脑机制的研究方法

• 事件相关电位（event-related potentials，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。
• 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
• 一般认为刺激持续时间跨度8-30 min，电流1.0~2.0 mA 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
抑制性突触后电位（inhibitory postsynaptic potential， IPSP）
兴奋性突触后电位（excitatory postsynaptic potential， EPSP） 。
IPSP（inhibitory postsynaptic potential）
突触间隙
胞液
EPSP（excitatory postsynaptic potential）
• 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（magnetic resonance imaging， 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
大脑皮层处于特殊紧张状态时的 主要脑电活动。
脑电的产生机理
• 静息电位 • 动作电位 • 局部电位 • 事件相关电位
静息电位（resting potential）
• 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。
Na+ K+
兴奋状态 Na+
静息状态 K+
动作电位（active potential）
• 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。
• 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 magnetoencephalogra phy，MEG
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。
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（posit源自文库on emission tomography，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。
第三节 脑机制的研究方法
盖吉
H.M
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
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
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
δ波 1-3.5Hz
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（ion channels）实现的。一定条件下，它使用离子泵（ion pumps）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。
• 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（Functional Magnetic Resonance Imaging, 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 （Blood Oxygen Level Dependent，BOLD）效 应.
➢ 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。
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
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。
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（computed tomography，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，
• 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
• 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。
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（mismatch negativity， 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
• 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。
20-200μν
θ波 4-7Hz
10-50μν
特点
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。
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 20-100μν 10-14岁后，在清醒/安静/闭眼状 态出现，
β波 14-30Hz 额部， 5-20μν 颞部
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(transcranial magnetic stimulation , 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。
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。