认知神经科学研究方法简述和手段课件

认知神经科学研究方法简述和手段认知神经科学研究方法简述和手段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在在一一般般的的概概念念层面面上上实现新新的的跨跨学学科科的的整整合合 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利利用用不不同同学学科科的的方方法法收收集集到到的的不不同同类型型的的数数据据，推推进实验层面面上上的的整整合合 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实现由由计算算思思想想与与模模拟所所带来来的的理理论上上的的整整合合 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在研究方法上注重采用无损伤性实验技术在研究方法上注重采用无损伤性实验技术 以以ERPERP、fMRIfMRI等等为代表的代表的脑成像技成像技术的的发明和明和发展，已展，已成成为现代高科技的一个代高科技的一个竞争争热点，点，汇集了信息科学、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成像技术可以直接可以直接“观察察”大大脑的活的活动。采用。采用脑成成像技像技术研究研究脑的的认知知结构和功能，已成构和功能，已成为脑科学与科学与认知科学知科学发展的一大展的一大趋势脑成像技成像技术还有待完善。有待完善。脑认知成像技知成像技术可以可以为我我们对认知知过程的程的脑功能形成直功能形成直观的的图像，但像，但还受到受到时间、空空间分辨率的限制分辨率的限制在研究方法上注重采用无损伤性实验技术以ERP、fMRI等为认知科学与神经科学的结合认知科学与神经科学的结合d生物定向的生物定向的调查能能够改改变认知理知理论d神神经成像技成像技术可提供比行可提供比行为测量更直接量更直接的可解的可解释信息信息d提出提出认知知领域新的域新的组织方式方式 E.E.SmithE.E.Smith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信息信息载体体信息源信息源信息提取与加工信息提取与加工信息信息获取取信息载体信息源信息提取与加工信息获取磁磁磁磁共共共共振振振振波波波波谱谱功功功功能能能能像像像像扩扩散散散散张张量量量量成成成成像像像像偶极子定位偶极子定位偶极子定位偶极子定位磁磁磁磁共共共共振振振振结结构构构构像像像像光光光光学学学学成成成成像像像像事件相关事件相关事件相关事件相关电电位位位位分分分分子子子子像像像像脑脑磁磁磁磁图图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认知神经科学研究方法简述和手段课件神经细胞的电磁活动当当兴奋脉冲沿着神脉冲沿着神经细胞的胞的轴索到达突触索到达突触时，突触囊泡，突触囊泡将特殊的将特殊的传递分子分子释放到放到约 50nm 50nm 宽的突触裂隙中，的突触裂隙中，这些些分子迅速在裂隙中弥散，其分子迅速在裂隙中弥散，其中一部分被突触后中一部分被突触后细胞表面胞表面的受容体所截的受容体所截获，结果受容果受容体分子的形体分子的形态改改变并使膜表并使膜表面的离子通道开放。面的离子通道开放。电荷的荷的流流动（通常是（通常是 NaNa+，K K+，CaCa2+2+离子）使后一个离子）使后一个细胞的膜胞的膜电位位发生改生改变，这一一电位改位改变即即为突触后突触后电位。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，突细胞内电流和细胞外的电流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事件件相相关关电位位(Event-related(Event-related potential,potential,ERP)ERP)，是是与与实际刺刺激激或或预期期刺刺激激(声声、光光、电)有有固固定定时间关关系的系的脑反反应所形成的一系列所形成的一系列脑电波波 利利用用ERPERP的的固固定定时间关关系系，即即锁时(time-locked)(time-locked)关关系系，经过计算算机机的的叠叠加加处理理，则可可以以提提取取出出ERPERP成分成分 时间分分辩率率为msms级，空，空间分分辩率率为cmcm级ERP的技术原理事件相关电位(Event-relatedp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听觉ERP成分波形认知神经科学研究方法简述和手段课件认知神经科学研究方法简述和手段课件-10020040060080010000.0-2.02.04.0ERP地形图地形图-10020040060080010000.0-2.02.0偶极子定位偶极子定位偶极子定位MEG的技术原理的技术原理MEGMEG检测的是的是头皮皮脑磁磁场信号，信号，该脑磁磁场信号信号是由神是由神经细胞内胞内电流的体流的体积电流所流所产生，生，这种种脑磁磁场信号与信号与颅骨形状的复骨形状的复杂性以及性以及颅骨内骨内脑组织导电率的不均匀一致性无关，因此率的不均匀一致性无关，因此MEGMEG具具有定位精度高，无有定位精度高，无损伤，无，无须测定基准等定基准等优点点空空间定位精度可达定位精度可达2 2毫米范毫米范围以内，而且其以内，而且其时间分辨率可达毫秒分辨率可达毫秒MEG的技术原理MEG检测的是头皮脑磁场信号，该脑磁场信号是细胞内胞内电流流产生的生的MEGMEG信号信号 细胞内电流产生的MEG信号SQUIDSQUID传感器感器:-269:-269磁磁场屏蔽室屏蔽室:两两层 m m 金属板和一金属板和一层铝板板 SQUID传感器:-269认知神经科学研究方法简述和手段课件275275个个传感器在感器在头盔内的分布盔内的分布 MEGMEG波形波形 MEGMEG地形地形图 275个传感器在头盔内的分布MEG波形MEG地形图Goals of Source Reconstructionexperiment&measurementspatial distributiontime coursespatio-temporal image of brain activityGoalsofSourceReconstructionForward CalculationHead ModelSensors ModelSource Model-idealized-simplifiedData(estimated)ForwardCalculationHeadModelSInverse CalculationHead ModelSensors ModelSource ModelData(measured)physicalmodelInverseCalculationHeadModelSrealistic head modeling realistic head modeling 3D automatic 3D automatic segmentationsegmentationrealisticheadmodeling3Daut30 mm2=5.55.5 mm2SizeofMacroscopicNeuralActivityEquivalentCurrentDipole(Primarycurrent)(50 nAm)parameters:position:x,y,zdirection:q,fmagnitude:m+-cellbodysinksourcesynapse-+Equivalent current dipole model:cortexMicroscopic current flow(510-5 nAm)30mm2=5.55.5mm2SizeofInverse methoddetermines:positions directions time coursesof the dipoles.Spatio-temporal dipole modelInversemethodSpatio-temporalDipole models do very well in a great number of cases:1.Exogenous sensory components2.Preattentive processing,e.g.MMN3.Epileptic spikes.and many moreDipolemodelsdoverywellinDipole 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.DipolemodelsdoverywellinDipole 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)DipolemodelsdoverywellinDipole models do very well in a great number of cases:3.Epileptic spikesDipolemodelsdoverywellinEEG与与MEG比较比较8MEG-MEG-正切磁正切磁场测量，量，EEG-EEG-径向磁径向磁场测量量8MEGMEG测量量细胞内胞内电流，而流，而EEGEEG测量量细胞外胞外电流流8脑功能区呈多方位立体分布，信号功能区呈多方位立体分布，信号为立体立体传递。由。由于于头部各部各组织的的导电率各不相同的效率各不相同的效应，使得，使得脑电图信号在到达信号在到达头皮表面后皮表面后产生信号失真生信号失真8脑磁磁场为空空间探探测，将，将头颅作作为球型球型导体在体在颅外与外与之呈正切方向均能之呈正切方向均能检测到到脑磁磁场信号，既信号，既脑磁磁图信信号和各种号和各种脑组织的的导电率无关，因此率无关，因此脑磁磁图信号在信号在穿透穿透头皮后不会皮后不会产生任何失真生任何失真8MEGMEG的价格是的价格是EEGEEG的的20 20倍倍EEG与MEG比较MEG-正切磁场测量，EEG-径向磁场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、信噪比、时间分辨率、能量分辨率PET的技术原理正电子断层扫描术（PositronEmis认知神经科学研究方法简述和手段课件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fMRI的技术原理血氧水平依赖性（bloodoxygena普通普通MRIMRI开放式开放式MRIMRI普通MRI开放式MRI1 1、外磁、外磁场2 2、射、射频激激发3 3、信号的提取、信号的提取4 4、数据、数据处理和理和图象象产生生1、外磁场2、射频激发BloodOxygenationLevelDependent(BOLD)contrastOxyhemoglobinDeoxyhemoglobinPARAMAGNETIC DIAMAGNETIC (Similar to Tissue)BloodOxygenationLevelDepeBasalActiveCBF O2 extraction Oxy-Hb Brain ActivityBasalActiveCBFOxy-HbBrRear Projection SystemComputerprojectorscreenmirrormagnetParadigm computerRearProjectionSystemComputerBLOCK 1 BLOCK 2BLOCK 1 BLOCK 2RESTRESTTRIALTRIALTraditional:BLOCK DESIGNTraditional:BLOCK DESIGNNewly developed:EVENT-RELATEDNewly developed:EVENT-RELATED1 2 3 4 5 61 2 3 4 5 6BLOCK1BLERP+fMRI在不同条件下根据被在不同条件下根据被试的反的反应对ERPERP和和fMRIfMRI结果果进行行分分类，并在，并在实验后后进行行“off-line”off-line”分析。分析。ERPERP头皮分布与皮分布与fMRIfMRI影象可反映影象可反映脑内神内神经活活动的不同的不同模式。模式。ERPsERPs与与fMRI fMRI 可通可通过不同的不同的实验条件条件测量量认知加工的知加工的的功能性分离。的功能性分离。ERPERP具有具有msms级的的时间精确度，而精确度，而fMRI fMRI 则有有mm mm 级的空的空间分辨率。分辨率。ERP+fMRI在不同条件下根据被试的反应对ERP和fM光学成像原理光学成像原理近近红外外线光光谱氧合血氧合血红蛋白蛋白与去氧血与去氧血红蛋蛋白白浓度的度的变化化时空分辨率空分辨率间于于ERP-fMRI光学成像原理近红外线光谱日立医学公司生日立医学公司生产的的24导光学成像光学成像仪器器日立医学公司生产的24导光学成像仪器认知神经科学研究方法简述和手段课件45Optical Imaging Camber Lattice Used in Propagation Experiment Recording Recording ElectrodeElectrode Stimulate Stimulate ElectrodeElectrode 45OpticalImagingCamberLattiSample:1ms光学成像光学成像（Optical Image)Sample:1ms光学成像 脑皮层内源性光学信号成像（脑皮层内源性光学信号成像（脑皮层内源性光学信号成像（脑皮层内源性光学信号成像（IOSIOS）：）：）：）：可以可以可以可以可以可以获获获得神得神得神得神得神得神经经经元群体的活元群体的活元群体的活元群体的活元群体的活元群体的活动图动图动图象，其空象，其空象，其空象，其空象，其空象，其空间间间分辨率高达分辨率高达分辨率高达分辨率高达分辨率高达分辨率高达101010微米，微米，微米，微米，微米，微米，能能能能能能显显显示出示出示出示出示出示出脑脑脑信息信息信息信息信息信息处处处理的空理的空理的空理的空理的空理的空间编码细节间编码细节间编码细节 。A.Grinvaldet al,Tech.Report GC-AG/99-6.Modern Techniques in Neuroscience Research.U.WindhorstandH.Johansson(Editors)SpringerVerlag.(2001)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多道微多道微电极神极神经元元电活活动记录多道微电极神经元电活动记录认知神经科学研究方法简述和手段课件三三三三维电维电极极极极阵阵列（列（列（列（脑脑芯片）芯片）芯片）芯片）读读取取取取脑脑信息信息信息信息细节细节M.D.Sereuyaetal.Nature 416,141-142(2002)三维电极阵列（脑芯片）读取脑信息细节M.D电极阵列应用研究电极阵列应用研究电极阵列应用研究电极阵列应用研究 意识控制物质意识控制物质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(2002)Miguel A.L.Miguel A.L.et al.et al.Scientific American.Scientific American.Oct.Oct.(2002)(2002)电极阵列应用研究猴用意识直接控制机械臂或鼠标Sereuya 盲人重见光明盲人重见光明盲人重见光明盲人重见光明Nicolelis Duke 2002Nicolelis Duke 2002盲人重见光明NicolelisDuke2002 运动系统神经置换运动系统神经置换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 American.Scientific American.Oct.Oct.(2002)(2002)运动系统神经置换瘫痪病人运动恢复Migu 物质控制意识物质控制意识物质控制意识物质控制意识遥控生物遥控生物遥控生物遥控生物 K.Sanjiv et alK.Sanjiv et al.NatureNature 417,37-38(2002)417,37-38(2002)物质控制意识遥控生物K.Sanji认知神经科学研究方法简述和手段课件认知神经科学研究方法简述和手段课件认知神经科学研究方法简述和手段课件