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  • 认知神经科学背景综述
    2020-12-13 20:41:15

    在这里记录一下自己学习的过程,记录一些笔记。

    诞生

    1995年麻省理工出版的《认知神经科学》一书(Gazzaniga主编)问世,标志着认知神经作为一门成熟的学科分支成立。这门科学揭示人类神经组织和脑结构是怎样通过生理过程,产生知觉,记忆,注意,语言思维,情感和意识等精神活动。
    认知神经科学是由认知科学和神经科学两大学科群所带动的。

    认知科学:

    是研究智能实体与其环境相互作用原理的科学。智能实体是人,动物和其他智能机的泛指。

    神经科学:

    分析神经系统的功能与结构,揭示各种神经活动的基本规律,在多层次上阐明其作用机制。

    认知神经科学的基本理论

    从不同的学科出发形成了五大理论体系:
    1.物理符号论,信息加工学说和特征检测理论
    该学说试图将人脑的智能用物理符号加以表达,以便转化为机器语言的编程。
    2.联结理论,并行分布处理和群编码理论
    不同于人工智能中离散的物理符号,该理论认为认知活动的本质在于神经元间联结的强度不断发生动态变化,对信息进行分布式处理,这种联结和处理是连续的模拟变化。内隐认知过程等无意识的自动加工过程似乎是以分布式连续计算为基础的。而外显的有意识的认知活动则是以离散符号表征为主。
    3.模块论或多功能论
    类比计算机的硬件,将认知模块化,在记忆研究中有较多支持该理论的发现。
    4.基于环境的生态现实理论
    该观点认为环境决定认知,认知不是单纯的发生在人脑中,而是发生在个体与环境的交互之中。
    5.机能定位论
    起初试图为每一种高级功能找到一个中枢,后失败了,但由于有了无创性脑成像技术,该理论再度复兴,用脑激活区作为既能定位的客观指标,这种螺旋式的发展体现了否定之否定的道理,或许后续还会有更新的理论。

    认知神经科学的方法学

    主要是两类,互为补充
    1.无创性脑功能认识
    又分为脑代谢功能成像和生理功能成像
    1.1脑代谢功能成像
    PET,SPECT,FMRI等。对于快速认知活动无法做到快速跟踪。一定条件下才可靠,任务要忠实完成。
    减法法则和一致性分析,就是利用设置对照试验,有任务的图像减去无任务图像等。
    1.2生理功能成像
    EEG,EP,MEG,CT空间分辨率不佳,时间分辨率很好,相对便宜。大脑中存在的抑制性神经元和兴奋神经元的分布至今难以确定,因此会导致神经元的兴奋性与脑区域血流量无法保证平行性变化。
    2.清醒动物的认知生理心理研究方法
    单细胞记录,多细胞记录,多维电极记录,生理心理学方法

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  • 认知神经科学

    千次阅读 2019-02-13 22:09:19
    认知神经科学为心理学和神经科学的分支,并且横跨众多领域,例如生理心理学、神经科学、认知心理学和神经心理学。认知神经科学以认知科学的理论以及神经心理学、神经科学及计算机模型的实验证据为基础。 学习认知...

    认知神经科学


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    前言

    心理学(英文:psychology)是一门研究人类以及其他动物的内在心理历程、精神功能和外在行为的科学,既是一门理论学科,也是一门应用学科。

    神经科学(英语:neuroscience),又称神经生物学,是专门研究神经系统的结构、功能、发育、演化、遗传学、生物化学、生理学、药理学及病理学的一门科学。对行为及学习的研究都是神经科学的分支。

    认知神经科学(英语:Cognitive neuroscience)是一门科学学门,旨在探讨认知历程的生物学基础。主要的目标为阐明心理历程的神经机制,也就是大脑的运作如何造就心理或认知功能。

    认知神经科学为心理学和神经科学的分支,并且横跨众多领域,例如生理心理学、神经科学、认知心理学和神经心理学。认知神经科学以认知科学的理论以及神经心理学、神经科学及计算机模型的实验证据为基础。

    学习认知神经科学是为了更好的认知到大脑对于行为的作用,便于我们更好的思考和决策。

    0.左右脑的分工

    左右脑不同机能由诺贝尔奖获得者美国心理生物学家斯佩里博士,通过著名的割裂脑实验证实。

    左脑负责:逻辑理解、记忆、时间、语言、判断、书写、逻辑、分析、五感,思维方式具有延续性和分析性。左脑可以称作“意识脑”、“学术脑”、“语言脑”。

    右脑负责:空间形象记忆、直觉、情感、身体协调、视知觉、美术、音乐节奏想像、灵感、顿悟等,思维方式具有无序性、跳跃性、直觉性等。右脑可以称作“本能脑”、“潜意识脑”、“创造脑”、“音乐脑”、“艺术脑”。

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    1.大脑的认识

    为什么3岁不能定终生?

    实验证明,大脑是后天环境和先天基因互动的产物。

    先天基因是个建筑的蓝图,它决定孩子大脑的结构;而后天环境决定脑中神经回路的连接,决定我们对事情的看法。就像一栋公寓每户都是三室两厅,但是只有走进去看到不同的装饰,才会知道它是张三的家还是李四的家。

    它会应外界需求而改变神经连接,学习、经验、压力、创伤、受虐……都会改变大脑。

    大脑会不停因为外界的需求改变里面神经的分配,并且越小的时候受伤,大脑的功能转变是越快。而且,改变要主动才有用,被动没有用。

    大脑产生了观念,观念就引导了行为,然后这种行为会产生结果,最终结果改变大脑,整体是一个循环。
    在这里插入图片描述
    因此,每一个人都是过去经验的总和,你过去的经验,造成现在的你。

    2.大脑决策系统的认识

    人类大脑有两套思考和决策系统,系统1和系统2,系统1是凭直觉的、感性的和无意识的决策系统;系统2是理性、富有逻辑性和缓慢的决策体系,系统1才是我们大脑的主角,但它经常受到内在和外在的影响而产生各种偏见。

    我们大脑有很多思维偏见,一类是因为启发法而导致的偏见,比如锚定效应、可得性偏见、情感偏见等等,其根本原因都是因为大脑系统1擅长自动且毫不费力地识别事物之间的因果关系,而这种因果关系可能根本不存在;第二类是因为过度自信导致的决策错误,我们每个人都存在过渡自信的天性,而过渡自信会带来对事情的盲目乐观,这也会导致我们产生对事情的错误判断。

    3.为什么认知偏差难以消除?

    大脑为了节约资源,遇到问题会先由系统1处理,行不通才由系统2处理
    系统1:依据的是过去的经验,走的是捷径
    系统2:依据的是知识、逻辑和计算

    4.大脑的可塑性

    大脑会通过刻意练习而发生改变。

    • 刻意练习有个重要表现就是持续性练习,从这点看来通过刻意练习能以我们的方式塑造大脑。

    • 刻意练习的另一重要特性是:走出舒适区。当我们踏出舒适区时,大脑发出提醒——现在所经历的之前未曾出现过,为了保证整个系统的正常运行,它会集中力量去适应新出现的状况,当持续一段时间后,大脑强大的适应能力内化了这种挑战,就会重新出现平衡。原来的学习区再一次变成了舒适区。

    5.结论

    1. 大脑是后天环境和先天基因互动的产物。先天基因是个建筑的蓝图,它决定孩子大脑的结构;而后天环境决定脑中神经回路的连接,决定我们对事情的看法。
    2. 通过刻意练习重塑大脑,不断迭代正确的知识,是新手到大师的秘诀。

    Reference:

    1. 维基百科- 认知神经科学
    2. 洪兰(台湾中央大学认知神经科学研究所所长)

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    License under CC BY-NC-ND 4.0: 署名-非商业使用-禁止演绎

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  • 认知神经科学简介

    千次阅读 2021-12-03 01:11:45
    认知神经科学科学的研究方法 我们的研究重点主要集中在三个方面:方法、概念和考量(methods,concepts and concerns) 科学的研究方法 研究方法三部曲: 提出理论:提出理论是客观的,关于事物运行规律的描述,主语...

    我们的研究重点主要集中在三个方面:方法、概念和考量(methods,concepts and concerns)

    1. 科学的研究方法

    研究方法三部曲:

    1. 提出理论:提出理论是客观的,关于事物运行规律的描述,主语一般为事物。如,吃巧克力味冰淇淋能使人更聪明。
    2. 提出假说:假说则依附于人等实验个体,倾向于现象的显现。如,喜欢吃巧克力口味冰淇淋的人比其他人更加聪明。
    3. 设计实验:设计的实验要求有明确的指标,并且可以能够容易地观察和比较。如,调研人们喜欢什么口味的冰淇淋,并且考察他们的绩点。

    此后的步骤则是采集数据、处理分析数据
    看看实验结果是否支持你提出的原始理论呢?

    2. 脑电自然情景范式研究的现状与展望(研究现状)

    2.1 研究范式对比

    在实验采取的方法上,传统实验范式 vs.自然范式设计

    传统认知神经科学的实验范式:
    在这里插入图片描述

    (A) 在经典的认知神经科学实验中,精心构建的刺激以离散的形式呈现,且受时间高度控制。
    在实验中,受试者被要求观察特定的次级特征并做出相应的反应(一般是按下按钮)。之后针对血液中氧气的水平随时间变化的时序数据,使用(a general linear model)GLM进行回归分析。之后对比不同条件下产生的离散的“激活(活化)”情况,表明相应认知结构的功能性定位。这种模式可以描述从工作记忆(一个典型的认知实例)中编码和视觉感知(刺激的类型和它们的空间位置)的检索。
    (B)通常所使用的刺激是认为构建的,并且存在高度受控的低等级特征(初级特征,在此处表示为单一的亮度强度)。通过设计,刺激和它们视觉显示上的位置是高度集合相关的,因此表现出强烈的空间性的光谱峰值。同样地,刺激出现的时间顺序产生了几乎纯粹(时间)的频谱音调。

    自然主义范式实验设计:

    在这里插入图片描述
    (C)在自然主义范式中,受试者被要求观看一个自然主义的刺激,比如说特征电影(故事片)。这种样式的刺激是动态和多模态的,在许多领域同时变化,比如视觉流的亮度。从场景的情感显著性,音频流(声音与音乐混杂)、戏剧的张力(通常被转折点、情节转折和戏剧性的高潮打断)。所有上述提到的这些都可以用作GLM的回归因子。
    亦或者,刺激流的操作和自定义的分析方法允许识别(认定、判定)感觉流中的时间接收窗口的层次结构,以及其在异模态和执行皮层中的收敛。自上而下的叙事语境在这个过程中起到了至关重要的调节作用。行为参与可以通过同步进行的眼动追踪和胜利记录隐式地捕获。

    (D)自然场景具有复杂的非高斯强度分布和类似于1/f的空间光谱。同样,自然场景动态人类语音具有复杂的类似1/f的时序谱。

    使用自然主义范式的一个缺点是缺乏探索或者衡量参与程度的方法,参与程度可能因受试者的文化背景或个人偏好而定。

    2.2 已应用于自然情景范式的大脑数据分析技术/方法

    在自然情景范式下的数据分析方法图谱(箭头表示方法对时间锁定信号的依赖程度):
    在这里插入图片描述
    关于自然主义范式中的时间锁定分析:电影除了可以在大脑中引起信号变化之外,还能提供供数据分析使用的时间锁定刺激。这意味着研究者可以在他们的分析中对任务进行建模。上图则表示了使用看电影方法得到的数据时,可能使用的连续分析方法。

    2.3 自然情景范式下的脑电分析技术——之跨被试相关分析

    脑电:EEG

    名次解释:跨被试相关分析(Inter-subject Correlation,ISC)
    在这里插入图片描述
    图一解释的翻译:
    神经依赖性测量概述。在自然范式刺激下记录呈现出的神经反应。每个实验个体可以提供D个电极记录的时间历程x(t)。在每一个历程的每一个电极记录的数据x_{d}(t),受试者之间的相关性很小(r_d< 0.01)。我们的解决方法是对这些数据使用投影向量vi进行投影,从而最大化相关性ri。在第一分量预测yi中,相关性变大(虽然其绝对值仍然很小,但它的值远远大于偶然性数字序列的相关性了)

    2.4 自然情景范式下的脑电分析技术——之矩阵/张量分解技术

    在这里插入图片描述
    换言之,对于人与音乐的互相关的完整过程~
    为了借助EEG技术,进行自然情景刺激下的分析(在这里,自然情景仅仅保留音频,而不加入图像和剧情的因素)

    • 第一个分支,将音频传输入大脑,对于若干电极采集到的脑电信息,对音乐的每一段做功率谱的分析,每个人具有三个维度的信息:空间、时间、频率
      其中,空间信息指的是头部采样电极的位置
      应用滑窗法,窗口长度为3s,滑动步长为1s,进行短时傅里叶变换,再进行三维信息张量的分解(关于图中的R,表示受试者的总数,张量分解后,每个人对应一个三维信息域)。

    • 在另一分支,我们对音乐的特征做一个提取,取长时特征 long-term music features
      关于长时特征,指的是音调、音色方面的特征,短时特征指的是声学本身的特征
      之后,我们经过分解,得到了五个长时特征:中心化波动值(fluctuation centroid)、波动熵(fluctuation nentropy)、音阶清晰值(key charity)、脉冲清晰值(pulse charity)、调值(mode)
      设置三秒钟为一个时间窗口,设置每个窗口之间有三分之二的重复,即两秒钟,以此达到每秒钟进行一次滑动。

    对于两个分支,我们进行相关分析,分别计算音乐序列特征与脑电震荡的相关性,如果相关性系数较大,则说明大脑的相关活动真的是音乐诱发产生的。

    以上,运用矩阵/张量分解技术,实现在自然情景范式下进行脑电分析

    2.5 自然情景范式下的核磁共振分析技术

    核磁共振,在此处指的是功能性磁共振成像(FMRI,Functional Magnetic Resonance Imaging)。是一种新兴的神经影像学方式,利用磁振造影来测量神经元活动所引发的学业动力的改变(此处为摘抄百度百科,严谨性有待商榷),时间分辨率较高,空间分辨率达到毫米级水平。
    在这里插入图片描述
    上图是个体间功能关联的方法(Inter-subject functional correlation,ISFC)

    对于图a,是指在处理人物的过程中,测量到的功能性核磁共振信号(图a左侧黑色)可以分解为刺激诱导信号(蓝色)+自发波动的神经信号(红色)+生理噪声类的非神经元信号(红色)

    对于图b,是seed-based 的功能连接,这是针对个体X,在同一时间进程内,从种子区域向其他区域计算的Pearson 联系,如区域1到区域2,体现为刺激引起的相关性和内在神经相关性的总和

    对于图c,是表示在受试者之间的点对点的相关性(ISC)。不同受试者之间在同一区域同一时间进程
    (蓝色的)刺激诱导相关性。代表了个体间在刺激诱导的内区域关联性是共享的。

    对于图e,基于网络的ISFC是计算受试者X的大脑区域网络和受试者Y的大脑区域网络之间的Pearson相关性。
    对于这个跨大脑计算的相关矩阵(其中对角线代表ISC)过滤掉了内在的和费神经元的相关性,并且突出了在受试者之间共享的刺激引起的区域间相关性。
    下图为上图的简略表示

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    对于自然情景范式下的核磁共振分析技术:
    -1- 独立分量分析方法:

    -2- 一般线性模型(General Linear Model,GLM):

    -3- 其他机器学习方法:
    在自然刺激范式下的fMRI分析中,部分研究通过支持向量机(Support vector machine, SVM),偏最小二乘(
    Partial least squares, PLS)等机器学习等方法,通过被试者在观看电影时,激活脑区空间与时间的特征,来预测
    被试的疾病,或者被试年龄水平

    2.6 自然情景范式下的脑磁分析技术

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    3. 当前发展

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    4. 未来展望

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    5. 一些考点的整理

    1. 写出脑计划的五个方面,并选择一方面写出它的研究内容,并写出该方面哪些单位正进行何种具体研究,特色是什么?

    一、脑认知原理解析

    二、认知障碍相关重大脑疾病发病机理与干预技术研究

    三、类脑计算与脑机智能技术及应用

    四、儿童青少年脑智发育研究
    (1) 婴幼儿社会情绪与交流能力发展的脑机制

    研究内容:
    开展 0~6 岁聚合交叉队列研究,绘制婴幼儿脑发育动态连接图谱,解析遗传和环境交互作用对婴幼儿语言及社会情绪发展的影响;研究婴幼儿不同发育阶段大脑语言以及社会情绪中枢发育模式,为面向婴幼儿社会情绪与交流问题的精准干预、脑智发育整体提升等提供理论依据。

    考核指标:
    利用聚合交叉队列完成至少 1000 例 0~6 岁正常发育婴幼儿的动态脑发育图谱(包括脑容量、皮层表面积、皮层厚度、髓鞘化信息以及语言和社会情绪相关脑区的网络连接图谱);利用磁共振、脑电等多模态神经影像技术刻画语言和社会情绪认知相关的脑功能发育轨迹;研发完成 1 套配合脑功能深入研究用途的中国儿童语言发育及社会情绪发育行为学评估工具集;建立 1 套达到国际标准的 0到6 岁儿童脑影像大数据智能分析系统;利用该 0到6 岁婴幼儿脑智研究平台,揭示遗传和环境交互作用在婴幼儿语言和社会情绪发育中的影响机制,获得 1到3 项国际领先的原创性理论成果。

    (2)儿童青少年情绪问题预防和干预的原理和技术

    (3) 脑智异常的脑白质发育机制


    国内相关实验室研究特色:

    (1)华东师范大学儿童脑成像中心:
    运用多模态神经影像技术探索儿童脑发育、认知发展及其个体差异

    (2)深圳市神经科学研究院:
    在儿童脑智开发领域,提出大脑语言功能区文化特异性理论,研发了儿童语言能力提升技术,侧重于中文阅读障碍和口吃的干预技术

    (3)北京大学心理认知与认知科学学院:
    研究方向为儿童语言和阅读性发展、社会性发展,开展了针对婴幼儿和青少年成长的发展与教育心理学

    (4)华南师范大学脑科学与康复医学研究院
    (5)中国科学院心理研究所

    国外相关实验室研究特色:
    TEEN Lab(Guyer):
    使用认知神经科学的方法来测试青少年的社会和情感大脑系统的发展

    Developmental social neuroscience lab:
    研究十年时间内儿童早期社会和认知认知功能与大脑发育之间的关系

    FABLAB:
    将大脑结构和功能成像与遗传学、神经心理学等健康评估相结合,探究大脑发育的影响因素。


    五、技术平台建设

    1. 请指出脑电图和功能性核磁共振成像的区别,请写出两点并举例分析
      脑电图的空间分辨率低于功能性核磁共振成像;
      脑电图的时间分辨率高于功能性核磁共振成像。

    对于采样的频率,功能性核磁共振成像的数据采集,是在两秒钟内对全脑的20w个体素点同步采样;脑电图常常采用500,1000,2000Hz的频率进行采样。

    1. 无切入式成像的三种方式:
      脑电图EEG(1929)、脑磁图MEG(1992)、功能性磁共振成像fMRI(1992)
      造价:
      脑电图(干电极与湿电极):几十万到100万
      脑磁图:3000w
      磁共振:1000w-2000w

    原理:

    脑电图在头皮处测量脑电波,从头皮上将脑部的自发性生物电位加以放大、通过电极记录而获得的图形
    在这里插入图片描述

    脑磁图测量磁场,测量颅脑的极微弱的脑磁博,将脑磁波记录下来,称为脑磁图
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    功能性磁共振并不直接测量神经信号,而是使用磁振造影的方法来测量血液中的耗氧量的变化情况。
    在这里插入图片描述

    特点:
    脑电图、脑磁图的采样频率比较高,如1000Hz
    功能性磁共振的时间分辨率则以秒为单位

    相对于脑电图反映脑的电场变化不同,脑磁图记录头部的脑磁波,反映脑的磁场变化。脑磁图对脑部损伤的定位诊断较脑电图来说更为准确,且不受颅骨的影响,图像清晰易辨;而脑电图易受过多电活动的干扰、受颅骨影响,存在波幅衰减问题。


    1. 关于干电极与湿电极的区别:
      最主要的区别在于数据采集时的阻抗不一样。
      在这里插入图片描述

    2. 做科研的研究方法三部曲(提出理论、提出假说、设计实验)
      做科研的研究方法:
      提出理论:
      提出假说:
      设计实验:
      采集数据:
      处理分析数据:

    认知神经科学的研究方法三部曲:(设计实验、采集数据、分析数据)
    实验设计
    设备开发、数据采集
    数据分析与处理
    在这里插入图片描述

    1. 关于脑电图中电极的命名规则:

    2. 大脑的架构(能够绘图)和负责的功能

    大脑皮层分为四个部分:

    • Occipital lobe(枕叶)
    • Parietal lobe(顶叶)
    • Temporal lobe(颞叶)
    • Frontal lobe(额叶)

    在这里插入图片描述
    对于枕叶,是视觉区,开发最多,精神疲劳检测就在人的后脑勺进行
    从眼部接收信息,是大脑中研究最多的区域

    对于顶叶,用来感觉,包括primary sensory area(初级感觉区),感受疼痛、温度、触觉、压力

    对于颞叶,与注意力和记忆力相关;颞叶的左边部分负责语言,右边部分则负责听力

    对于额叶,是表皮层最大的部分,是最高级的大脑架构,可以进行计划、预测、运动、语言


    1. 关于睡眠:

    睡眠分五个阶段:
    (1)入睡期:第一阶段,脑波开始变化,频率渐缓,振幅渐小
    脑电波以θ波为主,不出现K综合波
    (2)浅睡期:第二阶段,开始正式睡眠
    脑电波为K综合波,delta波较少
    在这里插入图片描述

    (3、4)熟睡期、深睡期:第三、四阶段,不出现眼球快速跳动的现象
    统称为δ睡眠,δ波占比分别为20%~50%,50%以上

    (5)快速眼动期(REM睡眠):第五阶段,出现与清醒状态时脑波相似的高频率、低波幅脑波。做梦是在快速眼动期

    波形特点:α波显著增多

    对于脑电波的波形分类:
    1~4Hz delta δ,在婴儿期或智力发育不成熟、以及成年人极度疲劳、混水、麻醉状态下,可以在颞叶和顶叶记录到δ波
    4-8Hz theta θ,在意愿受挫或者抑郁时,θ波较为显著
    8-13Hz alphaα,是正常人脑电波的基本节律,人在清醒、安静(心情愉悦、静思冥想)。且闭眼时最为明显,在接受光或其他刺激是,α波立刻消失
    13-30Hz beta β,在精神紧张、情绪激动或亢奋时出现β波,如人在噩梦中惊醒,原先的慢波节律被β波取代

    30-80Hz gama γ波,在觉醒并专注于某件事情时出现

    对于深睡阶段,脑波通常为1~4Hz,属于δ波;
    对于犯困时,8~13Hz脑波α波较为明显

    关于睡眠周期:

    在这里插入图片描述
    进入NREM睡眠的第一期,持续0.5到7分钟,可以进入NREM睡眠第二期;经过30-38分钟,进入熟睡期与深睡期,在几十分钟甚至一小时后,进入REM睡眠,第一个睡眠周期中的REM睡眠时间较短,通常有5min左右。
    在第二个睡眠周期开始,δ睡眠逐渐缩短,在后半夜第四期深睡期和第三期熟睡期变少直至消失,而REM睡眠逐渐延长,甚至可达60min,大概90分钟为一个周期
    在衰老的过程中,REM睡眠和NREM的第三期、第四期逐渐减少,后续基本上没有深睡期。


    1. 关于互相关:
      均值为0,方差为1,点对点相乘求和这个操作叫做相关。
      对于相关的基本假设:两个变量x、y形成的时间序列需要是一个平稳的信号

    对于不平稳:是指有噪声、不可控、不可重复的问题

    1. 对于标记的4个MARK点,分别是指:测试开始、音乐开始、音乐结束、测试结束

    在这里插入图片描述

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    跨被试相关分析
    做脑电的预处理工作,首先通过滤波去掉干扰(50Hz低通高通),通过独立分量分析去掉眼睛眨动信息 ,对数据进行分段,测量脑电波在不同频率阶段的时间序列,做音乐特征和脑电特征序列的相关性,也可以研究不同的人之间、同一电极位置脑电特征的相关性

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    文章来源于微信公众号(茗创科技),欢迎有兴趣的朋友搜索关注

    人类大脑是宇宙中结构和功能最为复杂的系统之一,其大约由 140 亿个脑细胞组成,并且每个脑细胞可生长出大约 2 万个树枝状的树突,这些树突构成复杂的结构和功能网络用来计算信息。大脑作为高级神经中枢,其运动控制、感觉产生、语言、学习以及各种高认知功能的实现都由它来控制。

    大脑是如何调用其各层次结构上的组件,包括分子、细胞、脑区和全脑去实现各种认知活动的呢?

    认知神经科学这门学科或许可以很好地解释这一点。认知神经科学诞生于 20 世纪 80 年代后期,最早由乔治·米勒 (George Miller) 提出,是在认知科学和神经科学的基础上发展起来的一门新生学科。传统的认知科学是研究人、动物和机器智能的本质和规律的科学。目前认知神经科学主要通过将新兴脑科学、脑成像技术得到的数据与认知心理学范式获得的数据进行整合分析,来帮助研究者进一步理解人类的行为和各种高级认知活动。

    认知神经科学的研究工具和技术有很多种,包括事件相关电位(ERP)、脑电图(EEG)、脑磁图(MEG)、正电子发射计算机断层显像(PET)、核磁共振成像(fMRI)、近红外光谱(fNIRS)、经颅直流电刺激(tDCS)、经颅磁刺激(TMS)等等。现就这些技术的原理和应用来了解认知神经科学为何能够帮助我们打开大脑“黑匣子”。

    ERP (Event-Related Potential)

    原理:ERP是一种特殊的脑诱发电位(Evoked Potentials,EPs),指给予神经系统(从感受器到大脑皮层)特定的刺激,或使大脑对刺激(正性或负性)的信息进行加工,在该系统和脑的相应部位产生的可以检出的、与刺激有相对固定时间间隔(锁时)和特定相位的生物电反应。这种通过有意地赋予刺激以特殊的心理意义,利用多个或多样的刺激所引起的脑的电位,反映了认知过程中大脑的神经电生理的变化。

    应用:已广泛应用到心理学、生理学、医学、神经科学、人工智能等多个领域,并且发现了许多与认知活动过程密切相关的成分。对脑电成分感兴趣的小伙伴可以看往期推文脑电必读干货:ERP经典成分汇总

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    EEG (Electroencephalography)

    原理:EEG是一种对大脑功能变化进行检查的有效方法,人脑功能的变化是动态多变的,对一些临床上有大脑功能障碍表现的患者在做一次EEG检查没有发异常时,不能完全排除大脑疾病的存在,而应定期进行EEG复查,才能准确地发现疾病。它通过精密的电子仪器,从头皮上将脑部的自发性生物电位加以放大记录而获得图形,是通过电极记录下来的脑细胞群的自发性、节律性电活动。

    应用:在癫痫发作时,EEG可以准确地记录出散在性慢波、棘波或不规则棘波,因此对于诊断癫痫是十分准确的。需要说明的是,EEG检查选项常见的有清醒EEG、睡眠EEG、视频EEG(VEEG)和 24小时 EEG。清醒EEG即描记EEG时患者处于清醒状态。现在国内一般要求描记半小时左右。描记过程中,患者要做睁眼、闭眼、过度换气(大喘气)等动作配合。有时还要加上闪光刺激、蝶骨电极(小儿少用)等措施来提高捕捉异常脑电波的能力。

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    MEG (Magnetoencephalography)

    原理:MEG是指将被测者的头部置于特别敏感的超冷电磁测定器中,通过接收装置可测出颅脑的极微弱的脑磁波,再用记录装置把这种脑磁波记录下来,形成图形。它集低温超导、生物工程、电子工程、医学工程等21世纪尖端科学技术于一体,是无创伤性地探测大脑电磁生理信号的一种脑功能检测技术。MEG对脑部损伤的定位诊断比EEG更为准确,同时MEG不受颅骨的影响,图像更为清晰易辨,对脑部疾病的诊断更准确。

    应用:已被用于如思维、情感等高级脑功能的研究,并被广泛用于神经外科手术前脑功能定位、癫痫灶手术定位、帕金森病、精神病和戒毒等功能性疾病的外科治疗,也在脑血管病以及小儿胎儿神经疾病等临床科学中得以应用。除临床医学以外,MEG还被广泛用于脑神经科学、精神医学和心理学等各个领域的基础研究,如皮层下神经元活动、同步神经元分析、语言学习研究、学习记忆研究以及传统的医学研究等,目前也有人将其用于特殊人群(如宇航员、飞行员等)的体检中。

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    PET (Positron Emission Computed Tomography)

    原理:是直接对脑功能造影的技术,给被试注射含放射性同位素的示踪物,同位素放出的正电子与脑内的负电子发生湮灭,从而释放出射线。通过记录y射线在大脑中的位置分布,可以测量局部脑代谢率(rCMR)和rCBF的改变,以此反映大脑的功能活动变化。包括直接成像、间接成像和替代成像。具体表述为:PET示踪剂(分子探针)→引入活体组织细胞内→PET分子探针与特定靶分子作用→发生湮没辐射,产生能量同为0.511MeV但方向相反且互成180°的两个光子→PET测定信号→显示活体组织分子图像、功能代谢图像、基因转变图像。

    应用:可用于精神分裂症、抑郁症、毒品成瘾症等的鉴别诊断,了解患者脑代谢情况及功能状态,如精神分裂症患者额叶、颞叶、海马基底神经节功能异常等。应用PET成像,可以测定脑内多巴胺等多种受体,从分子的水平揭示疾病的本质,这是其他方法所不能比拟的。PET也可用于癫痫灶定位、阿尔茨海默病的早期诊断与鉴别、帕金森病的病情评价以及脑梗塞后组织受损和存活情况的判断。PET检查在精神病的病理诊断和治疗效果评价方面已经显示出独特的优势,并有望在不久的将来取得突破性进展。此外,PET在艾滋病性脑病的治疗和戒毒治疗等方面的新药开发中也有重要的指导作用。

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    fMRI (functional Magnetic Resonance Imaging)

    原理:通过刺激特定感官,引起大脑皮层相应部位的神经活动(功能区激活),并通过磁共振图像来显示的一种研究方法。它可检测被试接受刺激(视觉、听觉、触觉等)后的脑部皮层信号变化,用于皮层中枢功能区的定位及其他脑功能的深入研究。它不但包含解剖学信息,而且具有神经系统的反应机制,作为一种无创、活体的研究方法,为进一步了解人类中枢神经系统的作用机制,以及临床研究提供了一种重要的途径。

    fMRI最初是采用静脉注射增强剂等方法来实现的。20世纪90年代,美国贝尔实验室的学者Ogawa等(1990)首次报告了血氧的T2*效应。在给定的任务刺激后,血流量增加,即氧合血红蛋白增加,而脑的局部耗氧量增加不明显,即脱氧血红蛋白含量相对降低,脱氧血红蛋白具有比氧合血红蛋白T2*短的特性。脱氧血红蛋白较强的顺磁性破坏了局部主磁场的均匀性,使得局部脑组织的T2*缩短。这两种效应的共同结果就是,降低局部磁共振信号强度、激活区脱氧血红蛋白相对含量的降低,作用份额的减小,使得脑局部的信号强度增加,即获得激活区的功能图像。

    这种成像方法取决于局部血氧含量,所以将其称为血氧水平依赖功能成像。由于神经元本身并没有储存能量所需的葡萄糖与氧气,神经活化所消耗的能量必须得到快速补充。经由血液动力反应的过程,血液带来了比神经活化所需更多的氧气,由于带氧血红素与去氧血红素之间的磁导率不同,含氧血量跟缺氧血量的变化使磁场产生扰动,并能被磁振造影侦测出来。借由重复进行某种思考、动作或经历,可以用统计方法判断哪些脑区在这个过程中有信号的变化。因而可以找出执行这些思考、动作或经历的相关脑区。

    应用:fMRI主要被用于脑功能的基础研究与临床应用,目前涉及的主要方面是神经生理学和神经心理学。最早是被应用于神经生理活动的研究,主要是视觉和功能皮层的研究。后来,随着刺激方案的精确、实验技术的进步,fMRI的研究逐渐扩展到听觉、语言、认知与情绪等功能皮层以及记忆等心理活动的研究。大量研究报告,对于脑神经病变的fMRI研究已涉及癫痫、帕金森病、阿尔茨海默病、多发性脑硬化及脑梗死等方面。由于其空间分辨率高,其对疾病的早期诊断、鉴别、治疗和愈后跟踪具有重要的意义。在精神疾病方面,其也被应用在对精神分裂症患者、抑郁症患者的研究中。

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    fNIRS (functional Near-Infrared Spectroscopy)

    原理:功能性近红外光谱技术使用650~900mm的两个及两个以上波长的光,将源点和探测点在头皮的预定区域内布成网格而获得漫反射光的空间分布。由于生物组织在该近红外光波段的吸收较少,近红外光可以穿透头皮、头骨而达到脑皮层,而反映脑组织代谢和血液动力学的氧合血红蛋白和还原血红蛋白(Hb)正是近红外光波段内的主要吸收体,因此由探测点测量的近红外光可给出脑皮层的HbO2和Hb浓度变化的空间分布图,从而实现脑功能的研究。

    应用:该技术已经广泛应用于脑认知神经科学、心理学和运动医学等的脑功能研究中,特别是在婴幼儿和特殊人群的脑研究领域有着光明前景。

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    tDCS (transcranial Direct Current Stimulation)

    原理:经颅直流电刺激是一种非侵入性的,利用恒定、低强度直流电(1~2 mA)调节大脑皮层神经元活动的技术。tDCS通过电极经过头皮向颅内特定区域输入电流,而颅内电流则会提高或降低神经元细胞的兴奋性(取决于输入电流的极性),而此兴奋性的提高或降低则可引起大脑功能性的改变,可以用来治疗疾病或者研究大脑的功能。

    应用:主要涉及对大脑特定区域或者特定心理问题的研究,许多学者的研究方法为刺激特定区域并观察被试在进行认知任务时的各种表现,其研究范围非常广泛包括:认知/思维/情感/记忆/学习/知觉(视觉、听觉、空间)/计划/冲动/行为/言语/注意力/社会认知等,几乎涵盖了心理学研究的所有方面。

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    TMS (Transcranial Magnetic Stimulation)

    原理:是一种兴奋或抑制大脑神经元的无创方法,该方法使用高强度线圈,产生快速变化的磁场脉冲,可以穿过受试者的头皮和颅骨,作用于其下的大脑皮层,诱导神经细胞发生电位活动的改变。

    应用:现已广泛应用于医学治疗领域,如运动障碍性疾病,癫痫;抑郁症;神经功能康复领域,脑卒中,失语症;成瘾问题等等。TMS在治疗神经性疼痛、帕金森病、耳鸣以及其他中枢和外周神经系统的疾病方面也有一定的应用。

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    参考来源:田银,徐鹏. 脑电与认知神经科学[M]. 科学出版社,2020.

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