发展认知神经科学:人脑毕生发展的功能连接组学时代

神经影像技术促进了脑科学研究的巨大进步,促成了发展认知神经科学的诞生.作为心理学与神经科学的交叉学科,发展认知神经科学在揭示心脑关联的内在机制上发挥着越来越重要的桥梁和纽带作用.人脑毕生发展的连接组学机制是该学科研究的核心科学问题之一,它将有望从毕生发展的视角深度解析微观底层(如分子与激素水平)与宏观高层(如个体与社会心理行为)相互作用的神经机制.本文将介绍当前发展认知神经科学的最新进展及人脑功能在毕生发展不同阶段的具体特征;阐述人脑毕生发展轨线绘制和常模构建的可行性和必要性,同时对人脑毕生发展常模建构的一系列问题,如数据采集、分析和处理等的规范,及已有的工作基础、研究前景与面临的挑战进行系统性的讨论.     

神经经济学: 打开经济行为背后的“黑箱”

神经经济学是利用神经科学手段研究经济行为的心理及神经机制. 传统经济学注重对决策的行为描述, 无法揭示经济行为的内在认知机制, 对现实生活中的决策行为缺乏预测. 认知神经科学与经济学的结合使得我们有可能揭示经济决策过程的心理和生理机制. 本文归纳了有关效用计算神经机制的研究, 指出神经经济学可以从神经水平验证已有经济学理论的可靠性, 并对许多经济学现象提出新的解释; 探讨了后悔等情绪在经济决策中的重要作用及来自神经科学证据, 指出通过测量情绪相关脑区的活动, 神经经济学可以深入考察情绪影响决策的内在机制; 总结了合作、信任等社会行为的神经科学研究, 指出神经经济学的一大趋势是在实验室中模拟真实的社会情境, 以提高经济行为神经机制研究的生态学效度. 神经经济学研究不仅为已有的经济学理论, 如前景理论、后悔理论、博弈论等提供神经水平的实验证据, 而且促进了更完善的经济学理论模型的建立.     

脑机接口——脑信息读取与脑活动调控技术

脑机接口(brain-computer interface, BCI)技术通过建立大脑与外部设备之间直接的信息交流和信号控制通道,实现脑思维活动与外界通信和交互作用,从而进行脑信息读取、外部执行设备的控制,以及脑活动的调整和控制.脑机接口是一种多学科融合的交叉技术,涉及神经科学、计算机科学、通信与信息处理技术、人工智能技术等,展现了广阔的发展和应用前景,包括医疗与康复、科学与教育、自动驾驶、工业控制等.同时,脑机接口技术的发展和应用面临重要的技术以及法律和伦理方面的挑战.本文简要介绍脑机接口技术的基本原理和组成,从信号获取、神经解码和认知脑机接口等关键技术角度阐述了国内外研究现状:从技术角度,讨论了脑机接口技术面临生物兼容性、通信速率、信号获取和处理、神经解码、安全等方面的挑战;从伦理和法制角度,指出该技术面临隐私、自由意志、身份认同和社会公平等方面的挑战.最后,展望了脑机接口技术未来的研究方向和应用前景.     

实时功能磁共振成像及其应用

实时功能磁共振成像通过技术手段将数据分析所需的时间缩短到可与数据采集时间相比拟的程度,从而能在实验进程中将大脑皮层活动情况即刻反馈给受试者,构成一个闭合的神经反馈回路.近年来随着数据采集技术与图像重建算法的改进以及计算机运算能力的提高,实时功能磁共振成像技术日趋成熟并在诸多方面得到应用.凭借实时功能磁共振成像提供的神经反馈,受试者能够自主调节相关脑区的激活水平,与被调节脑区相关的认知过程或行为也会随之变化,这为认知神经科学提供了一种新的研究范式.实时功能磁共振成像还可以用作具备优良空间分辨率和全脑覆盖性的脑机接口,通过对大脑皮层激活模式的分析对脑状态进行判断和分类,从而实现仅依赖大脑活动的交互方式.另外,实时功能磁共振成像在临床上的潜在应用也得到了广泛关注,它为神经系统或精神类疾病的治疗与康复提供了新的途径,患者有望通过神经反馈调控异常的大脑激活状况从而缓解相应症状.本文旨在对实时功能磁共振成像的概念、关键技术及相关应用进行详细的介绍,并对其面临的问题和发展的前景进行讨论.     

Functional Magnetic Resonance Imaging's Research Progress in the Motion Control

近30年来,医学影像学技术飞速发展,特别是功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)等新技术的涌现,将神经机制的活体研究进一步深入化,也为运动控制研究提供了一条新的途径.fMRI以其高分辨成像技术适时反应脑神经活动时的功能变化,藉以了解在生命状态下大脑不同区域的主要功能和疾病时的功能改变.运动的中枢控制机制不仅在神经科学基础研究中,在神经病学临床实践中也有重要的意义.文章对功能磁共振的原理以及其在运动控制研究中的应用进行综述.     

脑的思维机制——神经科学的研究

揭示脑的思维机制是神经科学的远大目标。关于思维活动的研究已从简单的定位论向前跨进了一步,现正尝试从脑神经回路网络的特殊活动来加以研究。在这种尝试中,神经映象(map)和神经程序(program)正在成为二个中心概念。     

焦虑的脑科学研究与临床应用进展

焦虑障碍是我国患病率最高的精神障碍,也是全球第六大致残原因.如何建立精准有效的个体化预防-诊断-治疗体系,成为当前亟须攻克的难题.焦虑障碍主要包括广泛性焦虑障碍(GAD)、惊恐障碍(PD)和社交焦虑障碍(SAD)的亚型;其发病机制和分型机制尚不清楚.本文系统综述了近年来临床焦虑障碍和亚临床焦虑的研究进展,特别是本团队的研究进展,重点从神经认知机制的理论模型和临床应用方面寻求新的见解和研究线索.基于经典认知模型、杏仁核和脑岛中心神经模型,以及静态脑网络模型,我们提出了动态焦虑脑网络模型:强调突显网络、执行控制网络、默认网络和感知网络之间的动态相互作用,这是情绪和认知控制交互作用的基础;网络间的神经振荡负责资源转换和信号同步;去甲肾上腺素系统,特别是蓝斑(LC)-去甲肾上腺素(NE)系统,通过神经递质调节上述过程.本文还总结了焦虑的诊断和预测指标,包括遗传特征、认知特征和神经生物标志物,特别强调了特异频段的神经振荡模式,以及动态脑网络连接,以预测个体化焦虑症状和其他精神疾病.通过在体脑成像、神经环路示踪技术、单细胞组学等技术,全面精准解析焦虑障碍的多维度发病机制,揭示国家一类创新药物GW1...     

“以痛镇痛”:条件性疼痛调节

条件性疼痛调节(CPM)是一种内源性疼痛调节,指身体某一部位的持续性疼痛可以抑制施于身体另一部位的伤害性刺激所引起的疼痛感知.本文首先概述了与CPM相关的神经生理、生化机制,并介绍了测量个体CPM效率的传统心理物理学方法,总结了基于脑电和功能磁共振等神经成像技术评估CPM效率的神经生理指标,并提出应综合心理物理学和神经生理学方法评估个体CPM功能.然后,从人口统计学、生理学和心理学几个方面详细探讨了影响个体CPM功能的复杂因素,从而提示大家应综合考虑影响个体CPM效率的因素.最后,本文总结了CPM相关的临床应用,包括慢性疼痛预测与评估、镇痛药物剂量预测以及个体健康质量评估等.本文既能加深对人类疼痛调节功能潜在机制的理解,又能为临床上慢性疼痛疾病的预测和评估提供参考依据.     

面向脑电数据的知识建模和情感识别

心理科学研究依赖于对生理、心理数据的分析,情感是心理研究的重要内容.近年来随着认知神经科学研究技术的成熟,研究者利用脑电(electroencephalogram,EEG)等可以反映脑功能活动的生理信号,直接研究情感问题,如情感识别、情绪脑等.但是,生理信号将会产生TB级甚至PB级的数据量,认知研究和临床神经科学在过去几十年中已产生大量生理数据,对这些大数据的表示和情感知识挖掘需要更高级的工具.构建能够表示数据含义和情感相关知识的模型,能够给心理研究者提供一个知识共享平台,以便使用这些大数据进行情感方面的科学研究.本文构建一个可以表示EEG数据语义和被试者上下文信息的本体模型,并基于该模型使用推理引擎进行基于EEG生理信号数据的自动情感识别.实验结果表明,模型在e NTERFACE 2006数据集上能够以99.11%的平均准确率识别被试者的情感状态,并从实验结果分析发现基于EEG数据情感识别最关键的特征是Beta波与Theta波的绝对功率比.     

关枢神经网络和脑的某些数学理论

人脑是人的智能、意识等一切高级精神活动的生理基础,但是经典的神经科学在解释后的复杂功能方面遇到很多困难.用电子计算机和数学方法伽于究神经系统和脑的功能,是本世纪四十年代以来的一个研究方向,目前已形成了较为成熟的理论.《关于神经网络和脑的某些数学理论》介绍了这方面的内容.     

人脑功能连接组:方法学、发展轨线和行为关联

人脑内部功能连接的全体称为功能连接组,其功能复杂性表现在:(ⅰ)结构到功能的产生机制;(ⅱ)脑功能到心理行为的产生机制(心脑关联);(ⅲ)整个生命历程中的功能发展轨线.一直以来,神经科学家致力于揭示人脑功能在不同生命历程阶段的特征及其深层机制.上述问题的研究能够极大地改善对人脑功能的理解,改进长期以来必须依赖于动物脑功能模型的状况,为重大神经精神疾病的脑功能的病理生理机制研究提供正常参考(常模),进而有助于及时、准确地对其进行诊断、预警、干预和后期评价.但限于实验技术和计算方法,与脑功能有关的上述问题因极具挑战性而尚未被系统地展开研究;静息态功能磁共振技术的出现正在改变人脑功能的研究现状.本文综述基于静息态功能磁共振技术研究人脑功能连接组的计算方法及其重测信度、功能发展轨线应用、心理行为关联.     

90年代——“大脑的10年”

进入九十年代,神经科学欣欣向荣,以致这个年代被称为“大脑的十年”(decade of brain)。神经科学是一门较新的学科,本世纪初,由卡加尔(Cajal)、谢林顿(Sherrington)、巴甫洛夫(Pavlov)等人奠定了基础,确立了今天神经科学把脑功能看作神经细胞所构成的神经回路作用的基本指导思想。此后,从1940年到1960年,出现了神经科学的兴     

发展人口神经科学中的规范化建模:量化脑智发展规律与个体分化特征的“显微镜”

揭示脑与心智个体差异的来源、规律及其科学机制是发展人口神经科学领域颇具吸引力的研究方向.个体差异的复杂性与当前研究方法的局限性是该领域方向的挑战所在,亟须发展在群体和个体层面建模个体差异的方法学框架,来量化脑智群体规律及其个体分化特征,实现一般科学规律与个体应用转化的科学衔接.规范化建模为此提供了一种方法学选择:基于代表性样本,使用分布式回归等方法,建立群体规律的统计模型,并在此基础上推演个体偏离规范化群体参照的程度,从而量化个体分化指标.这一方法学框架为发展人口神经科学提供了新工具,从人口生命周期的视角揭示了个体脑智差异的一般规律及其生物学基础,为解析脑智疾患的病因学机制及精准化临床实践提供了参考.鉴于规范化建模方法的巨大潜力,未来亟须在采样策略优化、数据收集规范以及建模方法改进等方面开展深入研究,从而加速其应用转化.     

多巴胺对创造性的影响及其大脑机制研究进展

创造性作为人类的一种高级认知能力对推动社会发展和科学进步有重要的作用,而多巴胺作为一种重要的神经递质对人类的认知活动起着重要的调节作用.当前关于创造性能力和多巴胺的关系探讨也越来越热,但是二者之间的关系及其作用机制还不甚明晰.因此,本文从多巴胺的视角对创造性的研究进行了梳理评述,主要包括:(1)从行为研究来看,运动和积极情绪等可以促使大脑中多巴胺的分泌,从而提升创造性表现;(2)从生理研究来看,用来治疗帕金森病的多巴胺激动剂能够增强患者的艺术创造性,而用来治疗精神分裂症的多巴胺拮抗剂则会抑制创造性产生;(3)从神经科学研究来看,与创造性相关的脑区包括了黑质-纹状体通路、中脑-边缘系统通路和中脑-皮质通路这3条重要的多巴胺奖赏神经环路;(4)从遗传研究来看,作为多巴胺重要遗传基础的儿茶酚胺氧位甲基转移酶(COMT)与创造性潜能有关.总之,本文通过对大量研究的整合分析,从多巴胺的角度对创造性的认知神经机制进行系统梳理,并就该领域当前研究的不足和未来趋势进行了总结和展望.     

尖端创新神经技术脑研究计划:美国脑研究计划评介

正作为神经科学研究超级大国的美国,正拟启动尖端创新神经技术脑研究计划。该计划此前称作脑活动图计划,已经过一年多的筹备性论证。计划的主要目标是,通过包括纳米技术在内的一系列技术创新,全面构造神经活动图谱,以求在神经-精神疾病诊治及智能机开发上取得突破。围绕计划目标之可行性存在大量争鸣。     

学习和记忆的认知心理学研究

认知神经科学的核心是多重记忆系统理论体系的创立和应用.研究采用临床神经心理学和认知神经科学、心理物理学以及一些生物心理学的手段来研究正常大脑疾病受试者,一方面可解开人类思维奥秘;另一方面给患者的诊治带来希望和光明.     

神经元死亡的调控机理

年近九旬的神经科学领域先驱之一杭伯格(Hamburger V.)由于发现神经元自然死亡的规律在脑分化中的作用和指导发现神经生长因子的开拓性研究工作,于今年5月获美国科学院授予的Fidia-Georgetown神经科学奖。探索神经细胞死亡的规律是研究     

抑郁症认知功能损伤及异常脑机制研究进展

认知损伤不仅是抑郁症患者的重要症状,也阻碍着抑郁症状的消除和疾病的整体康复,因此,探讨抑郁症认知缺陷及异常脑机制对了解抑郁症的病因、诊断和治疗意义重大.本文从执行功能、注意、记忆、反应速度等维度讨论抑郁症认知功能缺陷,并阐述其背后的异常宏观脑活动和微观分子标记.未来研究我们建议借助心理认知任务定量评估抑郁症认知功能,同时采集患者多模态脑影像和神经生理数据,通过多维数据计算建模分析,探寻抑郁症潜在生物标记,进而对抑郁症进行生物亚型分类,为深入理解抑郁症发病机理和个体化诊疗提供科学依据.     

小脑间位核对下丘脑外侧区神经元电活动的影响

许多研究表明,刺激或损毁小脑某些部位可引起一些内脏和情感活动的变化,提示小脑除具有躯体性运动调节功能之外,还参与了机体非躯体活动的调节.但是,小脑实现其非躯体功能的神经通路至今还不明了.近年来的神经解剖学研究揭示,小脑与下丘脑之间存在着双向的纤维联系.其中的小脑-下丘脑投射纤维由所有三个小脑核团(顶核、间位核和齿核)发出,终止于对测下丘脑外侧区(lateral hypothalamic area,LHA)、后区和背区及背内侧核(?)推测小脑-下丘脑通路可能是小脑实现其非躯体功能的一个途径.本研究观察刺激小脑间位核(interpositus nucleus,IN)对LHA神经元活动的影响,以探讨小脑在参与机体某些非躯体功能调节过程中的作用机制.     

脑功能理论的当代发展和前沿研究计划

21世纪以来,研究人员逐渐揭示出人脑前额叶特别是内侧前额叶的认知功能,脑内的社会镜像神经元系统以及默认网络.这些发现,扩展了20世纪关于经典特异神经通路和网状非特异系统的概念,认识到人脑含有4类机能解剖系统.除了并行协同工作的特异系统和网状系统外,人脑还有以180°相位差交替转换式活动的默认网络和社会认知网络.在所概括的4条神经信息处理机制中,由于自然脑进化的遗传保守性,人脑和动物脑共性大,而与电脑间存在本质差异.人脑功能的独特性体现为社会属性和生物属性高度融合的巨复杂性、四层次性及其包容性.本文简要介绍了脑连接组计划、脑活动图计划和中国脑计划,希望能引起人们关注人脑、动物脑和电脑的共性和本质差异,以便更正确地对待脑科学和人工智能领域的研究成果.