神經(jīng)科學(xué)類(lèi)實(shí)驗(yàn)儀器

1、神經(jīng)科學(xué)類(lèi)實(shí)驗(yàn)儀器近20年來(lái)，隨著現(xiàn)代物理、電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，腦功能成像技術(shù)取得了令人矚目的成功，出現(xiàn)了一批功能強(qiáng)大的無(wú)創(chuàng)性的腦功能成像手段，如：正電子放射層掃描術(shù)（Positron Emission Tomograph, PET）、功能性核磁共振成像技術(shù)（functional magnetic resonance imaging，fMRI）、腦電圖(electroencephalograph，EEG)、事件相關(guān)電位(event-related potential，ERP)、腦磁圖(magnetoencephalography，MEG) 和近紅外線(xiàn)光譜分析技術(shù)(near-infrar

2、ed spectroscopy)等。這些技術(shù)被迅速應(yīng)用到了認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域中，而認(rèn)知心理學(xué)家們也迫不及待地把這一高科技手段用以擴(kuò)大我們對(duì)認(rèn)知心理過(guò)程的理解。例如，大量的腦功能成像研究結(jié)果均支持了大腦功能模塊化的基本思想，即大腦認(rèn)知功能廣泛分布在大腦的各個(gè)區(qū)域，每種功能都是一些特定腦區(qū)共同作用的結(jié)果，即是說(shuō)，一定的心理過(guò)程是與特定的腦區(qū)相關(guān)聯(lián)的。這些認(rèn)知神經(jīng)方面的研究成果極大地豐富了心理學(xué)的內(nèi)涵，同時(shí)也深入了心理學(xué)對(duì)人的認(rèn)知活動(dòng)的理解。下面就給大家簡(jiǎn)要介紹幾種目前最常用的腦功能成像技術(shù)。一、正電子放射層掃描術(shù)正電子放射層掃描術(shù)（Positron Emission Tomography，PE

3、T）可被用來(lái)測(cè)量大腦的各種活動(dòng)，包括葡萄糖代謝、耗氧量、血流量等等，特別是血流量已被證實(shí)是反映大腦功能變化的一個(gè)可靠指標(biāo)。PET從20世紀(jì)70年代末開(kāi)始獲得成功，目前在視知覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、記憶、注意等方面均得到了積極的應(yīng)用。其基本原理是：把示蹤同位素注入人體，同位素釋放出的正電子與腦組織中的電子相遇時(shí)，會(huì)發(fā)生湮滅作用，產(chǎn)生一對(duì)方向幾乎相反的-射線(xiàn)，可以被專(zhuān)門(mén)的裝置探測(cè)到，據(jù)此可以得到同位素的位置分布。常用的同位素有11 C、13N、15O、18F、68Ga。例如，實(shí)驗(yàn)時(shí)可以將氫和氧的一種放射性同位素如15O化合成標(biāo)記水，注入手臂靜脈后，只需1分多鐘時(shí)間便可在腦內(nèi)聚集，由于標(biāo)記水不斷放出正電子，于是就

4、可以得到一幅腦血流像。在實(shí)驗(yàn)條件和對(duì)照條件下分別得到一幅腦血流像，對(duì)照條件除了不包括要研究的實(shí)驗(yàn)因素外，其他條件與實(shí)驗(yàn)條件均盡可能相同。這樣，將兩幅圖像相減，所得到的PET圖像即是與所研究的實(shí)驗(yàn)因素相關(guān)的腦血流像，圖中較“亮”的區(qū)域則被認(rèn)為是由該實(shí)驗(yàn)因素所激活的腦區(qū)。PET的優(yōu)點(diǎn)為：對(duì)人體基本無(wú)傷害，可以重復(fù)使用；觀(guān)察范圍不局限于腦的表層，還可以測(cè)查腦的深層部位。缺點(diǎn)為：成像時(shí)間較長(zhǎng)，故在實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ缴线x擇余地很?。槐M管基本上屬無(wú)創(chuàng)性技術(shù)，但仍受放射性物質(zhì)劑量的限制，同一被試不宜頻繁參加PET實(shí)驗(yàn)，這不利于那些需要被試多次參加實(shí)驗(yàn)的研究；此外，系統(tǒng)造價(jià)很高，除PET掃描機(jī)外，一般還需配備一臺(tái)加速器

5、以制備同位素。二、功能性核磁共振成像技術(shù)功能性核磁共振成像技術(shù)（Functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI）是20世紀(jì)90年代初以來(lái)，隨著核磁共振成像技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的新技術(shù)。它由以下幾種成像技術(shù)組成：（1）基于血氧水平的大腦活動(dòng)成像，用以顯示在執(zhí)行特定任務(wù)時(shí)大腦相關(guān)區(qū)域的興奮狀況。這種技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于大腦的認(rèn)知活動(dòng)及其功能定位研究。人們通常所說(shuō)的“功能性核磁共振成像”就是特指這種方式的成像，記作fMRI。（2）微觀(guān)水活動(dòng)性成像，可用以提供由于血管疾病導(dǎo)致腦組織壞死過(guò)程的時(shí)態(tài)信息。（3）微血管血液動(dòng)力學(xué)成像，用于顯示腦血管病理學(xué)狀態(tài)。fMRI的工作

6、原理是：將被試放入一個(gè)強(qiáng)大的磁場(chǎng)，測(cè)量被試在強(qiáng)磁場(chǎng)中活動(dòng)時(shí)血液中含氧量的變化，以此來(lái)確定神經(jīng)活動(dòng)的情況。因?yàn)橛醒芯勘砻鳎@種含氧量的變化與神經(jīng)活動(dòng)是密切相關(guān)的（Fox, 1988）。與其他成像手段相比，fMRI具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)：（1）信號(hào)直接來(lái)自腦組織功能性的變化，無(wú)須注入造影劑、同位素或其他物質(zhì)，因此具有無(wú)創(chuàng)性，同一被試可以反復(fù)參加實(shí)驗(yàn)；（2）它可以同時(shí)提供機(jī)能性和結(jié)構(gòu)性的圖像，對(duì)于大腦的準(zhǔn)確的機(jī)能定位至關(guān)重要；（3）具有極高的空間分辨率，可以達(dá)到1mm，是目前主流成像工具中最好的，成像速度也非常快，可以達(dá)到幾十毫秒；（4）有大量參數(shù)供實(shí)驗(yàn)者自由控制，以實(shí)現(xiàn)各種特定效果的掃描。但也有一些不足

7、之處：由于它不是直接檢測(cè)神經(jīng)活動(dòng)，而是檢測(cè)滯后于神經(jīng)活動(dòng)5-8秒的氧信號(hào)，故其時(shí)間分辨率低于EEG和MEG；它的實(shí)驗(yàn)環(huán)境不適于幽閉恐怖癥患者；其掃描過(guò)程中的巨大噪聲也妨礙了它在聽(tīng)覺(jué)研究上的應(yīng)用；系統(tǒng)造價(jià)也較高。由于fMRI的上述優(yōu)勢(shì)，在其問(wèn)世的短短6、7年中便成為最受推崇的一種腦認(rèn)知成像手段，其應(yīng)用已遍及認(rèn)知科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域。目前，國(guó)內(nèi)外已有數(shù)以百計(jì)的研究機(jī)構(gòu)在進(jìn)行著fMRI或其應(yīng)用的研究。三、高分辨率腦電技術(shù)腦電（Electroencephalograph，EEG）技術(shù)經(jīng)過(guò)最近幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為一種比較成熟的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究手段。其原理是：大腦在工作時(shí)，神經(jīng)細(xì)胞中的離子運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生電流，在頭

8、皮表面形成微弱的（微伏級(jí)）電位，腦電裝置通過(guò)高靈敏度的電極和放大器來(lái)探測(cè)這些電位。因?yàn)橛缮窠?jīng)細(xì)胞的離子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流非常微弱，再加上腦電信號(hào)通常伴隨著巨大的噪聲，為機(jī)能定位帶來(lái)了困難，因此，在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)中常用“事件相關(guān)電位（Event-Related Potential，ERP）”來(lái)記錄對(duì)相同刺激的多次重復(fù)呈現(xiàn)所產(chǎn)生的腦電位變化的迭加平均值，以濾去噪聲，得到與刺激相關(guān)的電信號(hào)，其信噪比與迭加次數(shù)的平方根成正比。高分辨率EEG的主要優(yōu)勢(shì)在于直接反映了神經(jīng)的電活動(dòng)，它有極高的時(shí)間分辨率，幾乎達(dá)到了實(shí)時(shí)（記錄與被試的活動(dòng)幾乎同時(shí)進(jìn)行），而且具有較低的系統(tǒng)造價(jià)，使用、維護(hù)都較為方便；同時(shí)它也是完全無(wú)

9、創(chuàng)性的，腦電活動(dòng)能夠從頭皮表層測(cè)得，因此在實(shí)驗(yàn)時(shí)，研究者可以將電極置于頭皮的特定位置，然后由儀器自動(dòng)記錄腦電活動(dòng)。EEG的缺陷在于空間分辨率較低。但是20世紀(jì)90年代以來(lái)，腦電記錄的導(dǎo)聯(lián)（電極）數(shù)由過(guò)去的最高32導(dǎo)聯(lián)發(fā)展到64、128導(dǎo)聯(lián)，甚至256導(dǎo)聯(lián)，空間分辨率已經(jīng)大為提高；與此同時(shí)，關(guān)于大腦興奮源的逆向算法也漸趨成熟。我們可以按照一定的物理模型，根據(jù)高分辨率腦電記錄到頭皮電位的分布，來(lái)計(jì)算出大腦神經(jīng)電興奮源的位置、強(qiáng)度或方向。這些發(fā)展表明，隨著腦電發(fā)展到高分辨率階段，它已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從量變到質(zhì)變的變化，成為一種新型的腦認(rèn)知成像工具。目前，各種定位算法還在不斷改進(jìn)之中，有的算法的定位精度可以達(dá)

10、到1cm左右，但它們的可靠性亦有待進(jìn)一步證實(shí)。四、腦磁圖大腦工作時(shí)所形成的電流，在頭顱外表會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，腦磁圖儀可以捕捉這些極微弱的磁信號(hào)，繪制腦磁圖（Magnetoencephalography，MEG），便可反映大腦內(nèi)部的神經(jīng)活動(dòng)，這就是腦磁圖的工作原理。利用腦磁圖，研究者可以從顱外記錄到神經(jīng)信號(hào)，并且能識(shí)別出顱內(nèi)發(fā)出這些信號(hào)部位的信息。研究者利用這種方法畫(huà)出了人類(lèi)軀體感覺(jué)（觸覺(jué)）和視覺(jué)皮層區(qū)圖，并畫(huà)出了腦的這些部位接受傳入信號(hào)的神經(jīng)通道。腦磁圖系統(tǒng)包括如下幾個(gè)關(guān)鍵設(shè)備：（1）超導(dǎo)量子干涉儀，在超導(dǎo)狀態(tài)下工作，可以幫助靈敏地探測(cè)神經(jīng)磁場(chǎng)；（2）磁屏蔽室，用以屏蔽來(lái)自地磁場(chǎng)、電源線(xiàn)和其他磁

11、性物體的巨大電磁噪聲；（3）梯度儀，用來(lái)有選擇地消除與所關(guān)心的神經(jīng)磁信號(hào)無(wú)關(guān)的外界信號(hào)。腦磁圖的突出優(yōu)點(diǎn)為，由于神經(jīng)電興奮源所引起的感應(yīng)磁場(chǎng)基本上能夠穿透顱骨和組織達(dá)到頭的表面而不受干擾，因此它對(duì)神經(jīng)興奮源的定位比較直接與準(zhǔn)確。而且，它還具有與高分辨率EEG相近的時(shí)間分辨率。而這種技術(shù)的缺點(diǎn)是儀器總造價(jià)很高，限制了普及；而且它只對(duì)某些流向的興奮源敏感，而其他流向的興奮源則可能無(wú)法探測(cè)到。如今，腦功能成像技術(shù)已成為認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)，它極大地推動(dòng)了認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展。然而我們也應(yīng)該看到任何一種腦功能成像技術(shù)都有其優(yōu)勢(shì)和不足，要想得到一個(gè)比較完善的腦功能成像工具，最好的辦法是將不同的成像手段結(jié)合起來(lái)使用。目前較為可行的辦法是將fMRI與腦電圖結(jié)合起來(lái)，這樣，核磁共振的高空間分辨率與腦電圖的高時(shí)間分辨率的互