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1、第十章第十章 人类心理活动的脑机制研人类心理活动的脑机制研究新进展究新进展认知神经科学认知神经科学认知科学认知科学(cognitive science)的名词最早由美国科学家Higgens于1973年所使用，他提出了一个跨学科研究的目标和方案。1975年，美国斯龙基金会支持了这个跨学科的研究计划，并于1977年创刊了认知科学杂志。1980年初，美国学术界的一些有影响的大学开始设立认知科学研究中心，其中加州大学圣地亚哥分校的认知科学中心和麻省理工学院的认知科学中心建立得较早，也最有影响。 认知科学是研究智能实体与其环境相互作用原理的科学。所谓智能实体是人类、动物和智能机的泛称。 认知神经科学的研
2、究旨在阐明认知活动的脑机制,即人类大脑如何调用其各层次上的组件,包括分子、细胞、脑组织区和全脑去实现各种认知活动。 第一节 认知神经科学产生的历史背景一、心理学研究发展的要求 认知科学的核心学科分支认知心理学、心理语言学、人工智能和人工神经网络的研究都取得了重要进展，但又都发现在自己的研究领域内出现许多难点，必须在人脑认知活动机制中寻求答案。脑脑 的的 构构 造造 脑脑的构造大体分为三个的构造大体分为三个部分，即后脑、中脑和部分，即后脑、中脑和前脑前脑后脑包括小脑和延髓后脑包括小脑和延髓 中脑包括脑干的一部分，中脑包括脑干的一部分，主要机能是视觉的皮层主要机能是视觉的皮层下反射中枢下反射中枢前
3、脑的主体是大脑，是前脑的主体是大脑，是中枢神经系统中最大的中枢神经系统中最大的结构结构重量约为重量约为1400克，在克，在大脑左右两半球之间由大脑左右两半球之间由中央沟区分，两个半球中央沟区分，两个半球之间则由胼胝体连接之间则由胼胝体连接 人类对脑的探索颅相学(phrenology) 的观点Pierre Flourens 的“大脑机能统一说” Lashley 的“大脑皮层机能等势说” Broca的机能定位 Brodmann分区 大脑认知功能模块论 1861年布洛卡医生在运动性失语症病人尸检中，发现脑左半球下额回受损，后来左半球这一区就称为语言运动区。100年以后，美国的脑外科医生斯佩里和加扎尼
4、加(SperryGazzaniga)提出了大脑两半球功能一侧化理论。1961年，年轻的脑外科医生加扎尼加在斯佩里领导下，对裂脑病人进行神经心理检查，病人对右侧视野的刺激物能正确说出名称，而对左侧视野刺激物只能做出反应，都说不出名称。这使他们得到两半球认知风格不同的观点，并于1962年发表了左右脑分工之说的论文。 大脑认知功能模块论 加扎尼加认为脑是由在神经系统的各个水平上进行活动的子系统，以模块的形式组织在一起的。”近几年利用无创性脑功能成像技术对人类各种高级功能进行大量的研究，证明了脑高级功能的模块性。脑功能模块是一种动态变化的组装。 医生或研究人员传统的信息获取方式为视觉经验。但这种方式存
5、在不足，对于及其复杂的人脑而言，越来越不能满足“大量、准确、定量研究人群细微差别”的要求。计算神经解剖，主要通过智慧计算的方法，充分地挖掘和利用已有的数据，对个体和群体神经解剖结构的变化进行定量的研究。二、神经科学研究技术的突破性进展生物医学构像技术特别是功能性磁共振成像可以用于对于人类认知活动的研究；脑事件相关电位、脑磁图和高分辨脑成像等生理学方法，可以为人脑认知功能研究提供许多新的数据；分子神经生物学和细胞神经科学，为人脑认知障碍和动物认知行为提供脑内机制的许多科学数据，包括动物的学习障碍和某些基因序列的关系。这些都使神经科学有资格孕育一个径直研究认知活动脑机制的新学科。 u认知神知神经科
6、学（科学（CognitiveNeuroscienceCognitiveNeuroscience）是）是阐明明认知活知活动的心理的心理过程和程和脑机制的科学。机制的科学。u认知神知神经科学的研究模式是将行科学的研究模式是将行为、认知知过程、程、脑机制三者有机地机制三者有机地结合起来合起来. .。u在某种意在某种意义上上说，心理学的，心理学的发展已由展已由认知心理学知心理学进入到入到认知神知神经科学的科学的时代。代。第二节 认知神经科学的学科分支、基本观点和具体研究方法一、学科分支 传统神经科学的某些分支，吸收了认知科学的理论和神经科学的新技术，就可以成为新学科分支的组成部分。 认知神经心理学、认
7、知生理心理学、认知心理生理学、认知神经生物学、计算神经科学等逐渐形成。 二、基本观点（一）脑的结构与功能具有多层次性（二）脑的结构是其功能的基础三、具体研究方法脑整体活动层次不同脑区活动层次神经细胞和亚细胞层次分子活动层次认知神经科学常用的研究方法一类是无创性脑功能（认知）成像技术，另一类是清醒动物认知生理心理学研究方法。前一类方法中又分为脑代谢功能成像和生理功能成像两种；后一类方法中包括单细胞记录、多细胞记录、多维（阵列）电极记录法和其他生理心理学方法（手术法、冷却法、药物法等）。 （一）行为实验研究双任务法过程分离法双作业任务双作业任务是应用广泛的实验范式 。该范式的基本程序是同时给被试呈
8、现主任务和次任务或者只呈现主任务,然后对这两种条件下被试的实验结果进行比较,根据次任务对绩效的影响,判定子系统之间的关系。如果进行双任务作业，一个任务越难，另一任务就越慢，但不是不能完成。 Hegarty 等指出,通常的双任务实验逻辑是有问题的. 至少有两个原因,一是反应选择的瓶颈问题;二是两种任务间的策略权衡问题。 减法反应时（减法反应时（subtractive subtractive methodmethod） 用两种反应时的差数来判定某个心理过程的存在 。 在研究快速信息加工过程如识别、短时记忆应用这种方法。目的是测量包含在复杂反应中的辨别、选择等心理过程所需的时间。（F. C. Don
9、ders, 1968)复杂反应时间与简单反应时间的差别，就是包含在复杂反应中的心理过程所需要的时间 简单反应时（simple reaction time） RT1复杂反应时（complex reaction time） RT2复杂反应时 RT3 辨别过程时间= RT2RT1 选择过程时间= RT3RT2唐德斯反应时（Donders ABC of reaction time)刺激刺激反应反应唐德斯唐德斯A反应反应刺激刺激反应反应唐德斯唐德斯B反应反应唐德斯唐德斯C反应反应刺激刺激反应反应A反应时反应时C反应时反应时C AB反应时反应时C反应时反应时B C基线时间基线时间选择时间选择时间辨别时间辨
10、别时间（二）脑功能成像研究减法设计（组块设计）进行对照的认知实验，将两种认知条件不同的图像采用减法处理，即完成A认知任务的PET图像减去无A任务的对照PET图像，所得差值为A任务操作的脑代谢功能差异。 一致性分析(consistent analysis) 将A任务减A对照组的差值与B任务减B对照组之差值再相减，以作为完成不同认知任务的脑代谢功能的特异性变化的脑代谢基础参数。 脑电研究回顾1924年德国精神病学家Hans Berger想记录脑产生的电流来诊断精神病。当时已有可放大输入电压100倍的真空管放大器。Benger认为用电极刺入头皮，用真空管放大器放大引出的电流，再用当时已使用的记录心电
11、的弦线电流计可以记录下脑电位的变化。经过四年的工作后，他实现了他的预想。 他发现，正常人休息和闭目时，在顶区和枕区有一种节律性电位波动，约10次每秒，电压约50微伏，命名为波。在睁眼时，波消失，出现节律更快(1820次每秒)、电压较小(2030微伏)的电波，叫做波。他认为这两种波型是脑的正常放电，叫做脑电图。 波，频率是8-13次每秒，振幅为25-100微伏，平均50微伏。波在枕叶最显著，当健康人闭目安静休息时出现，睁眼便消失。波，频率为14-30次每秒，振幅为10-30微伏，常重合在波上。但波不因光刺激而消失，所以睁眼时波被抑制，则波更明显。在大脑皮层处于高水平的活动时常出现波。波，低频率(
12、4-7次每秒)，高振幅(100-150微伏)，发生在顶叶与颞叶，特别容易出现在行为紊乱的儿童或受到精神压力与挫折的成年人。睡眠时，深度麻醉和缺氧时都可出现。波，频率更低(0.5-3次每秒)，振幅更高(20-200微伏)，在婴儿或深睡(包括深度麻醉)的成人身上都可发生。有严重脑损伤的病人，包括癫痫、脑外伤、脑肿瘤病人身上也出现波。平均诱发电位 利用时间锁定叠加的办法，多次重复同一刺激，使诱发反应逐渐加在一起，而自发活动由于其本质是随机变化的，叠加中相互抵消。这种时间锁定叠加技术可以提高信号与噪声的比例，使自发脑电活动背景上的诱发活动能够检测出来，这就是平均诱发电位。 事件相关电位（事件相关电位（
13、ERP）研究技术）研究技术 指的是外加一种特定的刺激，作用于感觉系统或脑的某一部位，在给予刺激或撤消刺激时，在脑区所引起的电位变化。ERP的优势是具有很高的时间分辨率（毫秒），近年来高密度记录技术的发展，也提高了ERP在功能定位方面的作用。 正电子发射断层扫描仪(PET) 这种机器由放射化学装置和探测系统组成，主要测定脑中不同区域葡萄糖的吸收率和血流量等。FD-脱氧葡萄糖分子在脑内的吸收率不但是脑信息加工的灵敏指针，也可以作为脑疾病的诊断指标。 人们看黑白素描时，初级视皮层葡萄糖吸收率最高，看复杂彩色风景画时，次级视皮层的葡萄糖吸收率最高；不太懂音乐的人听音乐时，右半球葡萄糖吸收率高，音乐行家
14、听音乐时，左半球葡萄糖吸收率高。 一些退行性痴呆的病人，脑额区葡萄糖吸收率显著变低；一些精神分裂症病人与正常人不同，脑的葡萄糖吸收率在额叶最低。 功能性核磁共振成像研究技术（fMRI） 在恒磁场中，某些物质的原子核在射频电磁波的能量激发下吸收能量，随后又发射能量的现象，就称为核磁共振现象。每种原子或离子的结构不同，受激发后出现共振的频率不同。梯度磁场中，每一微小的变化都由计算机采集数据，构成图像显示出来。 fMRI是无侵入、无创伤、可精确定位的研究手段。其成像的时间可以短至几十毫秒，空间分辨率可以达到1毫米，能同时提供大脑结构像和功能像获得准确的空间定位，可以无创性地多次重复实验。 脑功能成像的局限性脑代谢功能成像的激活区所反映的脑代谢率或脑区域性血流量的增加，与神经元的兴奋性水平并非总是平行性变化。在代谢功能成像分析中，每个场激活区至少为08 cm3，即使假设为1 mm3，则至少含有数以万计皮层神经元。 第三节 人类心理活动脑机制的主要研究介绍一、语言加工二、工作记忆三、心理表象四、思维
