腦與認(rèn)知腦科學(xué)概述

關(guān)于腦與認(rèn)知腦科學(xué)概述本節(jié)的中心問題是：什么是腦科學(xué)？腦科學(xué)的研究?jī)?nèi)容腦科學(xué)的研究方法第2頁,共30頁，2024年2月25日，星期天腦科學(xué)：狹義的定義：就是神經(jīng)科學(xué)，是為了了解神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)分子水平、細(xì)胞水平、細(xì)胞間的變化過程，以及這些過程在中樞功能控制系統(tǒng)內(nèi)的整合作用而進(jìn)行的研究。（美國(guó)神經(jīng)科學(xué)學(xué)會(huì)）廣義的定義：是研究腦的結(jié)構(gòu)和功能的科學(xué)，還包括認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)等。

第3頁,共30頁，2024年2月25日，星期天二十一世紀(jì)是腦科學(xué)時(shí)代J.D.Watson在「TheBrian」前言：

→“二十一世紀(jì)是腦的世紀(jì)”。五十年代→六次諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)腦科學(xué)研究者以美國(guó)為中心每年以20%速度遞增。第4頁,共30頁，2024年2月25日，星期天腦科學(xué)的研究范圍第5頁,共30頁，2024年2月25日，星期天1.2.1腦科學(xué)的研究現(xiàn)狀第6頁,共30頁，2024年2月25日，星期天腦科學(xué)在美國(guó)1989年美國(guó)腦科學(xué)計(jì)劃：

→把本世紀(jì)的最后十年命名為“腦的十年”，重點(diǎn)是保護(hù)腦，防治腦疾病。一九九二年，啟動(dòng)「人類腦計(jì)劃」：

→會(huì)員國(guó)已有20多個(gè)。

新世紀(jì)開始：科學(xué)基金會(huì)、商務(wù)部

“聚合四大技術(shù)，提高人類素質(zhì)”計(jì)劃第7頁,共30頁，2024年2月25日，星期天腦科學(xué)在歐洲英國(guó)：“認(rèn)知與腦科學(xué)研究所”→研究方向有：注意、認(rèn)知和情緒、語言和交流、記憶和知識(shí)等。巴黎：“信息處理”課題（2000年）→人文與社會(huì)科學(xué)部同工程科學(xué)部和符號(hào)處理技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)部的合作項(xiàng)目；→學(xué)習(xí)、推理、創(chuàng)造活動(dòng)和語言表達(dá)等的信息軟件。第8頁,共30頁，2024年2月25日，星期天腦科學(xué)在日本一九九六年，制定了為期十年的「腦科學(xué)時(shí)代」計(jì)劃，計(jì)劃每年投入1千億日元。其主要研究?jī)?nèi)容為：了解腦——闡明腦功能保護(hù)腦——征服腦疾患創(chuàng)造腦——開發(fā)腦型計(jì)算機(jī)第9頁,共30頁，2024年2月25日，星期天腦科學(xué)在韓國(guó)“腦神經(jīng)信息學(xué)研究規(guī)劃（BNRP規(guī)劃）：→強(qiáng)調(diào)目標(biāo)明確的多學(xué)科梯隊(duì)研究，發(fā)展基于腦信息加工機(jī)制的“人類化(Human―like)”的功能。→先從視聽模塊著手，在第二階段中首先實(shí)現(xiàn)人工視覺和聽覺。而整個(gè)規(guī)劃的整合需到2008年才進(jìn)行。與哈佛大學(xué)腦影像中心和德國(guó)(Siemens)聯(lián)合進(jìn)行協(xié)作研究。第10頁,共30頁，2024年2月25日，星期天腦科學(xué)在中國(guó)“香山科學(xué)會(huì)議”（一九九三年）：→將腦科學(xué)列為國(guó)家研發(fā)重點(diǎn)，腦認(rèn)知科學(xué)研究列為「十五」國(guó)家規(guī)劃重點(diǎn)發(fā)展學(xué)科。二○○一年，中國(guó)正式成為加入國(guó)際「人類腦會(huì)議的第二十個(gè)國(guó)家。

第11頁,共30頁，2024年2月25日，星期天中國(guó)科學(xué)院生物物理所：“腦與認(rèn)知科學(xué)研究中心”；北京大學(xué)的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室；中國(guó)科技大學(xué)研究生院腦認(rèn)知開放實(shí)驗(yàn)室；北大與北師大、浙大、東南大學(xué)等組建了“腦科學(xué)與認(rèn)知科學(xué)網(wǎng)上合作研究中心”；中山大學(xué)設(shè)立“邏輯與認(rèn)知研究所”。腦科學(xué)在中國(guó)第12頁,共30頁，2024年2月25日，星期天科學(xué)問題：腦的形態(tài)腦的結(jié)構(gòu)（組織水平，細(xì)胞水平，分子水平）腦的功能（基本功能，物質(zhì)與意識(shí)的關(guān)系）腦與其他器官的關(guān)系（腦系統(tǒng)）

腦系統(tǒng)與環(huán)境的關(guān)系（認(rèn)識(shí)世界，改造世界）腦的進(jìn)化（系統(tǒng)發(fā)育）腦的發(fā)育（個(gè)體發(fā)育）腦的保護(hù)與醫(yī)治腦的潛能開發(fā)腦科學(xué)的研究對(duì)象研究對(duì)象：腦的結(jié)構(gòu)與功能第13頁,共30頁，2024年2月25日，星期天美國(guó)“腦的十年：1990--2000”的提法了解腦：腦科學(xué)研究的基本目的保護(hù)腦：醫(yī)學(xué)科學(xué)研究的基本目的開發(fā)腦：教育科學(xué)研究的基本目的智能科學(xué)技術(shù)工作者的特殊研究目的了解腦–了解腦的工作原理創(chuàng)造腦–創(chuàng)造人工腦，擴(kuò)展腦的能力腦科學(xué)的研究目的第14頁,共30頁，2024年2月25日，星期天解剖學(xué)方法：采用通常的組織染色方法可以在光學(xué)顯微鏡下觀察神經(jīng)系統(tǒng)各種組織的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，即神經(jīng)元的不同形態(tài)，以及它們間連接的一般情況。運(yùn)用電子顯微鏡可以進(jìn)一步了解神經(jīng)元和突觸的精細(xì)結(jié)構(gòu)。運(yùn)用微電極細(xì)胞外記錄、細(xì)胞內(nèi)記錄技術(shù)對(duì)單個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)分析。近年來，片膜鉗技術(shù)對(duì)離子通道進(jìn)行深入的研究。細(xì)胞外記錄：30年代后期發(fā)展起來的。用金屬絲電極1-5微米記錄幅度較大的瞬間性動(dòng)作電位，對(duì)神經(jīng)元的功能起了重要作用。細(xì)胞內(nèi)記錄：0.1~0.5微米的玻璃電極，內(nèi)充高濃度氯化鉀或醋酸鉀以導(dǎo)電。能記錄動(dòng)作電位，小的分級(jí)電位，同時(shí)能監(jiān)視膜電位的變化。此外，能注入物質(zhì)，進(jìn)行形態(tài)學(xué)分析。缺點(diǎn)是造成細(xì)胞損傷，記錄時(shí)間、小細(xì)胞受限。片膜鉗技術(shù)：70年代后期，Neher和Sakmann發(fā)展了一種新的紀(jì)錄方法，可以用來記錄單個(gè)離子通道的活動(dòng)。分子生物學(xué)方法：重組DNA技術(shù)：分析離子通道蛋白的結(jié)構(gòu)和功能、生理特性。應(yīng)用單克隆抗體和遺傳突變體。腦科學(xué)的主要研究方法第15頁,共30頁，2024年2月25日，星期天01，直接觀察：解剖，顯微解剖

02，間接觀察：染色，示蹤，顯影，造影

03，比較解剖學(xué)

結(jié)構(gòu)研究第16頁,共30頁，2024年2月25日，星期天04，電生理學(xué)研究

05，基因修剪

06，病理研究

07，成像技術(shù)

結(jié)構(gòu)-功能-行為研究第17頁,共30頁，2024年2月25日，星期天現(xiàn)代腦成像技術(shù)的發(fā)展

現(xiàn)代腦成像技術(shù)可以在清醒的、不損傷的條件下洞察腦認(rèn)知功能的活動(dòng)過程。它能夠顯示出：在認(rèn)知過程中大腦特定的腦區(qū)是如何一個(gè)個(gè)相關(guān)聯(lián)地被“點(diǎn)亮”。

大腦皮層是怎樣工作的？在各種的認(rèn)知活動(dòng)中，哪些腦區(qū)在工作？哪些腦區(qū)在休息？哪些腦區(qū)先激活？哪些腦區(qū)后激活？傳統(tǒng)的腦損傷和麻醉的方法無法回答。

功能核磁共振成像技術(shù)局部神經(jīng)元興奮將引起該區(qū)域血流量的增加，而血液中含有氧和葡萄糖，血紅蛋白所攜帶的氧的含量會(huì)影響血紅蛋白的磁場(chǎng)特性，因此，磁共振成像能夠能夠檢測(cè)到大腦的功能性的氧消耗變化情況，并顯示高活動(dòng)量區(qū)域的三維圖像，空間分辨率可達(dá)1mm。第18頁,共30頁，2024年2月25日，星期天關(guān)于腦研究方法的評(píng)論1，局部與全局，部分與整體2，靜態(tài)與動(dòng)態(tài)3，物質(zhì)-能量-信息4，結(jié)構(gòu)-功能-行為-機(jī)制第19頁,共30頁，2024年2月25日，星期天R·斯佩里（1961）：兩半球功能一側(cè)化現(xiàn)象和腦發(fā)育關(guān)鍵期以及可塑性現(xiàn)象，至今對(duì)教育仍發(fā)生一定影響。腦認(rèn)知功能模塊論：M·S·加查尼加（Gazzaniga，1976）腦是由在神經(jīng)系統(tǒng)的各個(gè)水平進(jìn)行活動(dòng)的子系統(tǒng)以模塊的形式組織在一起的，腦功能模塊是一種動(dòng)態(tài)變化的組裝?！饾u替代了“定位說”，被現(xiàn)代技術(shù)所證實(shí)?！鲝堊笥覂砂肭蛘w功能的協(xié)調(diào)開發(fā)。腦科學(xué)在教育中的應(yīng)用第20頁,共30頁，2024年2月25日，星期天神經(jīng)生物學(xué)界認(rèn)為：→人類大腦的感應(yīng)是分析外來信號(hào)的處理過程；→除了分析外來信號(hào)外，大腦在某一特定時(shí)刻的內(nèi)在狀態(tài)也很重要?！竽X是通過某個(gè)神經(jīng)“密碼”來處理外來信息的?！@一“密碼”不是固定不變的，而是隨著大腦內(nèi)部狀態(tài)和外界環(huán)境的改變而不斷改變。利用新技術(shù)，可以觀察大腦在處于高度集中和高度期待等狀態(tài)下，怎樣處理外部信息的過程。腦科學(xué)在教育中的應(yīng)用第21頁,共30頁，2024年2月25日，星期天腦科學(xué)的研究意義不僅具有重要的科學(xué)意義，還具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。不僅能夠揭示生命的本質(zhì)和意義，促進(jìn)人工智能的發(fā)展，提高人類的認(rèn)識(shí)能力和生活質(zhì)量。在促進(jìn)現(xiàn)代科學(xué)特別是心理學(xué)、生理學(xué)、語言學(xué)、邏輯學(xué)、腦科學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)甚至哲學(xué)等眾多學(xué)科的發(fā)展上，都有非同尋常的重要意義。第22頁,共30頁，2024年2月25日，星期天概念：腦科學(xué)相關(guān)學(xué)科研究課題認(rèn)知心理學(xué)：研究知覺、注意、學(xué)習(xí)、記憶、語言、概念思考、解決問題思考、推理、判斷與決策、創(chuàng)造性與智能、運(yùn)動(dòng)行為等各種行為與技術(shù)的心理過程。功能分析來解釋有關(guān)認(rèn)知處理理論與處理各要素成分。第23頁,共30頁，2024年2月25日，星期天語言學(xué)：語法結(jié)構(gòu)、語言與認(rèn)知關(guān)系、語用論、自然語言等認(rèn)知過程的核心工具之一的語言信息處理問題，為認(rèn)知心理學(xué)和人工智能及哲學(xué)提供依據(jù)。計(jì)算機(jī)科學(xué)：研究機(jī)器的視聽知覺、人工智能、機(jī)器語言處理、專家知識(shí)表象、神經(jīng)網(wǎng)系統(tǒng)等信息處理模型。第24頁,共30頁，2024年2月25日，星期天神經(jīng)科學(xué)（腦科學(xué)）：大腦對(duì)空間、非空間信息處理以及虛擬環(huán)境中的認(rèn)知；學(xué)習(xí)／記憶的規(guī)律及其腦機(jī)制；語言認(rèn)知和自動(dòng)語言識(shí)別；意識(shí)、自我意識(shí)及其腦機(jī)制；情緒與心境障礙、精神疾病與老年性認(rèn)知衰退的神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制；腦認(rèn)知功能可塑性的機(jī)制及其應(yīng)用；腦功能成像方法與技術(shù)等。結(jié)構(gòu)分析來解釋有關(guān)認(rèn)知處理解剖學(xué)結(jié)構(gòu)原理。（Marr,1982)第25頁,共30頁，2024年2月25日，星期天參考文獻(xiàn)：《心理學(xué)思想的流變——心理學(xué)名人傳》，張春興著，上海教育出版社，2002《認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)》GazzarnigaM.主編沈政等譯，MIT出版社1995年，上海教育出版社1998年楊雄里：《腦科學(xué)的現(xiàn)代進(jìn)展》，上?？萍冀逃霭嫔?998年版沈政：《腦科學(xué)與素質(zhì)教育》，《教育研究》1999年第8期

第26頁,共30頁，2024年2月25日，星期天可利用的資源：孔令軍等，中國(guó)教育技術(shù)學(xué)科:進(jìn)展、問題和前景[J]，陜西廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，(1)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)研究所：/researches.asp腦與語言認(rèn)知實(shí)驗(yàn)室

認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室

第27頁,共30頁，2024年2月25日，星期天作業(yè)：教育技