脑电信号非线性分析的人体生理学与解剖学基础

本文在对脑电信号非线性分析方法进行了简要的概述和回顾后,着重从神经生理学和大脑解剖学的角度,解释为何可以用非线性动力学参数来研究人体的脑电信号,通过基础理论对这一问题进行阐述。     

脑磁图与大脑功能检测

脑磁图是研究大脑活动的一种新手段,它通过对脑神经电流产生的微弱生物磁场的测量,对脑活动进行功能性成像.本文介绍了脑磁图的特点、基本工作原理、研究现状和在临床医学和基础脑科学研究中的应用,以及目前脑磁图研究中存在的问题和解决途径.     

侵入式脑神经信号监测与调控技术研究进展

脑科学研究是当今自然科学面临的一项重要挑战.大脑是人体的神经枢纽,控制着人体的各项生理活动.脑神经信号监测与调控技术能够建立大脑与外部设备之间的信息连接通路,从而实现对大脑中信息的读取以及对脑活动的控制,因此在疾病诊疗、军事、教育、娱乐等领域具有广阔的发展和应用前景.尽管目前脑神经信号监测与调控技术已经取得一定成果,但对于侵入式脑信号监测与调控技术的研究仍处于起步阶段.本文简要介绍脑神经信号监测与调控技术的基本原理,从信号获取、调控手段和电极制备等关键技术角度阐述侵入式脑信号监测与调控技术的国内外研究现状,讨论其面临的信号质量、调控准确性和生物安全等方面的挑战.最后,展望该技术在脑机接口等前沿领域中的应用前景.     

鸟与人 大脑构造方式相似吗

英国的一项研究表明,人类与鸽子的共同点很多,比我们之前所知道的要多很多。该研究显示,人类和鸟类的大脑构造方式是相似的。伦敦帝国学院的一位研究员和他的同事研发出了典型的鸟类脑图,从该图谱可以看到大脑的不同部位是如何连接在一起进行信息处理的。研究小组通过比对鸟类与不同哺乳动物(如人类)的脑图发现,两者在对诸如长时记忆和问题解决等高等认知具有重要作用的区域与大脑其他部位的连接方式上是相似的。而我们所知道的是,亿万年来,哺乳动物与鸟类的大脑是沿着各自不同的方向进化的。     

顿悟脑的10年:人类顿悟脑机制研究进展

自21世纪首次借助脑成像技术对解决字谜任务过程中顿悟一瞬间的大脑活动状况进行研究以来,目前已有近10年的历史,获得了许多富有价值的研究.这些研究从顿悟的时间进程和脑神经基础两方面对顿悟的大脑机制进行了丰富的探讨,并形成了有关人类解决顿悟问题的"顿悟脑"的神经框架.研究显示,顿悟脑主要由外侧前额叶、扣带回、海马、颞上回、梭状回、楔前叶、楔叶、脑岛和小脑组成.就各脑区的功能而言,外侧前额叶主要负责顿悟难题思维定势的转移和打破,扣带回则参与新旧思路的认知冲突以及解题进程的监管,海马、颞上回和梭状回组成了"三维一体"的、专门负责新异而有效联系形成的神经网络,问题表征的有效转换则依赖于楔叶和楔前叶组成的"非言语的"视觉空间信息加工网络,脑岛负责认知灵活性和顿悟相关情绪体验,反应相关手指运动的皮下控制则依赖于小脑.     

人脑形态网络及其在脑发育研究中的应用

人脑是一个极其复杂的系统,数以万亿的神经元通过突触构成了庞大的连接网络,如何系统而全面地刻画大脑内部的组织模式一直是神经科学家致力解决的热点问题.随着非侵入神经成像技术的兴起,基于磁共振成像的脑网络研究为揭示人脑的复杂结构提供了新的契机.其中,脑形态网络因其图像易获得、质量稳定和分析方法简单等优势引发了研究者的广泛关注.传统的脑形态网络是利用一组受试者的某种形态学指标构建的被试间协方差网络,只能反映大脑形态的群组特征.个体水平脑形态网络则针对个体大脑刻画脑区间的形态相似性,保留了个体的形态信息.多指标甚至多模态数据的应用,进一步整合多种互补的结构信息,能够综合表征皮层形态的拓扑连接模式.近年来,脑形态网络在探究人类大脑发育进程方面体现了重要价值.研究发现,胎儿时期形态网络从高度模块化的原始状态开始逐渐整合,至出生时已形成小世界拓扑,出生后至童年早期网络变得分离,童年晚期至青春期又逐渐整合,初级网络率先达到成熟而高级网络长期持续发育.这些结论为理解大脑认知功能的形成和发育障碍的起源提供了重要的理论支撑.本文介绍了两种脑形态网络的构建方法和图论模型的基本概念,回顾了脑形态网络在胎儿、婴儿、...     

长期记忆存储的神经编码与调控

人类根据自身以及后天学习获得的经验与知识,也就是记忆,适应并改造了自然界,从而创造了现代文明.建立在大脑神经元的物质基础之上,记忆承载了外界纷繁复杂的信息,整合了时间与空间等不同维度上的多感知信息,为大脑作出正确判断和操作提供支撑.通过对大脑记忆机制的研究不仅仅可以揭示脑高级功能的生物学基础,更加重要的是,可以提供一条由亿万年进化史选择的解决高级认知运算与高效信息处理的途径.近年来,对记忆机制的认知从突触、分子等生物层面渐渐深入到细胞编码、解码与整合等信息层面,依赖对大脑中信息编码直接相关的记忆印迹(engram)的深入研究则揭示了神经环路的记忆存储与调控机制.本文围绕记忆印迹细胞的分子、细胞、环路与信息处理机制的运用,回顾了近期记忆机制的研究进展,探索了记忆编码机制研究对生物大脑运作原理及类脑智能的深远影响.     

不同年龄和认知功能成人脑涨落图功率空间构型的比较

梅磊教授建立了一种新的脑电波分析技术——脑涨落圈技术(encephalofluctuograph technology，ET)，从功率和频率两个角度分析脑波的涨落过程，以研究脑功能的自组织活动及其时空构型，并已出版专著和开始临床应用，认知活动是人及的高级功能，包括知觉、注意、记忆、思维、盲语等能力，是整个大脑复杂活动和自组织的产物，鉴于所获得的结果比较丰富，本文只着重扼要地报告我们对不同年龄和认知功能成人脑涨落圈功率空间构型比较研究的主要结果。     

大脑中有一个"恐惧中枢"!

揭示人类辨别惊恐表情的奥秘 在大脑底部，有一个杏仁状的脑结构——杏仁体(amydala，又叫杏仁核)。尽管科学家们早就知道杏仁体是大脑中的“恐惧中枢”，对判断惊恐信号起关键作用，但一直没有搞清它在判断人类面部表情的过程中究竟扮演怎样的角色。最近，美国科学家终于将杏仁体判断惊恐表情的奥秘揭开。     

大脑里的天才按钮

人类的大脑一直是科学家研究的重要领域。脑科学家们公认,人的大脑还有大量的潜力可挖。不久前,美国加利福尼亚大学的布鲁斯·米勒博士在人的大脑内成功地发现了“天才按钮”。米勒对72名因各种原因使大脑受过损伤的病人进行研究,发现了一个规律:一旦人的右颞下受过伤,就有可能变成某个领域的天才。比如,一名9岁的男孩在部分大脑受损后,竟成了一名天才的力学专家;还有一位56岁的工程师,大脑右半球皮质的部分神经元因病受到损伤后,却激发出了绘画天分,成了一位大画家。米勒博士认为这是因为受损神经元坏死后,大脑“天才区”长期被压抑的天分…     

利用3D 激光扫描技术分析周口店直立人脑的不对称性

探讨早期人类脑不对称性的主要研究材料是古人类颅内模, 即从颅骨内表面得到的脑的外部形态. 由于受研究材料和方法的限制, 对脑不对称性的研究一般只局限在左右半球向前、向后突出的程度, 或者对脑的前部、后部宽度的对比上. 本文利用3D 激光扫描技术, 对距今40~80 万年前的周口店直立人脑的不对称性进行了研究, 通过与现代人颅内模对比, 显示周口店直立人和现代人在左右半球的绝对脑量和表面积上都没有表现出明显的不对称性,然而在脑量和表面积构成的相对脑量上表现出明显差异: 周口店直立人左右半球的相对脑量没有显著差异, 个体间差异较大; 现代人左半球的相对脑量明显大于右半球, 个体间变异范围较小. 提示在人类进化过程中脑的不对称性不是发生在左右半球的绝对脑量上, 而是起源于相对脑量的变化, 这种解剖结构的变化可能与脑一侧优势的演化过程相关.     

计算神经科学

计算神经科学的最终目标,是要阐明大脑是怎样使用其电信号和化学信号来表达信息、处理信息的。这一目标并不是新近才提出来的,但在近10年内,它在许多方面已经发生了变化。神经科学的进展,使我们现在对大脑有了更多的了解;更强有力的计算装置的出现,使我们能够对神经系统进行真实的仿真研究;对一些大规模神经元网络简化模型的研究,使我们得到了许多新的真知灼见。人们利用脑模型,正在把通过分子、细胞技术获得的微观水平上的知识与通过行为研究获得的系统水平上的知识联系起来。     

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.     

专注于大脑皮层研究领域的青年学者——访华师大脑功能基因组学重点实验室陈爱华研究员

<正>近年来与脑研究有关信息出现的频率不断增多,先是这两年介绍的美国、欧洲相继推出的脑研究计划,几周前公布的今年诺贝尔生理或医学奖也是奖励因"发现构成大脑定位系统的细胞"方面的工作,这些信息汇聚成一种认知就是,经多年的孕育累积,脑科学研究具有了某种加速发展可能的同时也被赋予了更多的期待,这里既有对未知探索的兴趣牵引,更有现实中海量社会需求的亟待满     

探求人体衰老之谜

大脑与衰老 大脑是引起衰老的中枢器官,近年来的研究表明,脑的衰退是一个缓慢的过程,自30岁左右就已经开始,每天约有10万个脑细胞死亡.到60岁时就急转直下,一般人到了70岁,大脑重量只有年轻时的95%左右:80岁时为90%,90岁时仅剩下80%左右了.     

社会经济地位对大脑结构与功能的影响

社会经济地位(socioeconomic status, SES)与大脑结构和功能的关系对于理解社会经济因素对心理行为的影响以及预防大脑和心理疾病具有重要意义.在过去十多年中,研究者使用认知神经科学的方法对SES与大脑的关系进行了探索,发现SES与大脑结构和功能之间可能存在相关性,但这些研究的结果却不完全一致.本文从大脑结构与功能两个层次出发,按照认知与情绪两大主题对SES与大脑关系的认知神经科学研究进行回顾,在此基础上对比不同研究结果的异同之处.结果发现:(1)在脑结构上, SES水平与海马体(主要负责记忆)、前额叶(参与执行功能等高级认知过程)及皮层下结构(主要包括参与情绪加工的杏仁核等结构)可能存在相关;(2)在脑功能上,不同SES水平的个体在进行执行功能、学习和记忆等相关任务时,大脑活动模式可能存在差异,同时正性与负性情绪刺激所引发的大脑活动在不同SES水平的个体上可能有所差异.值得注意的是, SES与大脑关系的研究中还面临着诸多挑战,如SES测量的复杂性和全面性、大脑结构与功能自身发展和测量的复杂性、SES影响大脑机制的多层次性等.未来的研究需要应对上述的挑战,同时考虑文化差异等影响,从而能够更准确地理解SES与大脑的关系,并为中国社会治理政策提供指导.     

爱因斯坦大脑之谜

爱因斯坦的大脑中负责数学运算的那部分比常人宽１５％。通过正电子发射脑成像仪可以看到人的思维情况。爱因斯坦被誉为人类历史上最具创造才华的科学家之一,也是２０世纪最伟大的科学家。他出生于１８７９年,卒于１９５５年４月１８日。虽然爱因斯坦已逝世４５年,但今天他仍在告诉着我们许多东西,这一次是关于神经科学方面的东西,人们也许还能从中悟出如何将自．己的孩子培养成天才的道理。最近,加拿大科学家在仔细研究了爱因斯坦的大脑后,得出这样一个结论,爱因斯坦的大脑确实与众不同,最为特别的是,爱因斯坦的大脑中负责数学运…     

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.     

人脑组织的结构机能

近年来,人们对大脑的研究越来越关注,因为通过对大脑深入而系统的研究,将为弄清脑机能,如睡眠、记忆、做梦、思维……打开广阔的前景。这里四篇文章,“人脑组织的结构机能”是篇综述,介绍了有关脑科学的主要研究课题和研究方向。其余三篇,从睡眠、记忆和梦的一个侧面论述大脑的功能和作用。使读者可以对脑科学有一个比较全面的认识。     

创造性的大脑网络连接特征与研究展望

创造性是人类智慧的重要体现,其复杂的认知加工依赖于多个脑区的相互作用而非受单一脑区的调控.人脑连接组学的发展为深入揭示创造性的脑网络基础提供了可能,创造性的脑机制研究也正逐渐从局部脑区拓展到脑网络连接层面.功能网络研究表明,默认网络、突显网络、额顶控制网络的协作模式在创造性思维各阶段发生着动态变化;这些网络在静息状态下的功能协作也与创造性有密切联系,高创造性个体的大脑自发性神经活动具有灵活易变的特点.结构网络的证据进一步确认了默认网络与额顶控制网络分别负责不同类型的创造性认知能力,如远距离概念的检索生成与组合评估.基于创造性思维的双加工模型,已有研究认为,默认网络主要通过自发性联想在记忆系统中检索和提取新颖信息,控制网络负责根据任务要求对当前观点进行评估和选择,突显网络可能根据联想内容的新颖性负责默认网络和控制网络之间的灵活转换.未来研究需要不断整合创造性领域的数据资源,确定创造性的主要成分及对应的测评工具,结合多模态脑影像揭示创造性的功能网络动态协作模式及结构网络的独特作用,并利用多组学多模态的大数据优势实现对个体创造性水平的精准预测评估,探索创造性培养的有效途径和大脑可塑性机制.