認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)[1]

1、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1第十章第十章 人類心理活動(dòng)的腦機(jī)制研人類心理活動(dòng)的腦機(jī)制研究新進(jìn)展究新進(jìn)展認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1認(rèn)知科學(xué) 認(rèn)知科學(xué)(cognitive science)的名詞最早由美國(guó)科學(xué)家Higgens于1973年所使用，他提出了一個(gè)跨學(xué)科研究的目標(biāo)和方案。1975年，美國(guó)斯龍基金會(huì)支持了這個(gè)跨學(xué)科的研究計(jì)劃，并于1977年創(chuàng)刊了認(rèn)知科學(xué)雜志。 1980年初，美國(guó)學(xué)術(shù)界的一些有影響的大學(xué)開(kāi)始設(shè)立認(rèn)知科學(xué)研究中心，其中加州大學(xué)圣地亞哥分校的認(rèn)知科學(xué)中心和麻省理工學(xué)院的認(rèn)知科學(xué)中心建立得較早，也最有影響。 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1 認(rèn)知科學(xué)是研究智能實(shí)體與其環(huán)境相互作用原理的科學(xué)。所謂智能實(shí)

2、體是人類、動(dòng)物和智能機(jī)的泛稱。 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的研究旨在闡明認(rèn)知活動(dòng)的腦機(jī)制,即人類大腦如何調(diào)用其各層次上的組件,包括分子、細(xì)胞、腦組織區(qū)和全腦去實(shí)現(xiàn)各種認(rèn)知活動(dòng)。 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1第一節(jié) 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)產(chǎn)生的歷史背景一、心理學(xué)研究發(fā)展的要求 認(rèn)知科學(xué)的核心學(xué)科分支認(rèn)知心理學(xué)、心理語(yǔ)言學(xué)、人工智能和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究都取得了重要進(jìn)展，但又都發(fā)現(xiàn)在自己的研究領(lǐng)域內(nèi)出現(xiàn)許多難點(diǎn)，必須在人腦認(rèn)知活動(dòng)機(jī)制中尋求答案。認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1腦腦 的的 構(gòu)構(gòu) 造造 腦腦的構(gòu)造大體分為三個(gè)的構(gòu)造大體分為三個(gè)部分，即后腦、中腦和部分，即后腦、中腦和前腦前腦 后腦包括小腦和延髓后腦包括小腦和延髓 中腦包括腦干

3、的一部分，中腦包括腦干的一部分，主要機(jī)能是視覺(jué)的皮層主要機(jī)能是視覺(jué)的皮層下反射中樞下反射中樞 前腦的主體是大腦，是前腦的主體是大腦，是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中最大的中樞神經(jīng)系統(tǒng)中最大的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 重量約為重量約為1400克，在克，在大腦左右兩半球之間由大腦左右兩半球之間由中央溝區(qū)分，兩個(gè)半球中央溝區(qū)分，兩個(gè)半球之間則由胼胝體連接之間則由胼胝體連接 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1人類對(duì)腦的探索 顱相學(xué)(phrenology) 的觀點(diǎn) Pierre Flourens 的“大腦機(jī)能統(tǒng)一說(shuō)” Lashley 的“大腦皮層機(jī)能等勢(shì)說(shuō)” Broca的機(jī)能定位 Brodmann分區(qū) 大腦認(rèn)知功能模塊論認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1 18

4、61年布洛卡醫(yī)生在運(yùn)動(dòng)性失語(yǔ)癥病人尸檢中，發(fā)現(xiàn)腦左半球下額回受損，后來(lái)左半球這一區(qū)就稱為語(yǔ)言運(yùn)動(dòng)區(qū)。100年以后，美國(guó)的腦外科醫(yī)生斯佩里和加扎尼加(SperryGazzaniga)提出了大腦兩半球功能一側(cè)化理論。1961年，年輕的腦外科醫(yī)生加扎尼加在斯佩里領(lǐng)導(dǎo)下，對(duì)裂腦病人進(jìn)行神經(jīng)心理檢查，病人對(duì)右側(cè)視野的刺激物能正確說(shuō)出名稱，而對(duì)左側(cè)視野刺激物只能做出反應(yīng)，都說(shuō)不出名稱。這使他們得到兩半球認(rèn)知風(fēng)格不同的觀點(diǎn)，并于1962年發(fā)表了左右腦分工之說(shuō)的論文。 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1大腦認(rèn)知功能模塊論 加扎尼加認(rèn)為腦是由在神經(jīng)系統(tǒng)的各個(gè)水平上進(jìn)行活動(dòng)的子系統(tǒng)，以模塊的形式組織在一起的?！苯鼛啄昀脽o(wú)創(chuàng)性腦功能

5、成像技術(shù)對(duì)人類各種高級(jí)功能進(jìn)行大量的研究，證明了腦高級(jí)功能的模塊性。 腦功能模塊是一種動(dòng)態(tài)變化的組裝。 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1 醫(yī)生或研究人員傳統(tǒng)的信息獲取方式為視覺(jué)經(jīng)驗(yàn)。但這種方式存在不足，對(duì)于及其復(fù)雜的人腦而言，越來(lái)越不能滿足“大量、準(zhǔn)確、定量研究人群細(xì)微差別”的要求。 計(jì)算神經(jīng)解剖，主要通過(guò)智慧計(jì)算的方法，充分地挖掘和利用已有的數(shù)據(jù)，對(duì)個(gè)體和群體神經(jīng)解剖結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行定量的研究。認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1二、神經(jīng)科學(xué)研究技術(shù)的突破性進(jìn)展 生物醫(yī)學(xué)構(gòu)像技術(shù)特別是功能性磁共振成像可以用于對(duì)于人類認(rèn)知活動(dòng)的研究； 腦事件相關(guān)電位、腦磁圖和高分辨腦成像等生理學(xué)方法，可以為人腦認(rèn)知功能研究提供許多新的數(shù)據(jù)；認(rèn)知神經(jīng)科

6、學(xué)1 分子神經(jīng)生物學(xué)和細(xì)胞神經(jīng)科學(xué)，為人腦認(rèn)知障礙和動(dòng)物認(rèn)知行為提供腦內(nèi)機(jī)制的許多科學(xué)數(shù)據(jù)，包括動(dòng)物的學(xué)習(xí)障礙和某些基因序列的關(guān)系。 這些都使神經(jīng)科學(xué)有資格孕育一個(gè)徑直研究認(rèn)知活動(dòng)腦機(jī)制的新學(xué)科。 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1u認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)（認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)（Cognitive NeuroscienceCognitive Neuroscience）是闡明）是闡明認(rèn)知活動(dòng)的心理過(guò)程和腦機(jī)制的科學(xué)。認(rèn)知活動(dòng)的心理過(guò)程和腦機(jī)制的科學(xué)。u認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的研究模式是將行為、認(rèn)知過(guò)程、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的研究模式是將行為、認(rèn)知過(guò)程、腦機(jī)制三者有機(jī)地結(jié)合起來(lái)腦機(jī)制三者有機(jī)地結(jié)合起來(lái). .。u在某種意義上說(shuō)，心理學(xué)的發(fā)展已由認(rèn)知心理學(xué)

7、在某種意義上說(shuō)，心理學(xué)的發(fā)展已由認(rèn)知心理學(xué)進(jìn)入到認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的時(shí)代。進(jìn)入到認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的時(shí)代。認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1第二節(jié) 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的學(xué)科分支、基本觀點(diǎn)和具體研究方法一、學(xué)科分支 傳統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)的某些分支，吸收了認(rèn)知科學(xué)的理論和神經(jīng)科學(xué)的新技術(shù)，就可以成為新學(xué)科分支的組成部分。 認(rèn)知神經(jīng)心理學(xué)、認(rèn)知生理心理學(xué)、認(rèn)知心理生理學(xué)、認(rèn)知神經(jīng)生物學(xué)、計(jì)算神經(jīng)科學(xué)等逐漸形成。 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1二、基本觀點(diǎn) （一）腦的結(jié)構(gòu)與功能具有多層次性 （二）腦的結(jié)構(gòu)是其功能的基礎(chǔ)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1三、具體研究方法 腦整體活動(dòng)層次 不同腦區(qū)活動(dòng)層次 神經(jīng)細(xì)胞和亞細(xì)胞層次 分子活動(dòng)層次認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)常用的研究方法一類

8、是無(wú)創(chuàng)性腦功能（認(rèn)知）成像技術(shù)，另一類是清醒動(dòng)物認(rèn)知生理心理學(xué)研究方法。前一類方法中又分為腦代謝功能成像和生理功能成像兩種；后一類方法中包括單細(xì)胞記錄、多細(xì)胞記錄、多維（陣列）電極記錄法和其他生理心理學(xué)方法（手術(shù)法、冷卻法、藥物法等）。 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1（一）行為實(shí)驗(yàn)研究 雙任務(wù)法 過(guò)程分離法認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1雙作業(yè)任務(wù) 雙作業(yè)任務(wù)是應(yīng)用廣泛的實(shí)驗(yàn)范式 。該范式的基本程序是同時(shí)給被試呈現(xiàn)主任務(wù)和次任務(wù)或者只呈現(xiàn)主任務(wù),然后對(duì)這兩種條件下被試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,根據(jù)次任務(wù)對(duì)績(jī)效的影響,判定子系統(tǒng)之間的關(guān)系。認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1如果進(jìn)行雙任務(wù)作業(yè)，一個(gè)任務(wù)越難，另一任務(wù)就越慢，但不是不能完成。 Hegarty

9、 等指出,通常的雙任務(wù)實(shí)驗(yàn)邏輯是有問(wèn)題的. 至少有兩個(gè)原因,一是反應(yīng)選擇的瓶頸問(wèn)題;二是兩種任務(wù)間的策略權(quán)衡問(wèn)題。 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1減法反應(yīng)時(shí)（減法反應(yīng)時(shí)（subtractive subtractive methodmethod） 用兩種反應(yīng)時(shí)的差數(shù)來(lái)判定某個(gè)心理過(guò)程的存在 。 在研究快速信息加工過(guò)程如識(shí)別、短時(shí)記憶應(yīng)用這種方法。目的是測(cè)量包含在復(fù)雜反應(yīng)中的辨別、選擇等心理過(guò)程所需的時(shí)間。認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1（F. C. Donders, 1968) 復(fù)雜反應(yīng)時(shí)間與簡(jiǎn)單反應(yīng)時(shí)間的差別，就是包含在復(fù)雜反應(yīng)中的心理過(guò)程所需要的時(shí)間 簡(jiǎn)單反應(yīng)時(shí)（simple reaction time） RT1復(fù)雜反應(yīng)時(shí)（

10、complex reaction time） RT2復(fù)雜反應(yīng)時(shí) RT3 辨別過(guò)程時(shí)間= RT2RT1 選擇過(guò)程時(shí)間= RT3RT2認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1唐德斯反應(yīng)時(shí)（Donders ABC of reaction time)刺激刺激反應(yīng)反應(yīng)唐德斯唐德斯A反應(yīng)反應(yīng)刺激刺激反應(yīng)反應(yīng)唐德斯唐德斯B反應(yīng)反應(yīng)唐德斯唐德斯C反應(yīng)反應(yīng)刺激刺激反應(yīng)反應(yīng)A反應(yīng)時(shí)反應(yīng)時(shí)C反應(yīng)時(shí)反應(yīng)時(shí)C AB反應(yīng)時(shí)反應(yīng)時(shí)C反應(yīng)時(shí)反應(yīng)時(shí)B C基線時(shí)間基線時(shí)間選擇時(shí)間選擇時(shí)間辨別時(shí)間辨別時(shí)間認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1（二）腦功能成像研究 減法設(shè)計(jì)（組塊設(shè)計(jì)） 進(jìn)行對(duì)照的認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，將兩種認(rèn)知條件不同的圖像采用減法處理，即完成A認(rèn)知任務(wù)的PET圖像減去無(wú)A任

11、務(wù)的對(duì)照PET圖像，所得差值為A任務(wù)操作的腦代謝功能差異。 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1一致性分析(consistent analysis) 將A任務(wù)減A對(duì)照組的差值與B任務(wù)減B對(duì)照組之差值再相減，以作為完成不同認(rèn)知任務(wù)的腦代謝功能的特異性變化的腦代謝基礎(chǔ)參數(shù)。 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1腦電研究回顧 1924年德國(guó)精神病學(xué)家Hans Berger想記錄腦產(chǎn)生的電流來(lái)診斷精神病。當(dāng)時(shí)已有可放大輸入電壓100倍的真空管放大器。Benger認(rèn)為用電極刺入頭皮，用真空管放大器放大引出的電流，再用當(dāng)時(shí)已使用的記錄心電的弦線電流計(jì)可以記錄下腦電位的變化。經(jīng)過(guò)四年的工作后，他實(shí)現(xiàn)了他的預(yù)想。 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1 他發(fā)現(xiàn)，

12、正常人休息和閉目時(shí)，在頂區(qū)和枕區(qū)有一種節(jié)律性電位波動(dòng)，約10次每秒，電壓約50微伏，命名為波。在睜眼時(shí)，波消失，出現(xiàn)節(jié)律更快(1820次每秒)、電壓較小(2030微伏)的電波，叫做波。他認(rèn)為這兩種波型是腦的正常放電，叫做腦電圖。 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1波，頻率是8-13次每秒，振幅為25-100微伏，平均50微伏。波在枕葉最顯著，當(dāng)健康人閉目安靜休息時(shí)出現(xiàn)，睜眼便消失。波，頻率為14-30次每秒，振幅為10-30微伏，常重合在波上。但波不因光刺激而消失，所以睜眼時(shí)波被抑制，則波更明顯。在大腦皮層處于高水平的活動(dòng)時(shí)常出現(xiàn)波。波，低頻率(4-7次每秒)，高振幅(100-150微伏)，發(fā)生在頂

13、葉與顳葉，特別容易出現(xiàn)在行為紊亂的兒童或受到精神壓力與挫折的成年人。睡眠時(shí)，深度麻醉和缺氧時(shí)都可出現(xiàn)。波，頻率更低(0.5-3次每秒)，振幅更高(20-200微伏)，在嬰兒或深睡(包括深度麻醉)的成人身上都可發(fā)生。有嚴(yán)重腦損傷的病人，包括癲癇、腦外傷、腦腫瘤病人身上也出現(xiàn)波。認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1平均誘發(fā)電位 利用時(shí)間鎖定疊加的辦法，多次重復(fù)同一刺激，使誘發(fā)反應(yīng)逐漸加在一起，而自發(fā)活動(dòng)由于其本質(zhì)是隨機(jī)變化的，疊加中相互抵消。這種時(shí)間鎖定疊加技術(shù)可以提高信號(hào)與噪聲的比例，使自發(fā)腦電活動(dòng)背景上的誘發(fā)活動(dòng)能夠檢測(cè)出來(lái)，這就是平均誘發(fā)電位。 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1事件相關(guān)電位（事件相關(guān)電位（ERP）研究技術(shù)）研究技術(shù)

14、 指的是外加一種特定的刺激，作用于感覺(jué)系統(tǒng)或腦的某一部位，在給予刺激或撤消刺激時(shí)，在腦區(qū)所引起的電位變化。ERP的優(yōu)勢(shì)是具有很高的時(shí)間分辨率（毫秒），近年來(lái)高密度記錄技術(shù)的發(fā)展，也提高了ERP在功能定位方面的作用。 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1正電子發(fā)射斷層掃描儀(PET) 這種機(jī)器由放射化學(xué)裝置和探測(cè)系統(tǒng)組成，主要測(cè)定腦中不同區(qū)域葡萄糖的吸收率和血流量等。 FD-脫氧葡萄糖分子在腦內(nèi)的吸收率不但是腦信息加工的靈敏指針，也可以作為腦疾病的診斷指標(biāo)。 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1 人們看黑白素描時(shí)，初級(jí)視皮層葡萄糖吸收率最高，看復(fù)雜彩色風(fēng)景畫(huà)時(shí)，次級(jí)視皮層的葡萄糖吸收率最高；不太懂音樂(lè)的人聽(tīng)音樂(lè)時(shí)，右半球葡萄糖吸收率高，音樂(lè)行家聽(tīng)音樂(lè)時(shí)，左半球葡萄糖吸收率高。 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1 一些退行性癡呆的病人，腦額區(qū)葡萄糖吸收率顯著變低；一些精神分裂癥病人與正常人不同，腦的葡萄糖吸收率在額葉最低。 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1功能性核磁共振成像研究技術(shù)（fMRI） 在恒磁場(chǎng)中，某些物質(zhì)的原子核在射頻電磁波的能量激發(fā)下吸收能量，隨后又發(fā)射能量的現(xiàn)象，就稱為核磁共振現(xiàn)象。每種原子或離子的結(jié)構(gòu)不同，受激發(fā)后出現(xiàn)共振的頻率不同。 梯度磁場(chǎng)中，每一微小的變化都由計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)，構(gòu)成圖像顯示出來(lái)。 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)1 fMRI是無(wú)侵入、無(wú)創(chuàng)傷、可精確定位的研究手段。其成像的時(shí)間可以