腦神經元動態成像研究方法

A. 能夠將人類大腦中浮現的畫面重現出來，是什麼技術原理

根據fMRI重建圖片的根本目的應該就是解碼（decoding）了，即通過神經成像探究神經活動，然後進一步推測當時的認知活動。通過這個圖片也可以看得出來，這圖片重建得實在不太「逼真」，但其實這就是當前解碼的水平——比較初級。所以我推測重建的原理也不會很難，大概是通過建模等手段，根據各皮層的fMRI信號推斷接收到的視覺信號是什麼。大家應該都知道感受野這個概念，不同神經元會對特定位置的特定信號模式發放，所以根據不同位置fMRI信號的強弱是可以推斷視野中不同位置圖像信號的強弱的。又因為不同皮層主要負責不同功能（比如V1對朝向等很基礎的信號反應，V4主要負責顏色，MT主要負責運動等），那麼就可以對多種feature進行重建。decoding的應用就很多了，在不同領域人們都想根據神經活動推斷出當前的認知活動/心理活動。畢竟神經信號是可以客觀測出的，想想這個技術如果發展得很成熟，那麼解夢、測謊、通過意念控制機器就都不在話下了。反過來說，直接給腦「傳輸」神經信號，從而引發相應認知活動，也是很有用的，比如通過這個讓盲人「看見」東西等。

B. 腦成像技術有哪些 site:.sciencenet.cn

兩種主要的腦功能成像技術——PET 和fMRI
鑒於腦功能成像技術的重要作用，目前心理學各個領域的研究者已經開始越
來越多地使用它來為其研究服務。到目前為止，已成功開發了許多腦功能成像技
術，如：功能性核磁共振成像技術（functional magnetic resonance imaging，fMRI）、
正電子發射斷層掃描技術（positron emission tomography，PET）、單一正電子發
射計算機斷層掃描技術(single positron emission computerized tomography SPECT)、
事件相關電位(event-related potential，ERP)、腦電圖(electroencephalograph，EEG)、
腦磁圖(magnetoencephalography，MEG) 和近紅外線光譜分析技術(near-infrared
spectros)等。

C. 大腦是怎樣記錄信息的呢那些信號是怎樣被儲存起來的怎樣表達出來的呢

想看到老鼠的大腦是如何工作的嗎？紐約大學醫學院的華裔腦神經專家甘文標博士可以告訴你怎麼做。甘文標的研究小組近日在英國<<自然>>雜志發表研究報告，描述了他們如何實時觀察活體轉基因老鼠的大腦隨時間和外界環境的改變而發生變化。甘博士認為，他們觀察到的老鼠大腦皮層神經細胞的一些微妙變化可能幫助人們理解高等動物包括人類的大腦是如何記錄信息、形成記憶和學習知識的。

甘文標博士告訴多維社說，紐約長島冷泉港(Cold Spring Harbor)實驗室的另一個研究小組也作了類似的實驗。他們同樣觀察到活體老鼠大腦神經元細胞微小突起(Spine)隨環境和時間變化形成和消失。與甘文標博士的研究小組不同的是，冷泉港實驗室的研究觀察到神經細胞突起存留時間不長，而甘博士卻觀察到某些突起一旦形成，絕大多數可以長時間保留，有的甚至保持終生。由此可以推測，這些不斷形成並能保留的神經細胞突起，就是動物大腦記錄信息的物質基礎。

挪威奧斯陸大學的神經科學家奧特森和海爾姆認為，這兩個研究小組將「活體大腦的成像帶入顯微領域，對神經生物學的發展具有深遠意義」。一些專業雜志的評論認為，活體大腦顯微成像實驗為人類進一步研究大腦意識和記憶力的形成提供了非常有力的方法。

據甘文標博士研究小組發表的論文介紹，實驗用的是轉基因技術培育的特殊老鼠。它們的腦神經細胞基因帶有能夠發出熒光的物質，在特殊激光的照射下，可以成像顯示腦神經細胞突起的形成和消失。為取得清晰的圖像而同時不影響老鼠大腦正常工作，研究人員在深度麻醉後的老鼠頭骨上開辟出1毫米見方的觀察「窗口」，再用微型器械將這片頭骨打磨□薄至30至50微米，但並不打穿。同時還不斷使用溶液冷卻打磨部位，以減少打磨產生的熱量，不致傷害大腦皮層。經過這番手術，老鼠大腦上就被打開一個「觀察窗」，研究人員定期通過這個「窗口」拍攝腦神經細胞的變化。

據介紹，包括人類的動物大腦神經細胞通過伸向四面八方的軸突和樹突相互發生聯系，傳遞信息，並形成神經網路，構成大腦記憶和思維的物質基礎。甘文標和同事們的實驗使人類第一次觀察到活體大腦神經細胞在一段時間內的變化。研究人員發現，相互交錯，密如蛛網的腦神經細胞不斷有新的突起形成，也不斷有舊的突起消失。這些突起與相鄰神經細胞的突起聯系，構成象集成電路那樣的神經線路，來完成某些大腦功能。而當動物受到外界刺激時，突起形成和消失的數量驟然增加。據觀察，有些突起只存在很短的時間，例如幾個小時，而另外一些則會長時間存在，並有可能固定下來，形成新的神經線路。

甘文標等人的研究還發現，幼年老鼠的大腦發育有一個「關鍵時期」。在這個期間神經突起形成和消失的變化很大，並為整個大腦神經網路形態的形成打下基礎，大腦在此時獲得基本的經驗和記憶。到4個月大的成年期的老鼠，神經突起仍具有形成和消失的動態變化，但96%的新形成的突起能夠保留1個月以上。許多體積較大的突起能夠保留更長時間，甚至終生。冷泉港實驗室的研究小組卻在6到10周大的老鼠身上觀察到不同的現象，僅有60%的新突起是穩定的，能夠存在8天以上，20%的突起存在不到一天。

加州大學聖迭哥校區的神經生物學家拉里斯奎爾認為，這兩個小組觀察到的結果雖然不盡相同，但並不一定相互矛盾，因為他們觀察的是不同年齡段的老鼠，觀察的大腦皮層區域也不同。據了解，甘文標等人的研究是採用1個月大的青年老鼠和4個月大的成年老鼠，觀察與視覺有關的腦神經細胞；而冷泉港實驗室採用的是6到10周大的少年老鼠，觀察的也是另外一部份腦神經細胞。

D. 腦成像原理

腦成像就是通過最新技術使得神經科學家可以「看到活體腦的內部」。

在單一的平面，利用X線旋轉照射大腦，由於不同的大腦組織對X線的吸收能力不同，因而可以構建出大腦斷層面的影像；堆疊每一層的大腦掃描圖像，我們就可以構建大腦的立體影像。

CT技術屬於結構成像技術，它只能用於觀察大腦的靜態結構，而不能用於觀察大腦的動態功能。雖然CT圖像的解析度不高，但足夠將大腦的主要結構進行可視化，因此可以用於觀察大腦腫瘤。

MRI和CT一樣。MRI的大致原理是當把物體放置在磁場中，用適當的電磁波照射它，就可以改變氫原子（也可以選擇其他原子，比如氧原子）的旋轉排列方向，使之共振，然後我們就可以分析該過程中釋放的電磁波。

由於大腦中各種組織間含水比例不同，即含氫核數的多少不同，因此不同組織間核磁共振信號強度之間存在差異，利用這種差異作為特徵量，就可以把各種組織分開。與CT類似，MRI也可以用於檢測大腦結構以及觀察組織中的腫瘤。

CT和MRI之間沒有絕對的優劣之分，在某些場合它們可以互補使用從而彌補各自的不足。

E. 腦成像技術在心理學研究中屬於什麼方法

腦成像技術主要分為幾種：計算機化軸向測試，磁共振成像，功能性磁共振成像，正電子斷層掃描。具體應用因情況而定。心理學常用研究方法：觀察法，調查法，實驗法和測驗法。

實驗法又分自然實驗法和實驗室實驗法。

腦成像技術屬於醫學檢驗技術（臨床實驗室技術），較多應用於認知-神經科學（可視為認知/生理心理學）研究。

腦成像技術在心理學研究中屬於實驗室實驗法。

F. 認知神經科學的研究手段和工具有什麼

認知神經科學的研究手段和工具有什麼？認知神經科學的研究旨在闡明認知活動的腦機制，即人類大腦如何調用其各層次上的組件，包括分子、細胞、腦組織區和全腦去實現各種認知活動。認知科認知神經科學學的核心學科分支--認知心理學、心理語言學、人工智慧和人工神經網路。

G. 能夠在無損傷的情況下觀察到人類大腦活動的研究技術是什麼

腦成像方法。腦成像就是通過最新技術使得神經科學家可以「看到活體腦的內部」。這些腦成像方法可以在以下方面為神經科學家提供幫助：理解腦特定區域與其功能之間的關系。對受神經疾病影響的腦區進行定位。發明新方法治療腦部疾病。

腦成像主要分為如下五類：計算機X線斷層攝影（CT掃描）、正電子發射斷層掃描術（PET）、磁共振成像（MRI）、功能磁共振成像（fMRI）、血管造影術。

(7)腦神經元動態成像研究方法擴展閱讀

美國研究人員開發出一種新的大腦成像技術，能夠以更高的解析度快速對大腦三維成像，比其他方法更快地揭示整個大腦神經元的連接狀況。

該研究由麻省理工學院、加州大學伯克利分校、霍華德休斯醫學研究所和哈佛醫學院研究人員合作完成。他們在17日的《科學》雜志上發表論文，對新技術進行了全面介紹。論文指出，新技術的關鍵之處是將擴展顯微鏡技術與格欄光片顯微鏡技術相結合。

擴展顯微鏡技術通過讓觀察的組織體積膨脹，能夠顯著提高成像解析度，其與格欄光片顯微鏡這一快速三維顯微鏡技術結合，則會更快地生成觀察組織的超高解析度三維圖像。

H. 認知神經科學常用的研究方法有哪些

• 認知神經科學常用的研究方法

• 認知神經科學包括兩大類互補的研究方法：一類是無創性腦功能（認知）成像技術，另一類清醒動物認知生理心理學研究方法。前一類方法中又分為腦代謝功能成像和生理功能成像兩種；後一類方法中包括單細胞記錄、多細胞記錄、多維（陣列）電極記錄法和其他生理心理學方法（手術法、冷卻法、葯物法等）。盡管這些方法為人類科學增添了許多光彩，但遠未滿足認知神經科學研究的要求。例如，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，然而這種圖像僅可提供結構或區域性功能關系，對於細胞水平的機制顯得過分粗糙。由上述可見，作為當代心理學研究熱點的認知神經科學，是否能夠繼續閃現光輝，有待於進一步的歷史驗證。

I. 現在的腦部掃描技術有哪些它們都應用在什麼方面

首先定義下：腦部掃描技術。我姑且用Neuroimaging這個單詞代替，也就是所謂的神經成像，即基於各種儀器對於大腦各個方面的一種定量記錄。主要對大腦靜態成像的是：CT，MRI，PET，對大腦動態成像的是：MEG，EEG，NIRS，fMRI。自己做磁共振的，主要說說磁共振。近年來磁共振是最火爆的研究工具，主要優勢是：無創，無輻射，高空間解析度，較高時間解析度，多模態可以在同一台機器上完成。所謂多模態就是一台磁共振機器可以實現的多種成像：sMRs-structural MRI，對大腦結構成像，白質，灰質，腦脊液。dMRI：d-diffusion MRI，對大腦白質纖維走向和完整度的定量測量fMRI：f-functional MRI，對大腦執行某種任務的血氧水平（BOLD）信號的記錄。Rest-state fMRI，採用fMRI同樣的程序掃描，區別是被試此時被要求不做任何特殊的思維活動，被認為是反應的大腦自發神經活動。我們組主要用MRI做一些Psychology或者Psychaitry的東西，現在一個思路是，大腦的結構（靜態）的也是可以反映不同個體的不同性格，行為的。JAMA Psychaitry上發表的最新文章發現：每周看毛片的時間越多，尾狀核越小，並且相關的神經網路表現出線性的改變，這些被影響的區域在以前的研究中主要是成癮者（Addiction）表現出異常的。大家或許沒有想到，其實關於brain decoding的研究已經有不少（科學家就是在「偷偷摸摸」做大家看不到的事情），這些研究主要用machine learning的方法，開創性的研究在2001年由Haxby和同事完成, 他們利用fMRI結合machine learning的演算法，實現了預測被試在MRI scanner中看到的是人臉還是房子，還是貓，還是鞋子... 2005年的時候Kamitani和Tong, 利用fMRI解碼出了被試看到的grating的方向。

J. 新的成像方法是怎樣的，可以追蹤大腦的難以捉摸的網路嗎

人類成為地球上食物鏈的頂端離不開人腦發達的神經元，而人類對於外界信號的接收和消化是因為人類大腦對於這些信號的來源是可識別的，有著屬於自己的信號網路。在《自然通訊》雜志上，科學家們給出了一個研究結果，他們成功的創建了一個對正常和異常大腦信號的起源以及路徑通過電腦進行成像，給人們揭示了難以追蹤的人腦信號網路。

這項技術對於醫療上很多難以解決的問題都有所助益，例如可用於診斷和治療阿爾茨海默氏症、帕金森氏症、中風甚至抑鬱症等由大腦病變引起的病症。這項技術在對癲癇的發生區的位置和范圍都能准確識別。人類的很多疾病，尤其是難以治療的疾病都是有大腦引起的，這項研究結果對人類神經科學的進步取得了很大的進展。目前全世界的科學家們正在嘗試將該項技術，普及到各地的醫療系統中去，用於造福人類。