1认知神经科学概念

(Knö sche et al., NeuroImage 2002)
Dipole models do very well in a great number of cases:
3. Epileptic spikes
EEG与MEG比较
MEG--正切磁场测量，EEG--径向磁场测量 MEG测量细胞内电流，而EEG测量细胞外电流 脑功能区呈多方位立体分布，信号为立体传递。由于
认知神经科学（Cognitive Neuroscience） 是阐明认知活动的心理过程和脑机制的 科学 认知神经科学的研究模式是将行为、认 知过程、脑机制三者有机地结合起来 在某种意义上说，心理学的发展已由认 知心理学进入到认知神经科学的时代
神经科学中心原则
• 一切行为都是脑功能的反映
Head Model
Inverse Calculation
Source Model
Data (measured)
Sensors Model
physical model
realistic head modeling
3D automatic segmentation
Equivalent current dipole model:
Size of Macroscopic Neural Activity
~30 mm2 = 5.5×5.5 mm2
Spatio-temporal dipole model
Inverse method
determines: • positions • directions • time courses of the dipoles.
• 空间定位精度可达2毫米范围以内，而且其时 间分辨率可达１毫秒
细胞内电流产生的MEG信号
SQUID传感器: -269℃ 磁场屏蔽室:两层 m 金属板和一层铝板
275个传感器在头盔内的分布
MEG地形图
MEG波形
Goals of Source Reconstruction
experiment & measurement
多道微电极记录 电极阵列（EMA） 脑电、ERP、MEG PET、fMRI 光学成象 神经行为定量测量
生物学
信息科学
学科交叉
教育学
理 学 工学 医学
心理 学
数 学 物理 学
生物 学
计算机 信息 科技 工程 电子 科技
系统 科学
生理 学 精神 病学
神经 病学 生物医 学工程
生物 物理学
控制 科学
脑成像的概念
spatial distribution
spatio-temporal image of brain activity
time course
Head Model
Forward Calculation
Source Model -idealized -simplified Sensors Model
Data (estimated)
细胞内电流和细胞外的电流
ERP的技术原理
事件相关电位(Event-related potential, ERP)，是与 实际刺激或预期刺激 (声、光、电)有固定时间关系 的脑反应所形成的一系列脑电波
利用 ERP 的固定时间关系，即锁时 (time-locked) 关 系，经过计算机的叠加处理，则可以提取出 ERP成 分 时间分辩率为ms级，空间分辩率为cm级
认知神经心理学、 认 认知心理学、人工智 神经心理学、 心理生理 知心理生理学、 认知 能， 语言学、 发展心理 学、 生理心理学、 神经 生理心理学、 认知神 学、 哲学、 人类学和神 生物学、行为药理学 经生物学、 计算神经 经科学 科学
学科分支
特
点
跨学科 行为水平
跨学科 多层次
跨学科 多层次
认知神经科学
听觉ERP成分
波形 命名 测量指标
ERP地形图
-2.0 -100 0.0 200 400 600 800 1000
2.0
4.0
高频字(470ms)
低频字(490ms)
偶极子定位
MEG的技术原理
• MEG检测的是头皮脑磁场信号，该脑磁场信号 是由神经细胞内电流的体积电流所产生，这种 脑磁场信号与颅骨形状的复杂性以及颅骨内脑 组织导电率的不均匀一致性无关，因此MEG具 有定位精度高，无损伤，无须测定基准等优点
主讲人：党彩萍 PPT主要来自 罗跃嘉
人脑是由上千亿个神经元组成的复杂巨系统。它为人 类提供了知觉、运动、注意、学习、记忆、思维、语 言、情感、意识等最重要的高级脑功能和认知行为 脑-认知-行为的关系是人类在认识自身的过程中必须 解决的核心问题。它将对人类理解自然和自身、增进 脑和身心健康、发展全新的脑智能信息系统及提高全 民族的知识创新能力作出重要贡献
头部各组织的导电率各不相同的效应，使得脑电图信 号在到达头皮表面后产生信号失真
脑磁场为空间探测，将头颅作为球型导体在颅外与之
呈正切方向均能检测到脑磁场信号，既脑磁图信号和 各种脑组织的导电率无关，因此脑磁图信号在穿透头 皮后不会产生任何失真
MEG的价格是EEG的20倍
PET的技术原理
• 正电子断层扫描术（Positron Emission Tpmography, PET)
• 采用现代物理学与生物化学原理呈现大脑结构和 功能活动的多种技术手段
– – – – – – 功能性磁共振成像 (fMRI) 正电子发射断层扫描 (PET) 脑电图 (EEG) 事件相关电位 (ERP) 脑磁图 (MEG) 单光子发射断层扫描 (SPECT)
Baidu Nhomakorabea
– 光学成像 – 也包括传统的X光放射影像和超声影像技术
• 获得正电子标记药物在人体中的三维密度分布， 并随时间变化的特点 • PET探测器
– 光转换器：将高能湮灭光子转化为低能量光子
– 光探测器：收集上述低能量光子，转化为电信号
• 性能指标：空间分辨率(5 mm)、灵敏度、信噪比、
时间分辨率、能量分辨率
Dipole models do very well in a great number of cases:
1. Exogenous sensory components e.g. P30 evoked by electric stimulation of the right median nerve.
本世纪生命科学走向：基因组蛋白组脑-认知-行为
认识脑从而认识人类自身已成为本世纪最具挑战性和 最活跃的科学前沿，是摆在各国科学家面前的首要科 学使命，已成为全球性的研究热点
一、概 念
学科的比较
认知科学 神经科学 认知 神经科学
研究目标
研 究人 类认知 研究人与动物神 阐 明认 知活动 与 智能 的本质 经 系 统 ( 主 要 是 的脑机制 与规律 脑 )的结构和功能
Microscopic current flow (~5×10-5 nAm) cortex
source
+
+
sink
-
synapse
cell body
Equivalent Current Dipole (Primary current) (~50 nAm) parameters: position : x, y, z direction : q, f magnitude : m
Roediger：”传统的认知心理学家将其专业
领域与Neuro相联系是大有希望的“。
1 m 10 cm 1 cm
全脑
系统
脑区 网络 神经元 突触 分子
1 mm
100 mm 1 mm
1 A
三大学科交叉
知觉、注意、记忆 动作、语言、决择 思维、情感、意识
心理学
海量数据 复杂性测度 数学模型 计算模拟 网络信息模型
Dipole models do very well in a great number of cases: 1. Exogenous sensory components 2. Preattentive processing, e.g. MMN 3. Epileptic spikes ... and many more
脑成像技术还有待完善。脑认知成像技术可以为我们对
认知过程的脑功能形成直观的图像，但还受到时间、空
间分辨率的限制
认知科学与神经科学的结合


生物定向的调查能够改变认知理论
神经成像技术可提供比行为测量更直接 的可解释信息 提出认知领域新的组织方式 ——E. E. Smith

信息载体 信息提取与加工
在研究方法上注重采用无损伤性实验技术
以ERP、fMRI等为代表的脑成像技术的发明和发展，已
成为现代高科技的一个竞争热点，汇集了信息科学、物 理科学以及其它工程科学的众多高科技成果
脑成像技术可以直接“观察”大脑的活动。采用脑成像
技术研究脑的认知结构和功能，已成为脑科学与认知科 学发展的一大趋势
Dipole models do very well in a great number of cases:
2. Preattentive processing e.g. MEG equivalent of mismatch negativity evoked by deviating words and voices
认知神经科学的研究
• 从真正的大脑工作方式入手来研究认知的。 • 采用从下向上的研究策略 • 由于无损伤技术手段（如ERP、EMG、PET和 fMRI）的出现，使研究者可以直接观察到大脑 活动的区域及特点
三、研究方法简述
在研究层次上重视多层次的跨学科整合
在一般的概念层面上实现新的跨学科的整合 越来越认识到各分 支学科相互间进行对话和交流的必要性 利用不同学科的方法收集到的不同类型的数据，推进实验层面 上的整合 例如，对语言的研究需要将定性的语言学数据与实验 心理学和神经学的数据结合起来考虑；而解决意识问题，不仅要 求重视行为学和神经学数据，也要兼顾意识经验的实验数据 实现由计算思想与模拟所带来的理论上的整合 用计算手段研究 复杂和多样化的认知过程是必要的，还需要通过模拟让研究者们 看到他们的理论思路的成就及其局限。这种跨学科、多层次的整 合是认知科学发展的另一趋势
发展脑成像技术的意义
• 脑成像作为认知神经 科学研究最为主要的 技术手段，使人类有 史以来第一次能直接 观察到大脑的心理过 程和认知活动，有如 研究脑功能的“显微 镜”和“望远镜” • 在国际著名的大学， 神经科学、脑科学、 认知科学、以及心理 学研究机构，无一例 外地拥有脑成像研究 中心或实验室，中科 院也建立了中国第一 个拥有3T fMRI与 128导ERP系统的大 型脑成像研究基地
1999年MIT出版《Mind and Brain Sciences in
the 21st Century》，作者们的共识
Smith： “我预期在今后几十年内，认知心
理学将沿着神经科学的方向发展。认知心理 学专业的学生将必须把脑—认知关系的学习 作为必修课，就象他们现在学习数学模型和 统计学一样” 。
信息源
信息获取
磁 共 振 结 构 像 功 能 像 扩 散 张 量 成 像 分 子 像
事件相关电位 脑 磁 图
光 学 成 像
磁 共 振 波 谱 偶极子定位
神经细胞的电磁活动
当兴奋脉冲沿着神经细胞的轴 索到达突触时，突触囊泡将特 殊的传递分子释放到约 50nm 宽的突触裂隙中，这些分子迅 速在裂隙中弥散，其中一部分 被突触后细胞表面的受容体所 截获，结果受容体分子的形态 改变并使膜表面的离子通道开 放。电荷的流动（通常是 Na+， K+，Ca2+离子）使后一个细胞的 膜电位发生改变，这一电位改 变即为突触后电位。
二、研究路线
认知心理学的研究
即把人脑与计算机进行类比，将人脑看作 是计算机的信息加工系统。但这种类比只 是机能性质的，而不管脑的生物细胞和电 子元件之间的区别。
采用自上而下和（top-down）的研究策略， 也就是先确认一种心理能力，再去寻找它 所具有的计算结构。
神经网络的研究
• 把大脑看作是一种神经网络，但这种神经网络 模型是人工的，与真正的神经及其突触连接并 不相同。 • 采用一个从下向上（bottom up）的策略，先 建立一个简单的或理想化的神经网络模型，然 后再考察这个模型所具有的认知功能。从最简 单的模型入手，不断增加它的复杂性，就有可 能模拟出真正的神经网络，从而了解认知活动 的真相。