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1、第8讲 认知与脑功能,沈显生中国科大生命科学学院,主要内容,一、认知神经科学与心理学 二、视觉三、选择性注意和视觉忽略症 四、学习和记忆 五、语言 六、认知神经科学的新时代,一、认知神经科学与心理学（一）概念,认知神经科学是由神经生物学、脑科学与心理学组成的新兴的交叉学科，它的主体是心理学。心理学是研究人类行为的科学，主要研究脑的活动及其特点和规律。心理学涉及的范围非常广泛，包括感觉、知觉、注意、学习和记忆、语言、思维、推理、智力，以及动机、情绪、人格个性、社会行为和非正常心理等方面。,（二）研究心理学的意义,了解人类自身自我意识，无疑是最重要的认知功能，与此密切相关的是面孔的自我识别。为医学
2、服务心理学研究将有助于发展新的神经系统和心理功能的监测、疾病的诊断、治疗及康复的方法。为生物领域高技术的发展提供好的思路从自然匹配原则到以人脑为中心的设计原则。,二、视觉（一）视知觉的恒常性,1、恒常性实验举起双手大拇指。2、概念：一个外部的物体，当它相对人眼的距离、方位、角度和照明光线发生变化时，它在视网膜上的成象也会有相应的变化，然而人对这个物体的视知觉（即你看到的、感受到的）却是恒定不变的，即知觉到的物体的大小、彩色、形状保持不变。或换一句话讲，人对物体的视知觉，不是简单地由视网膜成象所确定的。依靠恒常性,人的知觉更真实地反映了外部物体所固有的特性。,3、视知觉恒常性的破坏,人提取不变性
3、的能力很强,例如,一个熟人,不论他的脸朝向何方,甚至仅从一个背影我们也能正确地判断他是谁。然而在有些条件下,知觉的恒常性却被破坏了。通过这些恒常性的破坏,可以更深入地理解知觉的恒常性。请把书倒过来读,多用一点时间你可能读出上面的句子。然而,要读倒着的连笔草书的诗词就非常困难,甚至无法读出。把一个刺激旋转会同时产生 1,视网膜象；2,刺激对其周围的环境(以重力为标准)的相对方位这两种变化。究竟什么因素影响人的知觉呢?可作一个实验：把一个正方形纸片贴在墙上,使其下边与地面平行。观察者采用两种方法来看：头保持正直或转45度。在这两种条件下视网膜象的方位不相同，但是这对正方形的知觉并无影响。这说明视网
4、膜象的变化没有起作用。实验2,把贴在墙上的纸片转45度,观察者仍以两种不同的位置去看,结果感到的都是棱形。这进一步说明了刺激相对视网膜的方位不起作用,起作用的是其相对环境的朝向。,(续),但是在另一种条件下的结果就不一样了。当我们两腿分开,身体向下弯曲180度,使头顶完全朝下,眼睛向后看。在这种条件下,相对环境正立的书则比倒立的书难读了!看来,这时书相对视网膜的朝向起了主要的作用。总之,环境的朝向和对视网膜的朝向两个因素都对视觉起作用。,4、视觉图象的解释,图形分割对知觉非常重要，Hoffman和Richards发现：两个任意形状的曲面作随机穿插时，其相交的边界总是在凹性不连续处。这是客观规律
5、，一个数学定律，或换句话说紧靠在一起的两个物体，它们的分界线一定是凹性的不连续。现在用这个定律去理解分割的变化，在正看时,两阴影面之间的相交线AB是在凸处，所以这条线必然不会把两侧面分割开来；倒转后线段AB成为凹性不连续的线,它就成了把两个侧面分割开来。,（二）视觉识别的三种模型,1、模板模型 在记忆中贮存着大量的视觉表征模板，这些模板都已经被标记和命名。识别就是内部表征与模板相匹配的过程。该模型简单、明确。但是它不完善，主要缺点是：在物体识别中,要实现不变性的抽提，则不但每一个物体需要一个模板，而且这一个物体在每种不同的距离、朝向等都需要一个不同的模板。因而需要大量的甚至是无限多的模板。,2
6、、原型模型,多个相关刺激之间的相似性在识别中起了基本的作用。某一刺激总是一类刺激中的一员，原型定义为一类刺激的平均。某一具体的刺激既有它所属的那一类刺激的共同性质，又有它自身与原型的差别,即个性。主要缺点是：对外界刺激究竟如何经过抽象,从而建立内部表征和原型的结构都缺少明确、具体的描述。,3、特征模型,在脑的内部，刺激被表征为一系列的特征。识别要经过4个阶段，在每个阶段都有相应的精灵，它们是图象、特征、认知和决策精灵。图象精灵把网膜象转化成初级内部表征。特征精灵搜索包含在初步表征中的特征。认知精灵专门搜索某些特定的特征。决策精灵比较认知精灵的活动水平,并依此作出最后决定。特征检测模型灵活、有效
7、、无需占用太多的记忆容量、对识别过程有更明确的描述，它还得到一些生理学和心理学实验的支持。然而它也有缺陷，主要问题：实验所发现的选择反应细胞并不完全符合检测器的理论标准。它不能解释内容优势效应。,（三）视觉刺激的分类反应,高等动物的大多数分类功能,是通过学习建立的。猴子可以学会区分动物与非动物、食物与非食物、树木与非树木等。这些知觉分类的神经机制可能在IT和PFC，因为这两个脑区的神经元对图形敏感，并在很多视觉引导的行为中起重要作用。,分类反应实验,通过计算机3维系统，以3种猫科动物和3种犬科动物作为原型，把这些原型进行所有可能的线性合成。通过组合不同量的“猫”“狗”，就可以连续地改变原型，和
8、清楚地定义种类的边界。这样得到了100%、80%和60%的“猫”和“狗”，这里的60%的猫与60%的狗是很相似的，因为它们有80%（40%猫40%狗）是相同的。而60%狗与100%狗却只有60%相似。（但这60%都是“狗”类特征。）经过训练，2只猴子可以很快地完成这种猫狗分类的任务。在训练前，这两只猴子没有接触和看过猫与狗，所以其分类能力可能是通过训练学习获得的。,三、选择性注意和视觉忽略症（一）选择性注意,1、注意大脑有选择地处理不同的信息，这就是注意的主要功能。特点是节约和高效。2、注意研究中的难点 人的心理注意中心一般与视网膜的中央凹一致。这就难以把注意对实验结果的影响与中央凹的作用相区
9、别。3、Posner的方法如下：视觉刺激是一个短暂的闪光，被随机地呈现在视野的左侧或右侧的不同位置，要求被试眼睛始终盯住视野中心的注视点，并在看到闪光后，不论其位置，都迅速作出反应。关键是刺激之前有一个提示信号，提示有3类：有效的，如一个指向左侧的箭头，它提示刺激将以的概率呈现在左侧；无效的，如指向左侧的箭头，之后的刺激却出现在右侧；中性的，如双向箭头。,4、注意研究中的发现,实验结果：有效提示时的反应时间是最短，无效提示最长，中性则居中。在这三种条件下刺激是相同的，并且都作用于相同的视网膜区域。因此反应时间的差别，就反映了注意的作用,如在注意集中的区域内的信号的检测被加速,被易化。发现：内源
10、提示和外源提示是有区别的。所谓内源提示就是呈现在视野中央的一种符号,不同的符号表示目标刺激将出现在不同的位置,如上面的箭头。外源提示又称外周提示,外周提示是以提示本身的位置表示目标将出现的位置。注意分布的空间结构是另一个重要的问题。,Stroop效应,1935年美国人Stroop发现：命名书写色字“绿”所用的红色色块和直接用绿色色块时，前者的命名时间要比后者长得多。这个实验发现了颜色和词义相互干扰现象。结果：注意具有选择性，并且人对颜色和文字的注意是不对称的。规律：文字对颜色的干扰较大；而颜色对文字的干扰较小。,绿+红,+,绿,红,（二）视觉忽略症,大脑后部的顶叶，特别是右侧顶叶的损伤,时常会
11、导致一种称为半侧空间忽略(neglect)的病症。在读书时，这类病人也会遇到困难。因为,他们似乎只能看见书右侧的字词，更有甚者，连单词也会念错，比如：把CAGE念成AGE。但更多的错误是替代性错误，如把PEACH念成BEACH。,（三）注意的控制及神经机制,1、“鸡尾酒会现象”在聚会上发生的与注意有关的现象。聚会上总是有很多的人，大家俩俩三三的交谈，非常热闹。在这种声音嘈杂的环境中（存在大量的干扰），你依然可以和一两位朋友交谈，即可以把注意集中在，此刻与你交谈的朋友的对话，似乎听不到别人的谈话。但是，如果有人说到你的名字，你就可能听到，而把注意转向谈论你的方向。这反映了注意控制的两个基本的方面
12、：（1）人们可以集中注意于，与当前任务或目的有关的信息，排除其它的干扰。（2）当出现与自己密切关系的其它信号时，特别是提示危险的信号，人们的注意，可以及时地从当前的任务中撤离，而迅速地转向可能有重要意义的新的信号。,（续）,2、注意是由两个相对分离的神经系统控制。自上而下的控制系统包括，背侧顶叶和背侧额叶的部分皮层，这一系统也随着刺激的探测而调整。从底向上的系统，包括颞顶交界处的皮层和腹侧前额叶，并且主要位于右半球。,（四）注意功能系统中的局限,1、神经系统处理的能力是有限的,限制了所注意到的事物和位置的数量。被选择的事物得到加强,这是注意的“光明面”。然而，注意集中于一处是需要代价的，也就是
13、说，对没有注意到的事物,会产生“功能性失明”,即注意的“黑暗面”或局限性。2、由于非注意而造成的知觉缺失：其中有3个是最常见的现象：（1）非注意盲（2）变化盲（3）注意眨眼,（续）,（1）非注意盲当被试没有注意到次要事物的时候，非注意盲就发生了。例如当被试正在做某一项视觉任务时，他就不会注意到屏幕上另一个闪烁的点。（2）变化盲没有注意到事物出现发生的改变，比如事物的特征或位置的变化。同样，当被试没有预期有改变发生时，变化盲也很容易出现。例如，变化出现在一个短暂的中断之中，比如工人扛着门从两个对话者之间走过，也有超过半数的对话者，没有注意到与之对话的那个人的特征的改变。（3）注意眨眼当把被试的注
14、意负担增加到极限的时候，被试的注意也会“失明”，这就是注意眨眼。,四、学习和记忆,（一）学习学习是人的智能的最重要的组成部分,是适应不断变化的环境的根本能力。操作式条件反射是一种学习，它与经典条件反射不同，它一定要求被实验的人或动物对刺激作出某种反应，只有在被试作出所需要的反应时，某种特定的结果就会产生。杂技团里就是用操作式条件反射来训练动物。,（二）记忆,记忆是过去经验在人脑中的反映。先有“记”再有“忆”。从信息加工的观点解释：记忆是对输入信息的编码、存储，以后在一定条件下提取的过程。记忆按保持时间分可以为三类：感觉记忆、短期记忆、长期记忆。,短期记忆,短期记忆与感觉记忆很不相同，人不但可以
15、清楚地意识到短期记忆中的内容，还能够通过不断地复述使它们保持很长的时间。短期记忆接受感觉记忆的输入，它还可以调用长期记忆中的信息，以完成多种信息加工的任务。因此，有人称它为工作记忆。它的功能是同时记忆和加工信息,因此它与其它的认知功能（如阅读、学习、推理）密切相关。,一种与记忆有关的蛋白质,人们常常会想：人的大脑到底被利用了百分之多少？美国科学家的一项最新研究确定了大脑分配细胞进行编码和记忆存储的关键机制一种名为CREB的蛋白。在这种蛋白影响下，人类中脑只有20%的神经细胞用于形成记忆。该研究成果为治疗阿尔海默症等脑部疾病开辟了新的道路。相关论文发表在2007年4月20日的科学杂志上。(Alz
16、heimers disease一种进行性早老性痴呆，主要是由于大脑潜在的神经病变与神经化学变化，引起认知功能逐渐退化，记忆力、学习能力、注意力和判断力下降，时空走向出现问题，沟通困难，个人卫生自理能力下降，社会性行为不恰当，人格发生改变。),Sperling效应,根据记忆的保持时间，记忆分为：长期记忆，短期记忆，感觉记忆。感觉记忆是为记忆的进一步加工提供额外的时间和可能。包括：图像记忆和声像记忆。实验：被试看3行每行3个字母，共9个字母，时间50ms，结果平均能够报告4.3字母。问题：是被试看不完？还是记忆跟不上？,Sperling效应（续）,Sperling实验：有3行字母，为每行字母配以高
17、、中、低不同的声音。事先告诉被试配对规则，要求被试看到卡片后，根据听到的配对声，报告所对应的字母。结果：提高了被试报告的字母数，平均6.5，即使是每行4个字母，也能够完成。结论：Sperling 实验说明存在感觉记忆，它的容量较大，但是，记忆保持时间短。,P L AN T S C F X,D F G WA R Q O,（三）健忘症,健忘症脑部损伤后，记忆缺损是最常见的症状，严重的称为健忘症，最有名的病人是HM。为医治顽固性癫痫HM接受了双侧颞叶中部切除术。术后HM的癫痫不再发作了，他的智商增加到116。（正常人的平均智商为100），性格没有变化。他对自己童年生活的回忆仍然是生动完整并且是恒定的
18、。然而，这个手术给他留下永久性的严重的顺行健忘症，他日复一日地玩同一种游戏，一遍又一遍地重复阅读同种杂志，丝毫没有发现其内容是早已看过的。每次见到相处了几年或十几年的教授，医生和护士，也如同看到一些佰生人，似乎从未见过面。,（四）遗忘与主动遗忘,与记忆相反的是遗忘。是指记忆在质和量上发生明显变化。信息加工观点认为：遗忘是信息提取不出来，或提取错误信息。忘记的原因是什么呢？对此有两种不同的理论：1，自行消退。随着时间的推移，习得知识的神经痕迹就会逐渐地消退。所以间隔时间越长，忘记的就越多。2，干扰。遗忘来源于干扰，原来已经存储的信息由于新的信息的加入而被消弱。已经有很多实验说明干扰是遗忘的主要原
19、因。,（续）,主动遗忘通过执行控制以抑制不想要的记忆。Freud提出，不想要的记忆，可以通过把它们扔进无意识来遗忘，这个过程叫做压制。一个多世纪以来，压制是否存在，一直是有争议的。遗忘分为：暂时性遗忘，永久性遗忘。,遗忘曲线,艾宾浩斯1885发表的实验结果，打开了记忆与遗忘研究的大门。（用8-16音节组成词）时间间隔：20分 1小时 8小时 1日 2日 6日 1月重学节省时间百分数 58.2 44.2 35.8 33.7 27.8 25.4 21.1,100,100,50,50,%,%,1 2 3 4 5 6 7 8 天,1 2 3 4 5 6 7 8 天,不同性质材料的遗忘曲线,艾宾浩斯的遗
20、忘曲线,诗,散文,无意义音节,五、语言,语言的主要功能是：人际间思想的交流、感情的表达和发泄、帮助人们行为的控制和指导以及有利于思考和解决问题。语言的功能是由三个神经系统完成的,它们是非语言的概念区、语言区和中介区。语言的获得是天生的,还是学习和模仿?这是有争论的问题。,六、认知神经科学的新时代,1990年Watson写道:“21世纪将是脑的时代”。在这个神经科学的新时代,心理学也同样面临巨大的挑战和机遇,要解决一系列的新问题,这就需要新的研究路线、新的概念、理论和技术。,（一）视觉意识研究热点,意识是一个古老,而又新鲜的问题。1,脑内大量的运算是下意识进行的,而人们意识到的则是运算的结果。2
21、,隐表征和显表征。显表征是无需继续处理的某种符号化了的东西,而隐表征包含了同样的信息,但需要进一步的加工以使其外显或清楚的表现出来。3,多数的心理学家认为意识与注意和短期记忆有关。注意对完全的意识可能是必需的。现在已经有一些支持上述观点的心理学和生理学实验证据。意识更具体到视觉意识,与神经活动的关系是什么？这也是从古至今人们一直关心的“心身”问题。,（二）认知神经科学的研究路径,认知神经科学的研究路径可以用一个三角形来表示，三角形的顶端是行为科学(心理学),下面的两个角是神经科学和计算机科学。行为科学在认知神经科学中起了中心的作用,认知心理学、语言学、心理物理等提供了脑的行为、脑作了些什么的详
22、尽的描述。,（续）,神经生理学提供,脑是如何表征和处理信息的线索。神经科学多水平多层次的研究,从分子、细胞直到整个脑,都有助于对脑的理解。计算机科学是第三支柱。近年来神经网络的发展使复杂的网络模型大量的涌现,有的模型可以产生与脑相似的行为。,（三）脑功能成像与医学,基因功能的脑功能成像研究人类结构基因组测序完成之后，分子与细胞生物学的研究重心，已转入基因组的功能研究。基因的功能最终应在整体水平表达，大约70%的人类基因，要在脑或神经回路中表达。脑功能成像，是直接观测脑功能活动的最先进的方法，因此，它在基因组功能（仍至药物基因组，或更广泛的Bio-X组）研究中有巨大的潜能。脑功能成像研究基因功能
23、的敏感方法。因为基因和非基因因素（如环境），都对人类的认知加工与行为的个体差异有作用。其中基因作用所占的比重，虽然不容易确定，但是基因的作用无疑是显著的。,（四）社会认知神经科学(精神健康),除了身体和生理的健康外，还有心理和精神健康，它可能更重要。人有个性、情绪和动机，人又生活在社会之中；因此，从认知神经科学的角度，研究人的精神健康、社会行为（正常、异常和犯罪）已经成为一个重要方面，而且将越来越重要的研究领域-即社会认知神经科学。,1、道德认知及神经基础,有关道德的理论和认知有3种主要理论：1、功利主义：使多数人快乐，而不是无痛苦的行为是有道德的。2、道义论：人们必须尽自己的义务与责任，不去
24、损害他人的权利是最重要的。3、美德论：人尽其所能是最高的道德。道德认知研究人们是如何确定应该作什么，即与道德行为有关的心理活动。,2、冲动行动的控制与犯罪,研究表明前额叶，特别额叶眶回（OFC）是控制冲动行动、作决定和推理判断的关键脑区。这部分脑区的功能障碍可能产生情绪失去控制，这可能是发生冲动性侵略和暴力的一个重要原因。,情绪调节回路中的关键脑区,3、未成年人犯罪的解释,年青人的脑部控制冲动行动、作决定和推理判断的能力都还没有完全发育成熟，没有达到成年人的程度。依研究，这些功能是由前额叶负责的。脑发育是从后部至前部逐渐成熟的，位于前部的额叶成熟最晚，可能在20到25岁才完全成熟。对十几岁的年
25、青人，虽然他们一般可以知道，什么是正确与错误的行为，但是他们对冲突的控制、推理、判断与作决定的能力还没有完全成熟。对这一观点，神经科学家没有什么分歧，但对于是否应该把这些观点，应用于解决道德和法律问题，却是有不同的态度。,（五）快乐生活-构建快乐,生活快乐是人们最主要的追求之一。我们自己的观察和实验研究都发现，一些人比另一些人生活得更快乐，这是为什么？研究发现，人们的快乐常伴随着好的收入、身体健康、可靠的婚姻和无悲伤事件等。Easterlin建议：人的时间是有限的，为了获得最大的快乐，应该把更多的时间用于健康和家庭生活，而不是钱。然而，现在多数的人并没有这样做。他们把主要时间用在挣钱，然而收入多了，对收入欲望也随之提高，因而快乐并没有增加。,
