第四讲 认知神经科学研究手段

第四讲认知神经科学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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信息载体信息源信息提取与加工信息获取磁共振波谱功能像扩散张量成像偶极子定位磁共振结构像光学成像事件相关电位分子像脑磁图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。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-relatedpotential,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级听觉ERP成分波形命名测量指标-10020040060080010000.0-2.02.04.0ERP地形图偶极子定位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•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波形MEG地形图GoalsofSourceReconstructionexperiment&measurementspatialdistributiontimecoursespatio-temporalimageofbrainactivityForwardCalculationHeadModelSensorsModelSourceModel-idealized-simplifiedData(estimated)InverseCalculationHeadModelSensorsModelSourceModelData(measured)physicalmodelrealisticheadmodeling3Dautomaticsegmentation~30mm2=5.5×5.5mm2SizeofMacroscopicNeuralActivityEquivalentCurrentDipole(Primarycurrent)(~50nAm)parameters:position:x,y,zdirection:q,fmagnitude:m+--cellbodysinksourcesynapse+Equivalentcurrentdipolemodel:cortexMicroscopiccurrentflow(~5×10-5nAm)Inversemethoddetermines:•positions•directions•timecoursesofthedipoles.Spatio-temporaldipolemodelDipolemodelsdoverywellinagreatnumberofcases:1.Exogenoussensorycomponents2.Preattentiveprocessing,e.g.MMN3.Epilepticspikes...andmanymoreDipolemodelsdoverywellinagreatnumberofcases:1.Exogenoussensorycomponentse.g.P30evokedbyelectricstimulationoftherightmediannerve.Dipolemodelsdoverywellinagreatnumberofcases:2.Preattentiveprocessinge.g.MEGequivalentofmismatchnegativityevokedbydeviatingwordsandvoices(Knöscheetal.,NeuroImage2002)Dipolemodelsdoverywellinagreatnumberofcases:3.EpilepticspikesEEG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（PositronEmissionTpmography,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(5mm)、灵敏度、信噪比、时间分辨率、能量分辨率fMRI的技术原理•血氧水平依赖性（bloodoxygenation-leveldepndent,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MRI开放式MRI1、外磁场2、射频激发3、信号的提取4、数据处理和图象产生BloodOxygenationLevelDependent(BOLD)contrastOxyhemoglobinDeoxyhemoglobinPARAMAGNETICDIAMAGNETIC(SimilartoTissue)BasalActiveCBFO2extractionOxy-HbBrainActivityRearProjectionSystemComputerprojectorscreenmirrormagnetParadigmcomputerBLOCK1BLOCK2RESTTRIALTraditional:BLOCKDESIGNNewlydeveloped:EVENT-RELATED123456ERP+fMRI※在不同条件下根据被试的反应对ERP和fMRI结果进行分类，并在实验后进行“off-line”分析。※ERP头皮分布与fMRI影象可反映脑内神经活动的不同模式。※ERPs与fMRI可通过不同的实验条件测量认知加工的的功能性分离。※ERP具有ms级的时间精确度，而fMRI则有mm级的空间分辨率。光学成像原理近红外线光谱氧合血红蛋白与去氧血红蛋白浓度的变化时空分辨率间于ERP-fMRI日立医学公司生产的24导光学成像仪器45OpticalImagingCamberLatticeUsedinPropagationExperimentRecordingElectrodeStimulateElectrodeSample:1ms光学成像（OpticalImage)•脑皮层内源性光学信号成像（IOS）：可以获得神经元群体的活动图象，其空间分辨率高达10微米，能显示出脑信息处理的空间编码细节。A.Grinvaldetal,Tech.ReportGC-AG/99-6.ModernTechniquesinNeuroscienceResearch.U.WindhorstandH.Johansson(Editors)SpringerVerlag.(2001)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M.D.Sereuyaetal.Nature416,141-142(2002)电极阵列应用研究•意识控制物质猴用意识直接控制机械臂或鼠标Sereuyaetal.Nature416,141-142(2002)MiguelA.L.etal.ScientificAmerican.Oct.(2002)•盲人重见光明NicolelisDuke2002•运动系统神经置换瘫痪病人运动恢复MiguelA.L.etal.ScientificAmerican.Oct.(2002)•物质控制意识——遥控生物K.Sanjivetal.Nature417,37-38(2002)