認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)技術(shù)在心理學(xué)上的應(yīng)用

摘要：近二十年來，認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的方法與技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于心理學(xué)的各個具體研究領(lǐng)域。本文區(qū)分了侵入性與非侵入性兩大類方法，具體介紹了六類常見的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)技術(shù)。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)；單細(xì)胞記錄法；腦損傷法；事件相關(guān)腦電位技術(shù)；正電子發(fā)射斷層掃描；功能性核磁共振成像技術(shù)；經(jīng)顱磁刺激

科學(xué)研究的重大突破總是離不開方法與技術(shù)上的革命。例如，望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明將“哥白尼革命”（Copernican Revolution）的意義從神學(xué)轉(zhuǎn)向天文學(xué)，天文學(xué)由此獲得了一系列重大發(fā)現(xiàn)。顯微鏡的使用幫助生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞結(jié)構(gòu)，為生命科學(xué)打開了通向微觀生命世界的大門。因此，心理與行為研究若想取得突破性的進(jìn)展，也必須尋找到更加有效適宜的方法、技術(shù)與工具。近二十年來，認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)（Cognitive Neuroscience）的方法與技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于心理學(xué)的各個具體研究領(lǐng)域。這些方法與技術(shù)具體又可分為侵入性（invasive）方法與非侵入性（non-invasive）方法兩大類。前者包括：單細(xì)胞記錄法（single-cell recordings）與腦損傷法（brain lesion），主要運(yùn)用于動物以及某些患有自然腦損傷的病人；后者又稱無創(chuàng)性腦功能成像技術(shù)，主要包括：事件相關(guān)腦電位技術(shù)（event-related brain potential，ERP）、正電子發(fā)射斷層掃描（positron emission tomography，PET）、功能性核磁共振成像技術(shù)（functional magnetic resonance imaging，fMRI）、經(jīng)顱磁刺激（transcranial magnetic stimulation，TMS）等，可以應(yīng)用于正常被試。

一、單細(xì)胞神經(jīng)記錄法

嚴(yán)格意義上，該技術(shù)來源于神經(jīng)生理學(xué)（neurophysi-ology）中的單細(xì)胞電神經(jīng)生理學(xué)（single-cell electrophysiology）[1]。它的出現(xiàn)使得研究者能夠描述單個神經(jīng)元的反應(yīng)特征。在單細(xì)胞記錄中，研究者將一個微電極插入動物的腦中，使電極位于一個神經(jīng)元細(xì)胞膜旁邊，電生理活動的改變就能被測量到。該技術(shù)的主要目的是確定怎樣的實(shí)驗(yàn)操作會引起一個獨(dú)立細(xì)胞的反應(yīng)頻率產(chǎn)生恒定的變化。比如，當(dāng)動物運(yùn)動手臂時細(xì)胞會增加放電頻率嗎？這種改變會特異于運(yùn)動方向嗎？動作引起的放電頻率依賴于行為的結(jié)果嗎？[2]總之，認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)家可以借助該方法鑒別哪些因素會引起神經(jīng)元突觸活動的變化。為此，實(shí)驗(yàn)者往往嘗試通過建立細(xì)胞活動與特定刺激模式或行為之間的相關(guān)來確定單個神經(jīng)元的反應(yīng)特征。比如，實(shí)驗(yàn)者可以操控呈現(xiàn)給動物的刺激類型來記錄感覺神經(jīng)元（sensory neuron）的活動，也可以通過讓動物完成一個與運(yùn)動相關(guān)的任務(wù)來記錄運(yùn)動神經(jīng)元（motor neuron）的活動。雖然絕大多數(shù)單細(xì)胞記錄法主要應(yīng)用于動物身上，但近期已有研究開始將該技術(shù)應(yīng)用于人類被試身上[3，4]。這種方法往往是在征得自然腦損傷病人（比如癲癇患者）許可的前提下展開的，因此規(guī)避了侵入性方法的倫理限制。

二、腦損傷法

腦損傷法是行為神經(jīng)科學(xué)（behavioural neuroscience）中常用的方法。其目的是了解某種特定行為所需要的腦功能以及執(zhí)行這些功能的大腦結(jié)構(gòu)。在動物身上主要使用直接的損傷法，而在人腦中不能為了實(shí)驗(yàn)進(jìn)行精確部位的腦損毀手術(shù)，故而一般采用間接損傷法。比如，疾病和事故可能導(dǎo)致腦損傷，如果研究者明確了損傷的位置，就可以觀察病人的行為，借助其他方法推測出執(zhí)行相關(guān)腦功能障礙的神經(jīng)環(huán)路。此外，如果病人死亡，研究者還可以通過獲取其大腦，并借助通常的組織學(xué)方法進(jìn)行研究[5]。

三、事件相關(guān)腦電位技術(shù)

所謂事件相關(guān)腦電位（ERP）是與實(shí)際刺激或預(yù)期刺激（聲、光、電）有固定時間關(guān)系的腦反應(yīng)所形成的一系列腦電波[6]。該方法的基本邏輯是：根據(jù)外部事件（比如刺激的呈現(xiàn)或反應(yīng)）將一系列測試所得到的腦電圖（EEG）對齊，并進(jìn)行疊加平均。經(jīng)過這樣處理的腦電圖去除了與目標(biāo)事件無關(guān)的大腦電活動的變異。ERP作為一種誘發(fā)反應(yīng)是隱藏于腦電圖中的微弱信號。通過疊加平均，研究者可以提取出這一信號。該信號反映了與特定感覺、運(yùn)動或認(rèn)知事件相關(guān)的神經(jīng)活動。它為內(nèi)在神經(jīng)活動提供了精確的時間記錄，可以描繪出當(dāng)信息在大腦中加工時神經(jīng)活動的動態(tài)變化[2]。換言之，ERP的變化與被試接受的刺激和腦功能變化的時間尺度能保持精確的一致。這使得該技術(shù)具有較高的時間分辨率，尤其適用于探討有關(guān)認(rèn)知的時間進(jìn)程問題。但其缺陷在于頭皮外記錄腦電活動很難分析是腦內(nèi)哪些結(jié)構(gòu)或神經(jīng)集合活動的結(jié)果，這導(dǎo)致其空間分辨率較差[7]。

四、正電子發(fā)射斷層掃描

與ERP不同，PET并不直接測量神經(jīng)活動，而是測量與之相關(guān)的新陳代謝變化。具體而言，該技術(shù)測量的是與心理活動相關(guān)的局部腦變化。這種變化以腦部消耗的葡萄糖為重要指標(biāo)[2，7]。當(dāng)一個腦區(qū)激活時，通過的血流量增加，會消耗更多的氧和葡萄糖。為實(shí)現(xiàn)上述設(shè)想，PET采用同位素作為示蹤劑。由于這些示蹤劑在血液中流動，因此，那些血液流動多的地方就會顯示出射線的匯聚，從而幫助研究者判斷并定位與被試當(dāng)下心理活動相關(guān)的腦區(qū)與神經(jīng)結(jié)構(gòu)[8]。該技術(shù)的空間分辨率較ERP技術(shù)略高，但時間分辨率較低。與fMRI技術(shù)相比，其優(yōu)勢在于提供生理參數(shù)的絕對定量值和在檢測體內(nèi)神經(jīng)傳導(dǎo)時的獨(dú)特適應(yīng)性[9]。

五、功能性核磁共振成像技術(shù)

與PET技術(shù)一樣，fMRI技術(shù)也利用了大腦活動區(qū)域的局部血流量的原理。但是，fMRI中成像所關(guān)注的是血紅蛋白的磁場特性，即氧合與脫氧血紅蛋白之間的比率或稱血氧水平依賴效應(yīng)（blood oxygen level dependent，BOLD）。fMRI技術(shù)的優(yōu)勢在于：首先，與PET相比，fMRI的空間分辨率更好；其次，當(dāng)被試在掃描儀內(nèi)時可以獲得高分辨率的解剖圖像，因此，該技術(shù)能夠提供更精確的定位[2]；再次，BOLD效應(yīng)對于特定事件的時間鎖定特征使得 fMRI可以提高時間分辨率，這種利用BOLD效應(yīng)描繪神經(jīng)活動時間進(jìn)程的方法也稱“事件相關(guān)fMRI”。這些優(yōu)勢使得該技術(shù)既能用于探索大腦的結(jié)構(gòu)又能探索其功能，顯示出強(qiáng)大的適應(yīng)性[8]。

六、經(jīng)顱磁刺激

TMS是一種能夠無創(chuàng)地在大腦中產(chǎn)生局部刺激的方法。它通過相關(guān)裝置經(jīng)觸發(fā)后放出強(qiáng)大的電流，通過線圈產(chǎn)生磁場。當(dāng)線圈放在顱骨表面時，磁場穿過頭皮，產(chǎn)生感應(yīng)性電流激活皮層，從而改變大腦內(nèi)的生理過程[2，6]。例如，當(dāng)線圈置于運(yùn)動皮層控制手活動的區(qū)域時，刺激會激活手腕和手指的肌肉，被試能看到手的抽搐，但卻感覺到一種不由自主的手部運(yùn)動。借助TMS的參數(shù)可以觀測到不同的生理與心理效應(yīng)。TMS的優(yōu)勢如下：首先，與侵入性的單細(xì)胞記錄法及腦損傷法相比，該技術(shù)可以作為暫時性的虛擬損傷（temporary virtual lesion）加以應(yīng)用。研究者可以選擇性地干擾某一特定皮層區(qū)域的正?；顒樱@與真實(shí)的損傷研究的邏輯一致，但它又是無創(chuàng)且安全的，它產(chǎn)生的神經(jīng)活動改變是暫時的。該技術(shù)可以比較同一被試在有無刺激條件下的認(rèn)知與行為表現(xiàn)，這在腦損傷病人身上無法實(shí)現(xiàn)[2]。其次，PET、fMRI等成像技術(shù)一般只能在腦活動與認(rèn)知任務(wù)之間建立起相關(guān)關(guān)系，難以揭示因果關(guān)系。相比之下，TMS通過對給定皮質(zhì)區(qū)產(chǎn)生暫時的虛擬損傷，可以精確地探索出磁刺激后大腦的變化情況，從而在腦活動與認(rèn)知任務(wù)之間建立起較強(qiáng)的因果關(guān)系[10]。

近年來，伴隨認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的長足發(fā)展，該領(lǐng)域又出現(xiàn)了一系列新興的技術(shù)。這些技術(shù)的突破性進(jìn)展主要體現(xiàn)在功能性近紅外光譜成像技術(shù)（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）與彌散張量成像技術(shù)（diffusion tensor imaging，DTI）的發(fā)展與成熟。前者主要利用大腦在受到刺激時，其組織活動會影響光學(xué)特征，此時導(dǎo)入一束近紅外激光會誘發(fā)散射效應(yīng)的原理，以此獲得大腦活動時血氧水平的變化，從而探索認(rèn)知過程的腦機(jī)制[7，11]。由于傳統(tǒng)fMRI受制于嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)室條件，研究結(jié)論的生態(tài)效度不高，而該技術(shù)的優(yōu)勢在于可以在相對自然的情境下研究認(rèn)知活動。后者主要利用血液中水分子具有各向異性（anisotropic diffusion）的彌散特征（即其在神經(jīng)纖維[白質(zhì)]與神經(jīng)元[灰質(zhì)]中的行為差異）來采集腦白質(zhì)的圖像以及腦區(qū)之間神經(jīng)纖維聯(lián)結(jié)的圖像[7，12]。傳統(tǒng)fMRI的研究對象主要集中在大腦灰質(zhì)皮層部分，而高級的認(rèn)知活動（如語言）牽涉到多個腦區(qū)之間的神經(jīng)信息傳遞，這種傳遞主要是通過神經(jīng)纖維束聯(lián)結(jié)完成，因此該技術(shù)可以應(yīng)用于研究更高級的認(rèn)知活動。此外，DTI附帶的纖維映射技術(shù)還可用于追蹤研究神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育情況[13]。最近，有研究者使用由彌散張量成像發(fā)展而來的彌散光譜成像（diffusion spectrum imaging， DSI）繪制出了迄今為止最為精細(xì)的人類大腦網(wǎng)絡(luò)圖（brain networks），并在結(jié)構(gòu)上為其勾勒出了一個網(wǎng)絡(luò)核心（network core）[14]。在此基礎(chǔ)上，斯波恩斯認(rèn)為意識經(jīng)驗(yàn)是一種腦的動力學(xué)全局狀態(tài)（dynamic global state）的涌現(xiàn)，借助彌散光譜成像技術(shù)破解大尺度神經(jīng)活動中各個腦區(qū)的聯(lián)結(jié)情況，可以把握這種全局狀態(tài)的實(shí)時動態(tài)，從而預(yù)測大腦在某種情境下可能作出的反應(yīng)。這開辟了一個全新的領(lǐng)域，即“神經(jīng)連接組學(xué)”（connectomics）。

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