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認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)簡介

文章來源：中華心理教育網(wǎng)

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八、九十年代,心理學(xué)研究者無不關(guān)注兩個(gè)蓬勃發(fā)展的邊沿交叉學(xué)科的研究,即認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)和認(rèn)知行為遺傳學(xué)。這兩個(gè)學(xué)科吸收了認(rèn)知科學(xué)和行為發(fā)展科學(xué)的理論與神經(jīng)科學(xué)和遺傳學(xué)的新技術(shù),共同向智能的本質(zhì)和意識的起源這一基本的重大理論問題發(fā)起沖擊,將心理學(xué)的研究推向了一個(gè)的發(fā)展水平,已經(jīng)并且勢必繼續(xù)對心理學(xué)的研究產(chǎn)生重大影響。

認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的研究旨在闡明認(rèn)知活動的腦機(jī)制,即人類大腦如何調(diào)用其各層次上的組件,包括分子、細(xì)胞、腦組織區(qū)和全腦去實(shí)現(xiàn)各種認(rèn)知活動。傳統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)的某些分支,例如神經(jīng)心理學(xué)、心理生理學(xué)、生理心理學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)和行為藥理學(xué)等,吸收了認(rèn)知科學(xué)的理論和神經(jīng)科學(xué)的新技術(shù),逐漸形成了認(rèn)知神經(jīng)心理學(xué)、認(rèn)知心理生理學(xué)、認(rèn)知生理心理學(xué)、認(rèn)知神經(jīng)生物學(xué)和計(jì)算神經(jīng)科學(xué)等認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的各個(gè)分支。自八十年代后期發(fā)端以來,認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的研究在短短時(shí)間內(nèi)取得了令人注目的進(jìn)展,對傳統(tǒng)認(rèn)知心理學(xué)和發(fā)展心理學(xué)的理論建構(gòu)和各內(nèi)容領(lǐng)域的研究有著巨大影響。認(rèn)知發(fā)展研究自然也不例外,由于認(rèn)知發(fā)展心理學(xué)和發(fā)展神經(jīng)科學(xué)科學(xué)對許多共同問題感興趣,由此衍生出來的發(fā)展認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)正得到越來越多人的關(guān)注,成為當(dāng)前最熱門的交叉研究領(lǐng)域之一。

雖然認(rèn)知科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)的興起只有20 多年的短暫歷史,由于其高度跨學(xué)科性與高新技術(shù)發(fā)展的密切相關(guān),兩者又結(jié)合在一起,形成了新的交叉領(lǐng)域———認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)。在世紀(jì)之交,可以預(yù)見這一領(lǐng)域的發(fā)展將會帶動整個(gè)科學(xué)的發(fā)展,并能順應(yīng)發(fā)展教育事業(yè)的理論需求。下列研究已經(jīng)形成或正在形成國際前沿。

1 腦認(rèn)知功能模塊(或系統(tǒng)) 的實(shí)驗(yàn)性分離研究

腦的認(rèn)知功能包括知覺、注意、記憶、語言和思維以及智能和意識等心理功能。一百多年來,神經(jīng)生理學(xué)家和解剖學(xué)家一直按機(jī)能定位的指導(dǎo)思想試圖尋找各種認(rèn)知功能的特異腦中樞。60 年代在治療頑固癲癇的腦手術(shù)病人中,發(fā)現(xiàn)了大腦兩半認(rèn)知風(fēng)格的差異和海馬的記憶功能,曾極大地鼓舞了高級功能定位論的研究,認(rèn)為海馬是特異的記憶中樞,左半球負(fù)責(zé)抽象思維,右半球負(fù)責(zé)形象思維等。然而,即使這類研究的奠基人和大腦半分工說的創(chuàng)始人,也很快陷入迷惘之中。因?yàn)榭偸谴嬖诖罅棵艿目茖W(xué)事實(shí)。還在70 年代中期,我們就試圖以“功能模塊”的概念取代定位論或分工說。經(jīng)過十多年的努力,神經(jīng)病學(xué)家和心理學(xué)家們終于采用雙分離方法學(xué)原則,發(fā)現(xiàn)了人腦功能模塊性或多重功能系統(tǒng),主要突破表現(xiàn)在多重記憶模塊和復(fù)雜的認(rèn)知功能系統(tǒng)。神經(jīng)生理學(xué)家在猴等動物的實(shí)驗(yàn)研究中,也積累了大量科學(xué)事實(shí),證明視覺功能存在著背、腹側(cè)系統(tǒng),至少是枕、頂、顳、額的30 多個(gè)腦皮層區(qū)動態(tài)活動。目前,物體真實(shí)運(yùn)動和似動知覺之間、幻覺和真實(shí)知覺之間、外界引起和主動性選擇注意之間的腦功能模塊的異同是引起普遍關(guān)注的研究課題

2 意識與無意識的腦機(jī)制

過去20 年間,運(yùn)用雙分離原則,已將記憶至少分離出意識和無意識兩類多重記憶系統(tǒng),在這些研究成果之上,近年涌現(xiàn)出意識的“全腦工作空間模型” 、“簇化模型”、復(fù)雜性模型”等,對意識與無意識過程進(jìn)行了更為系統(tǒng)性的實(shí)驗(yàn)研究及對外界客體的真實(shí)知覺和想像之間的腦功能模塊的對比研究等,這種對比性分離研究,將會對腦高級功能的認(rèn)識更加深入。這類研究一方面在認(rèn)知實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上巧奪天工,另一方面,又必須有適當(dāng)?shù)哪X功能檢測手段或者嚴(yán)格挑選的腦損傷病人為實(shí)驗(yàn)對象。此外,為了搞清所研究的腦功能系統(tǒng),設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)撵`長類或低等動物實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵彩鞘直匾?。不同層次上的?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)彼此支持是使這一領(lǐng)域深入發(fā)展的必由之路。這一領(lǐng)域的發(fā)展一方面直接涉及人類科學(xué)最大難題腦與意識的本質(zhì);另一方面又關(guān)系到智能化信息系統(tǒng)、智能化機(jī)器人等高新技術(shù)發(fā)展,將為人工智能研究開創(chuàng)新的境界。

3 學(xué)習(xí)記憶的腦機(jī)制

在過去20 年間學(xué)習(xí)記憶的神經(jīng)基礎(chǔ)研究在各個(gè)層次上都取得了突破性進(jìn)展。認(rèn)知心理學(xué)和神經(jīng)心理學(xué)研究發(fā)現(xiàn),人類的學(xué)習(xí)、記憶,至少由五個(gè)以上的腦功能系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)著多種學(xué)習(xí)記憶功能,包括重復(fù)啟動效應(yīng),知覺啟動效應(yīng),語義系統(tǒng),工作記憶和情景記憶的多重記憶,以及熟練技能學(xué)習(xí)、知覺學(xué)習(xí)、語義學(xué)習(xí)等多種學(xué)習(xí)模式。學(xué)習(xí)和記憶的性質(zhì)不同,參與的腦結(jié)構(gòu)也不同。神經(jīng)生物學(xué)研究發(fā)現(xiàn),不僅學(xué)習(xí)中刺激呈現(xiàn)時(shí)間,而且學(xué)習(xí)之間的間隔期也制約著學(xué)習(xí)效果和穩(wěn)定長時(shí)記憶的形成,其原因在于從學(xué)習(xí)到記憶,必須有腦內(nèi)記憶相關(guān)的基因調(diào)節(jié)蛋白的激活和基因表達(dá)。行為水平上所須的時(shí)間恰好與基因調(diào)節(jié)蛋白激活所需時(shí)間巧合。介于行為科學(xué)和分子水平研究之間的細(xì)胞學(xué)研究表明,腦的個(gè)體發(fā)育中,突觸形成需要一定的神經(jīng)化學(xué)環(huán)境,包括神經(jīng)遞質(zhì)和神經(jīng)生長因子。因此,作為學(xué)習(xí)記憶神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)而言,突觸可塑性的研究,已成為近年教育相關(guān)腦科學(xué)所關(guān)注的研究課題,尋求腦發(fā)育和不同認(rèn)知功能發(fā)展的關(guān)鍵期和可塑性是當(dāng)代心理學(xué)與生理學(xué)共同熱衷研究的領(lǐng)域。70～90 年代以海馬三突觸體回路為先導(dǎo)的離體腦片實(shí)驗(yàn)標(biāo)本,隨后膜片箝技術(shù)所要求的離體細(xì)胞培養(yǎng)和腦片標(biāo)本,乃至海兔、果蠅等實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?都極大推動了學(xué)習(xí)記憶的分子生物學(xué)基礎(chǔ)研究。這些研究表明,不僅多種神經(jīng)遞質(zhì)及其受體是必不可少的神經(jīng)信息傳遞環(huán)節(jié),而且膜的離子通道特性和細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng),乃至細(xì)胞核內(nèi)的基因調(diào)節(jié)蛋白,都是學(xué)習(xí)和記憶的重要分子生物學(xué)基礎(chǔ)。90 年代以來,有采用基因敲出或轉(zhuǎn)基因技術(shù),培養(yǎng)出許多動物模型,對學(xué)習(xí)記憶的分子生物學(xué)基礎(chǔ)提供了新的研究手段。因此,學(xué)習(xí)記憶的分子生物學(xué)研究已成為國際上最活躍的研究領(lǐng)域之一,出現(xiàn)了難以計(jì)數(shù)的研究課題,極大豐富了認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的學(xué)術(shù)空間。

4 個(gè)體差異的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)基礎(chǔ)

迄今為止,由于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)形成的歷史短暫,對作為全人類共性的腦高級功能多重系統(tǒng)的研究,剛剛拉開序幕。因此,尚未來得及系統(tǒng)研究腦高級功能的個(gè)體差異。然而,隨著21 世紀(jì)社會經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的高度發(fā)展,對每個(gè)公民而言,那個(gè)領(lǐng)域能夠最好發(fā)揮自己的聰明才智,是其面臨的重大抉擇;對教育而言,雖然因材施教是理想的原則,但怎樣評定教育對象的心理素質(zhì)和才氣,至今仍是教育家們的經(jīng)驗(yàn)之談,缺乏系統(tǒng)的科學(xué)基礎(chǔ)。雖然在認(rèn)知心理學(xué)誕生之前,一些學(xué)者曾試圖尋求腦高級功能的個(gè)體差異,如巴甫洛夫的高級神經(jīng)活動類型和艾森克的人格維度理論;但都缺乏對人類心理過程深層機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究的科學(xué)基礎(chǔ)。過去40 年間,認(rèn)知心理學(xué)對人類信息加工過程進(jìn)行精細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究,概括出許多心理過程的基本特性,提供了理解心理過程個(gè)體差異的科學(xué)基礎(chǔ)。外顯的意識過程和內(nèi)隱的無意識心理過程的特性,控制加式與自動加工過程的特性及其相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律,心理容量分配的基本特性和規(guī)律,復(fù)雜心理過程的時(shí)序性和決策水平的特性等,這些心理過程的深層機(jī)制,不但可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的客觀研究, 而且還可找到與之并存的許多相應(yīng)腦功能參數(shù),如腦細(xì)胞或不同腦區(qū)神經(jīng)信息處理和能量代謝水平的差異,同一心理過程腦激活區(qū)大小、多少和激活水平的差異等。將認(rèn)知心理學(xué)和神經(jīng)科學(xué)的當(dāng)代新成果用于人腦認(rèn)知功能的個(gè)體差異研究,已具備了較好的科學(xué)基礎(chǔ)。因此,21 世紀(jì)將個(gè)體差異的心理學(xué)研究納入認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)軌道,將會出現(xiàn)突破性發(fā)展。

5 多種腦成像技術(shù)綜合應(yīng)用的理論基礎(chǔ)

近年來多種腦成像綜合應(yīng)用已成一大發(fā)展趨勢。一方面,取高分辨率腦電或腦磁成像的理想時(shí)間分辨率,另一方面,看重功能性磁共振(fMRI) 或正電子發(fā)射層描術(shù)( PET)的準(zhǔn)確空間分辨率,將兩類圖像的配準(zhǔn)、融合共同投射到結(jié)構(gòu)圖像上,已成為這一研究領(lǐng)域重大的技術(shù)路線。然而兩類成像技術(shù)的生物學(xué)基礎(chǔ)并不相同,前者是腦細(xì)胞生理活動的反映,后者是腦細(xì)胞活動伴隨的能量代謝的變化(包括腦血流、血氧和葡萄糖代謝率的變化) 。兩類過程時(shí)間尺度之差異(從數(shù)毫秒至數(shù)分鐘) 卻為圖像配準(zhǔn)和融合技術(shù)所抹殺。因此,在細(xì)胞和分子水平上解決多種腦成像技術(shù)綜合應(yīng)用的理論基礎(chǔ)已引起很大重視。離體腦片研究發(fā)現(xiàn)腦細(xì)胞活動的能量供應(yīng)主要依靠通過膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行的谷氨酸/ 谷氨酰胺循環(huán),但也有證據(jù)支持是葡萄糖有氧代謝的結(jié)果。腦細(xì)胞生理活動及其伴隨的能量代謝過程的動態(tài)規(guī)律已成為這一領(lǐng)域的重大理論基礎(chǔ)課題,它的突破將會對多種無創(chuàng)性腦研究發(fā)生重大影響。

雖然認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)剛剛誕生不足十年,但其實(shí)驗(yàn)基地形成之迅速,理論著作問世之集中,都反映了該研究領(lǐng)域的重大意義和巨大的生命力。在比較各國發(fā)展的勢態(tài)時(shí),令我們震動的是這幾年經(jīng)濟(jì)發(fā)展并不景氣的英國和德國,竟能拿出大筆資金分別建設(shè)了世界上非常先進(jìn)的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)基地。在倫敦一個(gè)只有40 人編制的研究所,竟在一座小樓內(nèi)具有專門研究用的PET 和fMRI 設(shè)備。在德國,1997年投資5000 萬馬克興建的猴實(shí)驗(yàn)室內(nèi)同時(shí)具有專用fMRI和一百套腦細(xì)胞電活動記錄的儀器。這種加強(qiáng)基礎(chǔ)研究的勇氣和明智的選擇已預(yù)示德國有可能在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)發(fā)展中迅速做出突破性進(jìn)展。面對這一新領(lǐng)域的發(fā)展勢態(tài),我國科學(xué)界將取何種舉措是值得深思的問題。

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