從困境到超越：頓悟的腦機制研究

摘要在1913~1920年間，德國心理學家苛勒進行了有關頓悟的經典實驗。苛勒發現挑戰了當時占主導地位的“嘗試-錯誤”學習理論，表明問題解決行為可以以一種突發的形式產生，并在一瞬間獲得對于問題情境的全新的思考和把握。但是直到最近心理學家才開始逐漸認識頓悟的大腦機制。該文介紹了近期圍繞頓悟過程開展的腦成像研究，介紹了有關的研究方法，并討論了參與頓悟過程的各個關鍵腦區的功能。

關鍵詞頓悟，問題解決，腦成像。

分類號B842

2000年，在艾森克和基恩出版的《認知心理學》（第四版）中作者指出：“令人遺憾的是，對頓悟問題的認知神經心理學研究是出奇的少”[1]。但這個狀況在其后的幾年間發生了明顯的改變：2003年我們在Hippocampus雜志上發表了第一項有關人類頓悟過程的腦成像的研究[2]，并在其后采用高空間分辨率的功能核磁共振成像技術（fMRI）和高空間分辨率的事件相關電位技術（ERP）取得了相互印證的結果[3，4]；2004年美國西北大學Mark Jung-Beeman的研究小組也在PlosBiology雜志上報告了他們關于頓悟的研究腦成像實驗[5]，并在Trends in Cognitive Sciences雜志上發表了有關理論綜述[6]。這些事件說明，人們已經啟動了對于頓悟的大腦過程的科學探索。

上述進步主要得益于當代腦成像技術的出現和使用。但從以fMRI為代表的腦成像技術的大規模蓬勃開展到有關頓悟的腦機制研究的出現經歷了大約5~7年的時間，這其中的原因，除了大多數認知心理學家在腦成像技術出現的最初幾年并未運用此類技術之外，頓悟問題本身的一些特性也在一定程度上阻礙了腦成像技術的使用。首先，腦成像技術一般要求所檢測的心理事件在有限的特定時間之內發生，而在自然狀態下，對頓悟的問題的思考時間是不確定的，頓悟發生的時間點也不可預期，有的問題只需要思考幾秒鐘便能頓悟，有的問題可能需要幾天甚至幾年的時間才能解決。其次，目前的腦成像研究要求采用多次心理事件疊加的方法以保證信號提取的有效性，但經典的頓悟問題只有蠟燭問題、雙繩問題、九點問題和六火柴問題等非常有限的幾個。

因此，如何在有限的時間之內誘發多次頓悟是利用腦成像技術研究頓悟的關鍵。目前，有兩種實驗“多事件”頓悟范式被用來研究頓悟的大腦機制。一是我們所采用的“謎語法”[2]，這種方法以傳統的謎語作為實驗材料（比如：“你殺死了她，卻得流你自己的血”——謎底：蚊子），通過向被試呈現標準答案來催化頓悟過程，實驗先用預備測驗篩選那些人們能理解但卻不能解答的謎語作為實驗材料，然后在腦成像掃描中，先向被試呈現事先選好的謎面使之進入對特定問題的思索狀態，而后呈現答案以促成瞬間的“啊哈！”效應。除“謎語法”之外，還有Jung-Beeman等所采用的“詞語法”[5]。實驗給被試三個互不相干的詞，比如pine（松樹），crab（螃蟹），sauce（調味料），要求被試找到一個詞，這個詞與上述的三個詞中的無論哪一個結合在一起，都能夠形成一個常見的合成詞或者短語，比如apple（蘋果）與上述的三個詞結合，會產生pineapple（菠蘿），crab apple（山楂）和apple sause（蘋果醬）。研究發現，被試在解決有些項目時，會產生“啊哈!”反應。研究者根據被試的評判，將成功解答的項目分成兩類，一類項目被試在解決的時候伴隨有“啊哈!”反應，而另外一類則不伴隨有“啊哈!”反應。考慮到被試做出按鍵反應的時刻其實是在頓悟發生以后，因此，研究者將頓悟發生的時間點鎖定在按鍵反應前的幾秒。

上述兩種方式各有利弊。Jung-Beeman等的“詞語法”的優點是研究了人們自發的頓悟過程，但缺點是這種方法所研究的頓悟并不包含明顯的問題重構過程。重構一直被認為是判斷頓悟出現與否的最基本的指標，理論家Weisberg指出[7]，要判斷一種認知任務是否涉及頓悟過程，應該在問題解決者最初對問題的解答與最終的正確解答之間進行比較。一個包含頓悟過程的認知任務必須至少滿足（1）最終的正確答案與最初的解答不同，（2）最終的正確答案是通過一個重構過程而獲得的，（3）這個重構過程是唯一的獲得正確答案的途徑。從這個標準看“詞語法”不是理想的頓悟任務，因為其中所包含的重構過程并不明顯。而且，研究者只能從被試主觀報告的時刻（按鍵反應）反過來逆推頓悟實際發生的時間，這也并不完全適合對心理事件發生的時間點要求較高的事件相關分析方法。

而我們所采用的“謎語法”避免了“詞語法”的上述兩個缺陷，比如，對于大多數未能自行解決的謎語，被試在看到標準答案之后，將他們失敗的主要原因歸結為“想到另外一個方面去了”[3]，這說明在謎語解決過程中被試最初的想法與最后的解決存在根本的不同，這樣就確保了重構過程的存在。但“謎語法”的缺點在于被試無需自己尋求問題的正確答案，而只需領悟直接提供給他們的正確答案，傅小蘭認為這更像是一種領悟過程而非頓悟過程[8]。

因此，人們目前實際上還沒有發明出一種較理想的實驗設計利用腦成像技術研究頓悟的大腦過程。較理想的頓悟研究設計應該滿足以下幾個條件：（1）在特定的時間內令被試多次產生頓悟；（2）每次頓悟都包含明顯的認知上的重構過程；（3）每次頓悟都激起“啊哈！”反應；（4）頓悟最好是自發產生的；（5）能夠有一種與頓悟過程相匹配的參照性的認知過程，這個過程除了關鍵的地方（比如重構過程和“啊哈！”反應）與頓悟不同之外，其它方面與頓悟十分接近。

下面，本文將介紹一些我們采用謎語法研究頓悟的腦機制的發現。

1 頓悟究竟有多特殊？

有兩種觀點可能潛在地否認將頓悟作為科學心理學研究對象的合理性。一是將頓悟視為“神啟”，認為頓悟不是由人腦自己產生的，而是由超自然或者超常規的力量賦予的，這就使得頓悟在理論上變成了一種心靈感應而難以被研究。另一種觀點則與此相反，它認為頓悟同其它問題解決過程相比并無特殊之處，主張人們解決頓悟問題無非是在以前的知識和技能的基礎上作一些修改，使之適合當前的問題情境而已。首先，研究發現在解決“九點問題”時，向其提供關鍵性的提示（“這個問題只有在把直線畫出九點矩陣所圈定的框子以外時才能解決”）其實并不能有效地促成問題的解決，相反，如果讓被試做與此問題高度類似的練習，則他們解決此問題的可能性就會大得多。其次，對于這樣一個問題：“有人想向一位商人出售一枚精美的古代青銅錢幣，錢幣的正面是一位皇帝的頭像，反面寫著‘公元前554年’，這位商人看了一下錢幣，便斷定它是假的，這是為什么？”很多人都能順利地解決這個問題，但研究者觀察到大部分人在意識到生活在公元前的人其實并不能預知在他們的未來會有這樣的紀年方式時，并沒有表現出通常所說的“啊哈!”感。第三，曾有人用計算機模型成功地模擬了各領域重大科學發現的產生過程，而有趣的是研究者所使采用的僅是用以解決普通問題的常規程序，并未加入任何新的因素，這說明突破性發現的產生似乎無須新的認知成分參與。

但堅持頓悟過程特殊性的研究者則不同意上述的觀點，他們的反駁包括：（1）人們在解決“九點問題”時所遇到的困難是多重的，單一的提示并不足以提供有力的幫助。Kershaw和Ohlsson新近的實驗證明[9]，要解決“九點問題”，被試不但要能夠在沒有黑點的空白處讓直線拐彎，還要能夠想象出在成功解決時四條直線所構成的形狀——一個類似箭頭的圖形，實驗證實，如果只提供給被試針對其中某一種障礙的訓練，則被試成功解決問題的可能性并沒有多大提高，而如果提供給被試能幫助其克服多重困難的復合訓練，則被試解決問題的可能性就大大地增加了。（2）對于“古幣問題”的研究，一個直接的反駁是“古幣問題”不包含重構過程，要解決這個問題的解決，被試只需仔細審視謎面上所提供的信息即可，因此這并不是一個典型的頓悟問題。（3）對于用計算機程序模擬重大科學發現的研究，其中的問題在于人們首先必須預先定義某個初始狀態，并制定一系列的運算原則，進而令程序運轉而獲得結果。但人們事實上無法保證他們為計算機所設立的初試狀態以及定義問題的方式與那些科學家在做出重大發現的當時的問題表征方式是一樣的，因而也就無法推知那些重大發現的做出是否借用了非同一般的認知過程。

迄今為止，有關是否存在一個獨特的頓悟式問題解決過程的證據重要來自以下的幾個方面：（1）做出重大科學發現、技術發明以及藝術杰作的科學家與藝術家的內省報告；（2）廣泛的有關動物與兒童的問題解決過程的實驗觀察；（3）頓悟式問題解決過程可能具有一些有別于常規問題解決的認知特性，其中最為突出的有兩點，一是頓悟過程不易用言語來表達[10]，二是頓悟過程的來臨不受元認知機制的有效監測[11]。

從嚴格的意義上講，要在研究中確切地檢驗頓悟過程是否存在特殊之處，那么必須至少包含“頓悟”與“非頓悟”兩種條件，并在這兩種條件之間進行直接的比較。但事實上除了少數例外（如在Metcalfe的研究中比較了頓悟問題與非頓悟問題的元記憶監控特征[11]，而在Knoblich等的研究中比較了一般性運算中的火柴移動與組塊破解時的火柴移動的認知及眼動特征[12]），絕大部分有關頓悟的研究只是簡單地選取了一項或者多項經典的頓悟問題作為實驗材料，但并沒有包含供參照和對比的“非頓悟”的實驗條件，因此并不能很好地符合判決性實驗的標準。

圖1. 參與“頓悟”事件與“非頓悟”事件共同激活的腦區（上）與只在“頓悟”事件中激活的腦區（下）。

與此不同，腦成像研究允許我們直接比較“頓悟”與“非頓悟”兩種條件下的腦活動模式，通過比較“頓悟”與“非頓悟”所激活的神經網絡，我們可以初步推測頓悟過程是否存在特殊之處：如果“頓悟”與“非頓悟”在大腦內所激活的神經網絡重疊較大，那么頓悟過程是否存在特殊之處的可能性就較小，反之，如果這兩者大腦內所激活的神經網絡重疊較小，那么頓悟過程是否存在特殊之處的可能性就較大。我們的結果發現，“頓悟”與“非頓悟”的心理事件共同激活的神經網絡主要包括扣帶前回、內側前額葉、右側前部顳中回、雙側的后部顳中回以及扣帶后回等。而只參與“頓悟”但不參與“非頓悟”的神經網絡包括內側前額葉和左側的后部顳中回（圖1）。這表明：“頓悟”與“非頓悟”的心理事件在大腦內所激活的神經網絡重疊較大，在頓悟中被特異性地激活的腦區幾乎仍然落在“頓悟”與“非頓悟”的共同腦神經網絡之內。這說明頓悟思維與常規思維相比較，既有特殊之處，又有共同之處，而兩種思維之間的共性明顯大于特性。

2 參與頓悟的關鍵腦區

目前，已經被觀察到的參與頓悟的大腦區域包括海馬、前扣帶回、背側和腹側前額葉，以及右側前部的顳葉等，但對于這些大腦活動在頓悟中的認知功能，人們只能依賴相關資料來推測。比如，我們的研究和Jung-Beeman等人的研究都觀察到了海馬在頓悟中的活動[2，5]，考慮到頓悟在理論上意味著在問題的各個關鍵概念或算子之間建立新異的任務相關的聯系，因此，我們推測海馬的功能可能與“表征聯結”或者“模式完成”有關。此外，海馬也有可能與在空間定向任務中的作用一樣，在思維的重新定向過程中發揮作用。

除海馬之外，另一個在頓悟中被觀察到的區域是右側前部的顳葉，這個區域的活動在“詞語法”實驗設計中被穩定地激活，腦電圖（EEG）分析顯示在頓悟前0.3秒處有一個突然發生的高頻γ波起源于上述位置，而Jung-Beeman等人認為，右側前顳區負責在原本不相關的信息之間建立聯系[5]。

美國西北大學研究小組的Kounios等人在最近的一項實驗中研究了頓悟的問題解決準備階段的腦活動[16]。在這項研究中，研究者所關注的問題是大腦處于怎樣的非特異性準備狀態時頓悟會發生。fMRI與EEG分析都顯示，在頓悟過程發生之前，負責認知控制的內側額葉以及負責語義加工的顳葉有明顯的活動。EEG顯示，與非頓悟過程對應的準備狀態，枕葉活動增強，對應于外部導向的視覺性注意的活動增強。這個結果提示可能存在一般性的準備機制調節問題解決策略。

現在研究最多的是額葉在頓悟中的功能。我們采用事件相關fMRI技術，研究了頓悟中思維定勢打破的腦機制[3]。實驗材料改編自Auble等曾使用的“啊哈謎語”，采用答案提示的方式引發頓悟。“啊哈謎語”中有一類無法用常規方式理解，因而需要思維定勢的打破，例如，“因為是一位專業人士替這位老人照的相，所以看不出來是誰”（X光片）；而另一類用常規的方式就能想到答案，如“因為白色的粉末放進咖啡里，所以咖啡變甜了”（白糖）。需要思維定勢打破的“啊哈謎語”中通常含有一個關鍵概念，這個概念具有一個優勢含義和一個弱勢含義，如“照相”通常指照片，很難想到會是X光片。人們必須舍其優勢含義而取弱勢含義才能頓悟，因此這個過程不可避免地包含一種認知沖突。以往的大量研究證據顯示，前扣帶回（ACC）參與執行功能，在如Stroop任務與Flanker任務中起到沖突檢測的作用，因此我們預期，在打破思維定勢過程中很有可能需要ACC的參與。在思維定勢打破過程中，不僅需要探測出認知沖突存在而且還需要解決這種沖突、在新、舊思路之間實現切換，這個過程類似于威斯康星卡片分類任務（WCST），因此，除ACC之外，思維定勢打破也會有左側前額皮層（PFC）的參與。

腦成像實驗結果驗證了上述假設：包含思維定勢打破的頓悟項目與不包含思維定勢打破的一般項目相比，有明顯的ACC與左側PFC的激活[3]。為進一步區分ACC與左側PFC的功能，依據被試理解答案時的困難程度，在數據分析中把頓悟項目分為容易的和困難的，發現ACC在頓悟項目上比非頓悟項目上的活動多，而在容易的頓悟項目與困難的頓悟項目上沒有差別；但左側PFC在困難的頓悟項目上的活動多于容易的頓悟項目上的活動，在容易的頓悟項目的活動又多于一般項目上的活動。因此我們認為雖然ACC與左側PFC都參與頓悟的心理定勢打破過程，但兩者的作用是分離的：ACC與沖突檢測有關，對沖突有無進行反應，對項目難度沒有反應；而左側PFC與沖突的解決有關，對項目難度進行反應。實驗還發現，如果將被試解決謎語的全部過程均等地分為早、中、后3個階段，則相對于靜息的參照狀態而言，早、中、后3個階段都伴隨有明顯的ACC的活動，但是，如果在中、后期階段與早期階段進行比較，則會發現早期階段所激發的ACC的活動明顯地要多于中、后期，這可能是因為在謎語解決早期階段，被試對謎語的構成規律所知甚少，所以呈現答案時需要ACC的早期參與來控制信息加工的流向。但隨著被試對題目的逐漸熟悉，他們有意識或者無意識地發展出某種信息加工策略來控制局面，從而逐漸降低了對于ACC的依賴。

在與上述研究平行的一項ERP研究中，我們發現[4]，頓悟項目與一般項目相減后的ERP差異波在答案提示呈現后的250~500ms，表現為一個明顯的N380成分；地形圖和電流密度圖顯示，N380在額中央區活動最強；偶極子源定位分析結果為N380起源于扣帶前回。我們認為，這一負波相當于對正確反應監控的N2波或對錯誤檢測的錯誤相關負波（ERN），由于頓悟過程從啟動到完成約2000ms左右，因此ACC的活躍當發生于頓悟啟動的早期階段，在思維定勢的打破過程中起到一個“早期預警系統”的作用。

最近，西南師范大學張慶林小組的邱江等人以謎底是單字的字謎任務作為實驗材料，采用ERP技術，研究了認知沖突的腦機制[13]。他們同樣采用呈現答案的方式催化頓悟過程，并區分了三種項目：引發頓悟的項目（答案），非頓悟的項目以及不能理解的項目。研究結果顯示，相對于非頓悟的項目，頓悟的項目和不能理解的項目都在250~400間引發了一個更加負性的偏移（N320），偶極子源定位分析顯示其起源于ACC，這說明ACC的活動實際上與被試是否能夠最終理解答案沒有關系，只要答案不是被試能預料到的，就會導致認知沖突并誘發ACC的活動。

而我們此前的一項研究也取得了與此一致的結果[14]。實驗采用謎語，其中的一組謎語為日本傳統的“同音謎語”（homo-phone riddles），其特點是用同音字法構成謎語，比如“著名的相撲士去神社祈禱，但卻只獲得15戰12勝的賽績，為什么?”答案是“參拜”（日語中“參拜”與“三敗”同音），因此被試知道其構成方式。而對于另外一組謎語，采用腦筋急轉彎問題作為材料，由于這類問題千變萬化，所以被試不知道其構成方式。結果表明，相對于靜息水平而言，左側在兩類謎語解決中的參與程度相當，但是ACC在腦筋急轉彎的解決中的活動卻明顯高于“同音謎語”的解決。這說明當問題解決者了解了頓悟性問題的結構并且發展出一般性的信息加工控制策略時，ACC 的活動會降低。

Reverberi等近期做了一項有趣的研究[17]，發現前額皮層損傷的個體在頓悟性的問題解決任務中的成績竟然好于正常控制組。這項研究基于Knoblich與Ohlsson的頓悟的表征轉換理論，以及Frith關于背外側前額皮層的“塑造反應空間”理論。Knoblich與Ohlsson認為，表征的改變可以通過放松限制來實現，而放松限制是指克服已有知識經驗、思維方式等的限制。“塑造反應空間”理論假設前額葉尤其是背外側前額在根據特定任務確定合適的反應過程中起重要作用，即外側前額皮層在選擇行為反應時具有一定偏好，會根據特定任務制定一系列反應。實驗預期前額皮層的損傷的個體相對于正常個體在頓悟性的問題解決任務中有更好的成績。采用Knoblich等人研究頓悟的火柴等式任務，如移動等式Ⅶ=Ⅶ+Ⅶ中的一根火柴使等式成立，答案為Ⅶ=Ⅶ=Ⅶ。研究結果支持研究者的假設，82%的前額皮層損傷的個體解決了困難的等式問題，而正常被試只有43%解決了困難的等式問題。外側前額皮層在問題解決過程中負責選擇合適的反應，因此限制了頓悟性的問題解決。這可能與前額皮層參與個體獲得認知技能獲得的學習過程有關。這一研究結果出人意料，但卻又在情理之中，我們知道，人的知識經驗往往是一把雙刃劍，一方面，能夠促進快速而有效的問題解決，另一方面，知識經驗可以形成思維定勢，阻礙問題的順利解決。

基于以上的證據，我們提出了一個有關思維定勢改變的一般假設[15]，認為對于在人們的信息加工策略控制范圍之內的思維定勢“轉移”（如WCST）而言，有PFC的參與就夠了，但對于在加工策略控制范圍之外的思維定勢的“打破”（即頓悟）而言，需要ACC與PFC的協同參與。但在時間進程上，ACC和內側額葉的活動可能啟動得較早，甚至可以發生在頓悟之前的醞釀階段；PFC可能在頓悟發生的后期階段才參與進來，它負責調動持續的信息加工資源用以穩定和放大瞬間即逝的靈感，但在頓悟發生之前和發生之初，PFC的作用可能會受到抑制，只有這樣，人們才能順利地從常規思維的束縛中解脫出來，放棄成見，獲得頓悟。

3 總結與展望

目前的研究基本明確頓悟活動涉及前扣帶回、額葉、顳葉、楔前葉以及海馬等廣泛腦區，并已獲得了一個粗略的、有關頓悟的腦機制框架，認為前扣帶回與額葉共同參與頓悟中思維定勢的打破過程；右側顳葉以及海馬參與頓悟過程中新異聯系的建立；而內側額葉和顳葉也有可能參與頓悟發生前夕的準備過程。

頓悟是一個多個系統共同參與協同完成的高級的復雜認知過程，對于頓悟的不同界定以及不同的研究方法無疑會得出不同的實驗結果和結論，但這種多樣化勢必有助于我們探索頓悟的本質以及頓悟的大腦機制。未來的認知神經科學關于頓悟的研究可能會圍繞下面幾個方向進行：一是明確各個腦區在頓悟過程中的交互作用的動態過程；二是發展多種頓悟性的問題解決任務，從多個方面探討頓悟過程（比如，張慶林研究小組最近嘗試的“原型激活模式”，就有可能同時具備“謎語法”與“詞語法”的優點）；三是如何促進頓悟過程。德國學者Wagner等人去年在英國Nature雜志上發表論文，證明睡眠可以促進頓悟的發生，他們比較了晚上睡覺或者不睡覺的人頓悟地解決問題的能力，結果發現晚上有充分睡眠的人比沒睡的人的頓悟能力要高。盡管Wagner等人根據我們在頓悟中觀察到海馬活動的研究結果[18]，推測是因為海馬在人的睡夢中的持續活動醞釀了新思維的產生，雖然我認為Wagner等的實驗程序并不能保證這個推測的有效性，但它至少說明保持清醒的頭腦和敏銳的思維能力，會幫助人們擺脫思維僵局、獲得頓悟。

當前，加強自主創新，建設創新型國家已經成為我們的國家目標，因此，研究創造性思維的認知與腦機制、探索如何在各個不同的領域促進創新與創造具有一定的現實意義。在創造性思維研究的各個課題中，頓悟式問題解決占有獨特而重要的地位。首先，頓悟是創造性思維的最關鍵的心理和認知環節之一，許多創新性的重大發明和發現都是通過頓悟過程而產生的；其次，與創造性思維領域的多數課題不同，頓悟式問題解決是一個比較容易客觀地量化的心理過程，便于在實驗室條件下被嚴格地檢驗；第三，頓悟的觀念在東方傳統的思維方式中早已存在（盡管中國禪宗的頓悟概念與現代心理科學的頓悟概念之間有許多區別，但其相似之處也不言而喻），據說，在英國本土產生出的新的英文表達方式遠比在那些講英語但英語并非其自然產生的本土語言的國家更多，這說明人們在對根植于本土文化的認知內容進行加工時，會表現出更大的原創性。這也可能是頓悟吸引我們的原因之一。

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From the Impasse to the Breakthrough: The Brain Basis for Insightful Problem Solving

Luo Jing， Zhang Xiuling

(Key Laboratory of Mental Health， Institute of Psychology， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100101， China)

Abstract: During 1913 to 1920， Kohler conducted his classic studies on insight. This discovery greatly challenged the dominating trial-and-error theory at that time. However， psychologist started to investigate the brain basis of insight only recently. This review discussed how to use neuroimaging methods to investigate the neural correlates of insight， the brain areas involved in insight were also considered.

Key words：Insight， problem solving， neuroimaging.

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