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认知神经科学认知神经科学Cognitive Neuroscience 认知神经科学第1页参考书目沈政 方方 杨炯炯著，认知神经科学导论，北京大学出版社郭本禹著，当代心理学新进展，山东教育出版社莲蓉主编，认知心理学，高等教育出版社 Howard Eichenbaum著，记忆认知神经科学导论，北京师范大学出版社 沈政 杨炯炯，当代认知神经科学，科技前沿与学术评论 陈巍，从颅相学到认知神经科学，科技评论 王晓东 张立春 肖鑫雨，大脑学习密探认知神经科学研究进展，开放教育研究 王道阳，认知神经科学研究范式困境与出路，专论 李雅，认知神经科学新进展评述，赤峰学院学报 徐俊霞 胡俊丽，认知神经科学新进展对科学发展启示，呼伦贝尔学院学报 刘昌，认知神经科学：其特点及对心理科学影响，心理科学 孟维杰，认知神经科学范式检讨与文化反思，阴山学刊 金志成，在认知神经科学中所应用功效性磁共振成像技术，华南师范大学学报 刘文艳，PET设备成像原理、现实状况及展望，中国医学设备认知神经科学第2页Contents认知神经科学起源理论及其研究方法神经系统基本知识在记忆、注意、思维、情绪方面研究反思认知神经科学第3页一、起源一、起源 认知神经科学这一术语最早于20世纪70年代末由美国著名心理学家Michael S.Gazzaniga和George A.Miller共同提出。是一门在认知科学和神经科学基础上发展起来一门新生学科。认知神经科学（Cognitive Neuroscience）：一门研究人脑高级功效学科。认知神经科学研究目标在于说明认知活动脑机制（Gazzaniga，）认知神经科学诞生至今有着近历史，80年代开始走入人们视野，与90年代成为一门受国际学术界公认新兴学科，被认为是二十一世纪最有发展前景自然科学前沿研究领域。George A.MillerMichael S.Gazzaniga认知神经科学第4页1、脑研究19世纪初德国医学家伽尔和他学生斯普茨海姆首先对脑和心理关系进行了了解，提出“颅相学”，认为头骨外形与脑形状相对应，人不一样心理功效，如记忆、野心、慎重、仁慈等，分别存于大脑特定部位，所以，依据颅骨外形能够推知人各种心理特征，他假设特定区域隆凸或凹陷对应于大脑相关功效区域发展情况。古希腊时期，希波克拉底天才般提出脑是心理器官我国医学家李时珍指出“脑为元神之府”。认知神经科学第5页法国生理学家法国生理学家弗洛伦斯弗洛伦斯采取脑局部切除法损毁动物（主要采取脑局部切除法损毁动物（主要 是鸟类）脑不一样部分，观察动物行为改变，提出是鸟类）脑不一样部分，观察动物行为改变，提出“大脑大脑机能统一说机能统一说”，认为脑机能含有整体性。以后美国心理学，认为脑机能含有整体性。以后美国心理学家家拉拉 什里什里用类似方法研究大鼠脑损伤程度对大鼠学习和记用类似方法研究大鼠脑损伤程度对大鼠学习和记忆影忆影 响，发觉大鼠记忆障碍严重程度与脑损伤部位无关，响，发觉大鼠记忆障碍严重程度与脑损伤部位无关，而是依赖于脑损毁面积大小，提出而是依赖于脑损毁面积大小，提出“大脑皮层机能等势说大脑皮层机能等势说”，认为大脑皮层不一样部位机能是相同。，认为大脑皮层不一样部位机能是相同。法国神经病学家布罗卡描述了一则表示性失语症，病人能听懂他人说话，且喉，舍，唇肌肉正常，但除了“Tan”声音外不能说话，对其尸检发觉病人左半球额下回后部约1/3处有一鸡蛋大损伤，脑组织退化，认为该区域是言语运动中枢。德国学者威尔尼克则发觉听觉性失语症病人左半球颞上回后部受损，其听觉正常，却听不懂他人和自己说话，经常答非所问。即言语听觉中枢言语听觉中枢。认知神经科学第6页Paul Broca认知神经科学第7页加拿大神经外科医生潘菲尔德采取点刺激法对病人大脑感觉与运动功效进行了研究，发觉人身体不一样部位感觉和运动在大脑皮层均可找到相对应部位以后一系列研究表明，人类感觉，运动，语言，记忆等机能均与特定脑区相关，且语言功能更与左半球有亲密关系，这是所谓“大脑皮层机能定位说”ps.布赖恩伯勒尔认知神经科学第8页2、认知科学发展、认知科学发展70 年代，人工智能发展面对许多难题，传统物理符号论难以处理。于是一批富有远见卓识美国科学家提出将人脑、电脑研究融为一体,研究智能实体(自然脑和人造脑)智能活动与环境条件相互制约规律。认知心理学、神经心理学、心理语言学和传统人工智能组成了统一认知科学雏型，智力与计算关系成为7080 年代认知科学基本命题。然而，这一命题研究很快碰到了重大挫折，即离散物理符号计算无法表示人类智能活动真谛。认知科学（Cognitive Science）：是研究人、动物和机器智能本质和规律科学。认知心理学和人工智能是认知科学关键学科（Wiles&Dartnall,1999）。认知神经科学第9页 十几年后，认知科学家们终于在生物脑中概括出并行分布式(PDP)神经计算原理,19861996 年十年间,风起云涌人工神经网络研究积累了大量科学事实,冲破了智能传统概念。1993 年认知科学杂志上人工智能研究创始人之一Simon 和五位青年学者展开智能本质论战,1994 年已故生态心理学家Gibson 著作再度风靡于世,都为智能新概念奠定了科学基础智能与计算命题再次扩展开来，它包含离散物理符号计算，连续(模拟)神经计算(PDP)，自组织自适应计算、含糊计算和含糊推理等。智能新概念不但表达在其算法多样性与综合性，更表达于智能活动源于生态环境，又归结为生态环境。它不是每个头脑作为孤立系统内部运动过程，而是表达于制约着生态环境又作用于生态环境个体高效目标行为。所以，智能实体(自然脑或人工脑)在特定环境下完成高效目标行为过程及其内部机制，就成为新智能理论基本命题，它目标不但在于利用当代各种图灵计算原理，还在于试图突破图灵计算，追求智能本质新认识。认知神经科学第10页不过，认知科学各学科一个共同特点是，它们对人认知过程研究采取是一个“隐喻式描述”。比如，我们能够采专心理试验设计证实短时记忆存在，但短时记忆显然是脑功效之一，在没有说明其脑活动机制之前，我们只能构想短时记忆类似于一个工作平台。这显然不能满足研究者们要求。脑是心理活动物质本体，仅从行为水平探讨人脑心理功效当然是不够。认知神经科学第11页3、神经科学进展1929年德国生理学家Hans Berger首先统计到正常人脑脑电波（EEG,electroencephalogram），发觉脑电波对心理活动很敏感，如心算可引发脑电波节律降低。20世纪50年代末，伴随计算机在生物学中应用造成事件相关电位（ERP,event-related potentials）问世，成为脑波研究史上重大事件。EEG和ERP测量是心理活动时脑电信号，其时间分辨率极高，但其空间分辨率较低，似乎还不能充分满足直接观察人脑处于不一样心理活动状态脑电图要求。早期研究主要是经过对病人临床观察并结合尸体解剖进行。因为其独特征，现在仍会使用。认知神经科学第12页70年代末、80年代初出现计算机断层扫描术（CT,computerized tomography）和磁共振成像技术（MRI,magnetic resonance imaging）测量是静态脑结构图像。80年代中期，出现了正电子发射断层扫描技术（PET,positron emission tomography），它将带有放射性核素标识化合物注入人体，由此取得心理活动时脑代谢图像或脑血流图像。1990-1992年期间又出现了功效磁共振成像（fMRI,functional magnetic resonance imaging）技术，主要经过测量脑活动时脑内各处血流含氧量改变来反应人脑心理活动，其时间分辨率和空间分辨率均较PET有了显著提升，且不需要给被试注射微量放射性物质。认知神经科学第13页3.人类疾病研究实际需要疾病一直困扰着人类，一些疾病直接影响人脑功效，包含脑肿瘤、老年痴呆、脑血管疾病、癫痫、毒品成瘾、精神分裂症等等。对这些疾病进行早期诊疗，是预防疾病发生主要办法。早期诊疗一个主要内容是测查脑认知功效，除进行神经心理测查外，还设计一些精细试验，采取ERP、PET和fMRI等技术研究病人执行某一认知任务时脑功效图像，能够对脑结构损伤或脑功效性失调给予相当满意诊疗，有利于及时进行对症治疗。显然，对威胁人类脑功效疾病研究和治疗成为推进认知神经科学产生和发展强大现实动力。认知神经科学第14页认知神经科学第15页二、理论及其研究方法1、基本理论假设（1）脑结构与功效含有多层次性 认知神经科学把阐释心理，尤其是人类心理活动脑机制作为自己任务，其研究对象主要是人类及其它高级灵长类动物(如猴子)，当然也包含其它一些低等动物。以人类为例，人脑是一个开放复杂巨系统，是一个由约1011(一千亿)个神经细胞组成高度组织化器官，有不一样种类神经元和神经元集团、不一样种类神经介质和神经化学物质、不一样种类神经通路和网络、不一样种类神经电活动，但并非杂乱无章，而是含有显著多样化多层次结构。认知神经科学第16页认知神经科学第17页（2）脑结构是其功效基础脑结构是其功效基础，但结构与功效并非简单对应关系。一个功效常需要脑各种结构参加，同时脑一个结构单位可能参加各种功效关于脑(结构)与心理(功效)关系问题，有“大脑机能统一说”、“大脑皮层定位说”、“大脑两半球功效不对称性”、“生态现实脑功效模块理论”（沈政）。认知神经科学第18页2、研究方法各分支学科各分支学科研究层次研究层次研究对象研究对象研究方法研究方法认知神经心理学认知神经心理学脑区、整脑脑区、整脑脑损伤病人脑损伤病人神经外科检验、神经心理测查、行为试验研究（如采取双任务法）认知心理生理学认知心理生理学脑区、整脑脑区、整脑人类人类经过生理仪器（EEG、ERP、PET、FMRI、MEG等）统计生理信号认知生理心理学认知生理心理学 分子、细胞、分子、细胞、脑区、整脑脑区、整脑灵长类动物灵长类动物脑损毁、单细胞电活动统计认知神经生物学认知神经生物学 分子、细胞、分子、细胞、脑区脑区从低等动物到从低等动物到哺乳动物哺乳动物生物化学测量、生物物理研究生物化学测量、生物物理研究计算神经科学计算神经科学分子、细胞、分子、细胞、脑区、整脑脑区、整脑心理或智能心理或智能理论、试验、计算认知神经科学第19页EEG 是经过在头皮表面统计大脑内部电活动情况而取得。大脑内部非常微小电改变都能被置于头皮表面电极统计到。这些改变可经过示波器中阴极射线管而得以显示。脑电图(EEG)是研究和检验大脑半球神经元细胞自发放电活动，经过电子放大器放大100倍并统计下来，客观反应大脑功效状态一个检测技术。因其方法简便无创、价格低廉而广泛用于颅脑疾病诊疗和研究。1929年德国生理学家Hans Berger首先统计到正常人脑脑电波（EEG,electroencephalogram），发觉脑电波对心理活动很敏感，如心算引发脑电波节律降低。认知神经科学第20页认知神经科学第21页认知神经科学第22页ERP普通说这种EP波幅很低（约0.1-20V），全被淹没在比它高很多自发脑电之中，肉眼几乎无法观察分析，因而在脑电统计中不能见到。为了把这些微小电位分离出来，当前应用是信号平均与迭加技术。p3它是事件出现后约300800ms间统计到正成份，故也有称之为P300，也是测谎最主要指标。潜伏期中晚期成份位于刺激后50-500ms，常与心理认知过程相关，反应了从刺激开始到大脑对外来信息加工过程所需时间，愈晚出现成份其心理学原因愈多。诱发电位(EP,Evoked Potentials)是神经系统在感受外在或内在刺激过程中产生生物电活动。分感觉诱发电位、运动诱发电位（外源性）和事件相关电位（内源性）。认知神经科学第23页诱发电位检验主要设备最少应包含刺激器、放大器、平均器和统计系统 认知神经科学第24页fMRI最惯用是BOLD-fMRI，BOLD(blood oxygen level dependent)其基本原理为：被激活大脑皮层功效区局部血流量较静止时显著增加,同时该区脑组织耗氧量亦有增加，且被激活功效区耗氧量增加幅度远远小于血流量增加幅度,从而造成局部微循环内氧合血红蛋白量增加,脱氧血红蛋白量相对下降,使该区磁化率发生改变,造成在T2加权像上局部信号增加。惯用试验设计有组块设计和事件相关设计功效性磁共振成像技术（functional magnetic resonance imaging,FMRI）认知神经科学第25页认知神经科学第26页PET原理是把含有正电子发射同位素标识药品(显像剂)注入人体内，如碳、氟、氧和氮同位素()1种或2种，这些药品在参加人体生理代谢过程中发生湮灭效应，核素衰变过程中正电子从原子核内放出后很快与自由电子碰撞湮灭，生成基本上在 方向上发射2个能量0.511 MeV彼此运动相反射线光量子。依据人体不一样部位吸收标识化合物能力不一样，同位素在人体内各部位浓聚程度不一样，湮灭反应产生光子强度也不一样。用围绕人体光子检测器，能够检测到释放出光子时间、位置、数量和方向，经过光电倍增管将光信号转变为时间脉冲信号，经过计算机系统对上述信息进行采集、存放、运算、数/模转换和影像重建，从而取得人体脏器横断面、冠状断面和矢状断面图像。凡代谢率高组织或病变，在凡代谢率高组织或病变，在PET上上展现明亮高代谢亮信号，凡代谢率低组织或病变在展现明亮高代谢亮信号，凡代谢率低组织或病变在PET上展现上展现出低代谢暗信号出低代谢暗信号。正电子发射断层扫描显像(positron emission tomography,PET)认知神经科学第27页PET-CT设备认知神经科学第28页认知神经科学第29页fMRI和PET是基于脑代谢或脑血流改变脑功效成像，不是 直接检测神经活动，而是滞后于神经活动普通达58s氧信号，空间分辨率较高，时间分辨率较差。EEG和ERP都是基于脑电或脑磁信号脑生理功效成像，优势在于它直接反应了神经电活动，有着极高时间分辨率，几乎到达实时；而且它造价较低，使用、维护也较方便；同时它也是完全无创性，空间分辨率较差。当某脑区兴奋时，该区抑制性神经元活动恰好降低，所以，代谢功效成像激活区能否代表神经元活动问题还需要深入研究。激活区反应是区域性脑血流量、脑代谢或血氧浓度改变，不是神经元活动本身，这些改变终究在多大程度上反应脑功效还需要仔细研究。全部脑成像技术都存在一个不足之处，其空间分辨率相对于神经元大小而言显得太粗糙。讨论认知神经科学第30页三、神经系统基本知识末梢结：突触：神经递质末梢结：突触：神经递质轴突轴突树突：接收树突：接收有髓磷脂：郎氏结有髓磷脂：郎氏结无髓磷脂无髓磷脂细胞体：执行细胞新陈代谢，繁殖，整合信息细胞体：执行细胞新陈代谢，繁殖，整合信息神经元神经元认知神经科学第31页 静息电位为内负外正 电担心传递速度快，但强度递减 动作电位服从全或无法则 实质是膜对不一样离子(Na+,K+)通 透性发生改变结果 不应期无法产生新动作电位认知神经科学第32页神经系统神经系统(Central nervous System)(Peripheral nervousSystem)脑：脊髓大脑、脑干、间脑、小脑脑神经：12对脊神经：31对自主神经(植物性神经系统)：交感神 经、副交感神经周围神经系统中枢神经系统认知神经科学第33页认知神经科学第34页认知神经科学第35页四、注意，记忆、思维，情绪脑机制1、注意脑干网状结构 使大脑产生并保持非特异性兴奋和觉醒水平，维持正常意识状态，是注意活动基本确保。初级感觉皮层 对各种感觉通道信息进行通道特异性自动初步加工，是注意基本条件，在网状结构激活下自动加工，同时也受其它皮层(扣带回、额叶)功效影响。边缘系统 注意神经元对环境中出现新异刺激做出反应，是人体选择刺激信息主要细胞，是决定心理活动指向神经基础。大脑皮层 调整注意最高部位，严重损伤将不能将注意集中在所接收言语指令上，也不能抑制对任何附加刺激物反应。如多动症 认知神经科学第36页注意脑机制能够概括为三个功效网络：定向网络、执行网络、警觉网络定向网络定向网络：顶叶顶叶：与注意定向相关，损伤后破坏了对同侧注意摆脱能力。上丘上丘：损伤后影响了视觉定向，破坏了有效线索引导行为定向作用。丘脑枕核丘脑枕核：损伤后在隐蔽定向任务上表现困难。执行网络执行网络：中额叶皮层中额叶皮层，包含前扣带回和辅助运动区，有时也有基底神经节。实现选择注意执行，包含对目标和靶子搜索和觉察，对干扰项忽略、错误检测处理、无效提醒线索引发冲突和反应抑制等进行调控，损伤后调控能力低下。警觉网络警觉网络：中脑蓝斑去甲肾上腺素能神经元中脑蓝斑去甲肾上腺素能神经元，大脑皮层右顶叶和右前额叶。实现注意保持和持久维持调整功效。认知神经科学第37页2、记忆严重对情节记忆顺行性遗忘和一定时间内逆行性遗忘，保有正常短时记忆，正常程序性记忆，保持很好、在陈说性记忆(尤其是情节记忆)中，主要是内侧颞叶系统内侧颞叶系统(MTL)和前额叶和前额叶,如出租车司机海马比日常人要大。在非陈说性记忆(内隐)中，有知觉皮层、前额叶、运动区和基底节。长时学习记忆还包括基因表示和突触改变。H.M.认知神经科学第38页3、思维言语脑机制言语脑机制 布洛卡区、威尔尼克区、顶叶运动区和运动前区、前额区、顶叶联合区、颞叶中初级听觉区、听觉联合区、视听联合区、枕叶初级视觉区、视觉联合区推理脑机制推理脑机制 演绎推理额叶(整合)、颞叶(加工)、顶叶(得出结论)归纳推理前额叶(尤其是左侧背外侧前额叶)创造性思维脑机制创造性思维脑机制 发散性思维与创造力关系最亲密，需要多个存放有不一样形式知识脑区共同完成，主要在前额叶，包含右腹外侧前额叶和左背外侧前额叶。变通性左额叶下回，流畅性左额叶下回、双侧下顶叶和右中央后回，独创性颞上回和小脑扁桃体。认知神经科学第39页4、情绪许多文件表明，人类有两个基本情绪和动机系统，分别是趋近和退缩，戴维森等人把趋近描述为主动感情类型，如愉快，兴趣等，把退缩描述为厌恶、恐惧等，研究发觉，消极情绪发生时，大脑消极情绪发生时，大脑右半球有更多激活，主动情绪发生时，大脑左半右半球有更多激活，主动情绪发生时，大脑左半球有更多激活球有更多激活。内侧前额叶内侧前额叶普遍参加情绪性信息加工。杏仁核杏仁核参加与恐惧相关情绪性信息加工。胼胝体下扣带回胼胝体下扣带回参加悲伤情绪加工。有认知任务情绪性活动造成脑岛和扣带前回脑岛和扣带前回活动。认知神经科学第40页五、反思为科学家们从神经分子层面探索认知活动提供了可能，尤其是无创性脑成像技术能够对正常人认知活动进行研究。了解学习活动特点，促进教育唯物一元论使各个学科和层次有机融合，当前心理学基本上还处于整合前分裂状态，从这个意义上，认知神经科学将对心理学整合提供一个建设性平台对认知科学促进理性主义张扬生态性缺失 只能相关，不能因果还原论(人主体性缺失)间接测量 选择适当研究方法 认知神经科学第41页谢谢观赏认知神经科学第42页