Contents
认知神经科学的起源
理论及其研究方法
神经系统的基本知识 在记忆、注意、思维、情绪方面的研究 反思
一、起源
Michael S. Gazzaniga
George A. Miller
•认知神经科学这一术语最早于20世纪70年代末由美国著名的心理学家 Michael S. Gazzaniga和George A. Miller共同提出。是一门在认知科学和 神经科学的基础上发展起来的一门新生学科。 •认知神经科学（Cognitive Neuroscience）：一门研究人脑高级功能的学 科。认知神经科学的研究目的在于阐明认知活动的脑机制（Gazzaniga， 2000） •认知神经科学诞生至今有着近20年的历史，80年代开始走入人们的视野， 与90年代成为一门受国际学术界公认的新兴学科，被认为是21世纪最有发 展前景的自然科学前沿研究领域。
ERP
诱发电位(EP,Evoked Potentials)是神经系统在感受外 在或内在刺激过程中产生的生物电活动。分感觉诱发电位、运 动诱发电位（外源性）和事件相关电位（内源性）。 • 一般说这种EP波幅很低（约0.1-20μ V），全被淹没在比它高 很多的自发脑电之中，肉眼几乎无法观察分析，因而在脑电记 录中不能见到。为了把这些微小的电位分离出来，目前应用的 是信号平均与迭加技术。 • p3—它是事件出现后约300～800ms间记录到的正成分，故也 有称之为P300，也是测谎的最主要指标。潜伏期中的晚期成 分位于刺激后50-500ms，常与心理认知过程有关，反映了从 刺激开始到大脑对外来信息加工过程所需的时间，愈晚出现的 成分其心理学的因素愈多。
• EEG和ERP测量的是心理活动时的脑电信号，其时间分辨率极 高，但其空间分辨率较低，似乎还不能充分满足直接观察人 脑处于不同心理活动状态的脑电图的要求。
• 70年代末、80年代初出现的计算机断层扫描术 （CT,computerized tomography）和磁共振成像技术 （MRI,magnetic resonance imaging）测量的是静态的脑结构 图像。 • 80年代中期，出现了正电子发射断层扫描技术（PET,positron emission tomography），它将带有放射性核素标记的化合物 注入人体，由此获得心理活动时的脑代谢图像或脑血流图像。 • 1990-1992年期间又出现了功能磁共振成像（fMRI,functional magnetic resonance imaging）技术，主要通过测量脑活动时 脑内各处血流含氧量的变化来反映人脑的心理活动，其时间分 辨率和空间分辨率均较PET有了明显提高，且不需要给被试注 射微量放射性物质。
诱发电位检查 的主要设备至 少应包括刺激 器、放大器、 平均器和记录 系统
fMRI
功能性磁共振成像技术（functional magnetic resonance imaging,FMRI）
• 最常用的是BOLD-fMRI，BOLD(blood oxygen level dependent) • 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。 • 常用的实验设计有组块设计和事件相关设计
•
十几年后，认知科学家们终于在生物脑中概括出并行分布式(PDP) 的神 经计算原理,1986～1996 年的十年间,风起云涌的人工神经网络研究积累 了大量科学事实,冲破了智能的传统概念。1993 年认知科学杂志上人工智 能研究创始人之一Simon 和五位青年学者展开的智能本质论战,1994 年已 故生态心理学家Gibson 著作再度风行于世,都为智能新概念奠定了科学基 础
3. 人类疾病研究的实际需要
• 疾病始终困扰着人类，一些疾病直接影响人的脑功能，包 括脑肿瘤、老年痴呆、脑血管疾病、癫痫、毒品成瘾、精 神分裂症等等。对这些疾病进行早期诊断，是预防疾病发 生的重要措施。 • 早期诊断的一个重要内容是测查脑认知功能，除进行神经 心理测查外，还设计一些精细的实验，采用ERP、PET和 fMRI等技术研究病人执行某一认知任务时的脑功能图像， 可以对脑结构损伤或脑功能性失调给予相当满意的诊断， 有利于及时进行对症治疗。 • 显然，对威胁人类脑功能疾病的研究和治疗成为推动认知 神经科学产生和发展的强大现实动力。
Paul Broca
• 加拿大神经外科医生潘菲尔德采用点刺激法对 病人大脑的感觉与运动功能进行了研究，发现 人身体不同部位的感觉和运动在大脑皮层均可 找到相对应的部位 • 后来一系列研究表明，人类感觉，运动，语言， 记忆等机能均与特定脑区有关，且语言功能更 与左半球有密切关系，这是所谓“大脑皮层机 能定位说” • ps.布赖恩· 伯勒尔
灵长类动物
认知神经生物学 分子、细胞、 从低等动物到 脑区 哺乳动物 计算神经科学 分子、细胞、 脑区、整脑 心理或智能
生物化学测量、生物物理研究 理论、实验、计算
EEG
1929年德国生理学家Hans Berger首先记录到正常人脑的 脑电波（EEG,electroencephalogram），发现脑电波对心理 活动很敏感，如心算引起脑电波的α 节律减少。 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，通过电子放大器放大100倍并记录下来，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。
2、认知科学的发展
•认知科学（Cognitive Science）：是研究人、动物和机器的 智能的本质和规律的科学。认知心理学和人工智能是认知科学 的核心学科（Wiles & Dartnall, 1999）。
• 70 年代，人工智能发展面对许多难题，传统物理符 号论难以解决。于是一批富有远见卓识的美国科学 家提出将人脑、电脑研究融为一体,研究智能实体(自 然脑和人造脑) 的智能活动与环境条件相互制约的规 律。认知心理学、神经心理学、心理语言学和传统 人工智能构成了统一的认知科学雏型，智力与计算 的关系成为70～80 年代认知科学的基本命题。然而， 这一命题研究很快遇到了重大挫折，即离散的物理 符号计算无法表达人类智能活动的真谛。
3、神经科学的进展
•早期的研究主要是通过对病人的临床观察并结合尸 体解剖进行的。由于其独特性，现在仍会使用。 • 1929年德国生理学家Hans Berger首先记录到正常人 脑的脑电波（EEG,electroencephalogram），发现 脑电波对心理活动很敏感，如心算可引起脑电波的 α 节律减少。 • 20世纪50年代末，随着计算机在生物学中的应用导 致事件相关电位（ERP,event-related potentials） 的问世，成为脑波研究史上的重大事件。
二、理论及其研究方法 1、基本理论假设
（1）脑的结构与功能具有多层次性 认知神经科学把阐释心理，尤其是人类心理活动 的脑机制作为自己的任务，其研究对象主要是人类及 其他高级灵长类动物(如猴子)，当然也包括其他一些 低等动物。以人类为例，人脑是一个开放的复杂巨系 统，是一个由约1011(一千亿)个神经细胞组成的高度 组织化的器官，有不同种类的神经元和神经元集团、 不同种类的神经介质和神经化学物质、不同种类的神 经通路和网络不同种类的神经电活动，但并非杂乱 无章，而是具有明显的多样化的多层次结构。
• 智能与计算的命题再次扩展开来，它包括离散物理符号计算，连续(模拟的) 神经计算(PDP) ，自组织自适应计算、模糊计算和模糊推理等。智能新概 念不仅体现在其算法多样性与综合性，更体现于智能活动源于生态环境， 又归结为生态环境。它不是每个头脑作为孤立系统的内部运动过程，而是 体现于制约着生态环境又作用于生态环境的个体高效目的行为。因此，智 能实体(自然脑或人工脑) 在特定环境下完成高效目的行为的过程及其内部 机制，就成为新智能理论的基本命题，它的目标不仅在于运用当代各种图 灵计算原理，还在于试图突破图灵计算，追求智能本质的新认识。
• 法国生理学家弗洛伦斯采用脑局部切除法损毁动物（主要 是鸟类）的脑不同部分，观察动物行为的变化，提出“大 脑机能统一说”，认为脑的机能具有整体性。后来美国心 理学家拉 什里用类似方法研究大鼠脑损伤程度对大鼠学习 和记忆的影 响，发现大鼠记忆障碍的严重程度与脑损伤的 部位无关，而是依赖于脑损毁的面积大小，提出“大脑皮 层机能等势说”，认为大脑皮层不同部位的机能是相同的。 • 法国神经病学家布罗卡描述了一则表达性失语症，病人能 听懂他人说话，且喉，舍，唇肌肉正常，但除了“Tan”的 声音外不能说话，对其尸检发现病人左半球额下回后部约 1/3处有一鸡蛋大的损伤，脑组织退化，认为该区域是言语 运动中枢。德国学者威尔尼克则发现听觉性失语症病人左 半球颞上回后部受损，其听觉正常，却听不懂他人和自己 说话，常常答非所问。即言语听觉中枢。
• 但是，认知科学各学科的一个共同特点是，它们 对人的认知过程的研究采取的是一种“隐喻式描 述”。 • 例如，我们可以采用心理实验设计证明短时记忆 的存在，但短时记忆显然是脑的功能之一，在没 有阐明其脑活动机制之前，我们只能设想短时记 忆类似于一个工作平台。
• 这显然不能满足研究者们的要求。脑是心理活动 的物质本体，仅从行为水平探讨人脑的心理功能 当然是不够的。
1、脑的研究
•古希腊时期，希波克拉底天才般的提出脑是心理的器官 •我国医学家李时珍指出“脑为元神之府”。 • 19世纪初德国医学家伽尔和 他的学生斯普茨海姆首先对 脑和心理的关系进行了了解， 提出“颅相学”，认为头骨 的外形与脑的形状相对应， 人的不同心理功能，如记忆、 野心、谨慎、仁慈等，分别 存于大脑特定部位，因此， 根据颅骨的外形可以推知人 的各种心理特征，他假设特 定区域的隆凸或凹陷对应于 大脑相关功能区域的发展情 况。