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1、脑与认知科学1.2 脑科学概述,申华 电子工程系,本节的中心问题是：,什么是脑科学？,脑科学的研究内容脑科学的研究方法,脑科学：,狭义的定义：就是神经科学，是为了了解神经系统内分子水平、细胞水平、细胞间的变化过程，以及这些过程在中枢功能控制系统内的整合作用而进行的研究。（美国神经科学学会）广义的定义：是研究脑的结构和功能的科学，还包括认知神经科学等。,二十一世纪是脑科学时代,在The Brian前言：“二十一世纪是脑的世纪”。五十年代六次诺贝尔医学奖脑科学研究者以美国为中心每年以20%速度递增。,脑科学的研究范围,1.2.1 脑科学的研究现状,脑科学在美国,1989年美国脑科学计划：把本世纪的
2、最后十年命名为“脑的十年”，重点是保护脑，防治脑疾病。一九九二年，启动人类脑计划：会员国已有20多个。新世纪开始：科学基金会、商务部“聚合四大技术，提高人类素质”计划,脑科学在欧洲,英国：“认知与脑科学研究所”研究方向有：注意、认知和情绪、语言和交流、记忆和知识等。巴黎：“信息处理”课题（2000年）人文与社会科学部同工程科学部和符号处理技术与自动化技术部的合作项目；学习、推理、创造活动和语言表达等的信息软件。,脑科学在日本,一九九六年，制定了为期十年的脑科学时代计划，计划每年投入1千亿日元。其主要研究内容为：了解脑阐明脑功能保护脑征服脑疾患创造脑开发脑型计算机,脑科学在韩国,“脑神经信息学研
3、究规划（BNRP规划）：强调目标明确的多学科梯队研究，发展基于脑信息加工机制的“人类化(Humanlike)”的功能。先从视听模块着手，在第二阶段中首先实现人工视觉和听觉。而整个规划的整合需到2008年才进行。与哈佛大学脑影像中心和德国(Siemens)联合进行协作研究。,脑科学在中国,“香山科学会议”（一九九三年）：将脑科学列为国家研发重点，脑认知科学研究列为十五国家规划重点发展学科。二一年，中国正式成为加入国际人类脑会议的第二十个国家。,中国科学院生物物理所：“脑与认知科学研究中心”；北京大学的认知神经科学实验室；中国科技大学研究生院脑认知开放实验室；北大与北师大、浙大、东南大学等 组建了
4、“脑科学与认知科学网上合 作研究中心”；中山大学设立“逻辑与认知研究所”。,脑科学在中国,科学问题：脑的形态 脑的结构（组织水平，细胞水平，分子水平）脑的功能（基本功能，物质与意识的关系）脑与其他器官的关系（脑系统）脑系统与环境的关系（认识世界，改造世界）脑的进化（系统发育）脑的发育（个体发育）脑的保护与医治 脑的潜能开发,脑科学的研究对象,研究对象：脑的结构与功能,美国“脑的十年：1990-2000”的提法了解脑：脑科学研究的基本目的保护脑：医学科学研究的基本目的开发脑：教育科学研究的基本目的,智能科学技术工作者的特殊研究目的了解脑 了解脑的工作原理创造脑 创造人工脑，扩展脑的能力,脑科学的
5、研究目的,解剖学方法：采用通常的组织染色方法可以在光学显微镜下观察神经系统各种组织的细胞结构，即神经元的不同形态，以及它们间连接的一般情况。运用电子显微镜可以进一步了解神经元和突触的精细结构。运用微电极细胞外记录、细胞内记录技术对单个神经元活动分析。近年来，片膜钳技术对离子通道进行深入的研究。细胞外记录：30年代后期发展起来的。用金属丝电极1-5微米记录幅度较大的瞬间性动作电位，对神经元的功能起了重要作用。细胞内记录：0.10.5微米的玻璃电极，内充高浓度氯化钾或醋酸钾以导电。能记录动作电位，小的分级电位，同时能监视膜电位的变化。此外，能注入物质，进行形态学分析。缺点是造成细胞损伤，记录时间、
6、小细胞受限。片膜钳技术：70年代后期，Neher 和Sakmann 发展了一种新的纪录方法，可以用来记录单个离子通道的活动。分子生物学方法：重组DNA技术：分析离子通道蛋白的结构和功能、生理特性。应用单克隆抗体和遗传突变体。,脑科学的主要研究方法,01，直接观察：解剖，显微解剖,02，间接观察：染色，示踪，显影，造影,03，比较解剖学,结构研究,04，电生理学研究,05，基因修剪,06，病理研究,07，成像技术,结构-功能-行为研究,现代脑成像技术的发展,现代脑成像技术可以在清醒的、不损伤的条件下洞察脑认知功能的活动过程。它能够显示出：在认知过程中大脑特定的脑区是如何一个个相关联地被“点亮”。
7、,大脑皮层是怎样工作的？在各种的认知活动中，哪些脑区在工作？哪些脑区在休息？哪些脑区先激活？哪些脑区后激活？传统的脑损伤和麻醉的方法无法回答。,功能核磁共振成像技术 局部神经元兴奋将引起该区域血流量的增加，而血液中含有氧和葡萄糖，血红蛋白所携带的氧的含量会影响血红蛋白的磁场特性，因此，磁共振成像能够能够检测到大脑的功能性的氧消耗变化情况，并显示高活动量区域的三维图像，空间分辨率可达1mm。,关于脑研究方法的评论,1，局部与全局，部分与整体,2，静态与动态,3，物质-能量-信息,4，结构-功能-行为-机制,R斯佩里（1961）：两半球功能一侧化现象和脑发育关键期以及可塑性现象，至今对教育仍发生一
8、定影响。脑认知功能模块论：MS加查尼加（Gazzaniga，1976）脑是由在神经系统的各个水平进行活动的子系统以模块的形式组织在一起的，脑功能模块是一种动态变化的组装。正逐渐替代了“定位说”，被现代技术所证实。主张左右两半球整体功能的协调开发。,脑科学在教育中的应用,神经生物学界认为：人类大脑的感应是分析外来信号的处理过程；除了分析外来信号外，大脑在某一特定时刻的内在状态也很重要。大脑是通过某个神经“密码”来处理外来信息的。这一“密码”不是固定不变的，而是随着大脑内部状态和外界环境的改变而不断改变。利用新技术，可以观察大脑在处于高度集中和高度期待等状态下，怎样处理外部信息的过程。,脑科学在教
9、育中的应用,脑科学的研究意义,不仅具有重要的科学意义，还具有巨大的潜在应用价值。不仅能够揭示生命的本质和意义，促进人工智能的发展，提高人类的认识能力和生活质量。在促进现代科学特别是心理学、生理学、语言学、逻辑学、脑科学、数学、计算机科学甚至哲学等众多学科的发展上，都有非同寻常的重要意义。,概念：脑科学相关学科研究课题,认知心理学：研究知觉、注意、学习、记忆、语言、概念思考、解决问题思考、推理、判断与决策、创造性与智能、运动行为等各种行为与技术的心理过程。功能分析来解释有关认知处理理论与处理各要素成分。,语言学：语法结构、语言与认知关系、语用论、自然语言等认知过程的核心工具之一的语言信息处理问题
10、，为认知心理学和人工智能及哲学提供依据。计算机科学：研究机器的视听知觉、人工智能、机器语言处理、专家知识表象、神经网系统等信息处理模型。,神经科学（脑科学）：大脑对空间、非空间信息处理以及虚拟环境中的认知；学习记忆的规律及其脑机制；语言认知和自动语言识别；意识、自我意识及其脑机制；情绪与心境障碍、精神疾病与老年性认知衰退的神经生物学机制；脑认知功能可塑性的机制及其应用；脑功能成像方法与技术等。结构分析来解释有关认知处理解剖学结构原理。（Marr,1982),参考文献：,心理学思想的流变心理学名人传，张春兴 著，上海教育出版社，2002 认知神经科学 Gazzarniga M.主编沈政等译，MI
11、T出版社1995年，上海教育出 版社1998年杨雄里：脑科学的现代进展，上海科技教育出版社1998年版沈政：脑科学与素质教育，教育研究1999年第8期,可利用的资源：,孔令军等，中国教育技术学科:进展、问题和前景J，陕西广播电视大学学报，2007，(1)认知神经科学与学习研究所：脑与语言认知实验室 认知神经科学研究实验室,作业：,教育技术学的学科定位问题？新技术环境下认知、学习与教学的研究趋势？,本章小结,1、脑科学的研究对象与目的,2、脑科学的研究方法,3、认知科学研究的对象与目的,4、认知科学的研究方法,5、“脑与认知科学”的现状与未来,思考题与讨论题,1，你认为“脑与认知”的研究对象应当怎样定位？,2，你认为“脑与认知”的研究方法应当怎样改进？,3，你怎样认识“脑与认知的关系”？,4，你对“现代科学方法论”有什么看法？为什么？,
