人類大腦是宇宙中結(jié)構(gòu)和功能最為復(fù)雜的系統(tǒng)之一，其大約由 140 億個(gè)腦細(xì)胞組成，并且每個(gè)腦細(xì)胞可生長(zhǎng)出大約 2 萬(wàn)個(gè)樹枝狀的樹突，這些樹突構(gòu)成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和功能網(wǎng)絡(luò)用來(lái)計(jì)算信息。大腦作為高級(jí)神經(jīng)中樞，其運(yùn)動(dòng)控制、感覺(jué)產(chǎn)生、語(yǔ)言、學(xué)習(xí)以及各種高認(rèn)知功能的實(shí)現(xiàn)都由它來(lái)控制。
大腦是如何調(diào)用其各層次結(jié)構(gòu)上的組件，包括分子、細(xì)胞、腦區(qū)和全腦去實(shí)現(xiàn)各種認(rèn)知活動(dòng)的呢？
認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)這門學(xué)科或許可以很好地解釋這一點(diǎn)。認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)誕生于 20 世紀(jì) 80 年代后期，最早由喬治·米勒 (George Miller) 提出，是在認(rèn)知科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一門新生學(xué)科。傳統(tǒng)的認(rèn)知科學(xué)是研究人、動(dòng)物和機(jī)器智能的本質(zhì)和規(guī)律的科學(xué)。目前認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)主要通過(guò)將新興腦科學(xué)、腦成像技術(shù)得到的數(shù)據(jù)與認(rèn)知心理學(xué)范式獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，來(lái)幫助研究者進(jìn)一步理解人類的行為和各種高級(jí)認(rèn)知活動(dòng)。
認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的研究工具和技術(shù)有很多種，包括事件相關(guān)電位(ERP)、腦電圖(EEG)、腦磁圖(MEG)、正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像(PET)、核磁共振成像(fMRI）、近紅外光譜(fNIRS)、經(jīng)顱直流電刺激(tDCS)、經(jīng)顱磁刺激(TMS)等等。現(xiàn)就這些技術(shù)的原理和應(yīng)用來(lái)了解認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)為何能夠幫助我們打開大腦“黑匣子”。ERP (Event-Related Potential)
原理：ERP是一種特殊的腦誘發(fā)電位(Evoked Potentials，EPs)，指給予神經(jīng)系統(tǒng)(從感受器到大腦皮層)特定的刺激，或使大腦對(duì)刺激(正性或負(fù)性)的信息進(jìn)行加工，在該系統(tǒng)和腦的相應(yīng)部位產(chǎn)生的可以檢出的、與刺激有相對(duì)固定時(shí)間間隔(鎖時(shí))和特定相位的生物電反應(yīng)。這種通過(guò)有意地賦予刺激以特殊的心理意義，利用多個(gè)或多樣的刺激所引起的腦的電位，反映了認(rèn)知過(guò)程中大腦的神經(jīng)電生理的變化。
應(yīng)用：已廣泛應(yīng)用到心理學(xué)、生理學(xué)、醫(yī)學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、人工智能等多個(gè)領(lǐng)域，并且發(fā)現(xiàn)了許多與認(rèn)知活動(dòng)過(guò)程密切相關(guān)的成分。對(duì)腦電成分感興趣的小伙伴可以看往期推文腦電必讀干貨：ERP經(jīng)典成分匯總
EEG (Electroencephalography)
原理：EEG是一種對(duì)大腦功能變化進(jìn)行檢查的有效方法，人腦功能的變化是動(dòng)態(tài)多變的，對(duì)一些臨床上有大腦功能障礙表現(xiàn)的患者在做一次EEG檢查沒(méi)有發(fā)異常時(shí)，不能完全排除大腦疾病的存在，而應(yīng)定期進(jìn)行EEG復(fù)查，才能準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)疾病。它通過(guò)精密的電子儀器，從頭皮上將腦部的自發(fā)性生物電位加以放大記錄而獲得圖形，是通過(guò)電極記錄下來(lái)的腦細(xì)胞群的自發(fā)性、節(jié)律性電活動(dòng)。
應(yīng)用：在癲癇發(fā)作時(shí)，EEG可以準(zhǔn)確地記錄出散在性慢波、棘波或不規(guī)則棘波，因此對(duì)于診斷癲癇是十分準(zhǔn)確的。需要說(shuō)明的是，EEG檢查選項(xiàng)常見(jiàn)的有清醒EEG、睡眠EEG、視頻EEG(VEEG)和 24小時(shí) EEG。清醒EEG即描記EEG時(shí)患者處于清醒狀態(tài)?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)一般要求描記半小時(shí)左右。描記過(guò)程中，患者要做睜眼、閉眼、過(guò)度換氣(大喘氣)等動(dòng)作配合。有時(shí)還要加上閃光刺激、蝶骨電極(小兒少用)等措施來(lái)提高捕捉異常腦電波的能力。
MEG (Magnetoencephalography)
原理：MEG是指將被測(cè)者的頭部置于特別敏感的超冷電磁測(cè)定器中，通過(guò)接收裝置可測(cè)出顱腦的極微弱的腦磁波，再用記錄裝置把這種腦磁波記錄下來(lái)，形成圖形。它集低溫超導(dǎo)、生物工程、電子工程、醫(yī)學(xué)工程等21世紀(jì)尖端科學(xué)技術(shù)于一體，是無(wú)創(chuàng)傷性地探測(cè)大腦電磁生理信號(hào)的一種腦功能檢測(cè)技術(shù)。MEG對(duì)腦部損傷的定位診斷比EEG更為準(zhǔn)確，同時(shí)MEG不受顱骨的影響，圖像更為清晰易辨，對(duì)腦部疾病的診斷更準(zhǔn)確。
應(yīng)用：已被用于如思維、情感等高級(jí)腦功能的研究，并被廣泛用于神經(jīng)外科手術(shù)前腦功能定位、癲癇灶手術(shù)定位、帕金森病、精神病和戒毒等功能性疾病的外科治療，也在腦血管病以及小兒胎兒神經(jīng)疾病等臨床科學(xué)中得以應(yīng)用。除臨床醫(yī)學(xué)以外，MEG還被廣泛用于腦神經(jīng)科學(xué)、精神醫(yī)學(xué)和心理學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究，如皮層下神經(jīng)元活動(dòng)、同步神經(jīng)元分析、語(yǔ)言學(xué)習(xí)研究、學(xué)習(xí)記憶研究以及傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)研究等，目前也有人將其用于特殊人群(如宇航員、飛行員等)的體檢中。
PET (Positron Emission Computed Tomography)
原理：是直接對(duì)腦功能造影的技術(shù)，給被試注射含放射性同位素的示蹤物，同位素放出的正電子與腦內(nèi)的負(fù)電子發(fā)生湮滅，從而釋放出射線。通過(guò)記錄y射線在大腦中的位置分布，可以測(cè)量局部腦代謝率(rCMR)和rCBF的改變，以此反映大腦的功能活動(dòng)變化。包括直接成像、間接成像和替代成像。具體表述為：PET示蹤劑(分子探針)→引入活體組織細(xì)胞內(nèi)→PET分子探針與特定靶分子作用→發(fā)生湮沒(méi)輻射，產(chǎn)生能量同為0.511MeV但方向相反且互成180°的兩個(gè)光子→PET測(cè)定信號(hào)→顯示活體組織分子圖像、功能代謝圖像、基因轉(zhuǎn)變圖像。
應(yīng)用：可用于精神分裂癥、抑郁癥、毒品成癮癥等的鑒別診斷，了解患者腦代謝情況及功能狀態(tài)，如精神分裂癥患者額葉、顳葉、海馬基底神經(jīng)節(jié)功能異常等。應(yīng)用PET成像，可以測(cè)定腦內(nèi)多巴胺等多種受體，從分子的水平揭示疾病的本質(zhì)，這是其他方法所不能比擬的。PET也可用于癲癇灶定位、阿爾茨海默病的早期診斷與鑒別、帕金森病的病情評(píng)價(jià)以及腦梗塞后組織受損和存活情況的判斷。PET檢查在精神病的病理診斷和治療效果評(píng)價(jià)方面已經(jīng)顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并有望在不久的將來(lái)取得突破性進(jìn)展。此外，PET在艾滋病性腦病的治療和戒毒治療等方面的新藥開發(fā)中也有重要的指導(dǎo)作用。
fMRI (functional Magnetic Resonance Imaging)
原理：通過(guò)刺激特定感官，引起大腦皮層相應(yīng)部位的神經(jīng)活動(dòng)(功能區(qū)激活)，并通過(guò)磁共振圖像來(lái)顯示的一種研究方法。它可檢測(cè)被試接受刺激(視覺(jué)、聽覺(jué)、觸覺(jué)等)后的腦部皮層信號(hào)變化，用于皮層中樞功能區(qū)的定位及其他腦功能的深入研究。它不但包含解剖學(xué)信息，而且具有神經(jīng)系統(tǒng)的反應(yīng)機(jī)制，作為一種無(wú)創(chuàng)、活體的研究方法，為進(jìn)一步了解人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)的作用機(jī)制，以及臨床研究提供了一種重要的途徑。
fMRI最初是采用靜脈注射增強(qiáng)劑等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。20世紀(jì)90年代，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的學(xué)者Ogawa等(1990)首次報(bào)告了血氧的T2*效應(yīng)。在給定的任務(wù)刺激后，血流量增加，即氧合血紅蛋白增加，而腦的局部耗氧量增加不明顯，即脫氧血紅蛋白含量相對(duì)降低，脫氧血紅蛋白具有比氧合血紅蛋白T2*短的特性。脫氧血紅蛋白較強(qiáng)的順磁性破壞了局部主磁場(chǎng)的均勻性，使得局部腦組織的T2*縮短。這兩種效應(yīng)的共同結(jié)果就是，降低局部磁共振信號(hào)強(qiáng)度、激活區(qū)脫氧血紅蛋白相對(duì)含量的降低，作用份額的減小，使得腦局部的信號(hào)強(qiáng)度增加，即獲得激活區(qū)的功能圖像。
這種成像方法取決于局部血氧含量，所以將其稱為血氧水平依賴功能成像。由于神經(jīng)元本身并沒(méi)有儲(chǔ)存能量所需的葡萄糖與氧氣，神經(jīng)活化所消耗的能量必須得到快速補(bǔ)充。經(jīng)由血液動(dòng)力反應(yīng)的過(guò)程，血液帶來(lái)了比神經(jīng)活化所需更多的氧氣，由于帶氧血紅素與去氧血紅素之間的磁導(dǎo)率不同，含氧血量跟缺氧血量的變化使磁場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，并能被磁振造影偵測(cè)出來(lái)。借由重復(fù)進(jìn)行某種思考、動(dòng)作或經(jīng)歷，可以用統(tǒng)計(jì)方法判斷哪些腦區(qū)在這個(gè)過(guò)程中有信號(hào)的變化。因而可以找出執(zhí)行這些思考、動(dòng)作或經(jīng)歷的相關(guān)腦區(qū)。
應(yīng)用：fMRI主要被用于腦功能的基礎(chǔ)研究與臨床應(yīng)用，目前涉及的主要方面是神經(jīng)生理學(xué)和神經(jīng)心理學(xué)。最早是被應(yīng)用于神經(jīng)生理活動(dòng)的研究，主要是視覺(jué)和功能皮層的研究。后來(lái)，隨著刺激方案的精確、實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步，fMRI的研究逐漸擴(kuò)展到聽覺(jué)、語(yǔ)言、認(rèn)知與情緒等功能皮層以及記憶等心理活動(dòng)的研究。大量研究報(bào)告，對(duì)于腦神經(jīng)病變的fMRI研究已涉及癲癇、帕金森病、阿爾茨海默病、多發(fā)性腦硬化及腦梗死等方面。由于其空間分辨率高，其對(duì)疾病的早期診斷、鑒別、治療和愈后跟蹤具有重要的意義。在精神疾病方面，其也被應(yīng)用在對(duì)精神分裂癥患者、抑郁癥患者的研究中。
fNIRS (functional Near-Infrared Spectroscopy)
原理：功能性近紅外光譜技術(shù)使用650~900mm的兩個(gè)及兩個(gè)以上波長(zhǎng)的光，將源點(diǎn)和探測(cè)點(diǎn)在頭皮的預(yù)定區(qū)域內(nèi)布成網(wǎng)格而獲得漫反射光的空間分布。由于生物組織在該近紅外光波段的吸收較少，近紅外光可以穿透頭皮、頭骨而達(dá)到腦皮層，而反映腦組織代謝和血液動(dòng)力學(xué)的氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白(Hb)正是近紅外光波段內(nèi)的主要吸收體，因此由探測(cè)點(diǎn)測(cè)量的近紅外光可給出腦皮層的HbO2和Hb濃度變化的空間分布圖，從而實(shí)現(xiàn)腦功能的研究。
應(yīng)用：該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于腦認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)、心理學(xué)和運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)等的腦功能研究中，特別是在嬰幼兒和特殊人群的腦研究領(lǐng)域有著光明前景。
tDCS (transcranial Direct Current Stimulation)
原理：經(jīng)顱直流電刺激是一種非侵入性的，利用恒定、低強(qiáng)度直流電(1~2 mA)調(diào)節(jié)大腦皮層神經(jīng)元活動(dòng)的技術(shù)。tDCS通過(guò)電極經(jīng)過(guò)頭皮向顱內(nèi)特定區(qū)域輸入電流，而顱內(nèi)電流則會(huì)提高或降低神經(jīng)元細(xì)胞的興奮性(取決于輸入電流的極性)，而此興奮性的提高或降低則可引起大腦功能性的改變，可以用來(lái)治療疾病或者研究大腦的功能。
應(yīng)用：主要涉及對(duì)大腦特定區(qū)域或者特定心理問(wèn)題的研究，許多學(xué)者的研究方法為刺激特定區(qū)域并觀察被試在進(jìn)行認(rèn)知任務(wù)時(shí)的各種表現(xiàn)，其研究范圍非常廣泛包括：認(rèn)知/思維/情感/記憶/學(xué)習(xí)/知覺(jué)(視覺(jué)、聽覺(jué)、空間)/計(jì)劃/沖動(dòng)/行為/言語(yǔ)/注意力/社會(huì)認(rèn)知等，幾乎涵蓋了心理學(xué)研究的所有方面。
TMS (Transcranial Magnetic Stimulation)
原理：是一種興奮或抑制大腦神經(jīng)元的無(wú)創(chuàng)方法，該方法使用高強(qiáng)度線圈，產(chǎn)生快速變化的磁場(chǎng)脈沖，可以穿過(guò)受試者的頭皮和顱骨，作用于其下的大腦皮層，誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞發(fā)生電位活動(dòng)的改變。
應(yīng)用：現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)治療領(lǐng)域，如運(yùn)動(dòng)障礙性疾病，癲癇；抑郁癥；神經(jīng)功能康復(fù)領(lǐng)域，腦卒中，失語(yǔ)癥；成癮問(wèn)題等等。TMS在治療神經(jīng)性疼痛、帕金森病、耳鳴以及其他中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)的疾病方面也有一定的應(yīng)用。
參考來(lái)源：田銀，徐鵬. 腦電與認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)[M]. 科學(xué)出版社，2020.
2021年12月23日
