第四講認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究手段第一頁，共53頁。優(yōu)選第四講認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究手段第二頁，共53頁。在研究方法上注重采用無損傷性實(shí)驗(yàn)技術(shù)

以ERP、fMRI等為代表的腦成像技術(shù)的發(fā)明和發(fā)展，已成為現(xiàn)代高科技的一個(gè)競(jìng)爭熱點(diǎn)，匯集了信息科學(xué)、物理科學(xué)以及其它工程科學(xué)的眾多高科技成果腦成像技術(shù)可以直接“觀察”大腦的活動(dòng)。采用腦成像技術(shù)研究腦的認(rèn)知結(jié)構(gòu)和功能，已成為腦科學(xué)與認(rèn)知科學(xué)發(fā)展的一大趨勢(shì)腦成像技術(shù)還有待完善。腦認(rèn)知成像技術(shù)可以為我們對(duì)認(rèn)知過程的腦功能形成直觀的圖像，但還受到時(shí)間、空間分辨率的限制第三頁，共53頁。認(rèn)知科學(xué)與神經(jīng)科學(xué)的結(jié)合生物定向的調(diào)查能夠改變認(rèn)知理論神經(jīng)成像技術(shù)可提供比行為測(cè)量更直接的可解釋信息提出認(rèn)知領(lǐng)域新的組織方式

——E.E.Smith第四頁，共53頁。信息載體信息源信息提取與加工信息獲取第五頁，共53頁。磁共振波譜功能像擴(kuò)散張量成像偶極子定位磁共振結(jié)構(gòu)像光學(xué)成像事件相關(guān)電位分子像腦磁圖第六頁，共53頁。第七頁，共53頁。神經(jīng)細(xì)胞的電磁活動(dòng)當(dāng)興奮脈沖沿著神經(jīng)細(xì)胞的軸索到達(dá)突觸時(shí)，突觸囊泡將特殊的傳遞分子釋放到約50nm寬的突觸裂隙中，這些分子迅速在裂隙中彌散，其中一部分被突觸后細(xì)胞表面的受容體所截獲，結(jié)果受容體分子的形態(tài)改變并使膜表面的離子通道開放。電荷的流動(dòng)（通常是Na+，K+，Ca2+離子）使后一個(gè)細(xì)胞的膜電位發(fā)生改變，這一電位改變即為突觸后電位。第八頁，共53頁。細(xì)胞內(nèi)電流和細(xì)胞外的電流

第九頁，共53頁。ERP的技術(shù)原理事件相關(guān)電位(Event-relatedpotential,ERP)，是與實(shí)際刺激或預(yù)期刺激(聲、光、電)有固定時(shí)間關(guān)系的腦反應(yīng)所形成的一系列腦電波利用ERP的固定時(shí)間關(guān)系，即鎖時(shí)(time-locked)關(guān)系，經(jīng)過計(jì)算機(jī)的疊加處理，則可以提取出ERP成分時(shí)間分辯率為ms級(jí)，空間分辯率為cm級(jí)第十頁，共53頁。聽覺ERP成分波形命名測(cè)量指標(biāo)第十一頁，共53頁。第十二頁，共53頁。第十三頁，共53頁。-10020040060080010000.0-2.02.04.0ERP地形圖第十四頁，共53頁。偶極子定位第十五頁，共53頁。MEG的技術(shù)原理MEG檢測(cè)的是頭皮腦磁場(chǎng)信號(hào)，該腦磁場(chǎng)信號(hào)是由神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)電流的體積電流所產(chǎn)生，這種腦磁場(chǎng)信號(hào)與顱骨形狀的復(fù)雜性以及顱骨內(nèi)腦組織導(dǎo)電率的不均勻一致性無關(guān)，因此MEG具有定位精度高，無損傷，無須測(cè)定基準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)空間定位精度可達(dá)2毫米范圍以內(nèi)，而且其時(shí)間分辨率可達(dá)１毫秒第十六頁，共53頁。細(xì)胞內(nèi)電流產(chǎn)生的MEG信號(hào)第十七頁，共53頁。SQUID傳感器:-269℃磁場(chǎng)屏蔽室:兩層

m金屬板和一層鋁板

第十八頁，共53頁。第十九頁，共53頁。275個(gè)傳感器在頭盔內(nèi)的分布

MEG波形

MEG地形圖

第二十頁，共53頁。GoalsofSourceReconstructionexperiment&measurementspatialdistributiontimecoursespatio-temporalimageofbrainactivity第二十一頁，共53頁。ForwardCalculationHeadModelSensorsModelSourceModel-idealized-simplifiedData(estimated)第二十二頁，共53頁。InverseCalculationHeadModelSensorsModelSourceModelData(measured)physicalmodel第二十三頁，共53頁。realisticheadmodeling3Dautomaticsegmentation第二十四頁，共53頁。~30mm2=5.5×5.5mm2SizeofMacroscopicNeuralActivityEquivalentCurrentDipole(Primarycurrent)(~50nAm)parameters:position:x,y,zdirection:q,fmagnitude:m

+--cellbodysinksourcesynapse-

+Equivalentcurrentdipolemodel:cortexMicroscopiccurrentflow(~5×10-5nAm)

第二十五頁，共53頁。Inversemethoddetermines:positionsdirectionstimecoursesofthedipoles.Spatio-temporaldipolemodel第二十六頁，共53頁。Dipolemodelsdoverywellinagreatnumberofcases:ExogenoussensorycomponentsPreattentiveprocessing,e.g.MMNEpilepticspikes...andmanymore第二十七頁，共53頁。Dipolemodelsdoverywellinagreatnumberofcases:Exogenoussensorycomponentse.g.P30evokedbyelectricstimulationoftherightmediannerve.

第二十八頁，共53頁。Dipolemodelsdoverywellinagreatnumberofcases:Preattentiveprocessinge.g.MEGequivalentofmismatchnegativityevokedbydeviatingwordsandvoices(Kn?scheetal.,NeuroImage2002)第二十九頁，共53頁。Dipolemodelsdoverywellinagreatnumberofcases:Epilepticspikes第三十頁，共53頁。EEG與MEG比較MEG--正切磁場(chǎng)測(cè)量，EEG--徑向磁場(chǎng)測(cè)量MEG測(cè)量細(xì)胞內(nèi)電流，而EEG測(cè)量細(xì)胞外電流腦功能區(qū)呈多方位立體分布，信號(hào)為立體傳遞。由于頭部各組織的導(dǎo)電率各不相同的效應(yīng)，使得腦電圖信號(hào)在到達(dá)頭皮表面后產(chǎn)生信號(hào)失真腦磁場(chǎng)為空間探測(cè)，將頭顱作為球型導(dǎo)體在顱外與之呈正切方向均能檢測(cè)到腦磁場(chǎng)信號(hào)，既腦磁圖信號(hào)和各種腦組織的導(dǎo)電率無關(guān)，因此腦磁圖信號(hào)在穿透頭皮后不會(huì)產(chǎn)生任何失真MEG的價(jià)格是EEG的20倍第三十一頁，共53頁。PET的技術(shù)原理正電子斷層掃描術(shù)（PositronEmissionTpmography,PET)獲得正電子標(biāo)記藥物在人體中的三維密度分布，并隨時(shí)間變化的特點(diǎn)PET探測(cè)器光轉(zhuǎn)換器：將高能湮滅光子轉(zhuǎn)化為低能量光子光探測(cè)器：收集上述低能量光子，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)性能指標(biāo)：空間分辨率(5mm)、靈敏度、信噪比、時(shí)間分辨率、能量分辨率第三十二頁，共53頁。第三十三頁，共53頁。fMRI的技術(shù)原理血氧水平依賴性（bloodoxygenation-leveldepndent,BOLD）：腦血管中的血氧變化→局部磁場(chǎng)變化→NMR信號(hào)強(qiáng)度變化空間分辯率為mm級(jí)，時(shí)間分辯率為sec級(jí)第三十四頁，共53頁。普通MRI開放式MRI第三十五頁，共53頁。1、外磁場(chǎng) 2、射頻激發(fā)3、信號(hào)的提取 4、數(shù)據(jù)處理和圖象產(chǎn)生第三十六頁，共53頁。BloodOxygenationLevelDependent(BOLD)contrastOxyhemoglobinDeoxyhemoglobinPARAMAGNETICDIAMAGNETIC

(SimilartoTissue)第三十七頁，共53頁。BasalActiveCBF

O2extraction

Oxy-Hb

BrainActivity第三十八頁，共53頁。RearProjectionSystemComputerprojectorscreenmirrormagnetParadigmcomputer第三十九頁，共53頁。BLOCK1BLOCK2RESTTRIALTraditional:BLOCKDESIGNNewlydeveloped:EVENT-RELATED123456第四十頁，共53頁。ERP+fMRI在不同條件下根據(jù)被試的反應(yīng)對(duì)ERP和fMRI結(jié)果進(jìn)行分類，并在實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行“off-line”分析。ERP頭皮分布與fMRI影象可反映腦內(nèi)神經(jīng)活動(dòng)的不同模式。ERPs與fMRI可通過不同的實(shí)驗(yàn)條件測(cè)量認(rèn)知加工的的功能性分離。ERP具有ms級(jí)的時(shí)間精確度，而fMRI則有mm級(jí)的空間分辨率。第四十一頁，共53頁。光學(xué)成像原理近紅外線光譜氧合血紅蛋白與去氧血紅蛋白濃度的變化時(shí)空分辨率間于ERP-fMRI第四十二頁，共53頁。日立醫(yī)學(xué)公司生產(chǎn)的24導(dǎo)光學(xué)成像儀器第四十三頁，共53頁。第四十四頁，共53頁。OpticalImagingCamberLatticeUsedinPropagationExperimentRecordingElectrodeStimulateElectrode第四十五頁，共53頁。Sample:1ms光學(xué)成像（OpticalImage)第四十六頁，共53頁。腦皮層內(nèi)源性光學(xué)信號(hào)成像（IOS）：可以獲得神經(jīng)元群體的活動(dòng)圖象，其空間分辨率高達(dá)10微米，能顯示出腦信息處理的空間編碼細(xì)節(jié)。A.Grinvaldetal,Tech.ReportGC-AG/99-6.

ModernTechniquesinNeuroscienceResearch.U.WindhorstandH.Johansson(Editors)SpringerVerlag.(2001)第四十七頁，共53頁。多道微電極神經(jīng)元電活動(dòng)記錄第四十八頁，共53頁。第四十九頁，共53頁。三維電極陣列（腦芯片）讀取腦信息細(xì)節(jié)M.

D.

Sereuyaetal.