认知神经科学课件(PPT 42页)

1、认知神经科学Cognitive Neuroscience 第1页，共42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，当代心理学的新进展，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，记忆的认知神经科学导论，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的困境与出路，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

2、展的启示，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的影响，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的功能性磁共振成像技术，华南师范大学学报 刘文艳，PET设备的成像原理、现状及展望，中国医学设备第2页，共42页。Contents认知神经科学的起源1理论及其研究方法神经系统的基本知识在记忆、注意、思维、情绪方面的研究234反思5第3页，共42页。一、起源 认知神经科学这一术语最早于20世纪70年代末由美国著名的心理学家Michael S. Gazzaniga和George A. Miller共同提出。是一门在认知科学和神经科学的基

3、础上发展起来的一门新生学科。认知神经科学（Cognitive Neuroscience）：一门研究人脑高级功能的学科。认知神经科学的研究目的在于阐明认知活动的脑机制（Gazzaniga，2000）认知神经科学诞生至今有着近20年的历史，80年代开始走入人们的视野，与90年代成为一门受国际学术界公认的新兴学科，被认为是21世纪最有发展前景的自然科学前沿研究领域。George A. MillerMichael S. Gazzaniga第4页，共42页。1、脑的研究19世纪初德国医学家伽尔和他的学生斯普茨海姆首先对脑和心理的关系进行了了解，提出“颅相学”，认为头骨的外形与脑的形状相对应，人的不同心理

4、功能，如记忆、野心、谨慎、仁慈等，分别存于大脑特定部位，因此，根据颅骨的外形可以推知人的各种心理特征，他假设特定区域的隆凸或凹陷对应于大脑相关功能区域的发展情况。古希腊时期，希波克拉底天才般的提出脑是心理的器官我国医学家李时珍指出“脑为元神之府”。第5页，共42页。法国生理学家弗洛伦斯采用脑局部切除法损毁动物（主要 是鸟类）的脑不同部分，观察动物行为的变化，提出“大脑机能统一说”，认为脑的机能具有整体性。后来美国心理学家拉 什里用类似方法研究大鼠脑损伤程度对大鼠学习和记忆的影 响，发现大鼠记忆障碍的严重程度与脑损伤的部位无关，而是依赖于脑损毁的面积大小，提出“大脑皮层机能等势说”，认为大脑皮层

5、不同部位的机能是相同的。法国神经病学家布罗卡描述了一则表达性失语症，病人能听懂他人说话，且喉，舍，唇肌肉正常，但除了“Tan”的声音外不能说话，对其尸检发现病人左半球额下回后部约1/3处有一鸡蛋大的损伤，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现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，常常答非所问。即言语听觉中枢。第6页，共42页。Paul Broca第7页，共42页。加拿大神经外科医生潘菲尔德采用点刺激法对病人大脑的感觉与运动功能进行了研究，发现人身体不同部位的感觉和运动在大脑皮层均可找到相对应的部位后来一系列研究表明，人类感觉，运动，语言

6、，记忆等机能均与特定脑区有关，且语言功能更与左半球有密切关系，这是所谓“大脑皮层机能定位说”ps.布赖恩伯勒尔第8页，共42页。2、认知科学的发展70 年代，人工智能发展面对许多难题，传统物理符号论难以解决。于是一批富有远见卓识的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) 的智能活动与环境条件相互制约的规律。认知心理学、神经心理学、心理语言学和传统人工智能构成了统一的认知科学雏型，智力与计算的关系成为7080 年代认知科学的基本命题。然而，这一命题研究很快遇到了重大挫折，即离散的物理符号计算无法表达人类智能活动的真谛。认知科学（Cognitive Science）：

7、是研究人、动物和机器的智能的本质和规律的科学。认知心理学和人工智能是认知科学的核心学科（Wiles & Dartnall, 1999）。第9页，共42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) 的神经计算原理,19861996 年的十年间,风起云涌的人工神经网络研究积累了大量科学事实,冲破了智能的传统概念。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的智能本质论战,1994 年已故生态心理学家Gibson 著作再度风行于世,都为智能新概念奠定了科学基础智能与计算的命题再次扩展开来，它包括离散物理符号计算，连续(模拟的) 神经计算(PD

8、P) ，自组织自适应计算、模糊计算和模糊推理等。智能新概念不仅体现在其算法多样性与综合性，更体现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的内部运动过程，而是体现于制约着生态环境又作用于生态环境的个体高效目的行为。因此，智能实体(自然脑或人工脑) 在特定环境下完成高效目的行为的过程及其内部机制，就成为新智能理论的基本命题，它的目标不仅在于运用当代各种图灵计算原理，还在于试图突破图灵计算，追求智能本质的新认识。第10页，共42页。但是，认知科学各学科的一个共同特点是，它们对人的认知过程的研究采取的是一种“隐喻式描述”。例如，我们可以采用心理实验设计证明短时记忆的存在，但

9、短时记忆显然是脑的功能之一，在没有阐明其脑活动机制之前，我们只能设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的要求。脑是心理活动的物质本体，仅从行为水平探讨人脑的心理功能当然是不够的。第11页，共42页。3、神经科学的进展1929年德国生理学家Hans Berger首先记录到正常人脑的脑电波（EEG,electroencephalogram），发现脑电波对心理活动很敏感，如心算可引起脑电波的节律减少。20世纪50年代末，随着计算机在生物学中的应用导致事件相关电位（ERP,event-related potentials）的问世，成为脑波研究史上的重大事件。EEG和ERP测量的是心理活

10、动时的脑电信号，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同心理活动状态的脑电图的要求。早期的研究主要是通过对病人的临床观察并结合尸体解剖进行的。由于其独特性，现在仍会使用。第12页，共42页。70年代末、80年代初出现的计算机断层扫描术（CT,computerized tomography）和磁共振成像技术（MRI,magnetic resonance imaging）测量的是静态的脑结构图像。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记的化合物注入人体，由此获得心理活动

11、时的脑代谢图像或脑血流图像。1990-1992年期间又出现了功能磁共振成像（fMRI,functional magnetic resonance imaging）技术，主要通过测量脑活动时脑内各处血流含氧量的变化来反映人脑的心理活动，其时间分辨率和空间分辨率均较PET有了明显提高，且不需要给被试注射微量放射性物质。第13页，共42页。3. 人类疾病研究的实际需要疾病始终困扰着人类，一些疾病直接影响人的脑功能，包括脑肿瘤、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断，是预防疾病发生的重要措施。早期诊断的一个重要内容是测查脑认知功能，除进行神经心理测查外，还设计一些

12、精细的实验，采用ERP、PET和fMRI等技术研究病人执行某一认知任务时的脑功能图像，可以对脑结构损伤或脑功能性失调给予相当满意的诊断，有利于及时进行对症治疗。显然，对威胁人类脑功能疾病的研究和治疗成为推动认知神经科学产生和发展的强大现实动力。第14页，共42页。第15页，共42页。二、理论及其研究方法1、基本理论假设 （1）脑的结构与功能具有多层次性 认知神经科学把阐释心理，尤其是人类心理活动的脑机制作为自己的任务，其研究对象主要是人类及其他高级灵长类动物(如猴子)，当然也包括其他一些低等动物。以人类为例，人脑是一个开放的复杂巨系统，是一个由约1011(一千亿)个神经细胞组成的高度组织化的器

13、官，有不同种类的神经元和神经元集团、不同种类的神经介质和神经化学物质、不同种类的神经通路和网络、不同种类的神经电活动，但并非杂乱无章，而是具有明显的多样化的多层次结构。第16页，共42页。第17页，共42页。（2）脑的结构是其功能的基础脑的结构是其功能的基础，但结构与功能并非简单的对应关系。一种功能常需要脑的多种结构参与，同时脑的一个结构单位可能参与多种功能关于脑(结构)与心理(功能)的关系问题，有“大脑机能统一说”、“大脑皮层定位说”、“大脑两半球功能的不对称性”、“生态现实的脑功能模块理论”（沈政）。第18页，共42页。2、研究方法各分支学科研究层次研究对象研究方法认知神经心理学脑区、整脑

14、脑损伤病人神经外科检查、神经心理测查、行为实验研究（如采用双任务法）认知心理生理学脑区、整脑人类通过生理仪器（EEG、ERP、PET、FMRI、MEG等）记录生理信号认知生理心理学分子、细胞、脑区、整脑灵长类动物脑损毁、单细胞电活动记录认知神经生物学分子、细胞、脑区从低等动物到哺乳动物生物化学测量、生物物理研究计算神经科学分子、细胞、脑区、整脑心理或智能理论、实验、计算第19页，共42页。EEG 是通过在头皮表面记录大脑内部的电活动情况而获得的。大脑内部非常微小的电变化都能被置于头皮表面的电极记录到。这些变化可通过示波器中的阴极射线管而得以显示。 脑电图(EEG)是研究和检查大脑半球神经元细胞

15、自发放电活动，通过电子放大器放大100倍并记录下来，客观反映大脑功能状态的一种检测技术。因其方法简便无创、价格低廉而广泛用于颅脑疾病的诊断和研究。 1929年德国生理学家Hans Berger首先记录到正常人脑的脑电波（EEG,electroencephalogram），发现脑电波对心理活动很敏感，如心算引起脑电波的节律减少。第20页，共42页。第21页，共42页。第22页，共42页。ERP一般说这种EP波幅很低（约0.1-20V），全被淹没在比它高很多的自发脑电之中，肉眼几乎无法观察分析，因而在脑电记录中不能见到。为了把这些微小的电位分离出来，目前应用的是信号平均与迭加技术。p3它是事件出现

16、后约300800ms间记录到的正成分，故也有称之为P300，也是测谎的最主要指标。潜伏期中的晚期成分位于刺激后50-500ms，常与心理认知过程有关，反映了从刺激开始到大脑对外来信息加工过程所需的时间，愈晚出现的成分其心理学的因素愈多。 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的生物电活动。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）。第23页，共42页。诱发电位检查的主要设备至少应包括刺激器、放大器、平均器和记录系统 第24页，共42页。fMRI最常用的是BOLD-fMRI，BOLD(blood oxygen level

17、dependent)其基本原理为：被激活的大脑皮层功能区的局部血流量较静止时明显增加,同时该区脑组织耗氧量亦有增加，且被激活的功能区耗氧量增加幅度远远小于血流量的增加幅度, 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, 使该区磁化率发生变化, 造成在T2加权像上局部信号增加。常用的实验设计有组块设计和事件相关设计功能性磁共振成像技术（functional magnetic resonance imaging,FMRI）第25页，共42页。第26页，共42页。PET原理是把具有正电子发射的同位素标记药物(显像剂)注入人体内，如碳、氟、氧和氮的同位素( )1种或2种，这些药物

18、在参与人体的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 方向上发射的2个能量0.511 MeV彼此运动相反的射线光量子。根据人体不同部位吸收标记化合物能力的不同，同位素在人体内各部位的浓聚程度不同，湮灭反应产生光子的强度也不同。用环绕人体的光子检测器，可以检测到释放出光子的时间、位置、数量和方向，通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、存储、运算、数/模转换和影像重建，从而获得人体脏器的横断面、冠状断面和矢状断面图像。凡代谢率高的组织或病变，在PET上呈现明亮的高代谢亮信号，凡代谢率低的组织或病变在P

19、ET上呈现出低代谢暗信号。正电子发射断层扫描显像(positron emission tomography,PET)第27页，共42页。PET-CT设备第28页，共42页。第29页，共42页。fMRI和PET是基于脑代谢或脑血流变化的脑功能成像，不是 直接检测神经活动，而是滞后于神经活动一般达58s的氧信号，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的脑生理功能成像，优势在于它直接反映了神经的电活动，有着极高的时间分辨率，几乎达到实时；而且它的造价较低，使用、维护也较方便；同时它也是完全无创性的，空间分辨率较差。当某脑区兴奋时，该区的抑制性神经元活动正好降低，因此，代

20、谢功能成像的激活区能否代表神经元活动的问题还需要进一步研究。激活区反映的是区域性脑血流量、脑代谢或血氧浓度的变化，不是神经元活动本身，这些变化究竟在多大程度上反映脑功能还需要仔细研究。所有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。讨论第30页，共42页。三、神经系统的基本知识末梢结：突触：神经递质轴突树突：接收有髓磷脂：郎氏结无髓磷脂细胞体：执行细胞的新陈代谢，繁殖，整合信息神经元第31页，共42页。 静息电位为内负外正 电紧张传递速度快，但强度递减 动作电位服从全或无法则 实质是膜对不同离子(Na+,K+)通 透性发生改变的结果 不应期无法产生新的动作电位第3

21、2页，共42页。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第33页，共42页。第34页，共42页。第35页，共42页。四、注意，记忆、思维，情绪的脑机制1、注意脑干网状结构 使大脑产生并保持非特异性的兴奋和觉醒水平，维持正常的意识状态，是注意活动的基本保证。初级感觉皮层 对各种感觉通道的信息进行通道特异性的自动初步加工，是注意的基本条件，在网状结构激活下自动加工，同时也受其他皮层(扣带回、额叶)功能

22、的影响。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的重要细胞，是决定心理活动指向的神经基础。大脑皮层 调节注意的最高部位，严重损伤将不能将注意集中在所接受的言语指令上，也不能抑制对任何附加刺激物的反应。如多动症 第36页，共42页。注意的脑机制可以概括为三个功能网络：定向网络、执行网络、警觉网络定向网络：顶叶：与注意定向有关，损伤后破坏了对同侧注意的摆脱能力。上丘：损伤后影响了视觉定向，破坏了有效线索的引导行为定向作用。丘脑枕核：损伤后在隐蔽定向任务上表现困难。执行网络：中额叶皮层，包括前扣带回和辅助运动区，有时也有基底神经节。实现选择注意的执行，包括对目标和靶子搜索和察觉，对干扰项的忽视、错误检测处理、无效提示线索引起的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：中脑蓝斑的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的调节功能。第37页，共42页。2、记忆严重的对情节记忆的顺行性遗忘和一定时间内的逆行性遗忘，保有正常的短时记忆，正常的程序性记忆，保持较好的、在陈述性记忆(尤其是情节记忆)中，主要是内侧颞叶系统(MTL)和前额叶,如出租车司机的海马