认知神经科学概念

认知神经科学概念第1页/共75页第2页/共75页人脑是由上千亿个神经元组成的复杂巨系统。它为人类提供了知觉、运动、注意、学习、记忆、思维、语言、情感、意识等最重要的高级脑功能和认知行为脑-认知-行为的关系是人类在认识自身的过程中必须解决的核心问题。它将对人类理解自然和自身、增进脑和身心健康、发展全新的脑智能信息系统及提高全民族的知识创新能力作出重要贡献本世纪生命科学走向：基因组蛋白组脑-认知-行为认识脑从而认识人类自身已成为本世纪最具挑战性和最活跃的科学前沿，是摆在各国科学家面前的首要科学使命，已成为全球性的研究热点第3页/共75页一、概念第4页/共75页学科的比较第5页/共75页认知神经科学认知神经科学（CognitiveNeuroscience）是阐明认知活动的心理过程和脑机制的科学认知神经科学的研究模式是将行为、认知过程、脑机制三者有机地结合起来在某种意义上说，心理学的发展已由认知心理学进入到认知神经科学的时代第6页/共75页神经科学中心原则一切行为都是脑功能的反映

第7页/共75页1999年MIT出版《MindandBrainSciencesinthe21stCentury》，作者们的共识Smith：“我预期在今后几十年内，认知心理学将沿着神经科学的方向发展。认知心理学专业的学生将必须把脑—认知关系的学习作为必修课，就象他们现在学习数学模型和统计学一样”。Roediger：”传统的认知心理学家将其专业领域与Neuro相联系是大有希望的“。第8页/共75页第9页/共75页第10页/共75页

全脑系统脑区网络神经元突触分子

1m10cm1cm1mm100mm1mm1A第11页/共75页心理学生物学信息科学三大学科交叉多道微电极记录

电极阵列（EMA）

脑电、ERP、MEG

PET、fMRI

光学成象

神经行为定量测量知觉、注意、记忆动作、语言、决择思维、情感、意识海量数据复杂性测度数学模型计算模拟网络信息模型第12页/共75页学科交叉教育学理学工学医学心理学信息工程生物学数学计算机科技生物医学工程系统科学精神病学物理学电子科技控制科学生理学神经病学生物物理学第13页/共75页脑成像的概念采用现代物理学与生物化学原理呈现大脑结构和功能活动的多种技术手段功能性磁共振成像(fMRI)正电子发射断层扫描(PET)脑电图(EEG)事件相关电位(ERP)脑磁图(MEG)单光子发射断层扫描(SPECT)光学成像也包括传统的X光放射影像和超声影像技术第14页/共75页发展脑成像技术的意义脑成像作为认知神经科学研究最为主要的技术手段，使人类有史以来第一次能直接观察到大脑的心理过程和认知活动，有如研究脑功能的“显微镜”和“望远镜”在国际著名的大学，神经科学、脑科学、认知科学、以及心理学研究机构，无一例外地拥有脑成像研究中心或实验室，中科院也建立了中国第一个拥有3TfMRI与128导ERP系统的大型脑成像研究基地第15页/共75页二、研究路线第16页/共75页即把人脑与计算机进行类比，将人脑看作是计算机的信息加工系统。但这种类比只是机能性质的，而不管脑的生物细胞和电子元件之间的区别。采用自上而下和（top-down）的研究策略，也就是先确认一种心理能力，再去寻找它所具有的计算结构。认知心理学的研究

第17页/共75页神经网络的研究

把大脑看作是一种神经网络，但这种神经网络模型是人工的，与真正的神经及其突触连接并不相同。采用一个从下向上（bottomup）的策略，先建立一个简单的或理想化的神经网络模型，然后再考察这个模型所具有的认知功能。从最简单的模型入手，不断增加它的复杂性，就有可能模拟出真正的神经网络，从而了解认知活动的真相。

第18页/共75页认知神经科学的研究从真正的大脑工作方式入手来研究认知的。采用从下向上的研究策略由于无损伤技术手段（如ERP、EMG、PET和fMRI）的出现，使研究者可以直接观察到大脑活动的区域及特点第19页/共75页三、研究方法简述第20页/共75页在研究层次上重视多层次的跨学科整合

在一般的概念层面上实现新的跨学科的整合

越来越认识到各分支学科相互间进行对话和交流的必要性利用不同学科的方法收集到的不同类型的数据，推进实验层面上的整合

例如，对语言的研究需要将定性的语言学数据与实验心理学和神经学的数据结合起来考虑；而解决意识问题，不仅要求重视行为学和神经学数据，也要兼顾意识经验的实验数据实现由计算思想与模拟所带来的理论上的整合

用计算手段研究复杂和多样化的认知过程是必要的，还需要通过模拟让研究者们看到他们的理论思路的成就及其局限。这种跨学科、多层次的整合是认知科学发展的另一趋势第21页/共75页在研究方法上注重采用无损伤性实验技术

以ERP、fMRI等为代表的脑成像技术的发明和发展，已成为现代高科技的一个竞争热点，汇集了信息科学、物理科学以及其它工程科学的众多高科技成果脑成像技术可以直接“观察”大脑的活动。采用脑成像技术研究脑的认知结构和功能，已成为脑科学与认知科学发展的一大趋势脑成像技术还有待完善。脑认知成像技术可以为我们对认知过程的脑功能形成直观的图像，但还受到时间、空间分辨率的限制第22页/共75页认知科学与神经科学的结合生物定向的调查能够改变认知理论神经成像技术可提供比行为测量更直接的可解释信息提出认知领域新的组织方式

——E.E.Smith第23页/共75页信息载体信息源信息提取与加工信息获取第24页/共75页磁共振波谱功能像扩散张量成像偶极子定位磁共振结构像光学成像事件相关电位分子像脑磁图第25页/共75页第26页/共75页神经细胞的电磁活动当兴奋脉冲沿着神经细胞的轴索到达突触时，突触囊泡将特殊的传递分子释放到约50nm宽的突触裂隙中，这些分子迅速在裂隙中弥散，其中一部分被突触后细胞表面的受容体所截获，结果受容体分子的形态改变并使膜表面的离子通道开放。电荷的流动（通常是Na+，K+，Ca2+离子）使后一个细胞的膜电位发生改变，这一电位改变即为突触后电位。第27页/共75页细胞内电流和细胞外的电流

第28页/共75页ERP的技术原理事件相关电位(Event-relatedpotential,ERP)，是与实际刺激或预期刺激(声、光、电)有固定时间关系的脑反应所形成的一系列脑电波利用ERP的固定时间关系，即锁时(time-locked)关系，经过计算机的叠加处理，则可以提取出ERP成分时间分辩率为ms级，空间分辩率为cm级第29页/共75页听觉ERP成分波形命名测量指标第30页/共75页第31页/共75页第32页/共75页高频字(470ms)-10020040060080010000.0-2.02.04.0ERP地形图低频字(490ms)第33页/共75页偶极子定位第34页/共75页MEG的技术原理MEG检测的是头皮脑磁场信号，该脑磁场信号是由神经细胞内电流的体积电流所产生，这种脑磁场信号与颅骨形状的复杂性以及颅骨内脑组织导电率的不均匀一致性无关，因此MEG具有定位精度高，无损伤，无须测定基准等优点空间定位精度可达2毫米范围以内，而且其时间分辨率可达１毫秒第35页/共75页细胞内电流产生的MEG信号第36页/共75页SQUID传感器:-269℃磁场屏蔽室:两层

m金属板和一层铝板

第37页/共75页第38页/共75页275个传感器在头盔内的分布

MEG波形

MEG地形图

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

+--cellbodysinksourcesynapse-

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

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

第47页/共75页Dipolemodelsdoverywellinagreatnumberofcases:Preattentiveprocessinge.g.MEGequivalentofmismatchnegativityevokedbydeviatingwordsandvoices(Knöscheetal.,NeuroImage2002)第48页/共75页Dipolemodelsdoverywellinagreatnumberofcases:Epilepticspikes第49页/共75页EEG与MEG比较MEG--正切磁场测量，EEG--径向磁场测量MEG测量细胞内电流，而EEG测量细胞外电流脑功能区呈多方位立体分布，信号为立体传递。由于头部各组织的导电率各不相同的效应，使得脑电图信号在到达头皮表面后产生信号失真脑磁场为空间探测，将头颅作为球型导体在颅外与之呈正切方向均能检测到脑磁场信号，既脑磁图信号和各种脑组织的导电率无关，因此脑磁图信号在穿透头皮后不会产生任何失真MEG的价格是EEG的20倍第50页/共75页PET的技术原理正电子断层扫描术（PositronEmissionTpmography,PET)获得正电子标记药物在人体中的三维密度分布，并随时间变化的特点PET探测器光转换器：将高能湮灭光子转化为低能量光子光探测器：收集上述低能量光子，转化为电信号性能指标：空间分辨率(5mm)、灵敏度、信噪比、时间分辨率、能量分辨率第51页/共75页第52页/共75页fMRI的技术原理血氧水平依赖性（bloodoxygenation-leveldepndent,BOLD）：脑血管中的血氧变化→局部磁场变化→NMR信号强度变化空间分辩率为mm级，时间分辩率为sec级第53页/共75页普通MRI开放式MRI第54页/共75页1、外磁场 2、射频激发3、信号的提取 4、数据处理和图象产生第55页/共75页BloodOxygenationLevelDependent(BOLD)contrastOxyhemoglobinDeoxyhemoglobinPARAMAGNETICDIAMAGNETIC

(SimilartoTissue)第56页/共75页BasalActiveCBFO2extractionOxy-HbBrainActivity第57页/共75页RearProjectionSystemComputerprojectorscreenmirrormagnetParadigmcomputer第58页/共75页BLOCK1BLOCK2RESTTRIALTraditional:BLOCKDESIGNNewlydeveloped:EVENT-RELATED123456第59页/共75页ERP+fMRI在不同条件下根据被试的反应对ERP和fMRI结果进行分类，并在实验后进行“off-line”分析。ERP头皮分布与fMRI影象可反映脑内神经活动的不同模式。ERPs与fMRI可通过不同的实验条件测量认知加工的的功能性分离。ERP具有ms级的时间精确度，而fMRI则有mm级的空间分辨率。第60页/共75页光学成像原理近红外线光谱氧合血红蛋白与去氧血红蛋白浓度的变化时空分辨率间于ERP-fMRI第61页/共75页日立医学公司生产的24导光学成像仪器第62页/共75页第63页/共75页64OpticalImagingCamberLatticeUsedinPropagationExperimentRecordingElectrode

StimulateElectrode

第64页/共75页Sample:1ms光学成像（OpticalImage)第65页/共75页脑皮层内源性光学信号成像（IOS）：可以获得神经元群体的活动图象，其空间分辨率高达1