腦與認(rèn)知-01-02腦科學(xué)概述市公開課一等獎省賽課微課金獎

腦與認(rèn)知科學(xué)

1.2腦科學(xué)概述申華電子工程系第1頁本節(jié)中心問題是：什么是腦科學(xué)？腦科學(xué)研究內(nèi)容腦科學(xué)研究方法第2頁腦科學(xué)：狹義定義：就是神經(jīng)科學(xué)，是為了了解神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)分子水平、細(xì)胞水平、細(xì)胞間改變過程，以及這些過程在中樞功效控制系統(tǒng)內(nèi)整合作用而進(jìn)行研究。（美國神經(jīng)科學(xué)學(xué)會）廣義定義：是研究腦結(jié)構(gòu)和功效科學(xué)，還包含認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)等。

第3頁二十一世紀(jì)是腦科課時(shí)代J.D.Watson在「TheBrian」序言：

→“二十一世紀(jì)是腦世紀(jì)”。五十年代→六次諾貝爾醫(yī)學(xué)獎腦科學(xué)研究者以美國為中心每年以20%速度遞增。第4頁腦科學(xué)研究范圍第5頁1.2.1腦科學(xué)研究現(xiàn)實(shí)狀況第6頁腦科學(xué)在美國1989年美國腦科學(xué)計(jì)劃：

→把本世紀(jì)最終十年命名為“腦十年”，重點(diǎn)是保護(hù)腦，防治腦疾病。一九九二年，開啟「人類腦計(jì)劃」：

→會員國已經(jīng)有20多個。

新世紀(jì)開始：科學(xué)基金會、商務(wù)部

“聚合四大技術(shù)，提升人類素質(zhì)”計(jì)劃第7頁腦科學(xué)在歐洲英國：“認(rèn)知與腦科學(xué)研究所”→研究方向有：注意、認(rèn)知和情緒、語言和交流、記憶和知識等。巴黎：“信息處理”課題（年）→人文與社會科學(xué)部同工程科學(xué)部和符號處理技術(shù)與自動化技術(shù)部合作項(xiàng)目；→學(xué)習(xí)、推理、創(chuàng)造活動和語言表示等信息軟件。第8頁腦科學(xué)在日本一九九六年，制訂了為期十年「腦科課時(shí)代」計(jì)劃，計(jì)劃每年投入1千億日元。其主要研究內(nèi)容為：了解腦——說明腦功效保護(hù)腦——征服腦疾患創(chuàng)造腦——開發(fā)腦型計(jì)算機(jī)第9頁腦科學(xué)在韓國“腦神經(jīng)信息學(xué)研究規(guī)劃（BNRP規(guī)劃）：→強(qiáng)調(diào)目標(biāo)明確多學(xué)科梯隊(duì)研究，發(fā)展基于腦信息加工機(jī)制“人類化(Human―like)”功效?！葟囊暵犇K著手，在第二階段中首先實(shí)現(xiàn)人工視覺和聽覺。而整個規(guī)劃整合需到年才進(jìn)行。與哈佛大學(xué)腦影像中心和德國(Siemens)聯(lián)合進(jìn)行協(xié)作研究。第10頁腦科學(xué)在中國“香山科學(xué)會議”（一九九三年）：→將腦科學(xué)列為國家研發(fā)重點(diǎn)，腦認(rèn)知科學(xué)研究列為「十五」國家規(guī)劃重點(diǎn)發(fā)展學(xué)科。二○○一年，中國正式成為加入國際「人類腦會議第二十個國家。

第11頁中國科學(xué)院生物物理所：“腦與認(rèn)知科學(xué)研究中心”；北京大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)試驗(yàn)室；中國科技大學(xué)碩士院腦認(rèn)知開放試驗(yàn)室；北大與北師大、浙大、東南大學(xué)等組建了“腦科學(xué)與認(rèn)知科學(xué)網(wǎng)上合作研究中心”；中山大學(xué)設(shè)置“邏輯與認(rèn)知研究所”。腦科學(xué)在中國第12頁科學(xué)問題：腦形態(tài)腦結(jié)構(gòu)（組織水平，細(xì)胞水平，分子水平）腦功效（基本功效，物質(zhì)與意識關(guān)系）腦與其它器官關(guān)系（腦系統(tǒng)）

腦系統(tǒng)與環(huán)境關(guān)系（認(rèn)識世界，改造世界）腦進(jìn)化（系統(tǒng)發(fā)育）腦發(fā)育（個體發(fā)育）腦保護(hù)與醫(yī)治腦潛能開發(fā)腦科學(xué)研究對象研究對象：腦結(jié)構(gòu)與功效第13頁美國“腦十年：1990--”提法了解腦：腦科學(xué)研究基本目標(biāo)保護(hù)腦：醫(yī)學(xué)科學(xué)研究基本目標(biāo)開發(fā)腦：教育科學(xué)研究基本目標(biāo)智能科學(xué)技術(shù)工作者特殊研究目標(biāo)了解腦–了解腦工作原理創(chuàng)造腦–創(chuàng)造人工腦，擴(kuò)展腦能力腦科學(xué)研究目標(biāo)第14頁解剖學(xué)方法：采取通常組織染色方法能夠在光學(xué)顯微鏡下觀察神經(jīng)系統(tǒng)各種組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)，即神經(jīng)元不一樣形態(tài)，以及它們間連接普通情況。利用電子顯微鏡能夠深入了解神經(jīng)元和突觸精細(xì)結(jié)構(gòu)。利用微電極細(xì)胞外統(tǒng)計(jì)、細(xì)胞內(nèi)統(tǒng)計(jì)技術(shù)對單個神經(jīng)元活動分析。近年來，片膜鉗技術(shù)對離子通道進(jìn)行深入研究。細(xì)胞外統(tǒng)計(jì)：30年代后期發(fā)展起來。用金屬絲電極1-5微米統(tǒng)計(jì)幅度較大瞬間性動作電位，對神經(jīng)元功效起了主要作用。細(xì)胞內(nèi)統(tǒng)計(jì)：0.1~0.5微米玻璃電極，內(nèi)充高濃度氯化鉀或醋酸鉀以導(dǎo)電。能統(tǒng)計(jì)動作電位，小分級電位，同時(shí)能監(jiān)視膜電位改變。另外，能注入物質(zhì)，進(jìn)行形態(tài)學(xué)分析。缺點(diǎn)是造成細(xì)胞損傷，統(tǒng)計(jì)時(shí)間、小細(xì)胞受限。片膜鉗技術(shù)：70年代后期，Neher和Sakmann發(fā)展了一個新紀(jì)錄方法，能夠用來統(tǒng)計(jì)單個離子通道活動。分子生物學(xué)方法：重組DNA技術(shù)：分析離子通道蛋白結(jié)構(gòu)和功效、生理特征。應(yīng)用單克隆抗體和遺傳突變體。腦科學(xué)主要研究方法第15頁01，直接觀察：解剖，顯微解剖

02，間接觀察：染色，示蹤，顯影，造影

03，比較解剖學(xué)

結(jié)構(gòu)研究第16頁04，電生理學(xué)研究

05，基因修剪

06，病理研究

07，成像技術(shù)

結(jié)構(gòu)-功效-行為研究第17頁當(dāng)代腦成像技術(shù)發(fā)展

當(dāng)代腦成像技術(shù)能夠在清醒、不損傷條件下洞察腦認(rèn)知功效活動過程。它能夠顯示出：在認(rèn)知過程中大腦特定腦區(qū)是怎樣一個個相關(guān)聯(lián)地被“點(diǎn)亮”。

大腦皮層是怎樣工作？在各種認(rèn)知活動中，哪些腦區(qū)在工作？哪些腦區(qū)在休息？哪些腦區(qū)先激活？哪些腦區(qū)后激活？傳統(tǒng)腦損傷和麻醉方法無法回答。

功效核磁共振成像技術(shù)局部神經(jīng)元興奮將引發(fā)該區(qū)域血流量增加，而血液中含有氧和葡萄糖，血紅蛋白所攜帶氧含量會影響血紅蛋白磁場特征，所以，磁共振成像能夠能夠檢測到大腦功能性氧消耗改變情況，并顯示高活動量區(qū)域三維圖像，空間分辨率可達(dá)1mm。第18頁關(guān)于腦研究方法評論1，局部與全局，部分與整體2，靜態(tài)與動態(tài)3，物質(zhì)-能量-信息4，結(jié)構(gòu)-功效-行為-機(jī)制第19頁R·斯佩里（1961）：兩半球功效一側(cè)化現(xiàn)象和腦發(fā)育關(guān)鍵期以及可塑性現(xiàn)象，至今對教育仍發(fā)生一定影響。腦認(rèn)知功效模塊論：M·S·加查尼加（Gazzaniga，1976）腦是由在神經(jīng)系統(tǒng)各個水平進(jìn)行活動子系統(tǒng)以模塊形式組織在一起，腦功效模塊是一個動態(tài)改變組裝?！鸩教鎿Q了“定位說”，被當(dāng)代技術(shù)所證實(shí)?！鲝堊笥覂砂肭蛘w功效協(xié)調(diào)開發(fā)。腦科學(xué)在教育中應(yīng)用第20頁神經(jīng)生物學(xué)界認(rèn)為：→人類大腦感應(yīng)是分析外來信號處理過程；→除了分析外來信號外，大腦在某一特定時(shí)刻內(nèi)在狀態(tài)也很主要?！竽X是經(jīng)過某個神經(jīng)“密碼”來處理外來信息?！@一“密碼”不是固定不變，而是伴隨大腦內(nèi)部狀態(tài)和外界環(huán)境改變而不停改變。利用新技術(shù)，能夠觀察大腦在處于高度集中和高度期待等狀態(tài)下，怎樣處理外部信息過程。腦科學(xué)在教育中應(yīng)用第21頁腦科學(xué)研究意義不但含有主要科學(xué)意義，還含有巨大潛在應(yīng)用價(jià)值。不但能夠揭示生命本質(zhì)和意義，促進(jìn)人工智能發(fā)展，提升人類認(rèn)識能力和生活質(zhì)量。在促進(jìn)當(dāng)代科學(xué)尤其是心理學(xué)、生理學(xué)、語言學(xué)、邏輯學(xué)、腦科學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)甚至哲學(xué)等眾多學(xué)科發(fā)展上，都有非同尋常主要意義。第22頁概念：腦科學(xué)相關(guān)學(xué)科研究課題認(rèn)知心理學(xué)：研究知覺、注意、學(xué)習(xí)、記憶、語言、概念思索、處理問題思索、推理、判斷與決議、創(chuàng)造性與智能、運(yùn)動行為等各種行為與技術(shù)心理過程。功效分析來解釋相關(guān)認(rèn)知處理理論與處理各要素成份。第23頁語言學(xué)：語法結(jié)構(gòu)、語言與認(rèn)知關(guān)系、語用論、自然語言等認(rèn)知過程關(guān)鍵工具之一語言信息處理問題，為認(rèn)知心理學(xué)和人工智能及哲學(xué)提供依據(jù)。計(jì)算機(jī)科學(xué)：研究機(jī)器視聽知覺、人工智能、機(jī)器語言處理、教授知識表象、神經(jīng)網(wǎng)系統(tǒng)等信息處理模型。第24頁神經(jīng)科學(xué)（腦科學(xué)）：大腦對空間、非空間信息處理以及虛擬環(huán)境中認(rèn)知；學(xué)習(xí)／記憶規(guī)律及其腦機(jī)制；語言認(rèn)知和自動語言識別；意識、自我意識及其腦機(jī)制；情緒與心境障礙、精神疾病與老年性認(rèn)知衰退神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制；腦認(rèn)知功效可塑性機(jī)制及其應(yīng)用；腦功效成像方法與技術(shù)等。結(jié)構(gòu)分析來解釋相關(guān)認(rèn)知處了解剖學(xué)結(jié)構(gòu)原理。（Marr,1982)第25頁參考文件：《心理學(xué)思想流變——心理學(xué)名人傳》，張春興著，上海教育出版社，

《認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)》GazzarnigaM.主編沈政等譯，MIT出版社1995年，上海教育出版社1998年楊雄里：《腦科學(xué)當(dāng)代進(jìn)展》，上海科技教育出版社1998年版沈政：《腦科學(xué)與素質(zhì)教育》，《教育研究》1999年第8期

第26頁可利用資源：孔令軍等，中國教育技術(shù)學(xué)科:進(jìn)展、問題和前景[J]，陜西廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào)，，(1)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)研究所：/researches.asp腦與語言認(rèn)知試驗(yàn)室

認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究試驗(yàn)室

第27頁作業(yè)：教育技術(shù)學(xué)學(xué)科定位問題？新技術(shù)環(huán)境下認(rèn)知、學(xué)習(xí)與教學(xué)研究趨勢？第28頁本章小