神经生理机制的研究方法是什么

⑴ 认知神经科学常用的研究方法有哪些

• 认知神经科学常用的研究方法

• 认知神经科学包括两大类互补的研究方法：一类是无创性脑功能（认知）成像技术，另一类清醒动物认知生理心理学研究方法。前一类方法中又分为脑代谢功能成像和生理功能成像两种；后一类方法中包括单细胞记录、多细胞记录、多维（阵列）电极记录法和其他生理心理学方法（手术法、冷却法、药物法等）。尽管这些方法为人类科学增添了许多光彩，但远未满足认知神经科学研究的要求。例如，脑认知成像技术可以为我们对认知过程的脑功能形成直观的图像，然而这种图像仅可提供结构或区域性功能关系，对于细胞水平的机制显得过分粗糙。由上述可见，作为当代心理学研究热点的认知神经科学，是否能够继续闪现光辉，有待于进一步的历史验证。

⑵ 认知神经科学的研究手段和工具有哪些

前天考研刚刚考了认知神经科学这门专业课，囧。没考好。就记得最后一道论述题基本瞎写：对于注意的研究，简述当前认知神经科学中运用电生理和脑功能成像技术的研究进展。虽然认知神经科学的专业课正在学，考研也复习了。。但还是对这个专业其实还是不甚了解。它的研究领域非常广。我只能分享一些自己对这个学科的学科领域的一点认识，对排名第一的答案做一些补充。这个领域发展非常快，最权威的教科书都很难涵盖完整的研究领域。认知神经科学的两大学科来源是认知科学和神经科学，认知科学和神经科学本身就已经是多学科交叉的学科了，所以认知神经科学的相关学科就更多了，交叉性越大，研究领域也可能因此越丰富。认知神经科学，关键在于认知和神经两个词，关键的关键是认知。认知与人有关，部分动物也有，但这个学科最终对象还是人。神经两次表示它的方法，是神经科学的方法。神经科学的方法应用到不同领域的认知研究中去，就构成了认知神经科学的不同领域和不同研究问题。分为基础研究领域和应用研究领域。认知神经科学简史、细胞机制与认知、神经解剖与发展、认知神经科学研究方法、（接下来开始具体的研究问题了）感觉与知觉、物体识别、运动控制、学习与记忆、情绪、语言、大脑半球特异化、注意与意识、认知控制、社会认知、进化的观点。

⑶ 认知神经科学常用的研究工具和技术

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人类大脑是宇宙中结构和功能最为复杂的系统之一，其大约由 140 亿个脑细胞组成，并且每个脑细胞可生长出大约 2 万个树枝状的树突，这些树突构成复杂的结构和功能网络用来计算信息。大脑作为高级神经中枢，其运动控制、感觉产生、语言、学习以及各种高认知功能的实现都由它来控制。

大脑是如何调用其各层次结构上的组件，包括分子、细胞、脑区和全脑去实现各种认知活动的呢？

认知神经科学这门学科或许可以很好地解释这一点。认知神经科学诞生于 20 世纪 80 年代后期，最早由乔治·米勒 (George Miller) 提出，是在认知科学和神经科学的基础上发展起来的一门新生学科。传统的认知科学是研究人、动物和机器智能的本质和规律的科学。目前 认知神经科学主要通过将新兴脑科学、脑成像技术得到的数据与认知心理学范式获得的数据进行整合分析，来帮助研究者进一步理解人类的行为和各种高级认知活动。

认知神经科学的研究工具和技术有很多种，包括事件相关电位(ERP)、脑电图(EEG)、脑磁图(MEG)、正电子发射计算机断层显像(PET)、核磁共振成像(fMRI）、近红外光谱(fNIRS)、经颅直流电刺激(tDCS)、经颅磁刺激(TMS)等等。 现就这些技术的 原理和应用 来了解认知神经科学为何能够帮助我们打开大脑“黑匣子”。

ERP (Event-Related Potential)

原理： ERP是一种特殊的脑诱发电位(Evoked Potentials，EPs)，指给予神经系统(从感受器到大脑皮层)特定的刺激，或使大脑对刺激(正性或负性)的信息进行加工，在该系统和脑的相应部位产生的可以检出的、与刺激有相对固定时间间隔(锁时)和特定相位的生物电反应。这种通过有意地赋予刺激以特殊的心理意义，利用多个或多样的刺激所引起的脑的电位，反映了认知过程中大脑的神经电生理的变化。

应用： 已广泛应用到心理学、生理学、医学、神经科学、人工智能等多个领域，并且发现了许多与认知活动过程密切相关的成分。对脑电成分感兴趣的小伙伴可以看往期推文 脑电必读干货：ERP经典成分汇总

EEG (Electroencephalography)

原理： EEG是一种对大脑功能变化进行检查的有效方法，人脑功能的变化是动态多变的，对一些临床上有大脑功能障碍表现的患者在做一次EEG检查没有发异常时，不能完全排除大脑疾病的存在，而应定期进行EEG复查，才能准确地发现疾病。它通过精密的电子仪器，从头皮上将脑部的自发性生物电位加以放大记录而获得图形，是通过电极记录下来的脑细胞群的自发性、节律性电活动。

应用： 在癫痫发作时，EEG可以准确地记录出散在性慢波、棘波或不规则棘波，因此对于诊断癫痫是十分准确的。需要说明的是，EEG检查选项常见的有清醒EEG、睡眠EEG、视频EEG(VEEG)和 24小时 EEG。清醒EEG即描记EEG时患者处于清醒状态。现在国内一般要求描记半小时左右。描记过程中，患者要做睁眼、闭眼、过度换气(大喘气)等动作配合。有时还要加上闪光刺激、蝶骨电极(小儿少用)等措施来提高捕捉异常脑电波的能力。

MEG (Magnetoencephalography)

原理： MEG是指将被测者的头部置于特别敏感的超冷电磁测定器中，通过接收装置可测出颅脑的极微弱的脑磁波，再用记录装置把这种脑磁波记录下来，形成图形。它集低温超导、生物工程、电子工程、医学工程等21世纪尖端科学技术于一体，是无创伤性地探测大脑电磁生理信号的一种脑功能检测技术。MEG对脑部损伤的定位诊断比EEG更为准确，同时MEG不受颅骨的影响，图像更为清晰易辨，对脑部疾病的诊断更准确。

应用： 已被用于如思维、情感等高级脑功能的研究，并被广泛用于神经外科手术前脑功能定位、癫痫灶手术定位、帕金森病、精神病和戒毒等功能性疾病的外科治疗，也在脑血管病以及小儿胎儿神经疾病等临床科学中得以应用。除临床医学以外，MEG还被广泛用于脑神经科学、精神医学和心理学等各个领域的基础研究，如皮层下神经元活动、同步神经元分析、语言学习研究、学习记忆研究以及传统的医学研究等，目前也有人将其用于特殊人群(如宇航员、飞行员等)的体检中。

PET (Positron Emission Computed Tomography)

原理： 是直接对脑功能造影的技术，给被试注射含放射性同位素的示踪物，同位素放出的正电子与脑内的负电子发生湮灭，从而释放出射线。通过记录y射线在大脑中的位置分布，可以测量局部脑代谢率(rCMR)和rCBF的改变，以此反映大脑的功能活动变化。包括直接成像、间接成像和替代成像。具体表述为：PET示踪剂(分子探针)→引入活体组织细胞内→PET分子探针与特定靶分子作用→发生湮没辐射，产生能量同为0.511MeV但方向相反且互成180°的两个光子→PET测定信号→显示活体组织分子图像、功能代谢图像、基因转变图像。

应用： 可用于精神分裂症、抑郁症、毒品成瘾症等的鉴别诊断，了解患者脑代谢情况及功能状态，如精神分裂症患者额叶、颞叶、海马基底神经节功能异常等。应用PET成像，可以测定脑内多巴胺等多种受体，从分子的水平揭示疾病的本质，这是其他方法所不能比拟的。PET也可用于癫痫灶定位、阿尔茨海默病的早期诊断与鉴别、帕金森病的病情评价以及脑梗塞后组织受损和存活情况的判断。PET检查在精神病的病理诊断和治疗效果评价方面已经显示出独特的优势，并有望在不久的将来取得突破性进展。此外，PET在艾滋病性脑病的治疗和戒毒治疗等方面的新药开发中也有重要的指导作用。

fMRI (functional Magnetic Resonance Imaging)

原理： 通过刺激特定感官，引起大脑皮层相应部位的神经活动(功能区激活)，并通过磁共振图像来显示的一种研究方法。它可检测被试接受刺激(视觉、听觉、触觉等)后的脑部皮层信号变化，用于皮层中枢功能区的定位及其他脑功能的深入研究。它不但包含解剖学信息，而且具有神经系统的反应机制，作为一种无创、活体的研究方法，为进一步了解人类中枢神经系统的作用机制，以及临床研究提供了一种重要的途径。

fMRI最初是采用静脉注射增强剂等方法来实现的。20世纪90年代，美国贝尔实验室的学者Ogawa等(1990)首次报告了血氧的T2*效应。在给定的任务刺激后，血流量增加，即氧合血红蛋白增加，而脑的局部耗氧量增加不明显，即脱氧血红蛋白含量相对降低，脱氧血红蛋白具有比氧合血红蛋白T2*短的特性。脱氧血红蛋白较强的顺磁性破坏了局部主磁场的均匀性，使得局部脑组织的T2*缩短。这两种效应的共同结果就是，降低局部磁共振信号强度、激活区脱氧血红蛋白相对含量的降低，作用份额的减小，使得脑局部的信号强度增加，即获得激活区的功能图像。

这种成像方法取决于局部血氧含量，所以将其称为血氧水平依赖功能成像。由于神经元本身并没有储存能量所需的葡萄糖与氧气，神经活化所消耗的能量必须得到快速补充。经由血液动力反应的过程，血液带来了比神经活化所需更多的氧气，由于带氧血红素与去氧血红素之间的磁导率不同，含氧血量跟缺氧血量的变化使磁场产生扰动，并能被磁振造影侦测出来。借由重复进行某种思考、动作或经历，可以用统计方法判断哪些脑区在这个过程中有信号的变化。因而可以找出执行这些思考、动作或经历的相关脑区。

应用： fMRI主要被用于脑功能的基础研究与临床应用，目前涉及的主要方面是神经生理学和神经心理学。最早是被应用于神经生理活动的研究，主要是视觉和功能皮层的研究。后来，随着刺激方案的精确、实验技术的进步，fMRI的研究逐渐扩展到听觉、语言、认知与情绪等功能皮层以及记忆等心理活动的研究。大量研究报告，对于脑神经病变的fMRI研究已涉及癫痫、帕金森病、阿尔茨海默病、多发性脑硬化及脑梗死等方面。由于其空间分辨率高，其对疾病的早期诊断、鉴别、治疗和愈后跟踪具有重要的意义。在精神疾病方面，其也被应用在对精神分裂症患者、抑郁症患者的研究中。

fNIRS (functional Near-Infrared Spectros)

原理： 功能性近红外光谱技术使用650~900mm的两个及两个以上波长的光，将源点和探测点在头皮的预定区域内布成网格而获得漫反射光的空间分布。由于生物组织在该近红外光波段的吸收较少，近红外光可以穿透头皮、头骨而达到脑皮层，而反映脑组织代谢和血液动力学的氧合血红蛋白和还原血红蛋白(Hb)正是近红外光波段内的主要吸收体，因此由探测点测量的近红外光可给出脑皮层的HbO2和Hb浓度变化的空间分布图，从而实现脑功能的研究。

应用： 该技术已经广泛应用于脑认知神经科学、心理学和运动医学等的脑功能研究中，特别是在婴幼儿和特殊人群的脑研究领域有着光明前景。

tDCS (transcranial Direct Current Stimulation)

原理： 经颅直流电刺激是一种非侵入性的，利用恒定、低强度直流电(1~2 mA)调节大脑皮层神经元活动的技术。tDCS通过电极经过头皮向颅内特定区域输入电流，而颅内电流则会提高或降低神经元细胞的兴奋性(取决于输入电流的极性)，而此兴奋性的提高或降低则可引起大脑功能性的改变，可以用来治疗疾病或者研究大脑的功能。

应用： 主要涉及对大脑特定区域或者特定心理问题的研究，许多学者的研究方法为刺激特定区域并观察被试在进行认知任务时的各种表现，其研究范围非常广泛包括：认知/思维/情感/记忆/学习/知觉(视觉、听觉、空间)/计划/冲动/行为/言语/注意力/社会认知等，几乎涵盖了心理学研究的所有方面。

TMS (Transcranial Magnetic Stimulation)

原理： 是一种兴奋或抑制大脑神经元的无创方法，该方法使用高强度线圈，产生快速变化的磁场脉冲，可以穿过受试者的头皮和颅骨，作用于其下的大脑皮层，诱导神经细胞发生电位活动的改变。

应用： 现已广泛应用于医学治疗领域，如运动障碍性疾病，癫痫；抑郁症；神经功能康复领域，脑卒中，失语症；成瘾问题等等。TMS在治疗神经性疼痛、帕金森病、耳鸣以及其他中枢和外周神经系统的疾病方面也有一定的应用。

⑷ 神经环路研究的分子生物学方法

从毫秒级的分子反应到以年为单位的群体心理学研究，脑相关科学在时间和空间两个坐标上都有很大的跨度。

神经环路（circuit）是指大脑中由神经元相互连接形成的、传递某种特定信息的通路。最简单的神经环路就是大家熟悉的膝跳反射环路：锤击膝盖下方后，感觉信息从肌梭中产生，经过感觉神经元进入脊髓；接着运动信息由motor neuron传出脊髓一直到肌肉，控制股四头肌收缩和二头肌舒张。中枢神经系统的神经环路往往比膝跳反射复杂得多，不仅涉及多个脑区，更具有复杂的连接结构。

不论一个反射有多么复杂，它都由三部分组成：输入（感觉信息），中间处理和输出（行为）。简单如膝跳反射环路，其输入是对膝盖附近的敲击，而输出是肌肉的收缩引起的踢腿行为；复杂如果蝇的求偶行为，其输入是特定的环境、时间、雌果蝇的存在等，而输出是跟随、唱歌、闻嗅等一系列追求雌果蝇的行为。输入和输出往往是容易控制和观察的，而神经系统就像一个黑匣子，我们只知道其输入和输出，却对其工作的机制一无所知。

为了探明神经环路的真相，生物学积累了大量的方法，用以解决下列问题：某神经环路由哪些成分组成？每个组分的功能是什么？这些功能是如何实现的？

要分析神经环路的组分以及它们的功能，也就是从大脑中所有一千亿个神经元中，区分出与某特定功能有关的那些。这就需要我们把神经元的某些特征与神经系统的某些功能对应起来。神经元有什么特征？形态并不足以区分不同的环路（尽管有时外貌特征是有用的，比如中脑黑质的多巴胺能神经元颜色较深）。一般而言，最具有分辨率的特征有两种：①基因表达的时空特征，毕竟这是个体中任何细胞之间产生区别的根本原因；②动作电位发放和突触传递的时空特征，这是神经系统发挥功能的基础。对于基因表达的特性，我们可以使用分子生物学/遗传学的手段探测；而对于动作电位的发放，我们有电生理的方法探测。

接下来，有了特征，我们用什么方法将它们和神经系统的仔脊薯特定功能对应起来呢？为了更形象地解释，我们用果蝇的求偶行为作为例子。一种思路是，①在果蝇求偶的过程中观察其大脑，看看哪些神经元依次进行了活动，从而可以简单地认为这些神经元与求偶相关。这种思路的问题是，如何在活的果蝇中，以高时空分辨率，记录下大脑中每个神经元的活动——这显然是不现实的，但我们可以用各种技巧去接近这个目标，稍后叙述。另一种思路是，②抑制或者增强某些神经元的功能，然后观察果蝇的求偶行为受到了什么样的影响——是增强了（像发情期的泰迪一样对空气交配）还是减弱了（对性感的雌果蝇不屑一顾）。这种方法不需要进行实时记录，只需要轻松地观察行为即可；它的问题在于，如何抑制或者增强特定的一部分神经元的功能。

让我们从第二种思路说起。当我们拔掉网卡，电脑就不能上网了，于是我们认为网卡的功能是连接网络。同样野森地，对大脑也可以用同样的方法研究。二十世纪中叶一位代号H.M.的病人被手术切除了海马，从此很难再形成新的（陈述性）记忆，这极大帮助了科学界对记忆相关环路的理解。然而手术的分辨率是有限的，而且只能切除空间上相近的一部分脑组织。现代生物学既可以利用分子生物学/遗传学方法来永久改变神经元活动（从出生到死亡），也可以利用化学控制、温度控制和光控制来实时操作神经元（数秒至数小时）。

永久地改变神经元活动的方法主要是遗传操作，即减少某些内源性基因的表达和增强某些内源性（或者增加某些外源性）基因的表达。抑制基因表达既可以通过正向遗传学筛选，也可以用反向遗传学的方法，比如同源重组介导的knock out，以及RNAi介导的knock down。增加外源性基因可以通过转基因或者knock in的方法，而过表达内源性基因可以在目标基因上游增加增强子/启动子调控元件。

对神经元的操作有时候需要在特定的时空区段内进行。双表达系统，如Cre/LoxP、Gal4/UAS等提供了模块化的、组织念者特异性的遗传操作手段，从而提高了操作的空间分辨率。病毒注射、光遗传学、化学遗传学等方法提供了暂时改变特定区域基因表达特性的的手段，从而提高了操作的时间分辨率。

接下来再说第一种思路。如何在活体中观察神经元的活动？活动的神经元与不活动的神经元区别在哪？活跃的神经元中有密集的动作电位，大量离子通道的开放和跨膜离子流。电生理技术记录前者，而钙成像技术（GECI，genetically encoded calcium indicators）（最常用GCaMP）记录后者。GEVI记录膜电位的变化，相较GECI有更高的时间分辨率，但荧光强度不足。上述成像技术的另一个问题是，活体厚厚的脑组织对显微镜是巨大的挑战。目前最先进的双光子技术也只能穿透500mm左右的组织并保持分辨率。另外，fMRI记录活跃神经元附近加速的血流，尽管其空间分辨率很低，但作为一种非侵入式的方法在人脑研究中有重要意义。

通过上述两种思路，我们往往会得出形如这样的结果：“A区域和B区域（的xxx神经元）可能与X行为有关，C区域也对该行为有一些影响……”。可是这些区域究竟是如何连接的？区域的边界在哪里？每个区域中究竟有哪些种类的神经元？这些问题在上述两种实验中很难得到完整的解答。这时候就需要解剖学的方法，来对脑进行静态的观察。

如何将特定的细胞标记出来，从而可以将它们和周围细胞区分开来？染色是生物中常用的一种方法。将GFP转进小鼠中，可以标注某些特定细胞类型。MARCM（mosaic analysis with repressible cell marker）技术可以使一簇同种细胞中大部分细胞的荧光色素失活，只留下小部分具有荧光，从而更清晰地观察单个细胞的形态。Photo-convertible/switchable GFP可以用光诱导特异性标注某一个神经元；CaMPARI（calcium-molated photoactivable ratiometric integrator）能特异性标注出活动的神经元，为活体动态记录提供了工具。

除了观察单个细胞的形态，我们还希望了解神经元之间连接的情况。GRASP技术和Functional Mapping能检验两个神经元之间有无连接关系，而基于化学物质或病毒的跨膜tracer则可以找出某个神经元的上游或下游神经元。

上述就是神经环路研究的常用分子生物学方法了。

Bassett, D., Sporns, O. Network neuroscience.  Nat Neurosci   20,  353–364 (2017) doi:10.1038/nn.4502