認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)概念第1頁/共75頁第2頁/共75頁人腦是由上千億個神經(jīng)元組成的復(fù)雜巨系統(tǒng)。它為人類提供了知覺、運動、注意、學(xué)習(xí)、記憶、思維、語言、情感、意識等最重要的高級腦功能和認(rèn)知行為腦-認(rèn)知-行為的關(guān)系是人類在認(rèn)識自身的過程中必須解決的核心問題。它將對人類理解自然和自身、增進(jìn)腦和身心健康、發(fā)展全新的腦智能信息系統(tǒng)及提高全民族的知識創(chuàng)新能力作出重要貢獻(xiàn)本世紀(jì)生命科學(xué)走向：基因組蛋白組腦-認(rèn)知-行為認(rèn)識腦從而認(rèn)識人類自身已成為本世紀(jì)最具挑戰(zhàn)性和最活躍的科學(xué)前沿，是擺在各國科學(xué)家面前的首要科學(xué)使命，已成為全球性的研究熱點第3頁/共75頁一、概念第4頁/共75頁學(xué)科的比較第5頁/共75頁認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)（CognitiveNeuroscience）是闡明認(rèn)知活動的心理過程和腦機制的科學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的研究模式是將行為、認(rèn)知過程、腦機制三者有機地結(jié)合起來在某種意義上說，心理學(xué)的發(fā)展已由認(rèn)知心理學(xué)進(jìn)入到認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的時代第6頁/共75頁神經(jīng)科學(xué)中心原則一切行為都是腦功能的反映

第7頁/共75頁1999年MIT出版《MindandBrainSciencesinthe21stCentury》，作者們的共識Smith：“我預(yù)期在今后幾十年內(nèi)，認(rèn)知心理學(xué)將沿著神經(jīng)科學(xué)的方向發(fā)展。認(rèn)知心理學(xué)專業(yè)的學(xué)生將必須把腦—認(rèn)知關(guān)系的學(xué)習(xí)作為必修課，就象他們現(xiàn)在學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)模型和統(tǒng)計學(xué)一樣”。Roediger：”傳統(tǒng)的認(rèn)知心理學(xué)家將其專業(yè)領(lǐng)域與Neuro相聯(lián)系是大有希望的“。第8頁/共75頁第9頁/共75頁第10頁/共75頁

全腦系統(tǒng)腦區(qū)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元突觸分子

1m10cm1cm1mm100mm1mm1A第11頁/共75頁心理學(xué)生物學(xué)信息科學(xué)三大學(xué)科交叉多道微電極記錄

電極陣列（EMA）

腦電、ERP、MEG

PET、fMRI

光學(xué)成象

神經(jīng)行為定量測量知覺、注意、記憶動作、語言、決擇思維、情感、意識海量數(shù)據(jù)復(fù)雜性測度數(shù)學(xué)模型計算模擬網(wǎng)絡(luò)信息模型第12頁/共75頁學(xué)科交叉教育學(xué)理學(xué)工學(xué)醫(yī)學(xué)心理學(xué)信息工程生物學(xué)數(shù)學(xué)計算機科技生物醫(yī)學(xué)工程系統(tǒng)科學(xué)精神病學(xué)物理學(xué)電子科技控制科學(xué)生理學(xué)神經(jīng)病學(xué)生物物理學(xué)第13頁/共75頁腦成像的概念采用現(xiàn)代物理學(xué)與生物化學(xué)原理呈現(xiàn)大腦結(jié)構(gòu)和功能活動的多種技術(shù)手段功能性磁共振成像(fMRI)正電子發(fā)射斷層掃描(PET)腦電圖(EEG)事件相關(guān)電位(ERP)腦磁圖(MEG)單光子發(fā)射斷層掃描(SPECT)光學(xué)成像也包括傳統(tǒng)的X光放射影像和超聲影像技術(shù)第14頁/共75頁發(fā)展腦成像技術(shù)的意義腦成像作為認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究最為主要的技術(shù)手段，使人類有史以來第一次能直接觀察到大腦的心理過程和認(rèn)知活動，有如研究腦功能的“顯微鏡”和“望遠(yuǎn)鏡”在國際著名的大學(xué)，神經(jīng)科學(xué)、腦科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、以及心理學(xué)研究機構(gòu)，無一例外地?fù)碛心X成像研究中心或?qū)嶒炇遥锌圃阂步⒘酥袊谝粋€擁有3TfMRI與128導(dǎo)ERP系統(tǒng)的大型腦成像研究基地第15頁/共75頁二、研究路線第16頁/共75頁即把人腦與計算機進(jìn)行類比，將人腦看作是計算機的信息加工系統(tǒng)。但這種類比只是機能性質(zhì)的，而不管腦的生物細(xì)胞和電子元件之間的區(qū)別。采用自上而下和（top-down）的研究策略，也就是先確認(rèn)一種心理能力，再去尋找它所具有的計算結(jié)構(gòu)。認(rèn)知心理學(xué)的研究

第17頁/共75頁神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究

把大腦看作是一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，但這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是人工的，與真正的神經(jīng)及其突觸連接并不相同。采用一個從下向上（bottomup）的策略，先建立一個簡單的或理想化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，然后再考察這個模型所具有的認(rèn)知功能。從最簡單的模型入手，不斷增加它的復(fù)雜性，就有可能模擬出真正的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從而了解認(rèn)知活動的真相。

第18頁/共75頁認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的研究從真正的大腦工作方式入手來研究認(rèn)知的。采用從下向上的研究策略由于無損傷技術(shù)手段（如ERP、EMG、PET和fMRI）的出現(xiàn)，使研究者可以直接觀察到大腦活動的區(qū)域及特點第19頁/共75頁三、研究方法簡述第20頁/共75頁在研究層次上重視多層次的跨學(xué)科整合

在一般的概念層面上實現(xiàn)新的跨學(xué)科的整合

越來越認(rèn)識到各分支學(xué)科相互間進(jìn)行對話和交流的必要性利用不同學(xué)科的方法收集到的不同類型的數(shù)據(jù)，推進(jìn)實驗層面上的整合

例如，對語言的研究需要將定性的語言學(xué)數(shù)據(jù)與實驗心理學(xué)和神經(jīng)學(xué)的數(shù)據(jù)結(jié)合起來考慮；而解決意識問題，不僅要求重視行為學(xué)和神經(jīng)學(xué)數(shù)據(jù)，也要兼顧意識經(jīng)驗的實驗數(shù)據(jù)實現(xiàn)由計算思想與模擬所帶來的理論上的整合

用計算手段研究復(fù)雜和多樣化的認(rèn)知過程是必要的，還需要通過模擬讓研究者們看到他們的理論思路的成就及其局限。這種跨學(xué)科、多層次的整合是認(rèn)知科學(xué)發(fā)展的另一趨勢第21頁/共75頁在研究方法上注重采用無損傷性實驗技術(shù)

以ERP、fMRI等為代表的腦成像技術(shù)的發(fā)明和發(fā)展，已成為現(xiàn)代高科技的一個競爭熱點，匯集了信息科學(xué)、物理科學(xué)以及其它工程科學(xué)的眾多高科技成果腦成像技術(shù)可以直接“觀察”大腦的活動。采用腦成像技術(shù)研究腦的認(rèn)知結(jié)構(gòu)和功能，已成為腦科學(xué)與認(rèn)知科學(xué)發(fā)展的一大趨勢腦成像技術(shù)還有待完善。腦認(rèn)知成像技術(shù)可以為我們對認(rèn)知過程的腦功能形成直觀的圖像，但還受到時間、空間分辨率的限制第22頁/共75頁認(rèn)知科學(xué)與神經(jīng)科學(xué)的結(jié)合生物定向的調(diào)查能夠改變認(rèn)知理論神經(jīng)成像技術(shù)可提供比行為測量更直接的可解釋信息提出認(rèn)知領(lǐng)域新的組織方式

——E.E.Smith第23頁/共75頁信息載體信息源信息提取與加工信息獲取第24頁/共75頁磁共振波譜功能像擴散張量成像偶極子定位磁共振結(jié)構(gòu)像光學(xué)成像事件相關(guān)電位分子像腦磁圖第25頁/共75頁第26頁/共75頁神經(jīng)細(xì)胞的電磁活動當(dāng)興奮脈沖沿著神經(jīng)細(xì)胞的軸索到達(dá)突觸時，突觸囊泡將特殊的傳遞分子釋放到約50nm寬的突觸裂隙中，這些分子迅速在裂隙中彌散，其中一部分被突觸后細(xì)胞表面的受容體所截獲，結(jié)果受容體分子的形態(tài)改變并使膜表面的離子通道開放。電荷的流動（通常是Na+，K+，Ca2+離子）使后一個細(xì)胞的膜電位發(fā)生改變，這一電位改變即為突觸后電位。第27頁/共75頁細(xì)胞內(nèi)電流和細(xì)胞外的電流

第28頁/共75頁ERP的技術(shù)原理事件相關(guān)電位(Event-relatedpotential,ERP)，是與實際刺激或預(yù)期刺激(聲、光、電)有固定時間關(guān)系的腦反應(yīng)所形成的一系列腦電波利用ERP的固定時間關(guān)系，即鎖時(time-locked)關(guān)系，經(jīng)過計算機的疊加處理，則可以提取出ERP成分時間分辯率為ms級，空間分辯率為cm級第29頁/共75頁聽覺ERP成分波形命名測量指標(biāo)第30頁/共75頁第31頁/共75頁第32頁/共75頁高頻字(470ms)-10020040060080010000.0-2.02.04.0ERP地形圖低頻字(490ms)第33頁/共75頁偶極子定位第34頁/共75頁MEG的技術(shù)原理MEG檢測的是頭皮腦磁場信號，該腦磁場信號是由神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)電流的體積電流所產(chǎn)生，這種腦磁場信號與顱骨形狀的復(fù)雜性以及顱骨內(nèi)腦組織導(dǎo)電率的不均勻一致性無關(guān)，因此MEG具有定位精度高，無損傷，無須測定基準(zhǔn)等優(yōu)點空間定位精度可達(dá)2毫米范圍以內(nèi)，而且其時間分辨率可達(dá)１毫秒第35頁/共75頁細(xì)胞內(nèi)電流產(chǎn)生的MEG信號第36頁/共75頁SQUID傳感器:-269℃磁場屏蔽室:兩層

m金屬板和一層鋁板

第37頁/共75頁第38頁/共75頁275個傳感器在頭盔內(nèi)的分布

MEG波形

MEG地形圖

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

+--cellbodysinksourcesynapse-

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

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

第47頁/共75頁Dipolemodelsdoverywellinagreatnumberofcases:Preattentiveprocessinge.g.MEGequivalentofmismatchnegativityevokedbydeviatingwordsandvoices(Kn?scheetal.,NeuroImage2002)第48頁/共75頁Dipolemodelsdoverywellinagreatnumberofcases:Epilepticspikes第49頁/共75頁EEG與MEG比較MEG--正切磁場測量，EEG--徑向磁場測量MEG測量細(xì)胞內(nèi)電流，而EEG測量細(xì)胞外電流腦功能區(qū)呈多方位立體分布，信號為立體傳遞。由于頭部各組織的導(dǎo)電率各不相同的效應(yīng)，使得腦電圖信號在到達(dá)頭皮表面后產(chǎn)生信號失真腦磁場為空間探測，將頭顱作為球型導(dǎo)體在顱外與之呈正切方向均能檢測到腦磁場信號，既腦磁圖信號和各種腦組織的導(dǎo)電率無關(guān)，因此腦磁圖信號在穿透頭皮后不會產(chǎn)生任何失真MEG的價格是EEG的20倍第50頁/共75頁PET的技術(shù)原理正電子斷層掃描術(shù)（PositronEmissionTpmography,PET)獲得正電子標(biāo)記藥物在人體中的三維密度分布，并隨時間變化的特點PET探測器光轉(zhuǎn)換器：將高能湮滅光子轉(zhuǎn)化為低能量光子光探測器：收集上述低能量光子，轉(zhuǎn)化為電信號性能指標(biāo)：空間分辨率(5mm)、靈敏度、信噪比、時間分辨率、能量分辨率第51頁/共75頁第52頁/共75頁fMRI的技術(shù)原理血氧水平依賴性（bloodoxygenation-leveldepndent,BOLD）：腦血管中的血氧變化→局部磁場變化→NMR信號強度變化空間分辯率為mm級，時間分辯率為sec級第53頁/共75頁普通MRI開放式MRI第54頁/共75頁1、外磁場 2、射頻激發(fā)3、信號的提取 4、數(shù)據(jù)處理和圖象產(chǎn)生第55頁/共75頁BloodOxygenationLevelDependent(BOLD)contrastOxyhemoglobinDeoxyhemoglobinPARAMAGNETICDIAMAGNETIC

(SimilartoTissue)第56頁/共75頁BasalActiveCBFO2extractionOxy-HbBrainActivity第57頁/共75頁RearProjectionSystemComputerprojectorscreenmirrormagnetParadigmcomputer第58頁/共75頁BLOCK1BLOCK2RESTTRIALTraditional:BLOCKDESIGNNewlydeveloped:EVENT-RELATED123456第59頁/共75頁ERP+fMRI在不同條件下根據(jù)被試的反應(yīng)對ERP和fMRI結(jié)果進(jìn)行分類，并在實驗后進(jìn)行“off-line”分析。ERP頭皮分布與fMRI影象可反映腦內(nèi)神經(jīng)活動的不同模式。ERPs與fMRI可通過不同的實驗條件測量認(rèn)知加工的的功能性分離。ERP具有ms級的時間精確度，而fMRI則有mm級的空間分辨率。第60頁/共75頁光學(xué)成像原理近紅外線光譜氧合血紅蛋白與去氧血紅蛋白濃度的變化時空分辨率間于ERP-fMRI第61頁/共75頁日立醫(yī)學(xué)公司生產(chǎn)的24導(dǎo)光學(xué)成像儀器第62頁/共75頁第63頁/共75頁64OpticalImagingCamberLatticeUsedinPropagationExperimentRecordingElectrode

StimulateElectrode

第64頁/共75頁Sample:1ms光學(xué)成像（OpticalImage)第65頁/共75頁腦皮層內(nèi)源性光學(xué)信號成像（IOS）：可以獲得神經(jīng)元群體的活動圖象，其空間分辨率高達(dá)1