醫(yī)學認知神經科學研究方法簡述PPT培訓課件

認知神經科學研究方法簡述在研究層次上重視多層次的跨學科整合

在一般的概念層面上實現(xiàn)新的跨學科的整合

越來越認識到各分支學科相互間進行對話和交流的必要性利用不同學科的方法收集到的不同類型的數(shù)據(jù)，推進實驗層面上的整合

例如，對語言的研究需要將定性的語言學數(shù)據(jù)與實驗心理學和神經學的數(shù)據(jù)結合起來考慮；而解決意識問題，不僅要求重視行為學和神經學數(shù)據(jù)，也要兼顧意識經驗的實驗數(shù)據(jù)實現(xiàn)由計算思想與模擬所帶來的理論上的整合

用計算手段研究復雜和多樣化的認知過程是必要的，還需要通過模擬讓研究者們看到他們的理論思路的成就及其局限。這種跨學科、多層次的整合是認知科學發(fā)展的另一趨勢在研究方法上注重采用無損傷性實驗技術

以ERP、fMRI等為代表的腦成像技術的發(fā)明和發(fā)展，已成為現(xiàn)代高科技的一個競爭熱點，匯集了信息科學、物理科學以及其它工程科學的眾多高科技成果腦成像技術可以直接“觀察”大腦的活動。采用腦成像技術研究腦的認知結構和功能，已成為腦科學與認知科學發(fā)展的一大趨勢腦成像技術還有待完善。腦認知成像技術可以為我們對認知過程的腦功能形成直觀的圖像，但還受到時間、空間分辨率的限制認知科學與神經科學的結合生物定向的調查能夠改變認知理論神經成像技術可提供比行為測量更直接的可解釋信息提出認知領域新的組織方式

——E.E.Smith信息載體信息源信息提取與加工信息獲取磁共振波譜功能像擴散張量成像偶極子定位磁共振結構像光學成像事件相關電位分子像腦磁圖神經細胞的電磁活動當興奮脈沖沿著神經細胞的軸索到達突觸時，突觸囊泡將特殊的傳遞分子釋放到約50nm寬的突觸裂隙中，這些分子迅速在裂隙中彌散，其中一部分被突觸后細胞表面的受容體所截獲，結果受容體分子的形態(tài)改變并使膜表面的離子通道開放。電荷的流動（通常是Na+，K+，Ca2+離子）使后一個細胞的膜電位發(fā)生改變，這一電位改變即為突觸后電位。細胞內電流和細胞外的電流

ERP的技術原理事件相關電位(Event-relatedpotential,ERP)，是與實際刺激或預期刺激(聲、光、電)有固定時間關系的腦反應所形成的一系列腦電波利用ERP的固定時間關系，即鎖時(time-locked)關系，經過計算機的疊加處理，則可以提取出ERP成分時間分辯率為ms級，空間分辯率為cm級聽覺ERP成分波形命名測量指標-10020040060080010000.0-2.02.04.0ERP地形圖偶極子定位MEG的技術原理MEG檢測的是頭皮腦磁場信號，該腦磁場信號是由神經細胞內電流的體積電流所產生，這種腦磁場信號與顱骨形狀的復雜性以及顱骨內腦組織導電率的不均勻一致性無關，因此MEG具有定位精度高，無損傷，無須測定基準等優(yōu)點空間定位精度可達2毫米范圍以內，而且其時間分辨率可達１毫秒細胞內電流產生的MEG信號SQUID傳感器:-269℃磁場屏蔽室:兩層m金屬板和一層鋁板

275個傳感器在頭盔內的分布

MEG波形

MEG地形圖

GoalsofSourceReconstructionexperiment&measurementspatialdistributiontimecoursespatio-temporalimageofbrainactivityForwardCalculationHeadModelSensorsModelSourceModel-idealized-simplifiedData(estimated)InverseCalculationHeadModelSensorsModelSourceModelData(measured)physicalmodelrealisticheadmodeling3Dautomaticsegmentation~30mm2=5.5×5.5mm2SizeofMacroscopicNeuralActivityEquivalentCurrentDipole(Primarycurrent)(~50nAm)parameters:position:x,y,zdirection:q,fmagnitude:m

+--cellbodysinksourcesynapse-

+Equivalentcurrentdipolemodel:cortexMicroscopiccurrentflow(~5×10-5nAm)

Inversemethoddetermines:

positionsdirectionstimecoursesofthedipoles.Spatio-temporaldipolemodelDipolemodelsdoverywellinagreatnumberofcases:ExogenoussensorycomponentsPreattentiveprocessing,e.g.MMNEpilepticspikes...andmanymoreDipolemodelsdoverywellinagreatnumberofcases:Exogenoussensorycomponentse.g.P30evokedbyelectricstimulationoftherightmediannerve.

Dipolemodelsdoverywellinagreatnumberofcases:Preattentiveprocessinge.g.MEGequivalentofmismatchnegativityevokedbydeviatingwordsandvoices(Kn?scheetal.,NeuroImage2002)Dipolemodelsdoverywellinagreatnumberofcases:EpilepticspikesEEG與MEG比較MEG--正切磁場測量，EEG--徑向磁場測量MEG測量細胞內電流，而EEG測量細胞外電流腦功能區(qū)呈多方位立體分布，信號為立體傳遞。由于頭部各組織的導電率各不相同的效應，使得腦電圖信號在到達頭皮表面后產生信號失真腦磁場為空間探測，將頭顱作為球型導體在顱外與之呈正切方向均能檢測到腦磁場信號，既腦磁圖信號和各種腦組織的導電率無關，因此腦磁圖信號在穿透頭皮后不會產生任何失真MEG的價格是EEG的20倍PET的技術原理正電子斷層掃描術（PositronEmissionTpmography,PET)獲得正電子標記藥物在人體中的三維密度分布，并隨時間變化的特點PET探測器光轉換器：將高能湮滅光子轉化為低能量光子光探測器：收集上述低能量光子，轉化為電信號性能指標：空間分辨率(5mm)、靈敏度、信噪比、時間分辨率、能量分辨率fMRI的技術原理血氧水平依賴性（bloodoxygenation-leveldepndent,BOLD）：腦血管中的血氧變化→局部磁場變化→NMR信號強度變化空間分辯率為mm級，時間分辯率為sec級普通MRI開放式MRI1、外磁場 2、射頻激發(fā)3、信號的提取 4、數(shù)據(jù)處理和圖象產生BloodOxygenationLevelDependent(BOLD)contrastOxyhemoglobinDeoxyhemoglobinPARAMAGNETICDIAMAGNETIC

(SimilartoTissue)BasalActiveCBFO2extractionOxy-HbBrainActivityRearProjectionSystemComputerprojectorscreenmirrormagnetParadigmcomputerBLOCK1BLOCK2RESTTRIALTraditional:BLOCKDESIGNNewlydeveloped:EVENT-RELATED123456ERP+fMRI在不同條件下根據(jù)被試的反應對ERP和fMRI結果進行分類，并在實驗后進行“off-line”分析。ERP頭皮分布與fMRI影象可反映腦內神經活動的不同模式。ERPs與fMRI可通過不同的實驗條件測量認知加工的的功能性分離。ERP具有ms級的時間精確度，而fMRI則有mm級的空間分辨率。光學成像原理近紅外線光譜氧合血紅蛋白與去氧血紅蛋白濃度的變化時空分辨率間于ERP-fMRI日立醫(yī)學公司生產的24導光學成像儀器OpticalImagingCamberLatticeUsedinPropagationExperimentRecordingElectrode

StimulateElectrode

45Sample:1ms光學成像（OpticalImage)腦皮層內源性光學信號成像（IOS）：可以獲得神經元群體的活動圖象，其空間分辨率高達10微米，能顯示出腦信息處理的空間編碼細節(jié)。A.Grinvaldetal,Tech.ReportGC-AG/99-6.

ModernTechniquesinNeuroscienceResearch.U.WindhorstandH.Johansson(Editors)SpringerVerlag.(2001)多道微電極神經元電活動記錄三維電極陣列（腦芯片）讀取腦信息細節(jié)M.

D.

Sereuyaetal.Nature416,141-142(2002)電極陣列應用研究

意識控制物質猴用意識直接控制機械臂或鼠標Sereuyaetal.

Nature416,141-142(2002)Miguel