脑机制的研究方法

第三节脑机制的研究方法盖吉有创：历史上是从解剖人的尸体和研究脑局部损伤病人来获取脑的结构和功能知识H.M

刺激法在动物脑内埋入微小的电极，通以微电流刺激特定部位的神经元活动，以观察其行为反应。也可以在征得患者同意的前提下，在手术中刺激患者的脑的特定部位以观察其行为反应。损毁法和切除法通过切除或损毁动物脑的一定部位特定的神经核，或切断通向该部位的神经通路，然后观察其行为的变化（也包括对那些因负伤、脑溢血、肿瘤或癫痫而使脑的一定部位受损的病人的观察）。癫痫灶定位微电极记录法实验方法：用立体定位仪将微电极（直径小于0.1微米、内含盐分和导电液体的玻璃管，其顶端小得足以探测单个神经元的活动）插入脑中非常接近某个神经元的地方，同时给动物的感受器以各种刺激，随后引导出单个神经元的动作电流。研究发现：神经系统中有多种觉察器。例，颞叶中，一类神经元只对高音起反应，或只对低音起反应，并且这些神经元有严格的布局；大脑皮质中有一类“注意神经元”，其中有的神经元只对直线起反应，或只对曲线起反应，或只对锐角起反应，或只对圆形起反应等；有的神经元对线条的斜度和厚度起反应，或只对刺激的一定数量起反应；有的神经元对专门的感觉刺激不起反应，但对刺激物的更换或性质上的改变起反应。分工明确，布局合理，结构精密。无创：随着认知神经科学的兴起，我们已经能够研究活着的正常人或伤病患者的脑的机能如何影响其行为、如何工作的情况。总结起来，研究心理和行为的脑机制的比较常见的几种方法有：刺激法损毁法和切除法微电极记录法脑电图脑成像技术CT扫描磁共振成像PET扫描经颅磁刺激经颅电刺激未来研究手段有创无创脑电图（electroencephalogram，EEG）在人的大脑皮层中存在着频繁的电活动，而人正是通过这些电活动来完成各种生理机能的，用电极将这种电位随时间变化的波形提取出来并加以记录，就可以得到脑电图。在头皮表面记录到的自发节律性电活动。是由皮质大量神经组织的突触后电位同步总和形成的。人脑只要没有死亡就会不断的产生EEG健康成年人在清醒状态下，头皮表面记录的EEG为数微伏至75微伏左右，但在病理状态下（如癫痫发作时）可达1毫伏以上。测量方法：将许多平头的金属电极放置在头皮上的各个部位，电极把探测到的脑电活动送入脑电图仪，再由脑电图仪将这些微弱的脑电信号放大并记录下来。脑电记录示意图脑电图分类各类脑电波的特点脑电波频率测量部位振幅特点δ波1-3.5Hz20-200μν婴儿期多见，成人处于睡眠，缺氧，深度麻醉或大脑有器质性病变时出现。θ波4-7Hz10-50μν幼儿期-10岁多见，成人困倦或中枢系统处于抑制状态时的脑电活动α波8-13Hz枕部20-100μν10-14岁后，在清醒/安静/闭眼状态出现，β波14-30Hz额部，颞部5-20μν大脑皮层处于特殊紧张状态时的主要脑电活动。静息电位动作电位局部电位事件相关电位脑电的产生机理静息电位（restingpotential）当神经元处于静息状态时测到的电位变化。用两根微电极，一根插入到神经元的轴突内，一根与神经元细胞膜相连，结果发现轴突内为负，外为正，相差将近70mv。可见，在静息状态下，神经元也是自发放电的。原理：与细胞膜的特性和细胞内外的化学物质有关。神经细胞膜内外存在大量的离子（ions），它们带有正电荷或负电荷。离子在膜内外有不同的分布。膜外主要是Na+和Cl-，膜内主要是K+和带负电荷的大分子有机物。离子在细胞膜内外的出入是通过离子通道（ionchannels）实现的。一定条件下，它使用离子泵（ionpumps）让一些离子通过，而不让另一些离子通过。在静息状态下，细胞膜对K+有较大的通透性，对Na+通透性很差，结果K+经过离子通道外流，而Na+则被挡在膜外，致使膜内外出现电位差，内负于外。静息状态兴奋状态Na+K+K+Na+动作电位（activepotential）可兴奋细胞受到足够强的刺激（阈刺激或阈上刺激）时，在静息电位的基础上，细胞膜发生一次快速可传播的电位变化称动作电位。原理：当神经元受到刺激时，细胞膜的通透性迅速变化，Na+通道临时打开，Na+被泵入细胞膜内部，使膜内正电荷迅速上升，并高于膜外电位的电位变化过程。具有“全或无”的特性，不能叠加动作电位是神经元受刺激时的电位变化，代表神经元的兴奋状态传导过程中是不衰减的神经纤维的传导速度极快，但不同的神经纤维的传导速度变化很大。例如，人体的一些较粗的有髓纤维传导速度可达100m/s，而某些较细的无髓纤维的传导速度甚至低于1m/s。局部电位阈下刺激会引起少量的Na+内流，从而产生较小幅度的去极化，只不过这种去极化不足以诱发动作电位，而且仅限于受刺激部位。这种产生于受刺激部位、较小幅度的去极化称为局部电位。抑制性突触后电位（inhibitorypostsynapticpotential，IPSP）兴奋性突触后电位（excitatorypostsynapticpotential，EPSP）。IPSP（inhibitorypostsynapticpotential）突触间隙胞液EPSP（excitatorypostsynapticpotential）EPSP的空间和时间的总和兴奋性突触后电位与动作电位当兴奋性突触后电位累加达到一定强度，通过局部电流形式刺激轴突的始段产生动作电位特点：①电位幅度小且呈衰减性传导，随着传播距离的增加而迅速减小②不是“全或无”式的，局部电位随着刺激强度的增加而增加；③有总和效应，多个阈下刺激可以在时间上（在同一部位连续给予多个刺激）或空间上（在相邻部位给予多个刺激）可以叠加，如果总和后产生的去极化强度超过阈电位，则可诱发动作电位。事件相关电位（event-relatedpotentials，ERP）

当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，在脑区引起的电位变化。时间分辨率可以精确至微秒ERP的研究已经深入到心理学、生理学、医学、神经科学等多个领域，发现许多与认知过程密切相关的成分。例如CNV与期待、动作准备、定向、注意、时间认知等心理活动有关；P300与注意、辨认、决策、记忆等认知功能有关，现已广泛运用于心理学、医学、测谎等领域；失匹配负波（mismatchnegativity，MMN）反映了脑对信息的自动加工；N400是研究脑的语言加工原理常用的ERP成分。脑成像技术能够“看见”整个大脑在一个人做出反应、进行思考或想像时的情况。计算机断层扫描（computedtomography，CT）以X线从多个方向沿着头部某一选定断层层面进行照射，测定透过的X线量，数字化后经过计算机算出该层层面组织各个单位容积的吸收系数，然后重建图像的一种技术。是图质好、诊断价值高而又无创伤、无痛苦、无危险的诊断方法。使我们能够在任何深度或任何角度重建脑的各种层面结构。CT扫描能够显示出脑创伤后遗症、损伤、脑瘤和其他大脑病灶的位置，可以通过CT扫描来诊断一个人行为变化在脑水平上的病因磁共振成像（magneticresonanceimaging，MRI）在一外加静磁场内利用一定频率的射频信号,记录身体内氢原子对强磁场的反应，再通过计算机程序产生一个三维的大脑或躯体的图像。无创伤性无放射性可重复性较高的空间分辨率可准确定位脑功能区功能核磁共振成像（FunctionalMagneticResonanceImaging,fMRI）的基本原理：血红蛋白包括含氧血红蛋白和去氧血红蛋白,两种血红蛋白对磁场有完全不同的影响,可产生横向磁化弛豫缩短效应。因此,当去氧血红蛋白含量增加时,T2加权像信号减低。当神经元活动增强时,脑功能区皮质的血流显著增加,去氧血红蛋白的含量降低,导致T2加权像信号增强,即T2加权像信号能反映局部神经元活动,这就是所谓血氧水平依赖（BloodOxygenLevelDependent，BOLD）效应.fMRI通过磁共振信号的测定来反映血氧饱和度及血流量，间接反映脑的能量消耗，在一定程度上能够反映神经元的活动，间接达到功能成像的目的。被广泛应用于探测认知功能的源定位。如感觉、知觉、运动、记忆、语言、思维、决策以及儿童大脑发育等研究。优点：信号直接来自脑组织功能性的变化，无创；实验准备时间短，同一被试可以反复参加实验；可以进行单被试分析；可以同时提供结构像与功能像；空间分辨率非常高，可以达到1立方毫米局限性:时间分辨率较低。原因在于认知过程所引起的血流量变化通常需要数秒后才能达到高峰，而认知过程往往能够非常迅速完成。磁共振谱仪系统正电子成像术（positronemissiontomography，PET）成像原理：含有微量放射性同位素的葡萄糖溶液进入血液被大脑吸收后，放置在头部周围的正电子探测器能检测到这种溶液发射的正电子。大脑工作时消耗能量，就能显示大脑中的哪个区域在消耗更多的葡萄糖。探测到的数据可生成变化的、彩色的大脑活动图像。广泛地应用在临床和基础研究上临床上主要用于诊断神经类疾病、心脏疾病、癌症等，并用于探寻神经类疾病发病机制。能定量无损地测量血流、物质代谢等，给认知神经科学提供了观测手段，被应用于研究人类的学习、思维、记忆等生理机制。脑磁图扫描magnetoencephalography，MEG成像原理：通过外部电子装置检测出神经元放电时所产生的微弱磁场是目前最清晰的大脑活动图像。经颅磁刺激技术(transcranialmagneticstimulation,TMS)--一种暂时的,可逆的“虚拟性损毁”基本原理：电容器储存大量电荷,将电荷输至感应器，感应线圈瞬时释放大量电荷产生磁场,磁力线以非侵入的方式轻易地穿过头皮、颅骨和脑组织,在脑内产生反向感生电流。皮层内的电流激活较大的锥体神经元,引起轴突内的微观变化,进而诱发电生理和功能变化。可用以刺激视皮层、躯体感觉皮层等大脑皮层,引起局部的兴奋或抑制效应,用以探测系统的功能。另外，TMS还可

以用于学习记忆、语言及情绪等领域的研究。新

一代的无框架立体定位式TMS能整合fMRI结果，

极大地提高了TMS刺激部位的准确性,并精确控制

刺激大脑的深度从而可以准确地调节刺激强度，

已应用于科究和神经外科手术。经颅直流电刺激（tDCS）工作原理：tDCS对皮质兴奋性调节的基本机制是依据刺激的极性不同而引起静息膜电位超极化或者去极化。当进行阳极刺激时，电流引起静息膜电位的去极化，去极化则增加了神经元细胞的兴奋性并允许神经元细胞进行更多的自发放电；进行阴极刺激时，电流引起静息膜电位的超极化。神经可塑性：神经可塑性是指由于经验原因引起的大脑的结构改变，而神经可塑性改变则由于长时程增强（LTP）或长时程抑制(LTD)。长时程增强增加了神经元细胞之间的连接，长时程抑制则减少神经元细胞的连接，此作用的实现则依靠突触传递功能的改变,可以说LTP提高了突触传递，而LTD阻碍了突触传递。tDCS则通过改变细胞内的环腺苷酸（cAMP）和钙离子（calcium）水平从而参与了突触传递功能的改变，因此LTP和LTD可以归结为tDCS作用的机理。一般认为刺激持续时间跨度8-30min，电流1.0~2.0mA的直流电是安全有效的。约有45%的电流被传送至颅骨并到达皮层表面。普通tDCS高精度tDCS核磁型tDCS未来研究手段对现有技术的合理结合PET-CT、ERP-