認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)

關(guān)于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)第一節(jié)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)概述一、心身關(guān)系問題第2頁,共68頁，2024年2月25日，星期天二、什么是認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)（一）概念認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)（CognitiveNeuroscience）旨在闡明心理活動尤其是人類心理活動的腦基礎(chǔ)，以揭示心理與腦的關(guān)系。P33定義第3頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)這一學(xué)科名稱誕生于二十世紀(jì)七十年代后期,該學(xué)科是認(rèn)知科學(xué)與神經(jīng)科學(xué)相互結(jié)合,于九十年代得到國際學(xué)術(shù)界公認(rèn)的一門新興學(xué)科,被認(rèn)為是二十一世紀(jì)最有發(fā)展前景的自然科學(xué)前沿研究領(lǐng)域之一。第4頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)建立在現(xiàn)代認(rèn)知科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)的基礎(chǔ)上,具有高度的跨學(xué)科性、學(xué)科交叉性。它作為一門正式學(xué)科的歷史雖然很短,但其關(guān)于人類心理活動的研究已取得了一些實(shí)質(zhì)性突破。第5頁,共68頁，2024年2月25日，星期天（二）基本理論假設(shè)腦的結(jié)構(gòu)與功能具有多層次性腦的結(jié)構(gòu)是腦功能的基礎(chǔ),但結(jié)構(gòu)與功能之間不存在簡單的對應(yīng)關(guān)系。第6頁,共68頁，2024年2月25日，星期天（三）主要研究目的為心靈的理論構(gòu)想探尋物質(zhì)的證據(jù)將具體發(fā)現(xiàn)與理論模型相聯(lián)系探尋腦的病理機(jī)制與行為之間的關(guān)聯(lián)建立更具說服力的理論模型人工智能更深入地探究人腦第7頁,共68頁，2024年2月25日，星期天三、人類對腦的探索灰質(zhì)(graymatter)和白質(zhì)(whitematter)溝(sulci)和回(gyri)的發(fā)現(xiàn)神經(jīng)的電活動顱相學(xué)(phrenology)的觀點(diǎn)第8頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

加拿大心理學(xué)家Hebb用了20年時(shí)間與Penfield和Lashley等人合作，終于在1949年出版了《行為的組織》(OrganizationofBehavior)一書，為現(xiàn)代認(rèn)知科學(xué)奠定了基礎(chǔ)。

第9頁,共68頁，2024年2月25日，星期天1949,Hebb率先使用connectionism（聯(lián)結(jié)主義）這一術(shù)語對人的大腦模型進(jìn)行了描述,并提出了著名的算法規(guī)則又稱Hebb規(guī)則（定律）。第10頁,共68頁，2024年2月25日，星期天赫布定律基于以下基本假設(shè)：共同激活的神經(jīng)元成為聯(lián)合。聯(lián)合能發(fā)生在相鄰的或疏遠(yuǎn)的神經(jīng)元間，即整個皮層是聯(lián)合存儲。如果神經(jīng)元成為聯(lián)合，它們將發(fā)展成為功能體或細(xì)胞集合。第11頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

他的《行為的組織》一書中有一個后來被廣泛引用的段落：“當(dāng)細(xì)胞A的一個軸突和細(xì)胞B很近，足以對它產(chǎn)生影響，并且持久地、不斷地參與了對細(xì)胞B的興奮，那么在這兩個細(xì)胞或其中之一會發(fā)生某種生長過程或新陳代謝變化，以致于A作為能使B興奮的細(xì)胞之一，它的影響加強(qiáng)了?！边@個機(jī)制以及某些類似規(guī)則，現(xiàn)在稱為赫布定律，又稱突觸學(xué)習(xí)學(xué)說。第12頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第13頁,共68頁，2024年2月25日，星期天腦的構(gòu)造

腦的構(gòu)造大體分為三個部分，即后腦、中腦和前腦后腦包括小腦和延髓

中腦包括腦干的一部分，主要機(jī)能是視覺的皮層下反射中樞前腦的主體是大腦，是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中最大的結(jié)構(gòu)重量約為1400克，在大腦左右兩半球之間由中央溝區(qū)分，兩個半球之間則由胼胝體連接

第14頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第15頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第16頁,共68頁，2024年2月25日，星期天腦功能PierreFlourens的“大腦機(jī)能統(tǒng)一說”Lashley的“大腦皮層機(jī)能等勢說”Broca的機(jī)能定位Brodmann分區(qū)從機(jī)能定位說到整體活動說第17頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第18頁,共68頁，2024年2月25日，星期天大腦左半球的分區(qū)功能第19頁,共68頁，2024年2月25日，星期天串行加工與并行加工第20頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)神經(jīng)科學(xué)常用探測技術(shù)多導(dǎo)細(xì)胞電活動記錄腦成像技術(shù)的發(fā)展時(shí)間分辨率(temporalresolution)和空間分辨率(spatialresolution)第21頁,共68頁，2024年2月25日，星期天認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)試圖通過先進(jìn)技術(shù)手段獲得關(guān)于大腦結(jié)構(gòu)與功能的重要信息，尋找涉及不同認(rèn)知活動的大腦區(qū)域，界定各區(qū)域的活動順序等。第22頁,共68頁，2024年2月25日，星期天一、單細(xì)胞記錄(single—unitrecording)將微電極(micro．electrode)插進(jìn)動物大腦以獲得細(xì)胞膜外電位(extracellularpotential)記錄。第23頁,共68頁，2024年2月25日，星期天在靜息狀態(tài)下，膜內(nèi)外大約有70毫伏——90毫伏的負(fù)電位差，膜內(nèi)比膜外略帶負(fù)電的電位差，使細(xì)胞膜發(fā)生極化現(xiàn)象，稱為靜息電位

在神經(jīng)元的內(nèi)、外部具有帶電離子，細(xì)胞膜外帶正電荷的鈉離子（Na＋）和帶負(fù)電荷的氯離子（Clˉ），細(xì)胞膜內(nèi)則是帶正電荷的鉀離子（K＋）和帶負(fù)電荷的生物大分子第24頁,共68頁，2024年2月25日，星期天當(dāng)神經(jīng)元受到足夠強(qiáng)的刺激時(shí)，細(xì)胞膜的通透性迅速變化鈉離子比鉀離子和氯離子更容易通過細(xì)胞膜，使鈉離子內(nèi)流，膜內(nèi)電位迅速上升，并高過膜外電位，使細(xì)胞膜內(nèi)相對于細(xì)胞膜外變成正極，出現(xiàn)去極化狀態(tài)，這種電位變化即為動作電位

第25頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第26頁,共68頁，2024年2月25日，星期天二、腦電圖（EEGMeasurement）第27頁,共68頁，2024年2月25日，星期天腦電圖(electroencephalogram，EEG)是通過在頭皮表面記錄大腦內(nèi)部的電活動情況而獲得的。大腦內(nèi)部非常微小的電變化都能被置于頭皮表面的電極記錄到。這些變化可通過示波器中的陰極射線管而得以顯示。第28頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

腦電圖(EEG)是研究和檢查大腦半球神經(jīng)元細(xì)胞自發(fā)放電活動，通過電子放大器并記錄下來，客觀反映大腦功能狀態(tài)的一種檢測技術(shù)。因其方法簡便無創(chuàng)、價(jià)格低廉而廣泛用于顱腦疾病的診斷和研究。

第29頁,共68頁，2024年2月25日，星期天EEGandEvokedPotentialsEEGEvokedPotentials第30頁,共68頁，2024年2月25日，星期天不足之處EEG的關(guān)鍵問題是腦電活動的自發(fā)性或大量的背景活動阻礙了對刺激引起的信息加工活動的記錄。第31頁,共68頁，2024年2月25日，星期天三、事件相關(guān)電位(event—relatedpotentials，ERP)1965年Sotton最早發(fā)現(xiàn)，在“認(rèn)知”某種靶刺激時(shí)(奇異刺激)，可從頭皮記錄到一組波，主要有N1、P2、N2、P300，統(tǒng)稱事件相關(guān)電位。第32頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

多次呈現(xiàn)相同刺激，隨后，每一刺激呈現(xiàn)后的EEG片段被抽取出來并根據(jù)刺激的觸發(fā)時(shí)間加以排列。把這些EEG片段疊加后平均就獲得一個單一波形。這樣一來，我們通過這種技術(shù)就從腦電圖記錄中獲得了事件相關(guān)電位，從而允許我們把刺激的效應(yīng)從背景活動中分離出來。第33頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

ERP和許多認(rèn)知過程的密切相關(guān)的聯(lián)系，使得ERP成為了解認(rèn)知神經(jīng)基礎(chǔ)的最主要的信息來源，這些認(rèn)知過程包括心理判斷、理解、辨識、注意、選擇、做出決定、定向反應(yīng)和某些語言功能等。第34頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第35頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第36頁,共68頁，2024年2月25日，星期天評價(jià)事件相關(guān)電位可提供關(guān)于大腦活動的更具體的時(shí)間信息，同時(shí)也有非常廣泛的臨床用途。事件相關(guān)電位并不能提供關(guān)于腦功能定位方面的精確信息。第37頁,共68頁，2024年2月25日，星期天四、正電子發(fā)射斷層掃描（PET）

第38頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

正電子發(fā)射層析攝影術(shù)(positronemissiontomography）簡稱PET掃描。它的基本原理是：給被試注射含放射性同位素的示蹤物，同位素放出的正電子，與腦內(nèi)的負(fù)電子發(fā)生湮滅而釋放出γ-射線。通過記錄γ-射線在大腦中的位置分布，可以測量區(qū)域腦代謝率和區(qū)域腦血流的改變，以此反映大腦的功能活動變化。第39頁,共68頁，2024年2月25日，星期天評價(jià)較高的空間分辨率時(shí)間分辨率很低只能間接測量有關(guān)的神經(jīng)活動屬于侵襲性技術(shù)第40頁,共68頁，2024年2月25日，星期天五、磁共振成像(MRI和fMRI)

磁共振成像(magneticresonanceimaging，MRI)的原理是利用電磁場去興奮大腦中的原子。這一過程所導(dǎo)致的磁場變化被一臺環(huán)繞患者磁體所檢測，這些變化進(jìn)而由計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)化成一幅非常精確的三維圖像。

第41頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第42頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

其基本原理為：被激活的大腦皮層功能區(qū)的局部血流量較靜止時(shí)明顯增加,同時(shí)該區(qū)腦組織耗氧量亦有增加，且被激活的功能區(qū)耗氧量增加幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于血流量的增加幅度,從而造成局部微循環(huán)內(nèi)氧合血紅蛋白量增加,脫氧血紅蛋白量相對下降,使該區(qū)磁化率發(fā)生變化,造成在T2加權(quán)像上局部信號增加。第43頁,共68頁，2024年2月25日，星期天功能磁共振成像（FunctionalMRI，fMRI）是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的一種全新的研究手段，通過神經(jīng)元活動時(shí)大腦的血液動力學(xué)反應(yīng)，如血容量、血流量及血氧水平的變化來定位大腦的功能活動區(qū)，與其他研究方法相比，具有較高的空間分辨率和時(shí)間分辨率,以及較好的可重復(fù)性和可行性，近年來受到廣泛重視。第44頁,共68頁，2024年2月25日，星期天評價(jià)高的時(shí)間和空間分辨率高安全性的技術(shù)只能對神經(jīng)活動進(jìn)行間接測量

第45頁,共68頁，2024年2月25日，星期天六、腦磁圖(MEG)腦磁圖(magneto—encephalography，MEG)運(yùn)用一個超導(dǎo)量子干擾裝置來測量腦電活動的磁場變化。

第46頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第47頁,共68頁，2024年2月25日，星期天評價(jià)磁場信號相對直接地反映了神經(jīng)活動的變化能提供有關(guān)認(rèn)知過程的相當(dāng)具體的時(shí)間信息，時(shí)間分辨率達(dá)毫秒級。無侵襲，無損傷的腦功能檢測技術(shù)

不能提供結(jié)構(gòu)或解剖信息第48頁,共68頁，2024年2月25日，星期天裂腦人研究第49頁,共68頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)認(rèn)知心理學(xué)經(jīng)典研究方法簡介第50頁,共68頁，2024年2月25日，星期天一、反應(yīng)時(shí)測量法

反應(yīng)時(shí)（reactiontime，簡稱RT）刺激作用于有機(jī)體后到其作出明顯反應(yīng)所需要的時(shí)間，即刺激與反應(yīng)之間的間隔。

第51頁,共68頁，2024年2月25日，星期天1.減法反應(yīng)時(shí)（subtractivemethod）

用兩種反應(yīng)時(shí)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(shí)記憶應(yīng)用這種方法。目的是測量包含在復(fù)雜反應(yīng)中的辨別、選擇等心理過程所需的時(shí)間。第52頁,共68頁，2024年2月25日，星期天（F.C.Donders,1968)復(fù)雜反應(yīng)時(shí)間與簡單反應(yīng)時(shí)間的差別，就是包含在復(fù)雜反應(yīng)中的心理過程所需要的時(shí)間

簡單反應(yīng)時(shí)（simplereactiontime）RT1復(fù)雜反應(yīng)時(shí)（complexreactiontime）RT2復(fù)雜反應(yīng)時(shí)RT3

辨別過程時(shí)間=RT2－RT1

選擇過程時(shí)間=RT3－RT2第53頁,共68頁，2024年2月25日，星期天唐德斯反應(yīng)時(shí)（DondersABCofreactiontime)刺激反應(yīng)唐德斯A反應(yīng)刺激反應(yīng)唐德斯B反應(yīng)唐德斯C反應(yīng)刺激反應(yīng)A反應(yīng)時(shí)C反應(yīng)時(shí)C—AB反應(yīng)時(shí)C反應(yīng)時(shí)B—C基線時(shí)間選擇時(shí)間辨別時(shí)間第54頁,共68頁，2024年2月25日，星期天例：短時(shí)記憶的編碼實(shí)驗(yàn)（Posner，1969-1970）Aa對AA對

00.52字母間隔時(shí)間/s反應(yīng)時(shí)ms第55頁,共68頁，2024年2月25日，星期天參數(shù)a星形在十字之下a+t0

星形在十字之上t0參數(shù)c星形在十字之上t0

十字在星形之上c+t0參數(shù)b+d星形在十字之下a+t0

星形不在十字之下a+b+d+t0

第56頁,共68頁，2024年2月25日，星期天2.相加因素法（S.Sternberg,1969)

相加因素法實(shí)驗(yàn)的基本思路為：如果可以確定一個信息加工過程有某一獨(dú)立過程，那么，當(dāng)加工過程包含該過程時(shí)，可以看到信息加工總時(shí)間的顯著變化，如果該過程不是一個獨(dú)立的加工過程，那么當(dāng)加工過程包含該過程時(shí)，加工總時(shí)間不會發(fā)生顯著化變化。

使用相應(yīng)因數(shù)法實(shí)驗(yàn)可以證實(shí)信息加工過程是否包含一個假定的環(huán)節(jié)。第57頁,共68頁，2024年2月25日，星期天經(jīng)典實(shí)驗(yàn)（Sternberg)

短時(shí)記憶提取實(shí)驗(yàn)表明，字母轉(zhuǎn)換的信息加工過程經(jīng)過四個階段：

刺激編碼階段

順序比較階段

決策階段

反應(yīng)組織階段

第58頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

不同的階段所進(jìn)行的信息加工是相互獨(dú)立的。如下圖所示：第59頁,共68頁，2024年2月25日，星期天3.開窗實(shí)驗(yàn)

通過特定的技術(shù)將被試各信息加工階段所用時(shí)間直接進(jìn)行測量?！伴_窗”實(shí)驗(yàn)的目的是采用“開窗”技術(shù)，將大腦進(jìn)行信息加工過程及其所使用時(shí)間直接地測量出來。使用研究者可以清楚感知該過程。

第60頁,共68頁，2024年2月25日，星期天

字母轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)就是一種比較典型的“開窗”實(shí)驗(yàn)方法。它可以較清晰地反應(yīng)在進(jìn)行字母轉(zhuǎn)換的信息加工過程中，信息加工所經(jīng)歷的各個階段，而且計(jì)算出該過程所需要的時(shí)間。第61頁,共68頁，2024年2月25日，星期天經(jīng)典實(shí)驗(yàn)（Hockeyt等，1981）

實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)：向被試出視一個字母加一個數(shù)字的卡片，如“E+3”，要求被試說出該字母后數(shù)字表示的字母，如被試看到“E+3”,應(yīng)該說“h”，然后翻看下一張...

第62頁,共68頁，2024年2月25日，星期天反應(yīng)時(shí)研究的局限性

1、速度-正確率權(quán)衡問題：被試為了追求速度而犧牲回答的正確性，或者在反應(yīng)過程使用猜測的策略，以提高正確率和速度。

2、系