认知神经科学研究方法（长文6000+字）

Part 1 认知心理学

认知心理学从信息加工的角度来研究心理活动，其假设为：我们在世界中并非是直接感知和行动的，我们的感觉、思维和行动都依赖于我们内在的转换或运算。

心理的神奇特性，用一个例子就可以说明，当每个单词的第一个和最后一个字母正确时，是不影响我们理解的（要有上下文）。比如：“Aoccding to a rscheearch at Cmabridge Uinervtisy, it deosn`t mttaer in waht oredr the ltteers in a word are, the only iprmoatmt tihng is taht the frist and lsat ltteer be at the rghit pclae.”与之后要说的心理操作中的词优效应（实验是：当给被试迅速呈现一个刺激后，询问被试两个目标字母刚才是否看过，即刚才的刺激是否出现过两个目标字母。当给被试呈现的刺激是单词时，正确率最高）一起，表明了我们识别单词之前并不需要识别单词中的所有字母，当我们阅读一列单词时，对单个字母的表征和对整个单词的表征是以平行加工的方式被激活的。

 

认知理论有两个关键概念：心理表征和心理表征转换。心理表征的概念指出，我们的信息加工依赖于内部的表征，如，理解“球”，我们可以用图形在心里表征，可以用数学方程进行表征，还可以用语言对其进行表征。心理表征转换的例子，如我们要将现在的感觉与记忆中的知识相联系，转换成可以理解的、可以运用的信息，再比如，我们要学会一个新的运动项目，我们需要将学到的知识表征转换为运动表征（书本或教师口头表述的文字转换为动作表象）。

关于心理表征的转换，Michael Posner做了一个分类实验：要求被试按照几个条件对字母进行分类——同音同形（如A和A），同音（A和a），同为辅音，同为元音。最后发现，被试对物理特征相同条件反应最快（如同形字母），其次是语音相同。结果表明，我们对刺激存在多重表征，第一重表征基于刺激的物理特性，第二重表征是语音表征，最后一重是类别表征（如同为辅音）。后来的进一步实验，将两个字母呈现时间的差异（两个刺激之间的时间间隔）拉长，物理特征相同和语音相同条件的反应时差异减小了，这说明了对第一个呈现的慈母，内部表征在这段时间间隔内进行了转换（由物理刺激表征转换为了语言特性或是更为抽象的表征）。

在关于心理表征的实验中，不难发现，认知心理学中一个关键的因变量就是“反应时”（被试作出判断时的速度）。反应时的测量需要精确计时的方法，研究人与人之间反应时的细微差异。

 

认知心理学的另一个基本假设，与“心理操作有关”：人要完成任务，需要一系列的心理操作——将一个表征作为输入，然后对其进行某种形式的加工，由此产生另一个表征作为输出。

Saul Sternberg做过一个实验，先给被试呈现一系列需要记忆的字母，然后呈现单独的一个字母，问被试刚才呈现的一系列字母中是否有这个字母（被试被要求按“是”或“否”的按钮）。实验假设有两个，如果人是系列加工（即按顺序从记忆的第一个字母开始，在心里按顺序一个一个比照“是否有这个字母”），则被试的反应时会随着给出的系列字母的数量的增加而边长；如果人是平行加工（即在心里同时对所有记过的字母与目标字母进行比照，而不是一个一个对比），则反应时不会随着给出的系列字母数量增加而线性变化（即反应时独立于记忆中的项目数）。

实验结果表明，我们的心理操作是序列加工，并且是穷尽搜索式的。这里需要说明一下：如果是终止搜索，在按“是”的反应任务中，被试一旦发现匹配的情况就停止在大脑中比照剩余的字母（按“否”的反应任务，需要被试将出现的字母在原先识记的字母中做全部检查），按“否”的反应任务的反应函数斜率应当是“是”反应函数的两倍；如果是穷尽搜索，不管是按“是”还是“否”，两个反应任务的函数是平行的。结果说明在这项任务中，人是穷尽搜索的，如此浪费心力的心理操作，可能的解释是：贮存所有比较的结果之后再评估要比实时地对比的结果作出评估要容易。

信息加工的假设也有一些局限，比如不能够确定记忆比较受限是由于记忆本身的特性还是人类心理加工普遍的特性。

J．R．Stroop做了一个实验（Stroop效应），让被试指出呈现的单词的颜色（单词是具有颜色词义的，如red，是红色还是黑色，正确答案是黑色）。在实验结果看来，基于单词词义的表征是自动激活的，即便我们的任务是要被试指出单词本身的颜色。又由于单词的词义表征是语言反应系统控制的，我们只要让被试用按键来说明看到的颜色，词义本身的影响会比被试口头表达要小。

 

 

Part 2 计算建模

计算机模拟用于模拟神经网络，探讨认知加工问题。通过人工智能，我们可以模拟几种不同连接方式的模型在加工信息时的差异（人的内部构成是相似的，但是让人千差万别的是内部的构造方式，即连接方式）。

在用计算机建模时，常常使用损伤技术，即制造“损伤”，观察模型所表现出的故障是否类似于神经病患者所表现出的行为缺陷。

 

 

Part 3 运用于动物的实验技术

大多认知神经科学的实验不能够直接将人作为被试，因而，常常使用动物被试，有的实验是测量和记录静息或活动条件下的细胞活动，有些技术是通过破坏目标脑区或者使其暂时失活的方法制造损伤而操控神经活动。

 

单细胞记录。单细胞记录常常是在细胞膜外插电极进行的（虽然在细胞膜外测量不能够保证电极末端的电位变化就是单一细胞的活动，但相比于将电极插入细胞内会损坏细胞的风险，这种方法会更靠谱一些），主要目的就是确定怎样的实验操作会引起一个独立细胞的反应产生恒定变化。比如，在视觉系统中，视觉敏感细胞仅仅会对某个有限区域的刺激产生反应（该区域被称为“感受野”）左下角的视觉刺激（如图片）只能够刺激部分神经元，而“左下角”的区域即为这部分神经元的感受野。外部维度（如空间位置）和对应该维度的神经表征之间会形成有序的映像，形成拓扑地形表征。

多细胞记录。在大脑中，整体是大于部分之和的，所以，测定单一细胞并将这些组合在一起并不等同于它们真正组合在一起的功能，为此，生理学家发展了可以同时记录多个神经元活动的技术。

 

损伤。通过选择性地去除一个或多个脑结构来研究行为发生的变化，如用一个吸取装置去除目标结果，如用足够强的电流破坏组织，如用药物选择性破坏神经递质的细胞，如用药物暂时损坏神经的功能（事后会恢复）。但用损伤的技术，并不能够精确地获悉具体的功能，因为可能会有代偿作用（某部分的损伤会使得其他部分增强）。

 

遗传控制。由于基因研究的发展，人们可以通过基因来预测或探索人的某些行为或表现（关于基因，需要注意的是，并不是只有基因就能够预测了，有时候基因要表达出来需要获得一定的环境支持）。一个关键的方法学是基因敲除程序，即对特定基因进行处理，使其不再存在或表达。

 

认知神经科学的因果关系需要特别注意，很多时候只能够得出相关，但是不能够得出因果关系。如创伤性应激障碍和海马体积相关，但是不能确定是创伤后应激障碍导致了海马变小，还是海马体小本身导致了人更容易产生创伤性应激障碍。

 

Part 4 神经病学

神经病学，以神经障碍病人为研究对象，探究神经结构与其功能之间的关系（某部分神经结构受损会导致某些功能出现异常，该结构就可能与该功能有关）。在神经病学中探查病人受损神经的方式有几种：计算机断层扫描（computed tomography，CT）、磁共振成像（MRI）、弥散张量成像（DIT）。

计算机断层扫描，也就是CT，用X射线，通过头部不同介质组织对X射线的不同吸收能力来呈现脑的结构。重构的图像常常会将对比度点到：高密度的地方以明色表示（如头骨），低密度的区域则是暗色（如存有许多脑脊液的脑室）。

磁共振成像，其利用的是原子核中的质子和中子对磁力的敏感性。在大脑的有机组织中，氢原子就可以起作用：MRI形成一个磁场，在磁场下，元素会排列整齐，而此时利用无线电波干扰使其排序以系统的方式变化，从而获悉大脑结构。MRI的分辨率要比CT高很多。

弥散张成像是利用MRI扫描仪研究形成白质的轴突束的显微结构。其利用的是轴突中水的密度和水的扩散性来研究轴突：利用水的扩散性，可以获悉轴突的位置、髓鞘的位置（轴突存在，则使得神经中的水被轴突细胞膜限制扩散；髓鞘存在，则会让水运动的限制程度更大）。

 

神经病学对神经障碍的主要探索有血管病、肿瘤、退行性和感染性疾病、创伤和癫痫症。

血管输送的氧气和葡萄糖对大脑有非常重要的作用，如果大脑缺氧，十分钟就可以导致神经死亡。在血管病中，利用的是血管造影技术（评估大脑循环系统的成像技术，用注射的染色剂观测X光扫描的脑部血管分布）。有四条动脉输送给大脑：两条颈内动脉（大脑前动脉和大脑中动脉）和两条椎动脉。当流入大脑的血液忽然受阻，就会发生大脑血管性事故或卒中（卒中常见的原因是，动脉硬化，也就是脂肪组织累积在心脏，而这些脂肪组织后被打碎，成为血液中携带着的栓塞物，栓塞物可以轻易通过脑部较大的动脉，却难以通过脑部细小的血管，一旦在狭窄处阻塞，就会使下游组织缺乏氧和葡萄糖，组织很快就会失活）。

此外，还有很种类的脑血管疾病，如血压骤降使脑部血供应不足，血压骤升导致脑溢血，血管破裂使大脑大范围出血，血管痉挛引发偏头痛。还有一些是动脉结构的问题，如大脑动脉硬化，动脉壁变厚和硬化造成大脑血管变窄的慢性疾病。

 

肿瘤，是指没有生理功能的大量不正常增生组织。大脑肿瘤大部分来自神经胶质细胞和白质组织。肿瘤分为良性肿瘤和恶性肿瘤，良性肿瘤是去除后不再复发并且取向维持在它们萌发的区域；而恶性肿瘤在去除后十分容易复发，且通常分布在不同区域。

根据起源的位置，脑瘤可以分为三大类：神经胶质细胞瘤、脑膜瘤和转移瘤。神经胶质细胞瘤即神经胶质的不正常增生，脑膜瘤起源于大脑的保护性薄膜，转移瘤是从其他非脑结构中转移的瘤。

 

退行性和感染性疾病。退行性疾病和基因缺陷、环境因素有关。典型的退行性疾病如亨廷顿氏舞蹈症，其原因主要是基底神经节中的尾状核和壳核中间神经元萎缩。而诸如帕金森氏症、阿尔茨海默症则可能与环境相关更大一些，帕金森氏症主要是多巴胺神经元的丧失，阿尔茨海默症是边缘系统和颞顶皮质的缠结合斑块所致。还有一些疾病是病毒所致，如艾滋病相关的痴呆是人类免疫缺陷病毒（HIV）聚集于大脑皮质下区域。

 

创伤。创伤事件可能导致闭合性或开放性头部损伤。闭合性损伤指头骨完整，由于大脑被撞向头部的冲力或反冲力所伤害，如紧急刹车撞到头部（我们眼眶区域的锯齿状骨头很容易在脑部前冲时破坏神经组织）；开放性头部损伤是头骨被子弹或榴弹等物体穿过后造成的损伤。在创伤事件发生后，动脉问题和感染容易变成危害（动脉问题如血管破裂造成颅内压力增加、中断血流等问题）。

 

癫痫症。癫痫症是大脑活动过度和异常的一种状态，一般由急性事件（如创伤）、暴露在有毒的化学物质或者是高烧导致，在癫痫发作时，个体往往失去意识。

 

神经病学给认知神经科学的启发，很多是其干预手段带来的。在早期的干预中，功能性神经外科手术常常被用于“治疗”，比如割裂脑手术（过去人们认为，额叶管控的“超我”太强导致本我被压制，便切除人的额叶来进行治疗；还有些人认为切开胼胝体，即连接左右脑的部分，可以防止生理畸变影响到另一半球）。随着科技的发展，深部脑刺激被运用于治疗：电极插入基底神经节中，产生连续信号诱发神经活动 。胚胎移植也是一种治疗方法，从流产胎儿中取出细胞，放置到病人受损的神经结构中，由于胚胎还未分化、未成熟，将其置于其中可以生成新的组织，帮助病人恢复神经联结（胚胎的干细胞不仅仅可以生成神经系统，还可以生成循环系统、消化系统）。

 

Part 5 多方法结合

单分离和双分离任务。认知神经心理学家常常涉及至少包含两种任务的实验，一类是实验任务（操纵变量），另一类是控制任务（参照组）。在两种任务的基础上，如果发现两组被试在两项任务上进行测试的结果出现明显的组间差异，则出现单分离现象。但单分离现象并不能将脑功能与脑结构相对应，特殊性问题有可能是敏感性不够得出的结论（书上的例子：两辆六缸汽车，一辆引擎全新，另一辆只用五缸行驶，二者同时在城市中行驶，都必须保持较慢的速度，此时看不出两辆车性能差异。而放置到高速公路时就很明显地看出差异了，但我们不会说，这辆车知识选择性地对高速公路驾驶有缺陷，因为城市驾驶测试缺乏足够的敏感性）。为了更好地获悉是一般性问题还是特殊性问题（如是意识障碍问题，还是记忆问题，意识障碍个体无法保持正常意识为一般问题，而意识障碍必然会出现记忆问题，即特殊问题），常常在利用“双分离”，即第一组在任务一上受损，而第二组在任务二中受损（比起单分离，这里出现三个组，两个实验组，一个控制组）。双分离中，通过论证一个任务受另一种操纵的影响而另外一个任务选择性地受另一种操纵影响而获得可分离的认知操作证据。

在对脑损伤的研究中，个案研究常常被“提上日程”，因为没有两种卒中或肿瘤是完全一样的。不过个案研究的局限性还是有些大，于是，群体研究受到了关注。在群体研究中，尽管损伤的方位不一样，但共同病变的位置可能导致被研究者在任务完成上有共同的缺陷模式。群体研究使得研究者能够寻找相关损伤患者之间的相似性，对不同脑结构损伤的影响作出系统比较。

 

经颅磁刺激（虚拟损伤）。经颅磁刺激（TMS）是无创地在大脑中产生局部刺激（磁脉冲），以干扰正常神经活动，观察我们的行为与脑区结构的关系。这种虚拟损伤的技术，选择性地干扰特定皮质区域的正常活动，可以研究较为简单的一些行为活动（复杂的任务会有更复杂的机制，往往不是某个脑区单独负责）。

 

脑电图（EEG）。脑电图提供的是全脑活动的连续性记录，由于正常个体的EEG模式往往是一致的，所以可以通过EEG记录检测到大脑功能异常。但由于脑电图是测大范围脑区的活动，不能够精确获悉具体部位的功能。为此，研究者将一系列外部刺激多次呈现，将这一系列试次中得到的EEG对其并进行平均，便可去除与目标刺激无关的脑电变异，获得事件相关电位（ERP）。在临床和基础研究中，ERP已经帮助研究者获知了不同事件（如听觉加工、视觉加工）所对应的脑区。

另外，与ERP相关的还有脑磁图（MEG）。MEG利用的是活动神经元产生的微弱磁场来进行观测，通过一系列试次的叠加平均得到事件相关磁场（ERF）。

 

最后是利用新陈代谢的信号对大脑活动进行观测的技术，如正电子发射断层扫描（PET）和功能性核磁共振成像（fMRI）。

PET测量与心理活动相关的局部脑血流变化。常见的PET形式是给被试注入放射性氧标记的水，之后产生伽马射线被PET检测，如此便能够得知脑部血流的分布（哪里有更多的血流，哪里就有更多的射线），而结合“当一个脑区激活时，通过增加血流量，使其有更多的养和葡萄糖”可知大脑活动的区域。

fMRI同样也是利用大脑活动区域的局部血流量增加这一原理，测的是血红蛋白的磁场（氧合和脱氧血红蛋白之间的比率，即血氧水平依赖效应）。注意区别于MEG的活动神经元微弱磁场探测。

PET和fMRI在使用上更多的是后者，这是因为：fMRI扫描仪在发达国家或发达地区基本都有配备，且使用起来不需要像PET那样的复杂（PET需要有专业人员来管理扫描仪和放射性示踪剂的生成）。相较而言，fMRI的空间分辨率更高一些。

但是PET和fMRI相比于单细胞记录、ERP都有局限——时间分辨率很差。PET要受到放射性物质衰变速率的限制，fMRI也要等待新陈代谢的变化才能够测定，而大脑的活动在时间上要先于二者。因而，PET和fMRI都不能“在线”测量，都是延时测量。

 

综合来说，为了弥补各项技术的不足，认知神经科学常常会把成像、行为和基因技术结合在一个研究中。