认知神经科学研究方法简述和手段课件.ppt

1、在研究层次上重视多层次的跨学科整合在研究层次上重视多层次的跨学科整合 J在一般的概念层面上实现新的跨学科的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J利用不同学科的方法收集到的不同类型的数据，推进实验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J实现由计算思想与模拟所带来的理论上的整合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

2、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 以以ERPERP、fMRIfMRI等为代表的脑成像技术的发明和发展，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、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脑成像技术可以直接“观察观察”大脑的活动。采用脑成大脑的活动。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知

3、科学发展的一大趋势脑成像技术还有待完善。脑认知成像技术可以为我们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、对认知过程的脑功能形成直观的图像，但还受到时间、空间分辨率的限制空间分辨率的限制d生物定向的调查能够改变认知理论生物定向的调查能够改变认知理论d神经成像技术可提供比行为测量更直接神经成像技术可提供比行为测量更直接的可解释信息的可解释信息d提出认知领域新的组织方式提出认知领域新的组织方式 E. E. SmithE. E. Smith信息载体信息载体信息源信息源信息提取与加工信息提取与加工信息获取信息获取神经细胞的电磁活动当兴奋脉冲沿着神经细

4、胞的当兴奋脉冲沿着神经细胞的轴索到达突触时，突触囊泡轴索到达突触时，突触囊泡将特殊的传递分子释放到约将特殊的传递分子释放到约 50nm 50nm 宽的突触裂隙中，这宽的突触裂隙中，这些分子迅速在裂隙中弥散，些分子迅速在裂隙中弥散，其中一部分被突触后细胞表其中一部分被突触后细胞表面的受容体所截获，结果受面的受容体所截获，结果受容体分子的形态改变并使膜容体分子的形态改变并使膜表面的离子通道开放。电荷表面的离子通道开放。电荷的流动（通常是的流动（通常是 NaNa+ +，K K+ +，CaCa2+2+离子）使后一个细胞的离子）使后一个细胞的膜电位发生改变，这一电位膜电位发生改变，这一电位改变即为突触后

5、电位。改变即为突触后电位。细胞内电流和细胞外的电流细胞内电流和细胞外的电流 ERP的技术原理的技术原理事件相关电位事件相关电位(Event-related potential, ERP)(Event-related potential, ERP)，是与实际刺激或预期刺激是与实际刺激或预期刺激( (声、光、电声、光、电) )有固定有固定时间关系的脑反应所形成的一系列脑电波时间关系的脑反应所形成的一系列脑电波 利用利用ERPERP的固定时间关系，即锁时的固定时间关系，即锁时(time-(time-locked)locked)关系，经过计算机的叠加处理，则可关系，经过计算机的叠加处理，则可以提取出以

6、提取出ERPERP成分成分 时间分辩率为时间分辩率为msms级，空间分辩率为级，空间分辩率为cmcm级级听觉听觉ERP成分成分波形波形命名命名测量指标测量指标-10020040060080010000.0-2.02.04.0ERP地形图地形图MEG的技术原理的技术原理 MEGMEG检测的是头皮脑磁场信号，该脑磁场信号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，因此组织导电率的不均匀一致性无关，因此MEGMEG具具有

7、定位精度高，无损伤，无须测定基准等优点有定位精度高，无损伤，无须测定基准等优点 空间定位精度可达空间定位精度可达2 2毫米范围以内，而且其时毫米范围以内，而且其时间分辨率可达毫秒间分辨率可达毫秒细胞内电流产生的细胞内电流产生的MEGMEG信号信号 SQUIDSQUID传感器传感器: -269: -269磁场屏蔽室磁场屏蔽室: :两层两层 m m 金属板和一层铝板金属板和一层铝板 275275个传感器在头盔内的分布个传感器在头盔内的分布 MEGMEG波形波形 MEGMEG地形图地形图 Goals of Source Reconstructionexperiment &measurementspa

8、tial distributiontime coursespatio-temporal image of brain activityForward CalculationHead ModelSensors ModelSource Model-idealized-simplifiedData(estimated)Inverse CalculationHead ModelSensors ModelSource ModelData(measured)physicalmodelrealistic head modeling realistic head modeling 3D automatic 3

9、D automatic segmentationsegmentation30 mm2 = 5.55.5 mm2 Size of Macroscopic Neural ActivityEquivalent Current Dipole (Primary current) (50 nAm)parameters:position : x, y, zdirection : q, fmagnitude : m +-cell bodysinksourcesynapse- +currentcortexMicroscopic current flow (510-5 nAm) Inverse methoddet

10、ermines: positions directions time coursesof the dipoles.Dipole models do very well in a great number of cases:1. Exogenous sensory components2. Preattentive processing, e.g. MMN3. Epileptic spikes. and many moreDipole models do very well in a great number of cases:1.Exogenous sensory components e.g

11、. P30 evoked by electric stimulation of the right median nerve. 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(Knsche et al., NeuroImage 2002)Dipole models do very well in a great number

12、of cases:3.Epileptic spikesEEG与与MEG比较比较8MEG-MEG-正切磁场测量，正切磁场测量，EEG-EEG-径向磁场测量径向磁场测量8MEGMEG测量细胞内电流，而测量细胞内电流，而EEGEEG测量细胞外电流测量细胞外电流8脑功能区呈多方位立体分布，信号为立体传递。由脑功能区呈多方位立体分布，信号为立体传递。由于头部各组织的导电率各不相同的效应，使得脑电于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图信号在到达头皮表面后产生信号失真8脑磁场为空间探测，将头颅作为球型导体在颅外与脑磁场为空间探测，将头颅作为球型导体在颅外与之呈正切方

13、向均能检测到脑磁场信号，既脑磁图信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穿透头皮后不会产生任何失真8MEGMEG的价格是的价格是EEGEEG的的2020倍倍PET的技术原理的技术原理 正电子断层扫描术（Positron Emission Tpmography, PET) 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

14、比、时间分辨率、能量分辨率fMRI的技术原理的技术原理 血氧水平依赖性（blood oxygenation-level depndent, BOLD）：脑血管中的血氧变化局部磁场变化NMR信号强度变化 空间分辩率为mm级，时间分辩率为sec级普通普通MRIMRI开放式开放式MRIMRI1 1、外磁场、外磁场2 2、射频激发、射频激发3 3、信号的提取、信号的提取4 4、数据处理和图象产生、数据处理和图象产生 Blood Oxygenation Level Dependent (BOLD) contrastOxyhemoglobinDeoxyhemoglobinPARAMAGNETIC DIAM

15、AGNETIC (Similar to Tissue) BasalActiveCBF O2 extraction Oxy-Hb Brain ActivityRear Projection SystemComputerprojectorscreenmirrormagnetParadigm computerERP + fMRI 在不同条件下根据被试的反应对在不同条件下根据被试的反应对ERPERP和和fMRIfMRI结果进结果进行分类，并在实验后进行行分类，并在实验后进行 “off-line”off-line”分析。分析。 ERPERP头皮分布与头皮分布与fMRIfMRI影象可反映脑内神经活动的不影

16、象可反映脑内神经活动的不同模式。同模式。 ERPsERPs与与fMRI fMRI 可通过不同的实验条件测量认知加工可通过不同的实验条件测量认知加工的的功能性分离。的的功能性分离。 ERPERP具有具有msms级的时间精确度，而级的时间精确度，而fMRI fMRI 则有则有mm mm 级级的空间分辨率。的空间分辨率。光学成像原理光学成像原理 近红外线光谱近红外线光谱 氧合血红蛋白氧合血红蛋白与去氧血红蛋与去氧血红蛋白浓度的变化白浓度的变化 时空分辨率间时空分辨率间于于ERP-fMRI日立医学公司生产的日立医学公司生产的24导光学成像仪器导光学成像仪器45Optical Imaging Cambe

17、r Lattice Used in Optical Imaging Camber Lattice Used in Propagation Experiment Propagation Experiment Recording Recording ElectrodeElectrode Stimulate Stimulate ElectrodeElectrode Sample: 1ms光学成像光学成像（Optical Image)A. Grinvald et al, Tech. Report GC-AG/99-6. Modern Techniques in Neuroscience Researc

18、h. U. Windhorst and H. Johansson (Editors) Springer Verlag. (2001)多道微电极神经元电活动记录多道微电极神经元电活动记录三维电极阵列（脑芯片）读取脑信息细节三维电极阵列（脑芯片）读取脑信息细节 M. D. Sereuya et al. Nature 416, 141 - 142 (2002) 意识控制物质意识控制物质猴用意识直接控猴用意识直接控制机械臂或鼠标制机械臂或鼠标Sereuya et al.Sereuya et al. NatureNature 416, 141 - 142 (2002) 416, 141 - 142 (2

19、002)Miguel A. L. Miguel A. L. et al.et al. Scientific Scientific American. American. Oct.Oct. (2002) (2002) 盲人重见光明盲人重见光明Nicolelis Duke 2002Nicolelis Duke 2002 运动系统神经置换运动系统神经置换 瘫痪病人运动恢复瘫痪病人运动恢复Miguel A. L. Miguel A. L. et alet al. Scientific . Scientific American. American. Oct.Oct. (2002) (2002) 物质控制意识物质控制意识遥控生物遥控生物 K. Sanjiv et alK. Sanjiv et al. . NatureNature 417, 37 - 38 (2002) 417, 37 - 38 (2002)