認知神經科學[1]

1、認知神經科學1第十章第十章 人類心理活動的腦機制研人類心理活動的腦機制研究新進展究新進展認知神經科學認知神經科學認知神經科學1認知科學 認知科學(cognitive science)的名詞最早由美國科學家Higgens于1973年所使用，他提出了一個跨學科研究的目標和方案。1975年，美國斯龍基金會支持了這個跨學科的研究計劃，并于1977年創(chuàng)刊了認知科學雜志。 1980年初，美國學術界的一些有影響的大學開始設立認知科學研究中心，其中加州大學圣地亞哥分校的認知科學中心和麻省理工學院的認知科學中心建立得較早，也最有影響。 認知神經科學1 認知科學是研究智能實體與其環(huán)境相互作用原理的科學。所謂智能實

2、體是人類、動物和智能機的泛稱。 認知神經科學1 認知神經科學的研究旨在闡明認知活動的腦機制,即人類大腦如何調用其各層次上的組件,包括分子、細胞、腦組織區(qū)和全腦去實現(xiàn)各種認知活動。 認知神經科學1第一節(jié) 認知神經科學產生的歷史背景一、心理學研究發(fā)展的要求 認知科學的核心學科分支認知心理學、心理語言學、人工智能和人工神經網(wǎng)絡的研究都取得了重要進展，但又都發(fā)現(xiàn)在自己的研究領域內出現(xiàn)許多難點，必須在人腦認知活動機制中尋求答案。認知神經科學1腦腦 的的 構構 造造 腦腦的構造大體分為三個的構造大體分為三個部分，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，主要機能是視覺的皮層主要機能是視覺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，是中樞神經系統(tǒng)中最大的中樞神經系統(tǒng)中最大的結構結構 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，兩個半球中央溝區(qū)分，兩個半球之間則由胼胝體連接之間則由胼胝體連接 認知神經科學1人類對腦的探索 顱相學(phrenology) 的觀點 Pierre Flourens 的“大腦機能統(tǒng)一說” Lashley 的“大腦皮層機能等勢說” Broca的機能定位 Brodmann分區(qū) 大腦認知功能模塊論認知神經科學1認知神經科學1 18

4、61年布洛卡醫(yī)生在運動性失語癥病人尸檢中，發(fā)現(xiàn)腦左半球下額回受損，后來左半球這一區(qū)就稱為語言運動區(qū)。100年以后，美國的腦外科醫(yī)生斯佩里和加扎尼加(SperryGazzaniga)提出了大腦兩半球功能一側化理論。1961年，年輕的腦外科醫(yī)生加扎尼加在斯佩里領導下，對裂腦病人進行神經心理檢查，病人對右側視野的刺激物能正確說出名稱，而對左側視野刺激物只能做出反應，都說不出名稱。這使他們得到兩半球認知風格不同的觀點，并于1962年發(fā)表了左右腦分工之說的論文。 認知神經科學1大腦認知功能模塊論 加扎尼加認為腦是由在神經系統(tǒng)的各個水平上進行活動的子系統(tǒng)，以模塊的形式組織在一起的。”近幾年利用無創(chuàng)性腦功能

5、成像技術對人類各種高級功能進行大量的研究，證明了腦高級功能的模塊性。 腦功能模塊是一種動態(tài)變化的組裝。 認知神經科學1 醫(yī)生或研究人員傳統(tǒng)的信息獲取方式為視覺經驗。但這種方式存在不足，對于及其復雜的人腦而言，越來越不能滿足“大量、準確、定量研究人群細微差別”的要求。 計算神經解剖，主要通過智慧計算的方法，充分地挖掘和利用已有的數(shù)據(jù)，對個體和群體神經解剖結構的變化進行定量的研究。認知神經科學1二、神經科學研究技術的突破性進展 生物醫(yī)學構像技術特別是功能性磁共振成像可以用于對于人類認知活動的研究； 腦事件相關電位、腦磁圖和高分辨腦成像等生理學方法，可以為人腦認知功能研究提供許多新的數(shù)據(jù)；認知神經科

6、學1 分子神經生物學和細胞神經科學，為人腦認知障礙和動物認知行為提供腦內機制的許多科學數(shù)據(jù)，包括動物的學習障礙和某些基因序列的關系。 這些都使神經科學有資格孕育一個徑直研究認知活動腦機制的新學科。 認知神經科學1u認知神經科學（認知神經科學（Cognitive NeuroscienceCognitive Neuroscience）是闡明）是闡明認知活動的心理過程和腦機制的科學。認知活動的心理過程和腦機制的科學。u認知神經科學的研究模式是將行為、認知過程、認知神經科學的研究模式是將行為、認知過程、腦機制三者有機地結合起來腦機制三者有機地結合起來. .。u在某種意義上說，心理學的發(fā)展已由認知心理學

7、在某種意義上說，心理學的發(fā)展已由認知心理學進入到認知神經科學的時代。進入到認知神經科學的時代。認知神經科學1第二節(jié) 認知神經科學的學科分支、基本觀點和具體研究方法一、學科分支 傳統(tǒng)神經科學的某些分支，吸收了認知科學的理論和神經科學的新技術，就可以成為新學科分支的組成部分。 認知神經心理學、認知生理心理學、認知心理生理學、認知神經生物學、計算神經科學等逐漸形成。 認知神經科學1二、基本觀點 （一）腦的結構與功能具有多層次性 （二）腦的結構是其功能的基礎認知神經科學1三、具體研究方法 腦整體活動層次 不同腦區(qū)活動層次 神經細胞和亞細胞層次 分子活動層次認知神經科學1 認知神經科學常用的研究方法一類

8、是無創(chuàng)性腦功能（認知）成像技術，另一類是清醒動物認知生理心理學研究方法。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胞記錄、多細胞記錄、多維（陣列）電極記錄法和其他生理心理學方法（手術法、冷卻法、藥物法等）。 認知神經科學1（一）行為實驗研究 雙任務法 過程分離法認知神經科學1雙作業(yè)任務 雙作業(yè)任務是應用廣泛的實驗范式 。該范式的基本程序是同時給被試呈現(xiàn)主任務和次任務或者只呈現(xiàn)主任務,然后對這兩種條件下被試的實驗結果進行比較,根據(jù)次任務對績效的影響,判定子系統(tǒng)之間的關系。認知神經科學1如果進行雙任務作業(yè)，一個任務越難，另一任務就越慢，但不是不能完成。 Hegarty

9、 等指出,通常的雙任務實驗邏輯是有問題的. 至少有兩個原因,一是反應選擇的瓶頸問題;二是兩種任務間的策略權衡問題。 認知神經科學1減法反應時（減法反應時（subtractive subtractive methodmethod） 用兩種反應時的差數(shù)來判定某個心理過程的存在 。 在研究快速信息加工過程如識別、短時記憶應用這種方法。目的是測量包含在復雜反應中的辨別、選擇等心理過程所需的時間。認知神經科學1（F. C. Donders, 1968) 復雜反應時間與簡單反應時間的差別，就是包含在復雜反應中的心理過程所需要的時間 簡單反應時（simple reaction time） RT1復雜反應時（

10、complex reaction time） RT2復雜反應時 RT3 辨別過程時間= RT2RT1 選擇過程時間= RT3RT2認知神經科學1唐德斯反應時（Donders ABC of reaction time)刺激刺激反應反應唐德斯唐德斯A反應反應刺激刺激反應反應唐德斯唐德斯B反應反應唐德斯唐德斯C反應反應刺激刺激反應反應A反應時反應時C反應時反應時C AB反應時反應時C反應時反應時B C基線時間基線時間選擇時間選擇時間辨別時間辨別時間認知神經科學1（二）腦功能成像研究 減法設計（組塊設計） 進行對照的認知實驗，將兩種認知條件不同的圖像采用減法處理，即完成A認知任務的PET圖像減去無A任

11、務的對照PET圖像，所得差值為A任務操作的腦代謝功能差異。 認知神經科學1一致性分析(consistent analysis) 將A任務減A對照組的差值與B任務減B對照組之差值再相減，以作為完成不同認知任務的腦代謝功能的特異性變化的腦代謝基礎參數(shù)。 認知神經科學1腦電研究回顧 1924年德國精神病學家Hans Berger想記錄腦產生的電流來診斷精神病。當時已有可放大輸入電壓100倍的真空管放大器。Benger認為用電極刺入頭皮，用真空管放大器放大引出的電流，再用當時已使用的記錄心電的弦線電流計可以記錄下腦電位的變化。經過四年的工作后，他實現(xiàn)了他的預想。 認知神經科學1認知神經科學1 他發(fā)現(xiàn)，

12、正常人休息和閉目時，在頂區(qū)和枕區(qū)有一種節(jié)律性電位波動，約10次每秒，電壓約50微伏，命名為波。在睜眼時，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。他認為這兩種波型是腦的正常放電，叫做腦電圖。 認知神經科學1認知神經科學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，當健康人閉目安靜休息時出現(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，所以睜眼時波被抑制，則波更明顯。在大腦皮層處于高水平的活動時常出現(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，深度麻醉和缺氧時都可出現(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。認知神經科學1平均誘發(fā)電位 利用時間鎖定疊加的辦法，多次重復同一刺激，使誘發(fā)反應逐漸加在一起，而自發(fā)活動由于其本質是隨機變化的，疊加中相互抵消。這種時間鎖定疊加技術可以提高信號與噪聲的比例，使自發(fā)腦電活動背景上的誘發(fā)活動能夠檢測出來，這就是平均誘發(fā)電位。 認知神經科學1事件相關電位（事件相關電位（ERP）研究技術）研究技術

14、 指的是外加一種特定的刺激，作用于感覺系統(tǒng)或腦的某一部位，在給予刺激或撤消刺激時，在腦區(qū)所引起的電位變化。ERP的優(yōu)勢是具有很高的時間分辨率（毫秒），近年來高密度記錄技術的發(fā)展，也提高了ERP在功能定位方面的作用。 認知神經科學1正電子發(fā)射斷層掃描儀(PET) 這種機器由放射化學裝置和探測系統(tǒng)組成，主要測定腦中不同區(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。 認知神經科學1 人們看黑白素描時，初級視皮層葡萄糖吸收率最高，看復雜彩色風景畫時，次級視皮層的葡萄糖吸收率最高；不太懂音樂的人聽音樂時，右半球葡萄糖吸收率高，音樂行家聽音樂時，左半球葡萄糖吸收率高。 認知神經科學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。 認知神經科學1功能性核磁共振成像研究技術（fMRI） 在恒磁場中，某些物質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構不同，受激發(fā)后出現(xiàn)共振的頻率不同。 梯度磁場中，每一微小的變化都由計算機采集數(shù)據(jù)，構成圖像顯示出來。 認知神經科學1 fMRI是無侵入、無創(chuàng)傷、可精確定位的研究手段。其成像的時間可以