認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)概念

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(gè)神經(jīng)元組成的復(fù)雜巨系統(tǒng)。它為人類提供了知覺、運(yùn)動(dòng)、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(diǎn)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(dòng)的心理過程和腦機(jī)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(jī)制三者有機(jī)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(shí)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(jì)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(dòng)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(jì)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(jì)算機(jī)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(dòng)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(dòng)，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(jī)構(gòu)，無一例外地?fù)碛心X成像研究中心或?qū)嶒?yàn)室，中科院也建立了中國第一個(gè)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(jì)算機(jī)進(jìn)行類比，將人腦看作是計(jì)算機(jī)的信息加工系統(tǒng)。但這種類比只是機(jī)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(jì)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(gè)從下向上（bottomup）的策略，先建立一個(gè)簡單的或理想化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，然后再考察這個(gè)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(dòng)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(dòng)的區(qū)域及特點(diǎn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)由計(jì)算思想與模擬所帶來的理論上的整合

用計(jì)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(shí)驗(yàn)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(gè)競爭熱點(diǎn)，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(dòng)。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(shí)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(kuò)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(dòng)當(dāng)興奮脈沖沿著神經(jīng)細(xì)胞的軸索到達(dá)突觸時(shí)，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(dòng)（通常是Na+，K+，Ca2+離子）使后一個(gè)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(shí)際刺激或預(yù)期刺激(聲、光、電)有固定時(shí)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(shí)間關(guān)系，即鎖時(shí)(time-locked)關(guān)系，經(jīng)過計(jì)算機(jī)的疊加處理，則可以提取出ERP成分時(shí)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(diǎn)空間定位精度可達(dá)2毫米范圍以內(nèi)，而且其時(shí)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(gè)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(huì)產(chǎn)生任何失真MEG的價(jià)格是EEG的20倍第50頁/共75頁P(yáng)ET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(shí)間變化的特點(diǎn)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(shí)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(qiáng)度變化空間分辯率為mm級，時(shí)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(shí)驗(yàn)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(dòng)的不同模式。ERPs與fMRI可通過不同的實(shí)驗(yàn)條件測量認(rèn)知加工的的功能性分離。ERP具有ms級的時(shí)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(shí)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(dòng)圖象，其空間分辨率高達(dá)1