认知神经科学技术革命

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翻开认知神经科学充满魔力的画卷，首先我们可以看到的是1650年12月14日走上了英格兰牛津市法庭绞刑架的Anne Green；她被指控谋杀自己的孩子判处绞刑，Willis和Petty得到英王查理一世特许解剖Anne的尸体用于医学研究；但处以绞刑的Anne奇迹般地起死回生，这一奇迹般的事件为Willis和Petty赢得了声誉，支持了Thomas Willis（创造了神经病学neurology这一术语）的神经病学研究；绘制了当时以及此后200多年内最精确的人类大脑图；Willis的想法和知识基础经过几百年的酝酿演变成了今天的认知神经科学这一领域；

颅相学

19世纪研究颅相学的颅相学家宣称大脑有35个左右的特异性功能，这些功能被认为由特异性的脑区负责；他们认为如果频繁使用某一种能力，那么大脑中代表这项能力的部门就会变大；现代认知神经科学已经证实颅相学是伪科学；但颅相学家们的一些猜测给后来者的研究带来了许多方向；

对脑损伤病人的观察——局部脑损伤引起特定行为改变

通过对脑损伤病人的观察，Jackson注意到病人很少彻底丧失一项功能；比如因卒中丧失语言能力的人还可以将一些单词。Jackson得出结论：大脑的许多区域都参与到一项行为中；这一时期发现了和语言相关的脑区：Broca区（左侧颞叶下部）和Wernicke区（颞叶和顶叶交界处附近）；英国神经病学家Gordon Holmes（1919）根据对第一次世界大战期间出现脑损伤士兵的观察，提供了一些关于小脑和枕叶功能的经典描述。在CT发明之前，存活下来的开放性头部损伤病人为我们提供了最好的方法去定位脑功能分区；

显微观察

德国神经解剖学家使用显微技术观察不同脑区的细胞类型来分析大脑，其中KorBinnian Brodmann分析了皮质的细胞组织并划分了52个特征不同的区域；这一分区理论我们至今还在使用；

神经元的银染色法——神经元学说

意大利人Camillo Golgi发明了一种向单个神经元注入银的染色法，发现了神经元是分离的个体；19世纪中叶苏木精 — 伊红染色法 ( hematoxylin-eosin staining，HE染色法) 开始兴起，通过显微镜观察，很多组织的细胞结构得到了充分地描述，这些发现（描述）有力地支持了细胞学说。然而，HE染色切片上神经组织的细胞结构难以看清楚，脑组织尤其如此，在显微镜下能观察到明显的蓝色细胞核，以及周围的斑块状或颗粒状核周质；但核周围被染色的物质不像在其他大多数组织中那样局限在“细胞”范围内，以至于当时的学术界对细胞学说是否适用于神经系统产生了怀疑；意大利医师Golgi发现使用重铬酸钾固定的神经组织可以被硝酸银染成棕黑色，在显微镜下观察可发现，切片上出现了很多棕黑色结构，他们具有细长的突起，形态各异，并彼此接触。这是人类第一次观察到完整神经细胞；

膜电位记录

对细胞信号而言,神经元具有两个重要的特性。首先，神经元是容积导体，因此电流可以从其内部通过，也可以穿过他们的膜。其次，他们能生成多种电流包括感受器电位（receptor potential），突触电位（synaptic potential）和动作电位（action potential）。20世纪40年代和50年代早期，用于高度精确地记录神经元膜电位的技术手段得以实现。

膜电位记录技术是指使用两个微电极，一个在细胞内，一个在细胞外；两个电极之间就是跨膜电位差。一般将神经元细胞外被定义为零电位，这样神经元内的静息电位就是负电位。

单细胞记录（single unit recording）

单细胞记录中一个微电极插入动物的脑中。如果电极是在一个神经细胞旁边，电活动的改变就能被测量到。单细胞记录技术可以说是神经心理学中最为重要的进展。通过单细胞记录技术，人们对神经活动的理解有了较大的发展。单细胞记录手段通常是在细胞膜外进行的，因为插入到脑中的微电极记录细胞内的变化极其困难，同时电极植入会破坏细胞影响细胞的功能；但是在细胞外进行单细胞记录也有问题，这无法保证电极末端的电位变化反映的是单一细胞的活动，需要通过后期溯源算法把这些混合在一起的活动分解溯源成每个神经元单独的活动；

神经心理学家关心的是究竟哪些因素会引起神经元突触活动的改变。研究人员试图通过建立细胞活动与特定刺激模式或行为之间的相互关系来确定单个神经元的反应特性。一般研究人员从感兴趣的目标区域中选择一系列细胞进行记录。通过这样的方法可以得到一幅功能图来描述特定皮质区域中神经元的相似性与差异性。

当单细胞记录发被首次引入到神经科学研究时，神经科学家乐观地认为脑功能的奥秘将被揭开。他们所需要知道的不过是是不同细胞对脑功能贡献的一份清单而已。但是他们很快明白了对一群神经元来说，细胞总体的行为并不只是部分的总和。这一局限性最后发展出了多细胞记录（multiunit recording）这一手段；

计算机断层扫描

计算机断层扫描（computed tomography ，CT或CAT）首次商用是在1983年，CT作为一种可以对活人地神经损伤进行结构性成像地医学工具对神经病学地研究十分重要，传统的射线技术是把三维物体压缩成二维物体，CT技术则是通过压缩的二维图像重构出三维空间。

CT的基本原理是生物物质的密度不同，而对X射线的吸收能力与组织密度相关。高密度的物质如骨头会吸收大量射线，低密度物质，例如空气和血液吸收射线很少。神经组织的吸收能力介于两者之间；因此CT扫描得到的其实是介质组织不同吸收能力的图象；CT扫描技术的空间分辨率是接近0.5到1.0厘米。因此要区分两个距离小于5毫米的物体是不可能的；由于皮质只有4毫米厚，在CT扫描中很难看到白质与灰质的分界。并且灰质和白质的密度十分接近，这一点进一步限制了CT技术的应用；

磁共振成像

磁共振成像（Magnetic resonance imaging，MRI）利用磁场对生物组织进行探测。利用有机体组织的磁特性。某些特定原子核中的质子数和中子数使得这些原子对磁力特别敏感。遍布于整个大脑和其他有集体组织的氢原子就是这样的粒子。形成氢原子核的质子围绕着其主轴恒定地运动，这一运动形成了微磁场。在正常状态下，这些纸质的方向是随机分布地，并不受地球所产生地微弱的磁场所影响。

MRI设备会产生一个强大的磁场，磁场强度一般为0.5-1.5特斯拉（现在市面上地设备最高已经可以达到7特斯拉），地球磁场强度约为1/1000特斯拉；当人体进入到MRI仪器线圈产生的磁场中时，绝大部分的质子变得与磁力线方向平行排列。无线电波穿过磁区域，当质子吸收了这些电波的能量后他们的方向会被干扰指向一个可以预测的方向。当无线电波消失后，吸收的能量消散，质子重新朝向磁场的方向。这种同步反弹产生的能量被头部周围的探测器接收。通过系统地测量整个头部的三维信号，MRI系统可以建构反映组织中质子和其他磁性物质分布的图像。

弥散张量成像

弥散张量成像（diffusion tensor imaging DTI）技术同样使用MRI扫描仪，但是与传统的MRI扫描仪使用方式不同，DTI技术测量轴突中水的密度，以及更重要的水的运动信息。DTI技术利用已知的水的扩散性来确定大脑中限制水运动的边界（Behrens 等，2003）。水的自由扩散是发生在所有方向上的，轴突细胞膜的存在限制了水的扩散，所以大脑中水的扩散是受限制的，在各个方向的扩散并不相同。所以水沿着轴突方向运动的可能性大于垂直于轴突运动的可能性（Le Bihan，2003）。由于髓鞘形成了脂质边界，对水运动的限制程度要比灰质或脑脊液大得多，所以轴突中水的各向异性最大。通过这样的方法能够对白质中轴突束的朝向进行成像（dasilva等，2003）。

通过结合MRI原理已知的关于水扩散的知识，在MRI扫描中确定各个区域扩散的各向异性。这些区域被称为体素（voxel）.体素可以类比为计算机图形显示中的像素（pixel）,只不过表示的是体积。在磁场中引入两个强大的脉冲，可以使得MRI信号对水的扩散敏感（Le Bihan,2003）.第一个脉冲用来确定水所携带的质子的初始位置。第二个脉冲在短时间延迟后引入，用以探测再进行测量特定方向上质子运动的距离。在标准情况下一般需要超过30个方向上获得DTI图象。

通过应用DTI研究脑功能，可以发现左半球颞顶区的各向项异性分数（白质中各向异性程度的测量指标）与患有阅读障碍和未患有阅读障碍的成人阅读成绩显著相关。

虚拟损伤：经颅磁刺激

经颅磁刺激（Transcranial magnetic stimulation TMS）是一种能够无创地在大脑中产生局部刺激的方法。TMS设备封装在一个绝缘套中，连接到巨大的电容并且被紧紧包裹的线圈组成。，触发时电容放出强大的电流通过线圈产生磁场。当线圈放在颅骨表面时，磁场可以穿过皮肤和头皮，颅骨产生生理电流引起神经元放电。TMS已经被用于探讨多个不同脑区的功能；当线圈置于运动皮质控制手活动区域时，刺激会激活手腕和手指的肌肉。此时被试（病人能够看见手的抽搐（运动），但是会感觉到完全不是由自己控制的；

TMS可以探测运动皮质的兴奋性。TMS的这一功能已被用于很多基础研究中。当观察他人的行为动作时运动系统也会被激活。我们可以假设运动皮质兴奋性的增强与我们的实验操纵有关，但无法得出结论这一改变对于运动理解是必须的。而TMS可以为这样的推断提供相应的证据；

TMS的另一个重要的功能是引起“虚拟损伤”（Pascual-Leone等，1999）。通过刺激大脑，研究者可以选择性的干扰一个特定皮质区域的正常活动。与损伤研究的逻辑相似，TMS引起的行为结果也被用于了解被干扰组织的正常功能。

TMS的局限性在于，作用时间比较短暂。只有当TMS刺激与感觉刺激事件或者运动紧密联系时，这一方法效果最好。

目前，TMS研究与其他神经科学技术同步运用时可以取得最好的效果；这一领域通常把结构和功能性MRI（fMRI）的数据与TMS相结合。开始刺激前收集被试的MRI和fMRI数据，然后把数据输入到计算机中，可以实时的在个体被试上把TMS刺激区域定位于哪那些具有认知功能性活动（fMRI）的解剖区域（MRI）；

脑电图

脑电图（electroencephalogram，EEG）是将脑部的自发性生物电位（突触后电位）加以放大记录而获得的图形，是通过电极记录下来的脑细胞群的自发性、节律性电活动。EEG可以提供全脑活动的连续记录，具有极高的时间分辨率；许多研究表明，EEG信号与不同认知状态密切相关。例如，深度睡眠中EEG的信号特征是慢波，高幅值振动，这可能是由于大群神经元有节律性地改变其活动状态引起的。癫痫发作具有其独特的脑电图特征，可以很方便地帮助医生筛查出癫痫，目前脑电图检查已经作为癫痫诊断的“金标准”。

由于EEG记录的是大脑的总体电活动，因此EEG对于探讨认知过程存在一定的局限性。通常关注在一个特定任务反应中大脑活动是如何改变的。这一方法需要从全体EEG信号中提取出诱发的反应。

事件相关电位（event-related potential ERP）技术是将外部刺激的呈现或者反应，将一系列试次中所得到的EEG对齐，进行叠加平均。这样的处理去除了与目标事件无关的大脑活动的变化；ERP技术已经被证明在临床和基础研究中都是一个重要的工具方法；感觉诱发电位反应为确认神经障碍患者受干扰地程度提供了有用的窗口。例如，视觉诱发电位可以诊断多发性硬化——一种导致脱髓鞘的疾病。脱髓鞘发生于视神经，视觉诱发反应早期成分的出现时间会延迟。听觉神经区域地肿瘤可以使用听觉诱发电位（auditory evoke potentia； AEP）进行定位；

频谱分析是脑电数据的另一种应用方法，该方法将时域信号通过傅里叶变换转换为相应的频域信号用以分析大脑功能状态，反应脑认知活动；例如时频分析，空频分析等；

脑磁图

脑磁图（Magnetoencephalography，MEG）可以提供与ERP一样的时间分辨率；突触活动不仅会产生电活动，活动神经元还会产生微弱地磁场。和ERP技术一样，MEG也可以通过一系列试次的叠加平均得到事件相关磁信号；（event-related field；ERF）。MEG提供了同ERP一样的时间分辨率的同时溯源能力拥有较高的优势；因为磁场不同于电信号，穿过大脑、颅骨和头皮时不会衰减。

MEG相比于脑电也具有一定的不足，MEG只能检测与颅骨表面平行的电流方向。大部分皮质MEG信号是由锥体神经元树突顶端细胞内电流所形成的。

正电子发射断层扫描

正电子发射断层扫描（Positron emission tomography；PET）可以检测被试在进行认知任务时，大脑新陈代谢或者血流的改变。PET并不直接测量神经活动，而是测量与神经活动相关的新陈代谢变化。神经元细胞与其他细胞没有本质性差异，同样需要氧和葡萄糖作为能量，用来维持细胞完整性和和他们的特殊功能；PET测量的是与心理活动相关的局部脑血流变化。首先需要向血流中注入放射性同位素（常用的同位素为15O）作为示踪剂，由于放射性同位素不稳定，正电子会从他们的原子核中发射出来，导致这些同位素快速衰变；当正电子与一个电子碰撞时，会产生两个光子，即为伽马射线。光子不仅以光速运动，可以不受阻地穿过所有组织，而且他们地运动方向相反。PET扫描仪实际上就是伽马射线探测仪可以检测碰撞发生的位置。因为示踪剂在血液中，所以重构的图像可显示血流分布；哪里有更多地血流哪里就会有更多的射线。

PET的基本假设：在那些具有高度神经活动的大脑区域血流会增加，因此PET并不测量绝对的新陈代谢活动，而是测量相对变化。通常在PET实验中，会进行至少两次的示踪剂注入，分别在控制条件期和事件条件期。结果通常是报告两种条件之间局部脑血流量（Regional cerebral blood flow；rCBF）的变化。PET的空间分辨率可以达到5mm左右，足以区分出皮质和皮质下区域；

功能性磁共振成像

功能性磁共振成像（Functional magnetic resonance imaging；fMRI）本质上与传统的MRI没有什么太大的区别；电波使得氢原子的振动，检测器测量当质子回到外部磁场方向时所产生的局部能量场；但是在fMRI中成像所关注的是血红蛋白的磁场特性。血红蛋白在血流中携带着氧，当氧被吸收时，则变成脱氧血红蛋白。脱氧血红蛋白比起含氧血红蛋白对磁场更敏感，或者说更有顺磁性。fMRI探测器测量氧和血红蛋白和脱氧血红蛋白之间的比值。这一比值被称为血氧水平依赖效应（blood oxygenation level-dependent effect; BOLD）。

fMRI的空间分辨率非常高，但是时间分辨率则较低，这是因为当大脑区域激活时，流向该区域的血流量有所增加。运送更多的氧供神经组织消耗供能，神经调节过程的时间进度一般是以毫秒为时间单位进行的，但是血流的调节则慢地多。要在好几秒后才能有所响应出现缓慢增加；并且需要大约6-10秒后达到峰值。

相比于PET认知神经科学家们偏爱fMRI多一点，PET需要大量技术人员来管理扫描仪和用于产生放射性示踪剂的回旋加速器，只在少数大型医疗机构才能具备，而fMRI现在几乎所有大型医院都有安装；另外，在方法学上，fMRI不需注射放射性示踪剂，可以多次观察，对单个被试短时间内重复测量；而PET需要注射放射性示踪剂，每个人接收注射的次数是有限的。

功能性近红外成像

功能性近红外成像（functional near - infrared spectroscopy , fNIRS）在某些方面与fMRI较为相似，都是测量血流动力学的变化；1977年jobsis在《Science》上提出近红外光（波长为550nm-950nm）可以穿透一定厚度的生物学组织，由此展开了fNIRS的研究，人体组织中的血氧含量会随人体代谢活动而变化，血氧含量的变化会引起组织光学特性的变化，而脑组织中的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白对600-900nm波长的近红外光吸收率存在差异特性，因此可以使用近红外光照射人体组织并检测出射光强，在入射光强已知和出射光强可测的情况下，根据Beer-Lambert 定律，可以实时、直接检测大脑皮层的血液动力学活动。通过观测这种血液动力学变化，即通过神经血管耦合规律可以反推大脑的神经活动情况。这就是fNIRS技术的原理；

但由于光散射现象的存在，我们无法精确测量生物组织吸收了多少光，所以我们一般假设散射事件在整个时间进程中保持不变，通过测量两个时间点的浓度差值表示任务引起的大脑区域激活变化；在这一点上与PET相似，都是测的大脑活动的相对变化；

由于fNIRS测量的是血流动力学变化，所以时间分辨率也不高，fNRIS在时间分辨率上优于fMRI，空间分辨率上优于EEG,，作为一种时空分辨率的折中方案被广泛使用。

事实上没有完美的认知神经科学技术，随着自然科学的发展，越来越多的新材料，新技术，新算法被发现与制造出来；已有的技术手段会不断得到改善，新的技术不断地发现；我们可以以越来越精确地测量脑活动。但就现阶段而言，认知神经科学家一般通过多模态整合来对神经活动进行测量；比如EEG-fMRI、EEG-fNIRS、TMS-EEG、TMS-fMRI、TMS-fNIRS等。新的技术必然会推动认知神经科学范式的演变，让我们对人们心理活动的理解更上一层楼。

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