大腦皮層功能的研究方法

① 認知神經科學常用的研究工具和技術

文章來源於微信公眾號（茗創科技），歡迎有興趣的朋友搜索關注。

人類大腦是宇宙中結構和功能最為復雜的系統之一，其大約由 140 億個腦細胞組成，並且每個腦細胞可生長出大約 2 萬個樹枝狀的樹突，這些樹突構成復雜的結構和功能網路用來計算信息。大腦作為高級神經中樞，其運動控制、感覺產生、語言、學習以及各種高認知功能的實現都由它來控制。

大腦是如何調用其各層次結構上的組件，包括分子、細胞、腦區和全腦去實現各種認知活動的呢？

認知神經科學這門學科或許可以很好地解釋這一點。認知神經科學誕生於 20 世紀 80 年代後期，最早由喬治·米勒 (George Miller) 提出，是在認知科學和神經科學的基礎上發展起來的一門新生學科。傳統的認知科學是研究人、動物和機器智能的本質和規律的科學。目前 認知神經科學主要通過將新興腦科學、腦成像技術得到的數據與認知心理學範式獲得的數據進行整合分析，來幫助研究者進一步理解人類的行為和各種高級認知活動。

認知神經科學的研究工具和技術有很多種，包括事件相關電位(ERP)、腦電圖(EEG)、腦磁圖(MEG)、正電子發射計算機斷層顯像(PET)、核磁共振成像(fMRI）、近紅外光譜(fNIRS)、經顱直流電刺激(tDCS)、經顱磁刺激(TMS)等等。 現就這些技術的 原理和應用 來了解認知神經科學為何能夠幫助我們打開大腦「黑匣子」。

ERP (Event-Related Potential)

原理： ERP是一種特殊的腦誘發電位(Evoked Potentials，EPs)，指給予神經系統(從感受器到大腦皮層)特定的刺激，或使大腦對刺激(正性或負性)的信息進行加工，在該系統和腦的相應部位產生的可以檢出的、與刺激有相對固定時間間隔(鎖時)和特定相位的生物電反應。這種通過有意地賦予刺激以特殊的心理意義，利用多個或多樣的刺激所引起的腦的電位，反映了認知過程中大腦的神經電生理的變化。

應用： 已廣泛應用到心理學、生理學、醫學、神經科學、人工智慧等多個領域，並且發現了許多與認知活動過程密切相關的成分。對腦電成分感興趣的小夥伴可以看往期推文 腦電必讀干貨：ERP經典成分匯總

EEG (Electroencephalography)

原理： EEG是一種對大腦功能變化進行檢查的有效方法，人腦功能的變化是動態多變的，對一些臨床上有大腦功能障礙表現的患者在做一次EEG檢查沒有發異常時，不能完全排除大腦疾病的存在，而應定期進行EEG復查，才能准確地發現疾病。它通過精密的電子儀器，從頭皮上將腦部的自發性生物電位加以放大記錄而獲得圖形，是通過電極記錄下來的腦細胞群的自發性、節律性電活動。

應用： 在癲癇發作時，EEG可以准確地記錄出散在性慢波、棘波或不規則棘波，因此對於診斷癲癇是十分准確的。需要說明的是，EEG檢查選項常見的有清醒EEG、睡眠EEG、視頻EEG(VEEG)和 24小時 EEG。清醒EEG即描記EEG時患者處於清醒狀態。現在國內一般要求描記半小時左右。描記過程中，患者要做睜眼、閉眼、過度換氣(大喘氣)等動作配合。有時還要加上閃光刺激、蝶骨電極(小兒少用)等措施來提高捕捉異常腦電波的能力。

MEG (Magnetoencephalography)

原理： MEG是指將被測者的頭部置於特別敏感的超冷電磁測定器中，通過接收裝置可測出顱腦的極微弱的腦磁波，再用記錄裝置把這種腦磁波記錄下來，形成圖形。它集低溫超導、生物工程、電子工程、醫學工程等21世紀尖端科學技術於一體，是無創傷性地探測大腦電磁生理信號的一種腦功能檢測技術。MEG對腦部損傷的定位診斷比EEG更為准確，同時MEG不受顱骨的影響，圖像更為清晰易辨，對腦部疾病的診斷更准確。

應用： 已被用於如思維、情感等高級腦功能的研究，並被廣泛用於神經外科手術前腦功能定位、癲癇灶手術定位、帕金森病、精神病和戒毒等功能性疾病的外科治療，也在腦血管病以及小兒胎兒神經疾病等臨床科學中得以應用。除臨床醫學以外，MEG還被廣泛用於腦神經科學、精神醫學和心理學等各個領域的基礎研究，如皮層下神經元活動、同步神經元分析、語言學習研究、學習記憶研究以及傳統的醫學研究等，目前也有人將其用於特殊人群(如宇航員、飛行員等)的體檢中。

PET (Positron Emission Computed Tomography)

原理： 是直接對腦功能造影的技術，給被試注射含放射性同位素的示蹤物，同位素放出的正電子與腦內的負電子發生湮滅，從而釋放出射線。通過記錄y射線在大腦中的位置分布，可以測量局部腦代謝率(rCMR)和rCBF的改變，以此反映大腦的功能活動變化。包括直接成像、間接成像和替代成像。具體表述為：PET示蹤劑(分子探針)→引入活體組織細胞內→PET分子探針與特定靶分子作用→發生湮沒輻射，產生能量同為0.511MeV但方向相反且互成180°的兩個光子→PET測定信號→顯示活體組織分子圖像、功能代謝圖像、基因轉變圖像。

應用： 可用於精神分裂症、抑鬱症、毒品成癮症等的鑒別診斷，了解患者腦代謝情況及功能狀態，如精神分裂症患者額葉、顳葉、海馬基底神經節功能異常等。應用PET成像，可以測定腦內多巴胺等多種受體，從分子的水平揭示疾病的本質，這是其他方法所不能比擬的。PET也可用於癲癇灶定位、阿爾茨海默病的早期診斷與鑒別、帕金森病的病情評價以及腦梗塞後組織受損和存活情況的判斷。PET檢查在精神病的病理診斷和治療效果評價方面已經顯示出獨特的優勢，並有望在不久的將來取得突破性進展。此外，PET在艾滋病性腦病的治療和戒毒治療等方面的新葯開發中也有重要的指導作用。

fMRI (functional Magnetic Resonance Imaging)

原理： 通過刺激特定感官，引起大腦皮層相應部位的神經活動(功能區激活)，並通過磁共振圖像來顯示的一種研究方法。它可檢測被試接受刺激(視覺、聽覺、觸覺等)後的腦部皮層信號變化，用於皮層中樞功能區的定位及其他腦功能的深入研究。它不但包含解剖學信息，而且具有神經系統的反應機制，作為一種無創、活體的研究方法，為進一步了解人類中樞神經系統的作用機制，以及臨床研究提供了一種重要的途徑。

fMRI最初是採用靜脈注射增強劑等方法來實現的。20世紀90年代，美國貝爾實驗室的學者Ogawa等(1990)首次報告了血氧的T2*效應。在給定的任務刺激後，血流量增加，即氧合血紅蛋白增加，而腦的局部耗氧量增加不明顯，即脫氧血紅蛋白含量相對降低，脫氧血紅蛋白具有比氧合血紅蛋白T2*短的特性。脫氧血紅蛋白較強的順磁性破壞了局部主磁場的均勻性，使得局部腦組織的T2*縮短。這兩種效應的共同結果就是，降低局部磁共振信號強度、激活區脫氧血紅蛋白相對含量的降低，作用份額的減小，使得腦局部的信號強度增加，即獲得激活區的功能圖像。

這種成像方法取決於局部血氧含量，所以將其稱為血氧水平依賴功能成像。由於神經元本身並沒有儲存能量所需的葡萄糖與氧氣，神經活化所消耗的能量必須得到快速補充。經由血液動力反應的過程，血液帶來了比神經活化所需更多的氧氣，由於帶氧血紅素與去氧血紅素之間的磁導率不同，含氧血量跟缺氧血量的變化使磁場產生擾動，並能被磁振造影偵測出來。藉由重復進行某種思考、動作或經歷，可以用統計方法判斷哪些腦區在這個過程中有信號的變化。因而可以找出執行這些思考、動作或經歷的相關腦區。

應用： fMRI主要被用於腦功能的基礎研究與臨床應用，目前涉及的主要方面是神經生理學和神經心理學。最早是被應用於神經生理活動的研究，主要是視覺和功能皮層的研究。後來，隨著刺激方案的精確、實驗技術的進步，fMRI的研究逐漸擴展到聽覺、語言、認知與情緒等功能皮層以及記憶等心理活動的研究。大量研究報告，對於腦神經病變的fMRI研究已涉及癲癇、帕金森病、阿爾茨海默病、多發性腦硬化及腦梗死等方面。由於其空間解析度高，其對疾病的早期診斷、鑒別、治療和愈後跟蹤具有重要的意義。在精神疾病方面，其也被應用在對精神分裂症患者、抑鬱症患者的研究中。

fNIRS (functional Near-Infrared Spectros)

原理： 功能性近紅外光譜技術使用650~900mm的兩個及兩個以上波長的光，將源點和探測點在頭皮的預定區域內布成網格而獲得漫反射光的空間分布。由於生物組織在該近紅外光波段的吸收較少，近紅外光可以穿透頭皮、頭骨而達到腦皮層，而反映腦組織代謝和血液動力學的氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白(Hb)正是近紅外光波段內的主要吸收體，因此由探測點測量的近紅外光可給出腦皮層的HbO2和Hb濃度變化的空間分布圖，從而實現腦功能的研究。

應用： 該技術已經廣泛應用於腦認知神經科學、心理學和運動醫學等的腦功能研究中，特別是在嬰幼兒和特殊人群的腦研究領域有著光明前景。

tDCS (transcranial Direct Current Stimulation)

原理： 經顱直流電刺激是一種非侵入性的，利用恆定、低強度直流電(1~2 mA)調節大腦皮層神經元活動的技術。tDCS通過電極經過頭皮向顱內特定區域輸入電流，而顱內電流則會提高或降低神經元細胞的興奮性(取決於輸入電流的極性)，而此興奮性的提高或降低則可引起大腦功能性的改變，可以用來治療疾病或者研究大腦的功能。

應用： 主要涉及對大腦特定區域或者特定心理問題的研究，許多學者的研究方法為刺激特定區域並觀察被試在進行認知任務時的各種表現，其研究范圍非常廣泛包括：認知/思維/情感/記憶/學習/知覺(視覺、聽覺、空間)/計劃/沖動/行為/言語/注意力/社會認知等，幾乎涵蓋了心理學研究的所有方面。

TMS (Transcranial Magnetic Stimulation)

原理： 是一種興奮或抑制大腦神經元的無創方法，該方法使用高強度線圈，產生快速變化的磁場脈沖，可以穿過受試者的頭皮和顱骨，作用於其下的大腦皮層，誘導神經細胞發生電位活動的改變。

應用： 現已廣泛應用於醫學治療領域，如運動障礙性疾病，癲癇；抑鬱症；神經功能康復領域，腦卒中，失語症；成癮問題等等。TMS在治療神經性疼痛、帕金森病、耳鳴以及其他中樞和外周神經系統的疾病方面也有一定的應用。

② 如何提高大腦皮層功能

1、鍛煉

人體研究實驗表明，鍛煉能夠增強大腦的執行能力(計劃、組織、多任務處理等能力)。經常鍛煉還有助於幫助控制情緒，那些將自己晚年生活浪費在沙發上的老人比保持鍛煉習慣的人更易患老年痴呆。

運動能改善血液循環，給大腦更充足的供養，以保證大腦的各種機制更高效地運轉，給予充分的營養與氧氣，辛勤的神經元將會保持更良好的工作狀態。

研究表明，運動有助於提高大腦中腦源性神經營養因子(BDNF)水平，幫助神經元增長、交互信息以及更多新生神經元存活，讓大腦始終保持在不斷生長和更新的狀態。

2、音樂

當欣賞心愛的專輯時，大腦的聽覺皮層開始分析音樂的組成部分：音量，音高，音色，旋律和節奏等等。但是，音樂與大腦更精彩的互動可不僅僅是這些聲音本身，它可以激活大腦的獎勵中心，抑制杏仁體活性，從而減少恐懼及其他負面情緒。

音樂確實擁有治療焦慮、失眠、降低血壓、緩解痴呆症狀的良好效果，對初生嬰兒來說，輕音樂也有著很好的安撫和鼓勵作用。

音樂訓練可以強化大腦，音樂家的運動皮層、小腦和胼胝體(連接兩腦半球的組織)、弦樂手的感覺皮層都比普通人發達。有事實表明，音樂可以改善年輕人的空間能力。

3、冥想

研究人員對冥想者的大腦變化進行了成像研究，人的大腦細胞通常在不同的時間激活，在冥想的時候，它們卻是同步激活的。長時間的冥想者在冥想時候，大腦左前額皮層活動達到峰值，該區域活動通常伴隨著正面情緒的產生。研究人員認為，冥想同樣有助於提高人體免疫系統能力。

冥想可以增加大腦皮層的厚度，尤其是在有關注意力和知覺的區域，這種皮層增長似乎並非源自新的神經元，而主要是增強神經元之間的連接，以及支撐細胞數量及血管增長。

4、電子游戲

電子游戲能激活大腦的獎勵迴路，而這一效果在男性身上更為顯著，在一項新的研究中，對男女游戲玩家大腦核磁共振成像圖進行分析，男人在游戲活動中表現出更多的大腦獎勵處理，以及神經元之間的連接結構，男子沉迷於游戲的可能性比女子高兩倍以上。

(2)大腦皮層功能的研究方法擴展閱讀

人類的大腦是所有器官中最復雜的一部分，並且是所有神經系統的中樞；雖然它看起來是一整塊的樣子，但是通過神經系統專家，可了解它的各個功能。人類的大腦可以區分為三個部分：腦核(Central Core)、腦緣系統(Limbic System)、大腦皮質(Cerebral Cortex)。

腦核部分是掌管人類日常基本生活的處理，包括呼吸、心跳、覺醒、運動、睡眠、平衡、早期感覺系統等。而腦緣系統是負責行動、情緒、記憶處理等功能，另外，它還負責體溫、血壓、血糖、以及其它居家活動等。

大腦皮質則負責人腦較高級的認知和情緒功能，它區分為兩個主要大塊----左大腦和右大腦，各大塊均包含四個部分：額葉腦(Frontal Lobe)、頂葉腦(Parietal Lobe)、枕葉腦(Occipital Lobe)、顳葉腦(Temporal Lobe)。

大腦半球的表面由大量神經細胞，神經纖維網（樹突，無髓鞘軸突和有髓鞘軸突），神經膠質細胞（星形膠質細胞和少突膠質細胞）和毛細血管覆蓋著，呈灰色，叫灰質，也就是大腦皮層，它的總面積約為2200平方厘米。

大腦皮層是負責高級心理過程的中樞。其中一些區域負責特定的感覺輸入，另一些區域控制特定的運動。皮層的其他部位組成聯合區。

大腦皮層的功能區就像讓燈泡發亮的電線和電流，人體的各個器官就像燈泡，如果沒有大腦皮層的各個神經模塊協同指揮，那麼盡管燈泡硬體很好，也不一定能亮起來。或者就像是硬體和軟體之分。

③ 人腦研究的主要方法與技術有哪些

1、首先要解決的問題是將人腦思考時產生的腦電圖轉換為計算機指令，所以必須有一套人機對話系統充當意念和指令之間的轉換平台。這就需要用到bmi技術，即(brain-machine-interface)，翻譯成中文就是大腦和機器介面的意思，原理是從一群神經細胞中讀取信號並且使用計算機晶元和程序將這些信號轉換成相應的動作。日本曾經用這種技術成功研製出了一種感測器式的頭盔，可以用人腦意念控制機器人各種的動作。它能讓車載電腦讀取駕車者頭戴感測器測量出的人腦生物電波數據，並將其轉譯成「向左」、「向右」、「加速」、「剎車」等駕駛指令。在實際應用當中可以讓駕駛者用意念發出上述4種駕駛指令，在此過程中，通過分析、甄別駕車者思考不同指令時產生的腦電圖，電腦系統「讀懂」駕車者意念。
2、一輛裝備有攝影機、雷達和激光感測器等環境監測設備的汽車，並且有足夠的技術可以讓車自動駕駛。但是電腦系統對駕車者意念的「解讀」略慢，從駕車者產生意念到電腦系統發出指令控制汽車之間存在時滯。另外，人機對話系統無法甄別駕車者產生的是真實意念還是「雜念」。意念導航汽車現處於概念演示階段，尚無法投入實際運用。