認知神經(jīng)科學作為一門跨學科新興領(lǐng)域,橫跨眾多領(lǐng)域,例如生理心理學、神經(jīng)科學、認知心理學等。本文將從入門資料、研究方法、研究主題發(fā)出,帶你入門這一領(lǐng)域。
如果你希望入門或深入研究復雜系統(tǒng)、人工智能、計算社會科學等跨學科前沿領(lǐng)域,請登錄注冊集智斑圖網(wǎng)站,更多學習路徑在等你:
https://pattern.swarma.org/
認知神經(jīng)科學(Cognitive neuroscience)是關(guān)于心智認知過程的生物學。其學科術(shù)語來自“認知”和“神經(jīng)科學”兩個概念,是一門結(jié)合了認知心理學和神經(jīng)科學的交叉學科。
神經(jīng)科學主要研究在生物體中負責對組織器官與外部環(huán)境進行調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)即神經(jīng)系統(tǒng),尤其作為中樞控制系統(tǒng)的腦神經(jīng)系統(tǒng)。它關(guān)注的是有機體內(nèi)部活動和行為控制的生物基礎(chǔ)。
認知心理學是基于認知主義科學范式的心理學,關(guān)注大腦對外部世界基于各種線索和表征的心智建模與信息處理過程,將心智看做是一個基于離散符號處理的序列加工系統(tǒng)。因此,由神經(jīng)科學提供生物基礎(chǔ)和實驗方法,認知心理學提供了對各種心理活動信息操作過程的概念和解釋,二者聯(lián)姻的產(chǎn)物就是認知神經(jīng)科學:通過結(jié)合心理活動與大腦結(jié)構(gòu)的研究,具體研究感知、運動、情緒、學習、記憶、語言、注意與意識、認知控制以及社會認知等諸多心理過程,從而提供對“有形大腦的功能如何產(chǎn)生無形的心智”最完美的描述。
認知神經(jīng)科學主要采用神經(jīng)科學、認知心理學、計算建模、以及神經(jīng)病學(Neurology)等學科基本方法研究。這些學科關(guān)注角度不盡相同,各有側(cè)重,認知神經(jīng)科學的長處則在于對不同方法綜合運用以全面回答心腦與行為之間的關(guān)系問題。對認知神經(jīng)科學研究,這些學科基本知識儲備是必不可少的。
1. 入門教材
2. 神經(jīng)科學總論
3. 認知心理學:
4. 生物學與心理學應用:
5. 學術(shù)期刊
6. 學術(shù)會議:
認知神經(jīng)科學所涉及每一學科都有獨特的方法與技術(shù)工具,它們的應用范圍可以按照空間和時間分辨率兩個坐標來劃分:
下圖展示了兩個坐標下所采用的技術(shù)工具:
圖1:兩個坐標下所采用的技術(shù)工具
感知覺與物體識別
為處理外部環(huán)境的光刺激 、化學刺激、機械刺激與能量刺激,人類具有五種基本的感覺系統(tǒng),聽覺、嗅覺、味覺、軀體感覺以及視覺,使人可以解釋周圍的環(huán)境。每一種感覺都包含了獨特的通路和加工,以將外部刺激轉(zhuǎn)化為可以被大腦解釋的神經(jīng)信號。例如,在軀體感覺中包括了觸碰、溫度、疼痛等五種不同感受器。
圖2:外界刺激下的五種基本感覺系統(tǒng)
在每種感覺內(nèi),專門化的感覺機制被發(fā)展出來解決計算問題以促進和增強我們的知覺能力。就如神經(jīng)成像所揭示那樣,在大腦的感覺皮質(zhì)中都發(fā)現(xiàn)了專門化;這樣,即使顏色或運動知覺的皮質(zhì)機制缺失,人們?nèi)匀槐3挚吹哪芰?。在感覺喪失的極端情況下,知覺的皮質(zhì)系統(tǒng)可能會被完全重組。
論文題目:Activation of the primary visual cortex by Braille reading in blind subjects [1996]Sadato N1,Pascual-Leone A,Grafman J,Iba?ez V,Deiber MP,Dold G,Hallett M 論文地址:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8606771
在人的感覺系統(tǒng)中,五種感覺也不是孤立工作的,而是一致行動以構(gòu)建一個對世界的豐富的解釋,正是這一整合成為許多人類認知的基礎(chǔ),并且使人類在一個多感覺的世界中生存并興旺發(fā)展。(多通道知覺、聯(lián)覺)
論文題目:Polysensory properties of neurons in the anterior bank of the caudal superior temporal sulcus of the macaque monkey論文地址:https://www.physiology.org/doi/abs/10.1152/jn.1988.60.5.1615
論文題目:Multisensory Integration: Space, Time and Superadditivity論文地址: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960982205010171
論文題目:Synaesthesia: prevalence and familiality論文地址:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/8983047
論文題目:The Phenomenology of Synaesthesia論文地址:http://cbc.ucsd.edu/pdf/Ramachandran_JCS2003
論文題目:Unconscious priming eliminates automatic binding of colour and alphanumeric form in synaesthesia論文地址:https://www.nature.com/articles/35069062
論文題目:Functional magnetic resonance imaging of synesthesia: activation of V4/V8 by spoken words論文地址:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11914723
論文題目:Coming Unbound: Disrupting Automatic Integration of Synesthetic Color and Graphemes by Transcranial Magnetic Stimulation of the Right Parietal Lobe論文地址: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16989556
物體識別則涉及視知覺的高水平加工。
視知覺雙通路:人類視覺包括兩條不同通路以加工不同信息:腹側(cè)通路(ventral pathway)也稱 what 通路,專司物體知覺和識別,決定人們看到什么;背側(cè)通路(dorsal pathway)也稱 where 通路,特異于空間知空間知覺,決定物體在哪里、分析場景中不同物體的空間結(jié)構(gòu)。這兩條通路是雙分離的,例如一個盲視患者是腹側(cè)通路出了問題,他會失明看不到物體,但是他卻不會被路上的障礙絆倒。背側(cè)通路的正常足以讓他知覺到空間結(jié)構(gòu),盡管他自己意識不到這點只是自動避開。
圖3:視知覺雙通路:腹側(cè)通路與背側(cè)通路
視知覺的兩條通路 (Leslie Ungerleider&Mortimer Mishkin,1982;Milner&Goodale,2008)
物體識別的途徑是多樣的,涉及到很多水平的表征。要識別一個物體,視覺系統(tǒng)必須要物體恒常性(object constancy),即通過提取能夠區(qū)分彼此形狀的關(guān)鍵信息,來克服感覺輸人內(nèi)在變異性。為此有兩個主要理論:
對于不同刺激信息的不同層級表征,如顏色和形狀、對物體種類、以及某個物體整體知覺,是由專門細胞、層級編碼進行表征的,還是由各種復雜特征探測器集群編碼一同激活進行編碼的?這些問題都屬于大腦自下而上的分析加工,強調(diào)物體各組成部分的知覺分析形式,主要與左半球加工有關(guān)。
但是,所有的分析加工模型,都不能解決知覺整合問題。在大腦中也存在整體加工:一種強物體整體形狀的知覺分析形式,與右半球加工有關(guān)。例如功能性 MRI 的研究表明人類顳葉梭狀回的一個區(qū)域參與了面孔識別。
圖4:面孔知覺與物體知覺的分離模型
注意指的是將覺知集中于一個刺激、思想或行為上,同時忽略其他不相關(guān)的刺激、思想或行為的能力。注意分為兩大類:主動注意(voluntary attention):自上而下、目標驅(qū)動。有意進行注意目標的能力,常被想象為一個注意的“聚光燈”;反射性注意(reflexive attention):自下而上的、刺激驅(qū)動,被某個感覺事件捕獲注意。會出現(xiàn)返回抑制現(xiàn)象中,剛被反射性注意關(guān)注的位置經(jīng)過一定的時間后被抑制,會導致對此處出現(xiàn)的刺激的反應變慢。
圖5:注意與意識
意識包含多種含義,和覺知的概念在很多層面相互重合。如現(xiàn)象意識(phenomenal awareness,包括覺知、感覺與感受現(xiàn)象下一切神經(jīng)過程),與通達意識(access awareness,或稱取用意識,可以對意識內(nèi)容進行報告)。前者可能包括無意識與閾下覺知過程,而相對的自我意識就是一種通達意識。
圖6:自上而下的注意與覺知三分模型
在大腦中有很多皮質(zhì)區(qū)域涉及運動控制,甚至在某種意義上說整個大腦都在進行運動控制。
身體上可以運動的部分成為效應器。α運動神經(jīng)元起于脊髓終止在肌肉,負責肌肉和神經(jīng)系統(tǒng)之間的主要聯(lián)系,釋放乙酰膽堿引起肌肉收縮。 錐體外系接收來自運動皮質(zhì)和皮質(zhì)下結(jié)構(gòu)的信息,并傳輸?shù)郊顾?。下行纖維起于腦干這些下行纖維起于皮質(zhì)并經(jīng)過一級突觸投射到脊髓。
圖7:運動控制
學習(learning)是獲取新信息的過程,其結(jié)果便是記憶(memory)。某些學習可能會在信息的單次呈現(xiàn)后,也可能是在信息的重復呈現(xiàn)后。記憶則必須是能夠在一段時期內(nèi)維持的。學習與記憶可以假設(shè)為三個主要的階段:編碼(encoding,包括獲取acquisition與鞏固consolidation)、存儲(storage)與提?。╮etrieval)。
圖8:記憶類型
因為很難對情緒做出準確定義以及通過操作實驗進行科學測量,對情緒的研究充滿挑戰(zhàn)。早期情緒研究傾向于將情緒與認知分離,但隨著有關(guān)情緒的神經(jīng)科學研究發(fā)展,科學家們越來越清晰地認識到,情緒不能被視為獨立于其他更“認知”的能力。情緒和其他認知功能的神經(jīng)系統(tǒng)是相互依存、相互作用的。
在情緒的認知神經(jīng)科學中,杏仁核一直是研究焦點。它不僅對情緒有重要作用,對內(nèi)隱情緒學習、外顯情緒學習和記憶、以及社會互動均產(chǎn)重要生影響。
不過當前杏仁核也不再是情緒的神經(jīng)機制硏究中的唯一焦點。其他腦區(qū),包括眶額皮質(zhì)(憤怒)和腦島(厭惡)已和杏仁核研究相結(jié)合起來。
圖9:情緒其他相關(guān)腦區(qū)研究
對于大腦是如何通過處理口頭和書面輸人來獲取意義這個問題,核心在于研究單詞在大腦中是如何表征的。
其中單詞表征中的一個中心概念就是心理詞典(mental lexicon)。關(guān)于語義(單詞描述客觀世界的意義)、句法(單詞是如何組合成句子的)和詞形(單詞的拼寫以及發(fā)音模式的信息)信息的心理存儲器。單詞表征可以是正字法的(基于視覺)也可以是語音的(基于聲音)。
前額葉皮質(zhì)對于目標導向行為、工作記憶對于表征沒有即刻呈現(xiàn)在環(huán)境中的信息都具有極高的重要性。所謂目標導向行為(goal-oriented behavior),即依據(jù)過去的經(jīng)驗得出適合于當前環(huán)境的行為。由于這些操作控制需要調(diào)節(jié)腦內(nèi)的信息加工,通常會涉及認知控制(cognitive control)。認知控制的大腦主要區(qū)域是前額葉皮質(zhì),它對中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)內(nèi)多個區(qū)域間的協(xié)調(diào)加工起到重要作用。前額葉皮質(zhì)包括初級和次級運動皮質(zhì)前面的所有腦區(qū),共四個部分:外側(cè)的前額葉皮質(zhì)、腹內(nèi)側(cè)的前額葉皮質(zhì)(眶額皮質(zhì))、額極和內(nèi)側(cè)的額葉皮質(zhì)。其中外側(cè)前額葉皮質(zhì)與額極、內(nèi)側(cè)額葉皮質(zhì)與前額葉分別支持目標導向行為與行為中認知調(diào)節(jié)與監(jiān)控。
社會認知神經(jīng)科學是一個新領(lǐng)域,旨在理解大腦功能怎樣支持社會行為背后的認知過程。神經(jīng)科學們已經(jīng)理解到,三種主要社會認知(自我知覺、他人知覺和社會知識)會激活許多相同腦區(qū)。
論文題目:Social Cognitive Neuroscience: A Review of Core Processes 論文地址:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17002553
神經(jīng)經(jīng)濟學通過融合了心理學、神經(jīng)科學和經(jīng)濟學來理解人們是怎樣利用社會知識來進行決策的。與理性決策的經(jīng)濟學模型假定不同,神經(jīng)經(jīng)濟學家把情緒的作用整合進來,認識到人們并不總根據(jù)經(jīng)濟后果做出理性決策,他們重點情緒和認知相關(guān)的大腦區(qū)域或多或少互相影響決策工作的。
論文題目:Neuroeconomics: cross-currents in research on decision-making 論文地址:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16469524
計算神經(jīng)科學基于信息與計算科學,主要采用計算模擬和仿真方法,與認知神經(jīng)科學進行交叉研究神經(jīng)機制的學科
論文題目: Springer Series in Computational Neuroscience 論文地址: https://link.springer.com/search?facet-series=%228164%22&facet-content-type=%22Book%22
認知神經(jīng)動力學采用非線性動力學方法研究認知神經(jīng)科學與神經(jīng)信息處理過程,包括從微觀到宏觀,分子與細胞、生物學神經(jīng)網(wǎng)絡、認知功能以及認知行為等方面對人腦的認知結(jié)構(gòu)和認知模型展開多層次的,跨學科的綜合研究,探索大腦信息加工的認知和神經(jīng)動力學機制,并建立可以實施的計算模型。
論文題目: Dynamical Systems in Neuroscience 論文地址: https://www.izhikevich.org/publications/dsn.pdf
作者:十三維
編輯:張爽
聯(lián)系客服