認知神經科學概念

認知神經科學概念第1頁/共75頁第2頁/共75頁人腦是由上千億個神經元組成的復雜巨系統。它為人類提供了知覺、運動、注意、學習、記憶、思維、語言、情感、意識等最重要的高級腦功能和認知行為腦-認知-行為的關系是人類在認識自身的過程中必須解決的核心問題。它將對人類理解自然和自身、增進腦和身心健康、發(fā)展全新的腦智能信息系統及提高全民族的知識創(chuàng)新能力作出重要貢獻本世紀生命科學走向：基因組蛋白組腦-認知-行為認識腦從而認識人類自身已成為本世紀最具挑戰(zhàn)性和最活躍的科學前沿，是擺在各國科學家面前的首要科學使命，已成為全球性的研究熱點第3頁/共75頁一、概念第4頁/共75頁學科的比較第5頁/共75頁認知神經科學認知神經科學（CognitiveNeuroscience）是闡明認知活動的心理過程和腦機制的科學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第6頁/共75頁神經科學中心原則一切行為都是腦功能的反映

第7頁/共75頁1999年MIT出版《MindandBrainSciencesinthe21stCentury》，作者們的共識Smith：“我預期在今后幾十年內，認知心理學將沿著神經科學的方向發(fā)展。認知心理學專業(yè)的學生將必須把腦—認知關系的學習作為必修課，就象他們現在學習數學模型和統計學一樣”。Roediger：”傳統的認知心理學家將其專業(yè)領域與Neuro相聯系是大有希望的“。第8頁/共75頁第9頁/共75頁第10頁/共75頁

全腦系統腦區(qū)網絡神經元突觸分子

1m10cm1cm1mm100mm1mm1A第11頁/共75頁心理學生物學信息科學三大學科交叉多道微電極記錄

電極陣列（EMA）

腦電、ERP、MEG

PET、fMRI

光學成象

神經行為定量測量知覺、注意、記憶動作、語言、決擇思維、情感、意識海量數據復雜性測度數學模型計算模擬網絡信息模型第12頁/共75頁學科交叉教育學理學工學醫(yī)學心理學信息工程生物學數學計算機科技生物醫(yī)學工程系統科學精神病學物理學電子科技控制科學生理學神經病學生物物理學第13頁/共75頁腦成像的概念采用現代物理學與生物化學原理呈現大腦結構和功能活動的多種技術手段功能性磁共振成像(fMRI)正電子發(fā)射斷層掃描(PET)腦電圖(EEG)事件相關電位(ERP)腦磁圖(MEG)單光子發(fā)射斷層掃描(SPECT)光學成像也包括傳統的X光放射影像和超聲影像技術第14頁/共75頁發(fā)展腦成像技術的意義腦成像作為認知神經科學研究最為主要的技術手段，使人類有史以來第一次能直接觀察到大腦的心理過程和認知活動，有如研究腦功能的“顯微鏡”和“望遠鏡”在國際著名的大學，神經科學、腦科學、認知科學、以及心理學研究機構，無一例外地擁有腦成像研究中心或實驗室，中科院也建立了中國第一個擁有3TfMRI與128導ERP系統的大型腦成像研究基地第15頁/共75頁二、研究路線第16頁/共75頁即把人腦與計算機進行類比，將人腦看作是計算機的信息加工系統。但這種類比只是機能性質的，而不管腦的生物細胞和電子元件之間的區(qū)別。采用自上而下和（top-down）的研究策略，也就是先確認一種心理能力，再去尋找它所具有的計算結構。認知心理學的研究

第17頁/共75頁神經網絡的研究

把大腦看作是一種神經網絡，但這種神經網絡模型是人工的，與真正的神經及其突觸連接并不相同。采用一個從下向上（bottomup）的策略，先建立一個簡單的或理想化的神經網絡模型，然后再考察這個模型所具有的認知功能。從最簡單的模型入手，不斷增加它的復雜性，就有可能模擬出真正的神經網絡，從而了解認知活動的真相。

第18頁/共75頁認知神經科學的研究從真正的大腦工作方式入手來研究認知的。采用從下向上的研究策略由于無損傷技術手段（如ERP、EMG、PET和fMRI）的出現，使研究者可以直接觀察到大腦活動的區(qū)域及特點第19頁/共75頁三、研究方法簡述第20頁/共75頁在研究層次上重視多層次的跨學科整合

在一般的概念層面上實現新的跨學科的整合

越來越認識到各分支學科相互間進行對話和交流的必要性利用不同學科的方法收集到的不同類型的數據，推進實驗層面上的整合

例如，對語言的研究需要將定性的語言學數據與實驗心理學和神經學的數據結合起來考慮；而解決意識問題，不僅要求重視行為學和神經學數據，也要兼顧意識經驗的實驗數據實現由計算思想與模擬所帶來的理論上的整合

用計算手段研究復雜和多樣化的認知過程是必要的，還需要通過模擬讓研究者們看到他們的理論思路的成就及其局限。這種跨學科、多層次的整合是認知科學發(fā)展的另一趨勢第21頁/共75頁在研究方法上注重采用無損傷性實驗技術

以ERP、fMRI等為代表的腦成像技術的發(fā)明和發(fā)展，已成為現代高科技的一個競爭熱點，匯集了信息科學、物理科學以及其它工程科學的眾多高科技成果腦成像技術可以直接“觀察”大腦的活動。采用腦成像技術研究腦的認知結構和功能，已成為腦科學與認知科學發(fā)展的一大趨勢腦成像技術還有待完善。腦認知成像技術可以為我們對認知過程的腦功能形成直觀的圖像，但還受到時間、空間分辨率的限制第22頁/共75頁認知科學與神經科學的結合生物定向的調查能夠改變認知理論神經成像技術可提供比行為測量更直接的可解釋信息提出認知領域新的組織方式

——E.E.Smith第23頁/共75頁信息載體信息源信息提取與加工信息獲取第24頁/共75頁磁共振波譜功能像擴散張量成像偶極子定位磁共振結構像光學成像事件相關電位分子像腦磁圖第25頁/共75頁第26頁/共75頁神經細胞的電磁活動當興奮脈沖沿著神經細胞的軸索到達突觸時，突觸囊泡將特殊的傳遞分子釋放到約50nm寬的突觸裂隙中，這些分子迅速在裂隙中彌散，其中一部分被突觸后細胞表面的受容體所截獲，結果受容體分子的形態(tài)改變并使膜表面的離子通道開放。電荷的流動（通常是Na+，K+，Ca2+離子）使后一個細胞的膜電位發(fā)生改變，這一電位改變即為突觸后電位。第27頁/共75頁細胞內電流和細胞外的電流

第28頁/共75頁ERP的技術原理事件相關電位(Event-relatedpotential,ERP)，是與實際刺激或預期刺激(聲、光、電)有固定時間關系的腦反應所形成的一系列腦電波利用ERP的固定時間關系，即鎖時(time-locked)關系，經過計算機的疊加處理，則可以提取出ERP成分時間分辯率為ms級，空間分辯率為cm級第29頁/共75頁聽覺ERP成分波形命名測量指標第30頁/共75頁第31頁/共75頁第32頁/共75頁高頻字(470ms)-10020040060080010000.0-2.02.04.0ERP地形圖低頻字(490ms)第33頁/共75頁偶極子定位第34頁/共75頁MEG的技術原理MEG檢測的是頭皮腦磁場信號，該腦磁場信號是由神經細胞內電流的體積電流所產生，這種腦磁場信號與顱骨形狀的復雜性以及顱骨內腦組織導電率的不均勻一致性無關，因此MEG具有定位精度高，無損傷，無須測定基準等優(yōu)點空間定位精度可達2毫米范圍以內，而且其時間分辨率可達１毫秒第35頁/共75頁細胞內電流產生的MEG信號第36頁/共75頁SQUID傳感器:-269℃磁場屏蔽室:兩層

m金屬板和一層鋁板

第37頁/共75頁第38頁/共75頁275個傳感器在頭盔內的分布

MEG波形

MEG地形圖

第39頁/共75頁GoalsofSourceReconstructionexperiment&measurementspatialdistributiontimecoursespatio-temporalimageofbrainactivity第40頁/共75頁ForwardCalculationHeadModelSensorsModelSourceModel-idealized-simplifiedData(estimated)第41頁/共75頁InverseCalculationHeadModelSensorsModelSourceModelData(measured)physicalmodel第42頁/共75頁realisticheadmodeling3Dautomaticsegmentation第43頁/共75頁~30mm2=5.5×5.5mm2SizeofMacroscopicNeuralActivityEquivalentCurrentDipole(Primarycurrent)(~50nAm)parameters:position:x,y,zdirection:q,fmagnitude:m

+--cellbodysinksourcesynapse-

+Equivalentcurrentdipolemodel:cortexMicroscopiccurrentflow(~5×10-5nAm)

第44頁/共75頁Inversemethoddetermines:positionsdirectionstimecoursesofthedipoles.Spatio-temporaldipolemodel第45頁/共75頁Dipolemodelsdoverywellinagreatnumberofcases:ExogenoussensorycomponentsPreattentiveprocessing,e.g.MMNEpilepticspikes...andmanymore第46頁/共75頁Dipolemodelsdoverywellinagreatnumberofcases:Exogenoussensorycomponentse.g.P30evokedbyelectricstimulationoftherightmediannerve.

第47頁/共75頁Dipolemodelsdoverywellinagreatnumberofcases:Preattentiveprocessinge.g.MEGequivalentofmismatchnegativityevokedbydeviatingwordsandvoices(Kn?scheetal.,NeuroImage2002)第48頁/共75頁Dipolemodelsdoverywellinagreatnumberofcases:Epilepticspikes第49頁/共75頁EEG與MEG比較MEG--正切磁場測量，EEG--徑向磁場測量MEG測量細胞內電流，而EEG測量細胞外電流腦功能區(qū)呈多方位立體分布，信號為立體傳遞。由于頭部各組織的導電率各不相同的效應，使得腦電圖信號在到達頭皮表面后產生信號失真腦磁場為空間探測，將頭顱作為球型導體在顱外與之呈正切方向均能檢測到腦磁場信號，既腦磁圖信號和各種腦組織的導電率無關，因此腦磁圖信號在穿透頭皮后不會產生任何失真MEG的價格是EEG的20倍第50頁/共75頁PET的技術原理正電子斷層掃描術（PositronEmissionTpmography,PET)獲得正電子標記藥物在人體中的三維密度分布，并隨時間變化的特點PET探測器光轉換器：將高能湮滅光子轉化為低能量光子光探測器：收集上述低能量光子，轉化為電信號性能指標：空間分辨率(5mm)、靈敏度、信噪比、時間分辨率、能量分辨率第51頁/共75頁第52頁/共75頁fMRI的技術原理血氧水平依賴性（bloodoxygenation-leveldepndent,BOLD）：腦血管中的血氧變化→局部磁場變化→NMR信號強度變化空間分辯率為mm級，時間分辯率為sec級第53頁/共75頁普通MRI開放式MRI第54頁/共75頁1、外磁場 2、射頻激發(fā)3、信號的提取 4、數據處理和圖象產生第55頁/共75頁BloodOxygenationLevelDependent(BOLD)contrastOxyhemoglobinDeoxyhemoglobinPARAMAGNETICDIAMAGNETIC

(SimilartoTissue)第56頁/共75頁BasalActiveCBFO2extractionOxy-HbBrainActivity第57頁/共75頁RearProjectionSystemComputerprojectorscreenmirrormagnetParadigmcomputer第58頁/共75頁BLOCK1BLOCK2RESTTRIALTraditional:BLOCKDESIGNNewlydeveloped:EVENT-RELATED123456第59頁/共75頁ERP+fMRI在不同條件下根據被試的反應對ERP和fMRI結果進行分類，并在實驗后進行“off-line”分析。ERP頭皮分布與fMRI影象可反映腦內神經活動的不同模式。ERPs與fMRI可通過不同的實驗條件測量認知加工的的功能性分離。ERP具有ms級的時間精確度，而fMRI則有mm級的空間分辨率。第60頁/共75頁光學成像原理近紅外線光譜氧合血紅蛋白與去氧血紅蛋白濃度的變化時空分辨率間于ERP-fMRI第61頁/共75頁日立醫(yī)學公司生產的24導光學成像儀器第62頁/共75頁第63頁/共75頁64OpticalImagingCamberLatticeUsedinPropagationExperimentRecordingElectrode

StimulateElectrode

第64頁/共75頁Sample:1ms光學成像（OpticalImage)第65頁/共75頁腦皮層內源性光學信號成像（IOS）：可以獲得神經元群體的活動圖象，其空間分辨率高達1