàn)套用磁共振影像學(xué)方法, 進(jìn)行傳統(tǒng)行為學(xué)方法研究的一個(gè)延伸。因此, 如果能在現(xiàn)有的理論基礎(chǔ)上, 建立一個(gè)定量化可計(jì)算模型, 并在這個(gè)模型上開發(fā)一個(gè)與腦成像設(shè)備兼容的心理實(shí)驗(yàn)任務(wù)平臺(tái), 使得被試能夠在掃描過程中完成創(chuàng)作任務(wù), 并實(shí)時(shí)記錄創(chuàng)作過程中的腦活動(dòng)數(shù)據(jù), 從而進(jìn)行定量化的創(chuàng)造性思維研究。

人類的設(shè)計(jì)過程, 最集中地體現(xiàn)了人類的創(chuàng)造性能力。在計(jì)算機(jī)日益廣泛應(yīng)用的今天, 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)系統(tǒng)被稱為“設(shè)計(jì)師的助手”。但是大部分的 CAD系統(tǒng), 僅僅只是人類創(chuàng)造工作的一個(gè)被動(dòng)助手, 所有的創(chuàng)造性工作是人類設(shè)計(jì)師完成的。比如, Word處理軟件只是替代紙張和筆墨, 但是寫作的內(nèi)容是人類完成的; Photoshop替代了顏料和畫板并不能生成圖片的內(nèi)容。因此, 智能CAD就是要讓 CAD系統(tǒng)具有真正的智能, 讓計(jì)算機(jī)軟件不僅僅是替代性工具, 而且是創(chuàng)造性工具。類比推理是這種創(chuàng)造性的方法之一。常規(guī)的類比推理是從已知的一個(gè)事物的因果推廣到另外一個(gè)部分未知的對(duì)象上, 取得原先不知道的結(jié)論。類比學(xué)習(xí)和類比推理對(duì)人類歷史的發(fā)展起到了重要作用, 將已有的知識(shí)擴(kuò)展到多個(gè)未知領(lǐng)域, 并產(chǎn)生出知識(shí)。多源類比生成的概念和模型(Xu & Pan, 1995)和綜合推理模型(潘云鶴, 1996)是對(duì)類比推理的推廣并建立的一個(gè)可計(jì)算智能模型。在這個(gè)模型中, 首先需要從個(gè)體(源)提取多方面的屬性, 這些屬性構(gòu)成了在高維空間中的單個(gè)屬性維度。于是, 這個(gè)高維空間內(nèi)或者外的任何一點(diǎn), 都是這些屬性的變化和組合所對(duì)應(yīng)的一個(gè)嶄新對(duì)象, 即潛在的創(chuàng)新。該模型正是利用這種原理在不同的個(gè)體間建立聯(lián)系從而完成進(jìn)一步的生成, 這反映了本研究對(duì)于創(chuàng)造性思維本質(zhì)的推測(cè)。同時(shí), 這個(gè)模型借助于抽象思維的符號(hào)推理方式, 由類比源定義出推理的基準(zhǔn)空間,成功地將形象思維的因素轉(zhuǎn)化到可計(jì)算的模型中去, 第一次實(shí)現(xiàn)了形象思維的可計(jì)算化。

泛化上述模型, 當(dāng)這個(gè)空間維度很高, 超出人類想象能力的時(shí)候, 這樣的生成物就是潛在的創(chuàng)造。潛在創(chuàng)造產(chǎn)品的數(shù)目呈組合爆炸, 但是并非每個(gè)潛在結(jié)果都是可用的, 因此人類世界的真實(shí)發(fā)明創(chuàng)造, 就是在潛在結(jié)果上加了一定篩選標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果。在這樣的意義上, 高維空間內(nèi)的有意義發(fā)現(xiàn)就意味著創(chuàng)造。因此, 多源類比推理模型, 可以說是一個(gè)對(duì)創(chuàng)造性過程的抽象和簡化。但此類關(guān)于創(chuàng)造性思維的研究, 更多的是從人工智能及其在創(chuàng)造性設(shè)計(jì)中的應(yīng)用的角度出發(fā)的, 并沒有從基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)角度去揭示人類大腦的創(chuàng)造性思維本質(zhì)。

這個(gè)可計(jì)算的模型使得 CAD進(jìn)行創(chuàng)造性設(shè)計(jì)成為可能。根據(jù)這個(gè)可計(jì)算的智能CAD理論模型,本研究開發(fā)了一個(gè)人臉臉譜設(shè)計(jì)的智能CAD系統(tǒng),其中包括兩種任務(wù), 一種是無限制的自由人臉創(chuàng)作,另一種則是帶有限制條件的設(shè)計(jì)(范曉芳, 2012)。同時(shí)開發(fā)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)磁共振兼容的心理學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái), 讓被試參與進(jìn)行創(chuàng)造性設(shè)計(jì)過程, 同時(shí)使用磁共振掃描儀對(duì)被試的腦功能圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采集。通過分離實(shí)驗(yàn)過程中與創(chuàng)造性相關(guān)的活動(dòng)片斷并關(guān)聯(lián)與之對(duì)應(yīng)的腦圖像數(shù)據(jù), 定位相關(guān)的激活或抑制腦區(qū), 分析和建立創(chuàng)造性思維腦活動(dòng)的神經(jīng)回路模型。這樣的嘗試將是方法學(xué)上的一個(gè)創(chuàng)新, 可能為創(chuàng)造性思維的神經(jīng)成像研究開辟一個(gè)新的領(lǐng)域和方向, 使得創(chuàng)造性思維的神經(jīng)成像研究獲得一個(gè)新的途徑, 填補(bǔ)該領(lǐng)域研究的部分空白。

根據(jù)以往的研究, 自由創(chuàng)作設(shè)計(jì)與限定條件的設(shè)計(jì)相比(Limb & Braun, 2008; Gilbert et al., 2010),更加顯著地激活了前額葉, 因此本研究假設(shè)：人臉設(shè)計(jì)中, 自由創(chuàng)作會(huì)更多地激活前額葉。此外, 先前研究也發(fā)現(xiàn), 藝術(shù)創(chuàng)作中顳頂區(qū), 邊緣系統(tǒng)等腦區(qū)也會(huì)參與, 因此本研究假設(shè)：人臉設(shè)計(jì)自由創(chuàng)作中, 顳葉與創(chuàng)造性思維有著密切聯(lián)系, 可能會(huì)不斷產(chǎn)生新穎觀點(diǎn); 邊緣系統(tǒng)可能會(huì)使被試產(chǎn)生強(qiáng)烈的創(chuàng)作欲望。

2 研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)fMRI實(shí)驗(yàn)在IFIS (Invivo, Orlando, FL)等控制系統(tǒng)中運(yùn)行 E-prime (http://www.pstnet.com/eprime.cfm)程序, 作為實(shí)驗(yàn)的刺激程序。但是E-prime無法滿足復(fù)雜程序的編寫要求。因此本研究用C語言編寫了基于智能CAD的“三源類比人臉生成系統(tǒng)”, 并搭建了一個(gè)與磁共振儀器兼容的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。三源類比人臉生成系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境是Microsoft Windows 7.0, 編譯軟件是 Visual studio 2008, 共分為兩個(gè)部分。

第一部分：建立人臉圖片數(shù)據(jù)庫。本系統(tǒng)選用大量的真實(shí)照片, 在照片上對(duì)五官, 臉型等要素進(jìn)行特征點(diǎn)標(biāo)注, 進(jìn)而生成一張二維線框圖, 作為實(shí)驗(yàn)素材在實(shí)驗(yàn)中呈現(xiàn)給被試, 是生成結(jié)果的類比源。這部分工作由主試在實(shí)驗(yàn)前提前完成(圖1)。

圖1 三源類比人臉生成系統(tǒng)的人臉類比源采集功能模塊注：導(dǎo)入人臉圖片后, 選擇要進(jìn)行標(biāo)注的部位, 然后在左側(cè)圖片上, 按順時(shí)針或者逆時(shí)針一次點(diǎn)擊該部位的輪廓,直至閉合, 此時(shí)右側(cè)界面會(huì)同步顯示點(diǎn)擊到的特征點(diǎn),并用平滑曲線將特征點(diǎn)連接起來, 所有部位標(biāo)注完畢,即形成一張完整的人臉圖片, 并保存, 供后續(xù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中作為類比源選取使用。

第二部分：三源類比人臉生成。選取圖片庫中的3張人臉圖片, 以這 3張圖片作為類比源, 這些類比源都具有不同的臉型, 長短不一的頭發(fā), 粗細(xì)不同的眉毛, 大小不一的眼睛, 高挺不同的鼻子, 厚薄大小均不同的嘴巴, 分別對(duì)構(gòu)成人臉的五官等屬性的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)和組合, 生成一張新的人臉(圖2)。

通過改造, 成功搭建了適用于本實(shí)驗(yàn)的硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(圖 3), 使得刺激程序可以在掃描室外的一臺(tái)筆記本電腦上運(yùn)行, 信號(hào)同步到掃描儀內(nèi)的顯示器上, 呈現(xiàn)給被試, 被試的反應(yīng)則通過自制的簡易小鍵盤進(jìn)行收集。整個(gè)過程主試可以通過掃描室外的電腦全程監(jiān)控被試的操作過程, 行為數(shù)據(jù)也將被記錄在這臺(tái)電腦上。

以往對(duì)創(chuàng)造性思維神經(jīng)機(jī)制的研究中, 基于任務(wù)模式的研究通常會(huì)采用將創(chuàng)造性任務(wù)與一般認(rèn)知任務(wù)進(jìn)行對(duì)比的范式。Gilbert等(2010)在 Goel和Grafman (2000)對(duì)腦損傷病人的研究基礎(chǔ)上對(duì)范式提出了進(jìn)一步的發(fā)展, 對(duì)同一任務(wù)的完成要求進(jìn)行兩種不同的變式, 分別成為“problem-solving task”和“ill-structure design task”。具體而言, 任務(wù)均為對(duì)一個(gè)房間進(jìn)行布置,“problem-solving task”中設(shè)定了各種限制條件, 如“長的桌子要和大屏幕平行; 房間中入座的每個(gè)人要能看得到對(duì)方; 所有的家具都必須被使用上”等這樣的指導(dǎo)語, 要求設(shè)計(jì)方案滿足這些條件;“ill-structure task”則不進(jìn)行具體限定, 只給定一些諸如“房間要寬敞; 房間可以用來集會(huì)、討論”等模糊的指導(dǎo)語, 要求被試自由發(fā)揮制定設(shè)計(jì)方案。這種范式從更多的維度上保證了兩種任務(wù)的同質(zhì)性, 更加單純地分離出了即興創(chuàng)作和設(shè)計(jì)的成分。據(jù)此范式, 結(jié)合本研究的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)了兩種不同的實(shí)驗(yàn)任務(wù)：

圖2 三源類比人臉生成系統(tǒng)的人臉設(shè)計(jì)生成功能模塊

圖3 三源類比人臉生成系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)硬件平臺(tái)

(1)基于 open-ends 的創(chuàng)造型人臉生成任務(wù)(Design Task)：在創(chuàng)造型人臉生成任務(wù)中, 被試的任務(wù)即是根據(jù)界面中給出的三幅類比源圖片, 完全根據(jù)自己的審美即興發(fā)揮, 進(jìn)行自由調(diào)節(jié)和組合,生成一張新的人臉圖片。

(2)基于problem solving 的條件型人臉生成任務(wù)(Control Task)：在條件型人臉生成任務(wù)中, 主試將事先使用多組圖片進(jìn)行調(diào)節(jié)、組合, 生成新圖片,主試生成好的圖片會(huì)在實(shí)驗(yàn)中呈現(xiàn)給被試, 被試的任務(wù)就是讓自己生成的圖片與給定的圖片盡量匹配和吻合。任務(wù)界面見圖4。

2.2 實(shí)驗(yàn)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采集了86張2寸彩色正面證件照, 男女各半, 通過對(duì)這些照片進(jìn)行特征點(diǎn)提取, 建立人臉圖片庫, 從中剔除五官相對(duì)位置偏差過大的圖片, 最后保留了60張圖片。使用這個(gè)圖片庫生成了45組design task和45組control task。召集41名被試參與了預(yù)實(shí)驗(yàn), 通過測(cè)量其任務(wù)完成時(shí)間對(duì)任務(wù)難度進(jìn)行匹配, 選定 12組 design task和 12組 control task。實(shí)驗(yàn)過程中各組任務(wù)的圖片不會(huì)重復(fù)出現(xiàn)。

圖4 三源類比人臉生成系統(tǒng)的任務(wù)界面

2.2.2 被試

23名(17女, 6男)在校大學(xué)生作為有償被試參加了實(shí)驗(yàn), 其中15人的數(shù)據(jù)最終有效。其余8組數(shù)據(jù)因?yàn)轭^動(dòng)過大被剔除。被試均為右利手, 雙眼視力或矯正視力正常, 無精神病或神經(jīng)系統(tǒng)疾病史。所有被試均事先簽署知情同意書。本研究得到了華東師范大學(xué)倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)。

2.2.3 fMRI實(shí)驗(yàn)要素

本研究采用的是組塊式實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(block design)。刺激呈現(xiàn)流程如圖5所示。通過預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 要?jiǎng)?chuàng)作出一幅自己滿意的人臉, 被試至少需要120 s。為了讓被試在給定任務(wù)下, 一直處于思考和創(chuàng)作狀態(tài), 每個(gè)任務(wù)的時(shí)間設(shè)定為120 s。

圖5 刺激呈現(xiàn)流程

2.2.4 實(shí)驗(yàn)流程

第一階段：任務(wù)學(xué)習(xí)階段。

被試在正式掃描開始前將先在準(zhǔn)備室里對(duì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)進(jìn)行學(xué)習(xí)。主試向被試講解任務(wù)以及程序的操作方法等, 練習(xí)用程序與正式掃描所用程序是相同的,但圖片不同, 任務(wù)數(shù)量不同。練習(xí)時(shí)圖5的過程會(huì)重復(fù)2次, 每次之間會(huì)有30 s的休息時(shí)間。被試需分別熟悉這兩種任務(wù)和整個(gè)實(shí)驗(yàn)的流程, 以確保在進(jìn)入正式掃描之前已完全明確任務(wù)的內(nèi)容。

第二階段：正式掃描階段。

被試在練習(xí)結(jié)束后將進(jìn)入掃描室進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)。正式實(shí)驗(yàn)時(shí)圖5的過程會(huì)重復(fù)4次, 每次之間有30 s的休息時(shí)間。整個(gè)調(diào)節(jié)過程中的數(shù)據(jù)以及最后生成的圖片都將被記錄在掃描室外的電腦內(nèi)。全程共35.5 min。

2.3 數(shù)據(jù)的收集與采集

2.3.1 數(shù)據(jù)采集

圖像數(shù)據(jù)通過西門子 3.0T磁共振掃描儀采集獲得。結(jié)構(gòu)圖像 3D-T1 MPRAGE序列, 主要參數(shù)如下, 層數(shù)：矢狀面192層, 層厚：1 mm, 層間距：0.5 mm, 重復(fù)時(shí)間2530 ms, 回波時(shí)間：2.34 ms, 視野大?。?56 mm × 256 mm, 采集矩陣：256×256, 采集時(shí)間：6.03 min。fMRI采用T2*加權(quán)的平面回波EPI序列, 主要參數(shù)如下, 層數(shù)：橫斷面 33層, 層厚：4 mm, 層間距：0.8 mm, 采集矩陣：64×64, 重復(fù)時(shí)間：2000 ms, 回波時(shí)間：30 mm, 傾倒角：90°,視野大?。?30 mm × 230 mm, 采集時(shí)間：35.5 min。

2.3.2 數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)

對(duì)fMRI 數(shù)據(jù)的分析通過SPM8 (http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)完成;

(1)預(yù)處理：基本步驟按先后順序如下：(a)層間時(shí)間校正, 為了校正大腦不同層采集時(shí)間的延遲;(b)頭動(dòng)校正, 用來校正掃描過程中大腦的剛體運(yùn)動(dòng), 任意方向平動(dòng)大于 2.5 mm或者轉(zhuǎn)動(dòng)大于 2.5°被定義為頭動(dòng)過大; (c)空間標(biāo)準(zhǔn)化, 把頭動(dòng)校正后的功能像歸一化到 Montreal Neurological Institute(MNI)標(biāo)準(zhǔn)空間; (d)空間平滑, 采用半高寬為6 mm的各項(xiàng)同性平滑核。

(2)統(tǒng)計(jì)分析：個(gè)體分析：首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和預(yù)處理后的 fMRI數(shù)據(jù)進(jìn)行矩陣設(shè)計(jì), 然后根據(jù)GLM 模型對(duì)此矩陣進(jìn)行參數(shù)估計(jì), 再通過設(shè)計(jì)對(duì)比度(contrast) (design task>control task)和 t-test得到相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖(對(duì)比度圖和 t值圖), 最后對(duì)個(gè)體的t值圖設(shè)置閾值(如

p

<0.001, cluster size=10)從而得到在該對(duì)比條件下個(gè)體的激活圖。組分析：利用每個(gè)個(gè)體的對(duì)比度圖進(jìn)行組分析, 采用的是雙尾單樣本t檢驗(yàn), 閾值為

p

<0.01且激活團(tuán)塊大于40個(gè)體素(經(jīng)過AlphaSim校正

p

<0.05, 平滑核FWHM= 6 mm, 采用全腦mask), 其中AlphaSim校正是聯(lián)合單體素的概率閾值(

p

值)和最小團(tuán)塊(體素個(gè)數(shù)),采用蒙特卡羅(Monte Carlo)模擬的方法來確定聯(lián)合閾值(http://afni.nimh.nih.gov/pub/dist/doc/manual/AlphaSim.pdf)。從而得到在該對(duì)比條件下的組激活圖。

3 結(jié)果分析

進(jìn)行全腦分析發(fā)現(xiàn), 與 control task相比,design task更顯著地激活了如下腦區(qū)：內(nèi)側(cè)前額葉、右側(cè)額上回、右側(cè)顳上回、左側(cè)前扣帶回、雙側(cè)海馬、左側(cè)楔前葉、右側(cè)尾狀核等腦區(qū)(見表1, 圖6);

4 討論

通過這兩種任務(wù)的比較, 本研究希望分離出創(chuàng)造性思維中與即興創(chuàng)作相關(guān)的腦區(qū), 從而探索與創(chuàng)造力相關(guān)的神經(jīng)機(jī)制。

表1 Design Task>Control Task腦激活區(qū)

圖6 design task與control task相比腦區(qū)激活圖

研究結(jié)果顯示, 與一般任務(wù)相比, 即興發(fā)揮的創(chuàng)作任務(wù)更多地激活了包括內(nèi)側(cè)前額葉、顳上回、前扣帶回、海馬、楔前葉、尾狀核等這些腦區(qū), 提示創(chuàng)造性思維可能與額葉、顳葉、包括扣帶回和海馬等在內(nèi)的邊緣系統(tǒng)等多個(gè)腦區(qū)的活動(dòng)有關(guān), 這一結(jié)果與以往的研究報(bào)道相一致(Bhattacharya &Petche, 2005; Flaherty, 2005; Miller, 1998, 2004,2007)。本研究結(jié)果與Flaherty (2005)基于多例腦損傷病人研究報(bào)告以及部分神經(jīng)影像學(xué)研究報(bào)告所提出的創(chuàng)造力三因素模型完全吻合。該模型認(rèn)為創(chuàng)造力是由額葉、顳葉和邊緣系統(tǒng)三個(gè)腦區(qū)所形成的網(wǎng)絡(luò)彼此之間功能聯(lián)結(jié)的結(jié)果。

4.1 內(nèi)側(cè)前額葉與即興創(chuàng)作

本實(shí)驗(yàn)中使用即興發(fā)揮的自由創(chuàng)作任務(wù)與明確了限定條件的任務(wù)相比, 分離出了所謂皮層中線結(jié)構(gòu)(cortical midline structure, CMS)中的核心區(qū)域—— 內(nèi)側(cè)前額葉皮層(medial prefrontal cortex, 簡稱MPFC; BA9)的顯著激活。這一結(jié)果與Limb和Braun (2008)針對(duì)音樂家所進(jìn)行的爵士樂即興創(chuàng)作的研究結(jié)果十分吻合。該研究使用音樂的即興創(chuàng)作和過度學(xué)習(xí)兩種任務(wù), 同樣分離出了內(nèi)側(cè)前額葉在即興創(chuàng)作條件下的顯著激活。本實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果在某種程度上支持了他們的推論, MPFC在即興創(chuàng)作任務(wù)中表現(xiàn)為明顯激活, 可能與即興創(chuàng)作高度相關(guān)。

盡管與Limb和Braun (2008)的研究結(jié)果出現(xiàn)了如此驚人的相似, 但由于缺乏與更多成果的比較,對(duì)于 MPFC在即興創(chuàng)作活動(dòng)中的作用機(jī)制尚不能定論。但新近已經(jīng)開始出現(xiàn)了關(guān)于默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)(default mode network, DMN)與創(chuàng)造性思維關(guān)系的研究, 主要是來自日本的 Takeuchi等(2012)針對(duì)DMN與創(chuàng)造力之間的關(guān)系進(jìn)行的研究, 研究并非基于任務(wù)模式, 而是直接測(cè)量了發(fā)散性思維能力的高低與DMN網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系, 結(jié)果顯示可能存在高度相關(guān)。亦有一些其它有關(guān)創(chuàng)造性思維的研究證實(shí) DMN可能在創(chuàng)造力中扮演重要角色(Fink,Grabner, et al., 2009; Fink, Graif, & Neubauer, 2009;Fink et al., 2010, 2012)。盡管目前對(duì)于DMN網(wǎng)絡(luò)的功能尚無定論, 但有不少學(xué)者認(rèn)為其與內(nèi)省思維(introspective thought)、自我意識(shí)密切相關(guān)(Buckner,Andrews-Hanna, & Schacter, 2008; Gusnard,Akbudak, Shulman, & Raichle, 2001)。DMN與前文述及的皮層中線結(jié)構(gòu)部分重合, 且 MPFC同樣是DMN中的核心結(jié)構(gòu), 因此本研究認(rèn)為MPFC與對(duì)內(nèi)在信息的加工與表征有關(guān), 在即興創(chuàng)作活動(dòng)中其作用表現(xiàn)為使得個(gè)體更多地傾向于對(duì)內(nèi)在信息的提取與加工, 較少地依賴外界的刺激, 而較多依靠來自內(nèi)部的進(jìn)行自我表達(dá)的驅(qū)動(dòng), 是一種自上而下的加工過程。

4.2 顳葉與創(chuàng)造性思維

本研究還觀察到了右側(cè)顳葉在兩種任務(wù)中激活模式的顯著性差異。這與以往的研究認(rèn)為顳葉與創(chuàng)造性思維尤其是藝術(shù)創(chuàng)造力有密切關(guān)系相一致(Flaherty, 2005; 沈汪兵, 劉昌, 王永娟, 2010)。

對(duì)于顳葉與創(chuàng)造性思維之間關(guān)系的研究, 最早始于一些神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病例報(bào)告。如梵高、陀思妥耶夫斯基都曾患有的“多寫癥” (Flaherty, 2005),Rankin等(2007)報(bào)告的語義癡呆癥患者非言語創(chuàng)造力也受到了損害, 在藝術(shù)創(chuàng)造力上表現(xiàn)也很差,都提示顳葉可能與創(chuàng)造性思維有某種必然的內(nèi)在聯(lián)系。

后期的神經(jīng)影像學(xué)研究報(bào)告中, 創(chuàng)造性思維的藝術(shù)創(chuàng)造力、頓悟、發(fā)散性思維等方面的相關(guān)研究都曾提到過顳葉的功能。Bhattacharya和 Petsche(2005)對(duì)畫家和非畫家進(jìn)行的藝術(shù)畫創(chuàng)作實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了顳葉的激活; Fink, Graif和Neubauer (2009)針對(duì)舞蹈家進(jìn)行的舞蹈創(chuàng)作研究中亦發(fā)現(xiàn)了顳葉的激活; 羅勁(Luo, 2004; Luo & Zhang, 2006; Luo &Niki, 2003; Luo, Niki, & Phillips, 2004; Mai, Luo,Wu, & Luo, 2004)等人的團(tuán)隊(duì)通過對(duì)謎語的研究提出了頓悟的神經(jīng)機(jī)制模型, 其中包括了顳葉。Jung-Beeman等人(2004)通過對(duì)頓悟的研究發(fā)現(xiàn),在問題的開始階段和最后頓悟發(fā)生前的0.3 s, 在右側(cè)顳葉都觀察到了明顯的激活。他們據(jù)此推測(cè)右側(cè)顳葉負(fù)責(zé)在原本不相關(guān)的信息間建立聯(lián)系。以發(fā)散性思維作為任務(wù)的研究中同樣報(bào)告了顳葉與高發(fā)散性思維任務(wù)得分的相關(guān)(Fink, Grabner, et al.,2009; Chávez-Eakle, Graff-Guerrero, García-Reyna,Vaugier, & Cruz-Fuentes, 2007)。

因此本研究推測(cè)顳葉主要與創(chuàng)造性活動(dòng)中在原本不相關(guān)的信息間建立聯(lián)系, 不斷地生成新的觀點(diǎn)有關(guān)。以往研究證明, 顳葉中回涉及言語工作記憶, 任務(wù)切換, 想象和幻想(Bechtereva et al.,2004)。想象和幻想都是有利于大腦不斷生成新觀點(diǎn)的, 而任務(wù)切換則可能與頓悟中顳葉的作用有關(guān)。據(jù)此, 可推測(cè)顳葉提供了創(chuàng)造性思維過程中所必需的認(rèn)知靈活性, 負(fù)責(zé)不斷生成新穎性的觀點(diǎn)并增強(qiáng)新穎性觀點(diǎn)的品質(zhì)。這與Flaherty (2005)所提出的創(chuàng)造力三因素解剖模型中對(duì)于顳葉在創(chuàng)造性思維中功能的表述也基本一致。

本研究中出現(xiàn)的顳葉在創(chuàng)作活動(dòng)中的右腦單側(cè)化優(yōu)勢(shì), 這里套用沈汪兵等(2010)的“大腦兩半球相互作用說” (Jung-Beeman, 2005)對(duì)其進(jìn)行解釋?！按竽X兩半球相互作用說”認(rèn)為藝術(shù)創(chuàng)作力表現(xiàn)出更多的右側(cè)優(yōu)勢(shì)可能是由于大腦右側(cè)存在大面積的語義網(wǎng)絡(luò), 而左側(cè)只存在一些零散的語義網(wǎng)絡(luò),同時(shí)該理論還認(rèn)為右半球較左半球具有更高的互相連通性(interconnectivity), 可能也是右半球在創(chuàng)造力中發(fā)揮優(yōu)勢(shì)作用的原因之一。

4.3 邊緣系統(tǒng)與創(chuàng)造性思維的關(guān)系

本研究數(shù)據(jù)結(jié)果還顯示前扣帶回、雙側(cè)海馬、尾狀核等邊緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在兩種任務(wù)中的差異表現(xiàn),由此推測(cè)這可能與前人研究中提到的邊緣系統(tǒng)在藝術(shù)創(chuàng)作中的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)作用有關(guān)(Limb & Braun,2008; Flaherty, 2005)。Limb認(rèn)為這其中的交互關(guān)系還有待進(jìn)一步的研究, 并未做出明確解釋。Flaherty(2005)則認(rèn)為多巴胺通過邊緣系統(tǒng)作用于大腦, 使大腦產(chǎn)生更強(qiáng)烈創(chuàng)作動(dòng)機(jī)和欲望, 以維持創(chuàng)造性行為。據(jù)此, 本研究推測(cè)可能是在自由發(fā)揮的即興創(chuàng)作任務(wù)中, 個(gè)體的創(chuàng)造動(dòng)力驅(qū)動(dòng)會(huì)表現(xiàn)得更強(qiáng), 因此邊緣系統(tǒng)表現(xiàn)出比普通任務(wù)更強(qiáng)的激活。

實(shí)驗(yàn)表明本研究開發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)充分適用于功能磁共振成像實(shí)驗(yàn)及創(chuàng)造性活動(dòng)神經(jīng)機(jī)制的研究。使用該平臺(tái)較好地克服了功能磁共振成像的實(shí)驗(yàn)條件限制, 該模型亦較好地模擬了創(chuàng)造和生成的過程, 預(yù)期以該模型為原理進(jìn)行各種變式, 可以開展更多針對(duì)不同類型創(chuàng)造及設(shè)計(jì)活動(dòng)的研究, 將針對(duì)創(chuàng)造性活動(dòng)神經(jīng)機(jī)制的研究拓展到更多的領(lǐng)域且能使實(shí)驗(yàn)任務(wù)具有更高的生態(tài)效度。

此外, 這也是首次將人類思維的神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)研究與人工智能的研究成果相結(jié)合的大膽嘗試。類似創(chuàng)造性思維這樣復(fù)雜高級(jí)的思維過程, 需要進(jìn)行多學(xué)科跨領(lǐng)域的交叉研究, 才能取得更大的突破。當(dāng)然這也同時(shí)有賴于更加先進(jìn)的成像技術(shù)以及數(shù)據(jù)處理手段, 以期獲得更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)而逐步建立真實(shí)的人類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。本文是進(jìn)行本項(xiàng)目研究的第一個(gè)初步的探索性報(bào)告, 尚未提取關(guān)鍵認(rèn)知過程相關(guān)的大腦激活信號(hào)。我們目前正在進(jìn)行的第二步分析工作, 就是根據(jù)記錄的被試反應(yīng)如按鍵信息, 進(jìn)一步細(xì)致分析和挖掘關(guān)鍵點(diǎn)再進(jìn)行分析。無論如何, 希望這樣的嘗試能夠是一個(gè)良好的開端, 為后面的更進(jìn)一步工作走出開創(chuàng)性的一步。

5 結(jié)論

本研究在方法學(xué)上做出了創(chuàng)新和大膽嘗試。通過將人工智能輔助設(shè)計(jì)研究成果—— 類比生成模型與創(chuàng)造性思維神經(jīng)機(jī)制研究相結(jié)合, 開發(fā)出適用于磁共振儀器使用的“三源類比人臉生成”實(shí)驗(yàn)平臺(tái), 對(duì)即興創(chuàng)作人臉生成和條件限定人臉生成兩種任務(wù)引起的腦激活進(jìn)行比較, 結(jié)果顯示：與限定型生成任務(wù)相比, 即興創(chuàng)作任務(wù)顯著激活了包括內(nèi)側(cè)前額葉、顳上回、前扣帶回、海馬、楔前葉、尾狀核這些腦區(qū)。其結(jié)果與“創(chuàng)造力三因素解剖模型”相吻合。內(nèi)側(cè)前額葉可能與即興自由創(chuàng)作中更多的對(duì)自我信息的表征有關(guān), 顳葉可能與不斷產(chǎn)生和輸出新穎性的觀點(diǎn)有關(guān), 邊緣系統(tǒng)則可能主要與創(chuàng)造性活動(dòng)中的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)作用有關(guān)?？偟膩碚f, 創(chuàng)造性思維是多個(gè)腦區(qū)同時(shí)參與的高度分布式加工的結(jié)果。

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