大脑信息处理专家讲座

第十五讲脑信息处理机制一、视觉信息处理机制二、学习与记忆机制三、脑科学介绍大脑信息处理专家讲座第1页一、视觉信息处理机制

1、视觉系统结构(视网膜、外膝体、视皮层)2、视觉系统各部分信息处理大脑信息处理专家讲座第2页大脑信息处理专家讲座第3页关于视知觉三条基本评论1．坑骗性2．模棱两可3．建构过程大脑信息处理专家讲座第4页视网膜外膝体视皮层视皮层上丘丘脑枕人类视觉通路示意图大脑信息处理专家讲座第5页基本视觉信息1、亮度：380~780nm,是一个外界辐射物理量在我们视觉中反应出来心理物理量。2、形状：由物体在视觉空间上亮度分布、颜色分布或运动状态不一样而显示出来。对比度、方位3、运动（运动方向和速度）:4、颜色：主观感觉。5、立体（或深度）视觉：大脑信息处理专家讲座第6页感受野（receptorfield）视通路中任一神经元都有其各自视野或在视网膜上有一个代表区域，这个对应区域就是该细胞视觉感受野。视觉感受野研究是单细胞视觉功效钥匙。大脑信息处理专家讲座第7页大脑信息处理专家讲座第8页视网膜细胞大脑信息处理专家讲座第9页视网膜细胞感受器细胞（感光细胞）：视锥细胞，视杆细胞，给出分级超极化电位，不产生动作电位

双极细胞：只能给出分级电位，不产生动作电位，同心圆拮抗方式

神经节细胞(ganglioncell,GC)：同心圆拮抗式感受野

大脑信息处理专家讲座第10页光信号转换成神经冲动（感光细胞作用）视色素:视蛋白+顺式视黄醛光照，顺式视黄醛——〉全反式视黄醛 激活转导蛋白 激活磷酸二酯酶(PDE) cGMP——〉GMPcGMP含量下降，造成了Na+不能再流入细胞内，引发超极化。大脑信息处理专家讲座第11页神经节细胞大脑信息处理专家讲座第12页大脑信息处理专家讲座第13页MachBand现象神经生物学解释大脑信息处理专家讲座第14页外膝体（lateralgeniculatenucleus）中继细胞（投射细胞，P细胞）中间神经元，（I细胞，25%）大脑信息处理专家讲座第15页视皮层视皮层，现知与视觉相关大脑皮层多达35个（猴），自皮层表面到白质分成6层，外膝状体核处理后视觉信息首先传到皮层17区，（I区或纹状体区）。外膝状体细胞轴突末梢终止于第4层内，然而再与2，3层细胞，第5，6层细胞建立突触联络。

星形细胞（stellatecell）和锥体细胞（pyramidalcell）大脑信息处理专家讲座第16页简单细胞感受野及其特点大脑信息处理专家讲座第17页大脑信息处理专家讲座第18页超柱大脑信息处理专家讲座第19页既平行又分级串行信息处理机制大脑信息处理专家讲座第20页脑工作原理1、“主教细胞”假说：(1)组合爆炸

(2)信息集成问题

2、细胞群假设：由一群细胞时空发放模式来反应刺激类型

(1)重合灾难

(2)难以表示“等级结构”(3)特征捆绑问题

3、时空编码理论：动态细胞群大脑信息处理专家讲座第21页根本问题：1、

脑各部分越来越趋向于分工处理各种各样视觉特征，然后我们视觉却把各种视觉特征综合成一个完整视觉实体？2、

视觉图像怎样在脑中贮存和利用？大脑信息处理专家讲座第22页二、学习与记忆机制1、学习与记忆类型2、学习与记忆机制（1）海马（2）LTP大脑信息处理专家讲座第23页脑学习和记忆学习：指人或动物经过神经系统接收外界信息而影响本身行为过程行为学：引发个体对特殊环境条件所产生适应性行为全部过程记忆：取得信息或经验在脑内储存和提取（再现）神经活动过程心理学：记忆是一个心理过程，由识记、保持、再认或回想所组成学习和记忆基本过程：取得，巩固，再现取得：是感知外界事物或接收外界信息（外界信息）阶段，也就是经过感觉系统向脑内输入讯号阶段。学习阶段。识记或登录。注意力对取得信息影响很大。巩固：取得信息在脑内编码贮存和保持阶段。保留时间长短和巩固程度强弱与该信息对个体意义以及是否重复应用相关。再现：将贮存于脑内信息提取出来使之再现于意识中过程。回想。大脑信息处理专家讲座第24页学习类型1、简单学习：某种刺激重复作用结果（1）习惯化：在重复刺激过程中，因刺激而引发行为反应减弱。海兔缩鳃反射（2）敏感化：在某种刺激（通常是强刺激）后，对该种刺激反应显著增强。2、联合型学习：（1）经典条件反射：指一个条件刺激和一个非条件刺激所分别引发两种行为反应之间可建立起联络（2）操作式条件反射：包含着反应与刺激联络形成。让动物操作物体来学习处理问题，并得到奖赏或避开处罚大脑信息处理专家讲座第25页习惯化大脑信息处理专家讲座第26页海兔缩腮反射敏感化突触前易化机制大脑信息处理专家讲座第27页大脑信息处理专家讲座第28页经典条件反射过程中突触传递改变示意图大脑信息处理专家讲座第29页记忆瞬时记忆：当外界刺激作用于人们感觉系统，其信息会保持很短时间短期记忆（几分钟）长久记忆（数分钟，几年）心理学：形象记忆——以事物形象为内容记忆逻辑记忆——关于事物意义、性质、改变规律等内容情感记忆——包括一些情感体验及情绪改变为内容记忆运动记忆——技巧和技能性操作和运动或习惯化动作等方面。大脑信息处理专家讲座第30页多重记忆系统1、陈说性记忆,外显性记忆（explicitmemory）进入意识系统，比较详细，能够清楚描述包括边缘系统脑结构，依赖于大脑皮层和一些特异性脑区需要Hebb突触模式，即突触前神经元与突触后神经元同时兴奋联合机制2、程序性记忆,内隐式记忆（implicitmemory）没有意识成份参加，只包括刺激次序相互关系，贮存各个事物之间相关联信息，只有经过次序性操作过程才表达出来。运动技巧。基底神经节为主要步骤只需即或与该项学习记忆相关感觉系统和运动系统只需突触前易化作用机制，即突触前神经元和相关调制神经元联合机制大脑信息处理专家讲座第31页大脑皮层V1

V2，V3，V4边缘系统内侧颞叶、内侧丘脑、腹内侧额叶基底前脑胆碱能系统视觉陈说性记忆学习和记忆神经回路示意图大脑信息处理专家讲座第32页大脑皮层尾核苍白球运动系统丘脑边缘系统VTP伏隔核DAGABA习得性行为神经调控框图大脑信息处理专家讲座第33页工作记忆（workingmemory）属程序性记忆、短时记忆依赖于大脑前额叶皮层神经环路功效，尤其是谷氨酸神经元与多巴胺神经元之间平衡。是一短暂时刻知觉，是一系列操作过程中前后连接关系，后一项活动需要前项活动为参考。对脑高级功效意义，通常是在过去经历与当前行动之间提供时间和空间连续性，对于思维运算、下棋、弹钢琴以及无准备即席演讲等都是十分主要。大脑信息处理专家讲座第34页脑是怎样进行记忆？记忆物质基础是什么？信息是经过什么方式写入，又以什么方式回想和重现？海马齿状回是大脑皮质中唯一只与大脑皮质内部发生联络，而不与皮质下中枢发生联络结构，它接收来自内嗅区穿通纤维，发出轴索，形成苔状纤维，止于CA3区锥体细胞主干树突基部。苔状纤维突触结构比较特殊，内含密集圆形透明囊泡和少许实心囊泡，且与好几个树突棘形成突触复合体——苔状纤维突触集群，这一结构只在海马和小脑中才有，它被认为可能是脑信息存放载体。大脑信息处理专家讲座第35页海马LTP可能是学习记忆分子基础1973年Bliss及其合作者，电刺激麻醉兔内嗅皮层，使海马表层穿通纤维兴奋，可在齿状回统计到场电位。先用高频电刺激几秒钟后，再用单个电刺激，统计到部分场电位幅度大大超出原先统计对照值，并可连续几小时，几天。这一现象称为长时程增强效应（LTP）。1983年发觉NMDA（N—甲基—D—门冬氨酸）受体通道复合体在LTP过程中起主要作用，深入深化了对LTP在大脑学习记忆中作用了解。大脑信息处理专家讲座第36页大脑信息处理专家讲座第37页LTP定义：给突触前纤维一个短暂高频刺激后，突触传递效率和强度增加几倍且能连续数小时至几天保持这种增强现象。LTP和学习、记忆联络吸引子假说LTP有三个基本特征：协同性（Cooperativity）：诱导LTP需要很多纤维同时被激活联合性（Associativity）：相关纤维和突触后神经元需要以联合形式一起活动特异性（Input-Specificity）：所诱导LTP对被激活通路是特异，在其它通路上不产生LTP。大脑信息处理专家讲座第38页LTP时程和分类：时程：PTP强直后增强，普通5分钟后衰减STP短时程增强，连续半小时左右。LTP长时程增强，连续一小时以上大脑信息处理专家讲座第39页大脑信息处理专家讲座第40页大脑信息处理专家讲座第41页学习和记忆过程调制

胆碱能受体阻断剂：阻断学习胆碱酯酶抑制剂：增强学习肾上腺素：增强记忆加压素全身注射肾上腺素受体激动剂或阿片受体拮抗剂和GABA受体拮抗剂均能增强记忆保持。大脑信息处理专家讲座第42页促智药品（nootropicdrugs）促智药对试验动物和人体含有行为促进效应和一些生理生化效应而没有其它精神药品（如安眠药、镇静药）副作用。包含胆碱能药品、钙拮抗剂、神经肽、神经营养因子等。大脑信息处理专家讲座第43页Ca2+起着多功效信使作用，水平过高和过低都会影响动物记忆保持能力。小鼠试验证实海马内适当Ca2+浓度是维持记忆功效必要条件。各主要脑取得细胞内Ca2+浓度升高是脑老化主要特征之一，钙通道拮抗剂能有效阻断细胞外Ca2+内流及抑制细胞内钙释放，从而减轻细胞内钙负载，起着保护神经细胞作用。尼莫地平：是迄今在动物试验中改进记忆作用最强药品。大脑信息处理专家讲座第44页记忆神经基础是突触可塑性改变和新神经回路形成。一个良好学习功效状态应该是，既能不停学习新东西，又能记住已经学会东西，也就是既要不停建立新联络，又要保持原来已形成，对适应生存有用记忆。不停强化要有输入，还要有输出。大脑信息处理专家讲座第45页三、脑科学介绍1、基础神经科学：侧重基础理论神经生物学：研究人和动物神经系统结构与功效、及其相互关系科学，是在分子水平上、细胞水平上、神经网络或回路水平上乃至系统和整体水平上说明神经系统尤其是脑物质、能量、信息基本活动规律科学。(认识脑)由六个研究分支：分子神经生物学（化学物质）、细胞神经生物学（细胞、亚细胞）、系统神经生物学、行为神经生物学（学习记忆、情感、睡眠、觉醒等）、发育神经生物学、比较神经生物学计算神经科学：应用数学理论和计算机模拟方法来研究脑功效学科。(创造脑)2、临床神经科学：侧重医学临床应用研究与神经系统相关疾病，及其诊疗、治疗方法、技术等(保护脑)大脑信息处理专家讲座第46页脑科学任务最终目标：在于说明人类大脑结构与功效，以及人类行为与心理活动物质基础，促进人类神经活动效率，提升对神经系统疾患预防、诊疗、治疗服务水平。基本目标：1、揭示神经元间各种不一样连接形式，为说明行为脑机制奠定基础。突触（1014）2、在形态学和化学上判别神经元间差异，了解神经元怎样产生、传导信号。以及这些信号怎样改变靶细胞活动。3、说明神经元特殊细胞和分子生物学特征。4、认识实现脑各种功效（包含高级功效）神经回路基础。5、说明神经系统疾患病因、机制，探索治疗新伎俩。大脑信息处理专家讲座第47页神经生物学处于生命科学发展前沿著名学者高度评价神经生物学研究神经生理学家，诺贝尔医学生理学奖取得者Eccles预言：“在30年内，世界上大多数最伟大科学家将都是在研究脑”诺贝尔医学奖取得者Crick指出：“对于人类来说，没有任何一个科学研究比研究人脑更主要。人约有十万多结构基因，包含密码结构蛋白，密码运动蛋白和密码酶，其中60%以上在神经系统内。其中当前已知才几十种”其它不是因研究神经系统领域而获诺贝尔奖人，如Waston、Crick、Nirenberg等，也已经转入神经生物学研究领域。大脑信息处理专家讲座第48页世界各国普遍重视神经生物学研究美国101届国会经过一个议案：“命名1990年1月1日开始十年为脑十年”1995年夏，国际脑研究组织IBRO在日本京都举行第四届世界神经科学大会上提议把下一世纪（二十一世纪）称为“脑世纪”欧共体成立了“欧洲脑十年委员会”及脑研究联盟日本推出了“脑科课时代”计划纲要中国提出了“脑功效及其细胞和分子基础”研究项目，并列入了国家“攀登计划”1969年美国神经科学学会成，当初仅数百名会员，1989年会员已达18000多名，成为生命科学方面最大学会，1995年增加到24000多名。大脑信息处理专家讲座第49页脑科学新进展1、分子和细胞水平神经科学发展迅猛2、感觉信息加工重大突破——视觉脑机制3、神经网络研究进入新高潮4、发育神经生物学崛起5、神经和精神疾病研究进展惊人6、整体和无创伤条件下研究大脑信息处理专家讲座第50页日本脑科学研究中一些热点神经元功效分子生物学研究研究控制产生特异性功效分子和细胞机制，以及神经回路中突触联络可塑性改变分子和细胞机制分子神经病力学研究造成一些脑功效紊乱神经性疾病基因，Alzheimer脑功效成象无损伤脑功效成象技术fMRI、MEG，研究人心智问题人信息处理机制和智能化人机界面研究视觉信息处理、语音处理以及信息整合和产生。多模态通讯、脑通讯、发生和感知之间相互作用类脑机器和脑型计算机研究大规模立体多层次神经芯片研制，智能机器人研制动态脑研究脑活动动态过程以及研究它动力学性质大脑信息处理专家讲座第51页日本脑科学发展战略1996年制订为期二十年“脑科课时代——脑科学研究推进计划”1、了解脑——说明脑功效说明产生感知、情感和意识脑区结构和功效（功效定位、认知、运动、情感、学习，思维、直觉、自我意识）说明脑通讯功效（语言信息在脑神经网络中表示机制，人类取得语言能力过程、语言、思想和智力之间关系）2、保护脑——征服脑疾患控制脑发育和衰老过程（识别与发育及脑分化相关基因家族、发展调整脑发育和分化技术伎俩，促进人类大脑健康发育和预防发育异常，控制人脑衰老）神经性精神性疾病康复和预防（药品成瘾性、修复受损脑组织、单内因性疾病发病机制、神经组织移植和基因疗法，老年性痴呆、帕金森氏病、精神分裂症治疗和预防方法）3、创造脑——开发脑型计算机发展脑型器件和结构（含有学习和记忆能力神经元芯片、智力认知功效，含有智力、情感和意识脑型计算机）脑型信息产生和处理系统设计和开发（支持人类机能机器人系统）大脑信息处理专家讲座第52页脑功效及其细胞和分子基础项目介绍神经系统功效普通细胞和分子基础突触传递及其调控、信号跨膜转导、神经免疫调整细胞与分子基础视觉信息加工视皮质神经元感受野外整合和皮质内视觉信息通道研究、视网膜信息处理细胞和分子基础、外膝状体突触传递及其调控痛觉和镇痛阿片肽与抗阿片肽在受体、受体后和基因水平相互作用、P物质和谷氨酸在脊髓伤害性信息传递和调制中作用感觉信息加工神经计算原理和神经网络原理视觉感知神经计算和自组织原理（灵长类视觉系统与复眼视觉系统对于视觉运动模式信息加工与表示、高等哺乳动物视皮质结构与功效自组织原理、感觉感知过程中模式生成与模式识别神经动力学）感觉信息加工数字模型和计算机模拟（设计和编制含有不一样类型神经元时空性质和可随意设置联络方式计算机软件包、从理论上研究神经系统功效单位和组织结构形成规律、提出基于神经信息波含有自学习能力识别系统模型、发展感觉系统信息编码假设和理论）大脑信息处理专家讲座第53页神经科学主要研究方法解剖学方法：采取通常组织染色方法能够在光学显微镜下观察神经系统各种组织细胞结构，即神经元不一样形态，以及它们间连接普通情况。利用电子显微镜能够深入了解神经元和突触精细结构。问题：神经系统是怎样布线，即个别神经细胞突起怎样排列？伸展得多远？那些突起和那些突起相连结，高尔基银染法对神经机制认识奠定了基础，当前仍在广泛使用。神经活性物质进行染色：荧光、放射性标识生理学方法利用微电极细胞外统计、细胞内统计技术对单个神经元活动分析。近年来，片膜钳技术对离子通道进行深入研究。细胞外统计：30年代后期发展起来。用金属丝电极1-5微米统计幅度较大瞬间性动作电位，对神经元