第二章 认知神经科学.ppt

1、第二章 认知神经科学,第一节 认知神经科学概述,一、心身关系问题,二、什么是认知神经科学,（一）概念 认知神经科学（Cognitive Neuroscience） 旨在阐明心理活动尤其是人类心理活动的脑基础，以揭示心理与脑的关系。 P33定义,认知神经科学这一学科名称诞生于二十世纪七十年代后期,该学科是认知科学与神经科学相互结合, 于九十年代得到国际学术界公认的一门新兴学科,被认为是二十一世纪最有发展前景的自然科学前沿研究领域之一。,认知神经科学建立在现代认知科学和神经科学的基础上,具有高度的跨学科性、学科交叉性。它作为一门正式学科的历史虽然很短,但其关于人类心理活动的研究已取得了一些实质性突

2、破。,（二）基本理论假设,脑的结构与功能具有多层次性 脑的结构是脑功能的基础,但结构与功能之间不存在简单的对应关系。,（三）主要研究目的,为心灵的理论构想探寻物质的证据 将具体发现与理论模型相联系 探寻脑的病理机制与行为之间的关联 建立更具说服力的理论模型 人工智能 更深入地探究人脑,三、人类对脑的探索,灰质(gray matter)和白质(white matter) 沟(sulci)和回(gyri)的发现 神经的电活动 颅相学(phrenology) 的观点,加拿大心理学家Hebb用了20年时间与Penfield和Lashley等人合作，终于在1949年出版了行为的组织( Organizat

3、ion of Behavior)一书，为现代认知科学奠定了基础。,1949,Hebb率先使用connectionism （联结主义）这一术语对人的大脑模型进行了描述,并提出了著名的算法规则又称Hebb规则（定律）。,赫布定律基于以下基本假设：,共同激活的神经元成为联合。 联合能发生在相邻的或疏远的神经元间，即整个皮层是联合存储。 如果神经元成为联合，它们将发展成为功能体或细胞集合。,他的行为的组织一书中有一个后来被广泛引用的段落：“当细胞 A 的一个轴突和细胞 B 很近，足以对它产生影响，并且持久地、不断地参与了对细胞 B 的兴奋，那么在这两个细胞或其中之一会发生某种生长过程或新陈代谢变化，以

4、致于 A 作为能使 B 兴奋的细胞之一，它的影响加强了。”这个机制以及某些类似规则，现在称为赫布定律，又称突触学习学说。,脑 的 构 造,脑的构造大体分为三个部分，即后脑、中脑和前脑 后脑包括小脑和延髓 中脑包括脑干的一部分，主要机能是视觉的皮层下反射中枢 前脑的主体是大脑，是中枢神经系统中最大的结构 重量约为1400克，在大脑左右两半球之间由中央沟区分，两个半球之间则由胼胝体连接,脑功能,Pierre Flourens 的“大脑机能统一说” Lashley 的“大脑皮层机能等势说” Broca的机能定位 Brodmann分区 从机能定位说到整体活动说,大脑左半球的分区功能,串行加工与并行加工

5、,第二节 神经科学常用探测技术,多导细胞电活动记录 脑成像技术的发展 时间分辨率(temporal resolution)和空间分辨率(spatial resolution),认知神经科学试图通过先进技术手段获得关于大脑结构与功能的重要信息，寻找涉及不同认知活动的大脑区域，界定各区域的活动顺序等。,一、单细胞记录(singleunit recording),将微电极(microelectrode)插进动物大脑以获得细胞膜外电位(extracellular potential)记录。,在静息状态下，膜内外大约有70毫伏90毫伏的负电位差，膜内比膜外略带负电的电位差，使细胞膜发生极化现象，称为静息

6、电位 在神经元的内、外部具有带电离子，细胞膜外带正电荷的钠离子（Na）和带负电荷的氯离子（Cl ），细胞膜内则是带正电荷的钾离子（K）和带负电荷的生物大分子,当神经元受到足够强的刺激时，细胞膜的通透性迅速变化 钠离子比钾离子和氯离子更容易通过细胞膜，使钠离子内流，膜内电位迅速上升，并高过膜外电位，使细胞膜内相对于细胞膜外变成正极，出现去极化状态，这种电位变化即为动作电位,二、脑电图（EEG Measurement）,脑电图(electroencephalogram，EEG)是通过在头皮表面记录大脑内部的电活动情况而获得的。大脑内部非常微小的电变化都能被置于头皮表面的电极记录到。这些变化可通过示

7、波器中的阴极射线管而得以显示。,脑电图(EEG)是研究和检查大脑半球神经元细胞自发放电活动，通过电子放大器并记录下来，客观反映大脑功能状态的一种检测技术。因其方法简便无创、价格低廉而广泛用于颅脑疾病的诊断和研究。,EEG and Evoked Potentials,EEG Evoked Potentials,不足之处,EEG的关键问题是脑电活动的自发性或大量的背景活动阻碍了对刺激引起的信息加工活动的记录。,三、事件相关电位(eventrelated potentials，ERP),1965年Sotton最早发现，在“认知”某种靶刺激时(奇异刺激)，可从头皮记录到一组波，主要有N1、P2、N2、

8、P300，统称事件相关电位。,多次呈现相同刺激，随后，每一刺激呈现后的EEG片段被抽取出来并根据刺激的触发时间加以排列。把这些EEG片段叠加后平均就获得一个单一波形。这样一来，我们通过这种技术就从脑电图记录中获得了事件相关电位，从而允许我们把刺激的效应从背景活动中分离出来。,ERP和许多认知过程的密切相关的联系，使得ERP成为了解认知神经基础的最主要的信息来源，这些认知过程包括心理判断、理解、辨识、注意、选择、做出决定、定向反应和某些语言功能等。,评价,事件相关电位可提供关于大脑活动的更具体的时间信息，同时也有非常广泛的临床用途。 事件相关电位并不能提供关于脑功能定位方面的精确信息。,四、正电

9、子发射断层扫描（PET）,正电子发射层析摄影术(positron emission tomography）简称PET扫描。它的基本原理是：给被试注射含放射性同位素的示踪物，同位素放出的正电子，与脑内的负电子发生湮灭而释放出-射线。通过记录-射线在大脑中的位置分布，可以测量区域脑代谢率和区域脑血流的改变，以此反映大脑的功能活动变化。,评价,较高的空间分辨率 时间分辨率很低 只能间接测量有关的神经活动 属于侵袭性技术,五、磁共振成像 (MRI和fMRI),磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)的原理是利用电磁场去兴奋大脑中的原子。这一过程所导致的磁场变化被一台环

10、绕患者磁体所检测，这些变化进而由计算机转化成一幅非常精确的三维图像。,其基本原理为：被激活的大脑皮层功能区的局部血流量较静止时明显增加,同时该区脑组织耗氧量亦有增加，且被激活的功能区耗氧量增加幅度远远小于血流量的增加幅度, 从而造成局部微循环内氧合血红蛋白量增加, 脱氧血红蛋白量相对下降, 使该区磁化率发生变化, 造成在T2加权像上局部信号增加。,功能磁共振成像（Functional MRI，fMRI）是神经科学领域的一种全新的研究手段，通过神经元活动时大脑的血液动力学反应，如血容量、血流量及血氧水平的变化来定位大脑的功能活动区，与其他研究方法相比，具有较高的空间分辨率和时间分辨率,以及较好的

11、可重复性和可行性，近年来受到广泛重视。,评价,高的时间和空间分辨率 高安全性的技术 只能对神经活动进行间接测量,六、脑磁图(MEG),脑磁图(magnetoencephalography，MEG)运用一个超导量子干扰装置来测量脑电活动的磁场变化。,评价,磁场信号相对直接地反映了神经活动的变化 能提供有关认知过程的相当具体的时间信息，时间分辨率达毫秒级。 无侵袭，无损伤的脑功能检测技术 不能提供结构或解剖信息,裂脑人研究,第三节 认知心理学经典研究方法简介,一、反应时测量法,反应时（reaction time，简称RT）刺激作用于有机体后到其作出明显反应所需要的时间，即刺激与反应之间的间隔。,1

12、.减法反应时（subtractive method）,用两种反应时的差数来判定某个心理过程的存在 。 在研究快速信息加工过程如识别、短时记忆应用这种方法。目的是测量包含在复杂反应中的辨别、选择等心理过程所需的时间。,（F. C. Donders, 1968),复杂反应时间与简单反应时间的差别，就是包含在复杂反应中的心理过程所需要的时间 简单反应时（simple reaction time） RT1 复杂反应时（complex reaction time） RT2 复杂反应时 RT3 辨别过程时间= RT2RT1 选择过程时间= RT3RT2,唐德斯反应时（Donders ABC of reac

13、tion time),例：短时记忆的编码实验（Posner，1969-1970）,参数a 星形在十字之下 a+ t0 星形在十字之上 t0 参数c 星形在十字之上 t0 十字在星形之上 c+ t0 参数b+d 星形在十字之下 a+ t0 星形不在十字之下 a+ b+d + t0,2.相加因素法（S. Sternberg, 1969),相加因素法实验的基本思路为：如果可以确定一个信息加工过程有某一独立过程，那么，当加工过程包含该过程时，可以看到信息加工总时间的显著变化，如果该过程不是一个独立的加工过程，那么当加工过程包含该过程时，加工总时间不会发生显著化变化。 使用相应因数法实验可以证实信息加工

14、过程是否包含一个假定的环节。,经典实验（Sternberg),短时记忆提取实验表明，字母转换的信息加工过程经过四个阶段：刺激编码阶段顺序比较阶段决策阶段反应组织阶段,不同的阶段所进行的信息加工是相互独立的。如下图所示：,3.开窗实验,通过特定的技术将被试各信息加工阶段所用时间直接进行测量。 “开窗”实验的目的是采用“开窗”技术，将大脑进行信息加工过程及其所使用时间直接地测量出来。使用研究者可以清楚感知该过程。,字母转换实验就是一种比较典型的“开窗”实验方法。它可以较清晰地反应在进行字母转换的信息加工过程中，信息加工所经历的各个阶段，而且计算出该过程所需要的时间。,经典实验（Hockeyt等，1

15、981）,实验的设计：向被试出视一个字母加一个数字的卡片，如“E+3”，要求被试说出该字母后数字表示的字母，如被试看到“E+3”,应该说“h”，然后翻看下一张.,反应时研究的局限性,1、速度-正确率权衡问题：被试为了追求速度而牺牲回答的正确性，或者在反应过程使用猜测的策略，以提高正确率和速度。 2、系列加工与平行加工问题：一般认为，反应时测验法有利于测量对信息进行系列加工的情况。但反应时测量难以反应信息的平行加工及其特点，而平行加工又是经常发生的，尤其是人们在解决复杂问题的信息加工过程中更是经常发生。,二、出声思考（口语报告法 ）,是指被试在解决某项问题时“出声思考”（出声说出）其思维内容，研

16、究者记录后进行分析从而揭示被试认知活动规律的研究方法，它又称为“口述记录分析法”。,出声思考实验设计就是使用特定的方法使被试的信息加工过程由内潜性变为外显性。这种方法一般可用于分析慢速、复杂的信息加工过程。在这类实验过程中，被试使用外部的言语进行思维。 出声思考研究方法最初由德国心理学家（Duncker）1945年使用，后经Newell和Simon发展，形成一种以问题行为图为分析特色的研究方法。,三、计算机模拟,基本思路： 人脑与计算机一样都是信息处理机构，如果我们对人脑的某个心理过程的规律形成一定的心理学理论，那么，可以根据该理论编相应的计算机程序，然后比较计算机处理结果与人脑加工结果的异同来验证