腦與認(rèn)知-01-02腦科學(xué)概述

1、腦與認(rèn)知科學(xué)腦與認(rèn)知科學(xué)1.2 腦科學(xué)概述腦科學(xué)概述申華申華 電子工程系電子工程系本節(jié)的中心問題是：本節(jié)的中心問題是：什么是腦科學(xué)？什么是腦科學(xué)？腦科學(xué)的研究內(nèi)容腦科學(xué)的研究內(nèi)容腦科學(xué)的研究方法腦科學(xué)的研究方法腦科學(xué)：狹義的定義：就是神經(jīng)科學(xué)，是為了了解神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)分子水平、細(xì)胞水平、細(xì)胞間的變化過程，以及這些過程在中樞功能控制系統(tǒng)內(nèi)的整合作用而進(jìn)行的研究。（美國神經(jīng)科學(xué)學(xué)會）廣義的定義：是研究腦的結(jié)構(gòu)和功能的科學(xué)，還包括認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)等。二十一世紀(jì)是腦科學(xué)時代二十一世紀(jì)是腦科學(xué)時代J.D.Watson在The Brian前言： “二十一世紀(jì)是腦的世紀(jì)”。五十年代六次諾貝爾醫(yī)學(xué)獎腦科學(xué)研究者以美國

2、為中心每年以20%速度遞增。腦科學(xué)的研究范圍腦科學(xué)的研究范圍1.2.1 腦科學(xué)的研究現(xiàn)狀腦科學(xué)的研究現(xiàn)狀腦科學(xué)在美國腦科學(xué)在美國1989年美國腦科學(xué)計劃： 把本世紀(jì)的最后十年命名為“腦的十年”， 重點是保護(hù)腦，防治腦疾病。一九九二年，啟動人類腦計劃： 會員國已有20多個。 新世紀(jì)開始：科學(xué)基金會、商務(wù)部 “聚合四大技術(shù)，提高人類素質(zhì)”計劃腦科學(xué)在歐洲腦科學(xué)在歐洲英國：“認(rèn)知與腦科學(xué)研究所” 研究方向有：注意、認(rèn)知和情緒、語言和交流、記憶和知識等。巴黎： “信息處理”課題（2000年） 人文與社會科學(xué)部同工程科學(xué)部和符號處理技術(shù)與自動化技術(shù)部的合作項目； 學(xué)習(xí)、推理、創(chuàng)造活動和語言表達(dá)等的信息軟

3、件。腦科學(xué)在日本腦科學(xué)在日本一九九六年，制定了為期十年的腦科學(xué)時代計劃，計劃每年投入1千億日元。其主要研究內(nèi)容為：了解腦闡明腦功能保護(hù)腦征服腦疾患創(chuàng)造腦開發(fā)腦型計算機(jī)腦科學(xué)在韓國腦科學(xué)在韓國“腦神經(jīng)信息學(xué)研究規(guī)劃（BNRP規(guī)劃）： 強調(diào)目標(biāo)明確的多學(xué)科梯隊研究，發(fā)展基于腦信息加工機(jī)制的“人類化(Humanlike)”的功能。 先從視聽模塊著手，在第二階段中首先實現(xiàn)人工視覺和聽覺。而整個規(guī)劃的整合需到2008年才進(jìn)行。 與哈佛大學(xué)腦影像中心和德國(Siemens)聯(lián)合進(jìn)行協(xié)作研究。腦科學(xué)在中國“香山科學(xué)會議”（一九九三年）： 將腦科學(xué)列為國家研發(fā)重點，腦認(rèn)知科學(xué)研究列為十五國家規(guī)劃重點發(fā)展學(xué)科。

4、二一年，中國正式成為加入國際人類腦會議的第二十個國家。中國科學(xué)院生物物理所：“腦與認(rèn)知科學(xué)研究中心”；北京大學(xué)的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)實驗室；中國科技大學(xué)研究生院腦認(rèn)知開放實驗室；北大與北師大、浙大、東南大學(xué)等 組建了“腦科學(xué)與認(rèn)知科學(xué)網(wǎng)上合 作研究中心”；中山大學(xué)設(shè)立“邏輯與認(rèn)知研究所”。腦科學(xué)在中國腦科學(xué)在中國科學(xué)問題：科學(xué)問題： 腦的形態(tài)腦的形態(tài) 腦的結(jié)構(gòu)（組織水平，細(xì)胞水平，分子水平）腦的結(jié)構(gòu)（組織水平，細(xì)胞水平，分子水平） 腦的功能（基本功能，物質(zhì)與意識的關(guān)系）腦的功能（基本功能，物質(zhì)與意識的關(guān)系） 腦與其他器官的關(guān)系（腦系統(tǒng)）腦與其他器官的關(guān)系（腦系統(tǒng)） 腦系統(tǒng)與環(huán)境的關(guān)系（認(rèn)識世界，改造世

5、界）腦系統(tǒng)與環(huán)境的關(guān)系（認(rèn)識世界，改造世界） 腦的進(jìn)化（系統(tǒng)發(fā)育）腦的進(jìn)化（系統(tǒng)發(fā)育） 腦的發(fā)育（個體發(fā)育）腦的發(fā)育（個體發(fā)育） 腦的保護(hù)與醫(yī)治腦的保護(hù)與醫(yī)治 腦的潛能開發(fā)腦的潛能開發(fā)腦科學(xué)的研究對象腦科學(xué)的研究對象研究對象：腦的結(jié)構(gòu)與功能研究對象：腦的結(jié)構(gòu)與功能美國美國“腦的十年：腦的十年：1990 - 2000” 的提法的提法了解腦：腦科學(xué)研究的基本目的了解腦：腦科學(xué)研究的基本目的保護(hù)腦：醫(yī)學(xué)科學(xué)研究的基本目的保護(hù)腦：醫(yī)學(xué)科學(xué)研究的基本目的開發(fā)腦：教育科學(xué)研究的基本目的開發(fā)腦：教育科學(xué)研究的基本目的智能科學(xué)技術(shù)工作者的特殊研究目的智能科學(xué)技術(shù)工作者的特殊研究目的了解腦了解腦 了解腦的工作原

6、理了解腦的工作原理創(chuàng)造腦創(chuàng)造腦 創(chuàng)造人工腦，擴(kuò)展腦的能力創(chuàng)造人工腦，擴(kuò)展腦的能力腦科學(xué)的研究目的腦科學(xué)的研究目的解剖學(xué)方法解剖學(xué)方法：l采用通常的組織染色方法可以在光學(xué)顯微鏡下觀察神經(jīng)系統(tǒng)各種組織的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，即神經(jīng)元的不同形態(tài)，以及它們間連接的一般情況。運用電子顯微鏡可以進(jìn)一步了解神經(jīng)元和突觸的精細(xì)結(jié)構(gòu)。l運用微電極細(xì)胞外記錄、細(xì)胞內(nèi)記錄技術(shù)對單個神經(jīng)元活動分析。近年來，片膜鉗技術(shù)對離子通道進(jìn)行深入的研究。l細(xì)胞外記錄：30年代后期發(fā)展起來的。用金屬絲電極1-5微米記錄幅度較大的瞬間性動作電位，對神經(jīng)元的功能起了重要作用。l細(xì)胞內(nèi)記錄：0.10.5微米的玻璃電極，內(nèi)充高濃度氯化鉀或醋酸鉀以導(dǎo)電

7、。能記錄動作電位，小的分級電位，同時能監(jiān)視膜電位的變化。此外，能注入物質(zhì)，進(jìn)行形態(tài)學(xué)分析。缺點是造成細(xì)胞損傷，記錄時間、小細(xì)胞受限。l片膜鉗技術(shù)：70年代后期，Neher 和Sakmann 發(fā)展了一種新的紀(jì)錄方法，可以用來記錄單個離子通道的活動。分子生物學(xué)方法分子生物學(xué)方法：l重組DNA技術(shù)：分析離子通道蛋白的結(jié)構(gòu)和功能、生理特性。l應(yīng)用單克隆抗體和遺傳突變體。腦科學(xué)的主要研究方法腦科學(xué)的主要研究方法01，直接觀察：解剖，顯微解剖，直接觀察：解剖，顯微解剖 02，間接觀察：染色，示蹤，顯影，造影，間接觀察：染色，示蹤，顯影，造影 03，比較解剖學(xué)，比較解剖學(xué) 結(jié)構(gòu)研究結(jié)構(gòu)研究04，電生理學(xué)研究

8、，電生理學(xué)研究 05，基因修剪，基因修剪 06，病理研究，病理研究 07，成像技術(shù)，成像技術(shù) 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)- -功能功能- -行為研究行為研究現(xiàn)代腦成像技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)代腦成像技術(shù)的發(fā)展 現(xiàn)代腦成像技術(shù)可以在清醒的、不損傷的條件下洞察現(xiàn)代腦成像技術(shù)可以在清醒的、不損傷的條件下洞察腦認(rèn)知功能的活動過程。它能夠顯示出：在認(rèn)知過程中大腦認(rèn)知功能的活動過程。它能夠顯示出：在認(rèn)知過程中大腦特定的腦區(qū)是如何一個個相關(guān)聯(lián)地被腦特定的腦區(qū)是如何一個個相關(guān)聯(lián)地被“點亮點亮”。 大腦皮層是怎樣工作的？在各種的認(rèn)知活動中，哪些大腦皮層是怎樣工作的？在各種的認(rèn)知活動中，哪些腦區(qū)在工作？哪些腦區(qū)在休息？哪些腦區(qū)先激活？哪些腦腦

9、區(qū)在工作？哪些腦區(qū)在休息？哪些腦區(qū)先激活？哪些腦區(qū)后激活？傳統(tǒng)的腦損傷和麻醉的方法無法回答。區(qū)后激活？傳統(tǒng)的腦損傷和麻醉的方法無法回答。 功能核磁共振成像技術(shù)功能核磁共振成像技術(shù) 局部神經(jīng)元興奮將引起該區(qū)域血流量的增加，而血液中局部神經(jīng)元興奮將引起該區(qū)域血流量的增加，而血液中含有氧和葡萄糖，血紅蛋白所攜帶的氧的含量會影響血紅蛋含有氧和葡萄糖，血紅蛋白所攜帶的氧的含量會影響血紅蛋白的磁場特性，因此，磁共振成像能夠能夠檢測到大腦的功白的磁場特性，因此，磁共振成像能夠能夠檢測到大腦的功能性的氧消耗變化情況，并顯示高活動量區(qū)域的三維圖像，能性的氧消耗變化情況，并顯示高活動量區(qū)域的三維圖像，空間分辨率可

10、達(dá)空間分辨率可達(dá)1mm。關(guān)于腦研究方法的評論關(guān)于腦研究方法的評論1，局部與，局部與全局全局，部分與，部分與整體整體 2，靜態(tài)與，靜態(tài)與動態(tài)動態(tài) 3，物質(zhì)，物質(zhì)-能量能量-信息信息4，結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)-功能功能-行為行為-機(jī)制機(jī)制R斯佩里 （1961）：兩半球功能一側(cè)化現(xiàn)象和腦發(fā)育關(guān)鍵期以及可塑性現(xiàn)象，至今對教育仍發(fā)生一定影響。腦認(rèn)知功能模塊論：MS加查尼加（Gazzaniga，1976） 腦是由在神經(jīng)系統(tǒng)的各個水平進(jìn)行活動的子系統(tǒng)以模塊的形式組織在一起的，腦功能模塊是一種動態(tài)變化的組裝。 正逐漸替代了“定位說”，被現(xiàn)代技術(shù)所證實。 主張左右兩半球整體功能的協(xié)調(diào)開發(fā)。 腦科學(xué)在教育中的應(yīng)用腦科學(xué)在教育

11、中的應(yīng)用神經(jīng)生物學(xué)界認(rèn)為： 人類大腦的感應(yīng)是分析外來信號的處理過程； 除了分析外來信號外，大腦在某一特定時刻的內(nèi)在狀態(tài)也很重要。 大腦是通過某個神經(jīng)“密碼”來處理外來信息的。 這一“密碼”不是固定不變的，而是隨著大腦內(nèi)部狀態(tài)和外界環(huán)境的改變而不斷改變。利用新技術(shù)，可以觀察大腦在處于高度集中和高度期待等狀態(tài)下，怎樣處理外部信息的過程。腦科學(xué)在教育中的應(yīng)用腦科學(xué)在教育中的應(yīng)用腦科學(xué)的研究意義腦科學(xué)的研究意義不僅具有重要的科學(xué)意義，還具有巨大的潛在應(yīng)用價值。 不僅能夠揭示生命的本質(zhì)和意義，促進(jìn)人工智能的發(fā)展，提高人類的認(rèn)識能力和生活質(zhì)量。在促進(jìn)現(xiàn)代科學(xué)特別是心理學(xué)、生理學(xué)、語言學(xué)、邏輯學(xué)、腦科學(xué)、數(shù)

12、學(xué)、計算機(jī)科學(xué)甚至哲學(xué)等眾多學(xué)科的發(fā)展上，都有非同尋常的重要意義。 概念：腦科學(xué)相關(guān)學(xué)科研究課題認(rèn)知心理學(xué)： 研究知覺、注意、學(xué)習(xí)、記憶、語言、概念思考、解決問題思考、推理、判斷與決策、創(chuàng)造性與智能、運動行為等各種行為與技術(shù)的心理過程。功能分析來解釋有關(guān)認(rèn)知處理理論與處理各要素成分。語言學(xué)： 語法結(jié)構(gòu)、語言與認(rèn)知關(guān)系、語用論、自然語言等認(rèn)知過程的核心工具之一的語言信息處理問題，為認(rèn)知心理學(xué)和人工智能及哲學(xué)提供依據(jù)。計算機(jī)科學(xué)： 研究機(jī)器的視聽知覺、人工智能、機(jī)器語言處理、專家知識表象、神經(jīng)網(wǎng)系統(tǒng)等信息處理模型。神經(jīng)科學(xué)（腦科學(xué)）： 大腦對空間、非空間信息處理以及虛擬環(huán)境中的認(rèn)知；學(xué)習(xí)記憶的規(guī)律

13、及其腦機(jī)制；語言認(rèn)知和自動語言識別；意識、自我意識及其腦機(jī)制；情緒與心境障礙、精神疾病與老年性認(rèn)知衰退的神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制；腦認(rèn)知功能可塑性的機(jī)制及其應(yīng)用；腦功能成像方法與技術(shù)等。結(jié)構(gòu)分析來解釋有關(guān)認(rèn)知處理解剖學(xué)結(jié)構(gòu)原理。（Marr, 1982)參考文獻(xiàn)：心理學(xué)思想的流變心理學(xué)名人傳，張春興 著，上海教育出版社，2002 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué) Gazzarniga M. 主編沈政等譯，MIT出版社1995年，上海教育出 版社1998年楊雄里：腦科學(xué)的現(xiàn)代進(jìn)展，上海科技教育出版社1998年版沈政：腦科學(xué)與素質(zhì)教育，教育研究1999年第8期 可利用的資源：孔令軍等，中國教育技術(shù)學(xué)科: 進(jìn)展、問題和前景J ，陜西廣播電視大學(xué)學(xué)報，2007， (1)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)研究所：http:/ 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究實驗室 作業(yè)：教育技術(shù)學(xué)的學(xué)科定位問題？新技術(shù)環(huán)境下認(rèn)知、學(xué)習(xí)與教學(xué)的研究趨勢？本章小結(jié)本章小結(jié) 1 1、腦科學(xué)的研究對象與目的、腦科學(xué)的研究對象與目的 2、腦科學(xué)的研究方法、腦科學(xué)的研究方法3、認(rèn)知科學(xué)研究的對象與目的、認(rèn)知科學(xué)研究的對象與目的 4、認(rèn)知科學(xué)的研