1、腦與認(rèn)知科學(xué) 1.2 腦科學(xué)概述,申華 電子工程系,本節(jié)的中心問(wèn)題是：,什么是腦科學(xué)？,腦科學(xué)的研究?jī)?nèi)容 腦科學(xué)的研究方法,腦科學(xué)：,狹義的定義：就是神經(jīng)科學(xué)，是為了了解神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)分子水平、細(xì)胞水平、細(xì)胞間的變化過(guò)程，以及這些過(guò)程在中樞功能控制系統(tǒng)內(nèi)的整合作用而進(jìn)行的研究。（美國(guó)神經(jīng)科學(xué)學(xué)會(huì)） 廣義的定義：是研究腦的結(jié)構(gòu)和功能的科學(xué)，還包括認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)等。,二十一世紀(jì)是腦科學(xué)時(shí)代,J.D.Watson在The Brian前言： “二十一世紀(jì)是腦的世紀(jì)”。 五十年代六次諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng) 腦科學(xué)研究者以美國(guó)為中心每年以20%速度遞增。,腦科學(xué)的研究范圍,1.2.1 腦科學(xué)的研究現(xiàn)狀,腦科學(xué)在美國(guó),19

2、89年美國(guó)腦科學(xué)計(jì)劃： 把本世紀(jì)的最后十年命名為“腦的十年”， 重點(diǎn)是保護(hù)腦，防治腦疾病。 一九九二年，啟動(dòng)人類腦計(jì)劃： 會(huì)員國(guó)已有20多個(gè)。 新世紀(jì)開始：科學(xué)基金會(huì)、商務(wù)部 “聚合四大技術(shù)，提高人類素質(zhì)”計(jì)劃,腦科學(xué)在歐洲,英國(guó)：“認(rèn)知與腦科學(xué)研究所” 研究方向有：注意、認(rèn)知和情緒、語(yǔ)言和交流、記憶和知識(shí)等。 巴黎： “信息處理”課題（2000年） 人文與社會(huì)科學(xué)部同工程科學(xué)部和符號(hào)處理技術(shù)與自動(dòng)化技術(shù)部的合作項(xiàng)目； 學(xué)習(xí)、推理、創(chuàng)造活動(dòng)和語(yǔ)言表達(dá)等的信息軟件。,腦科學(xué)在日本,一九九六年，制定了為期十年的腦科學(xué)時(shí)代計(jì)劃，計(jì)劃每年投入1千億日元。其主要研究?jī)?nèi)容為： 了解腦闡明腦功能 保護(hù)腦征服

3、腦疾患 創(chuàng)造腦開發(fā)腦型計(jì)算機(jī),腦科學(xué)在韓國(guó),“腦神經(jīng)信息學(xué)研究規(guī)劃（BNRP規(guī)劃）： 強(qiáng)調(diào)目標(biāo)明確的多學(xué)科梯隊(duì)研究，發(fā)展基于腦信息加工機(jī)制的“人類化(Humanlike)”的功能。 先從視聽模塊著手，在第二階段中首先實(shí)現(xiàn)人工視覺(jué)和聽覺(jué)。而整個(gè)規(guī)劃的整合需到2008年才進(jìn)行。 與哈佛大學(xué)腦影像中心和德國(guó)(Siemens)聯(lián)合進(jìn)行協(xié)作研究。,腦科學(xué)在中國(guó),“香山科學(xué)會(huì)議”（一九九三年）： 將腦科學(xué)列為國(guó)家研發(fā)重點(diǎn)，腦認(rèn)知科學(xué)研究列為十五國(guó)家規(guī)劃重點(diǎn)發(fā)展學(xué)科。 二一年，中國(guó)正式成為加入國(guó)際人類腦會(huì)議的第二十個(gè)國(guó)家。,中國(guó)科學(xué)院生物物理所：“腦與認(rèn)知科學(xué)研究中心”； 北京大學(xué)的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室； 中

4、國(guó)科技大學(xué)研究生院腦認(rèn)知開放實(shí)驗(yàn)室； 北大與北師大、浙大、東南大學(xué)等 組建了“腦科學(xué)與認(rèn)知科學(xué)網(wǎng)上合 作研究中心”； 中山大學(xué)設(shè)立“邏輯與認(rèn)知研究所”。,腦科學(xué)在中國(guó),科學(xué)問(wèn)題： 腦的形態(tài) 腦的結(jié)構(gòu)（組織水平，細(xì)胞水平，分子水平） 腦的功能（基本功能，物質(zhì)與意識(shí)的關(guān)系） 腦與其他器官的關(guān)系（腦系統(tǒng)） 腦系統(tǒng)與環(huán)境的關(guān)系（認(rèn)識(shí)世界，改造世界） 腦的進(jìn)化（系統(tǒng)發(fā)育） 腦的發(fā)育（個(gè)體發(fā)育） 腦的保護(hù)與醫(yī)治 腦的潛能開發(fā),腦科學(xué)的研究對(duì)象,研究對(duì)象：腦的結(jié)構(gòu)與功能,美國(guó)“腦的十年：1990 - 2000” 的提法 了解腦：腦科學(xué)研究的基本目的 保護(hù)腦：醫(yī)學(xué)科學(xué)研究的基本目的 開發(fā)腦：教育科學(xué)研究的基本

5、目的,智能科學(xué)技術(shù)工作者的特殊研究目的 了解腦 了解腦的工作原理 創(chuàng)造腦 創(chuàng)造人工腦，擴(kuò)展腦的能力,腦科學(xué)的研究目的,解剖學(xué)方法： 采用通常的組織染色方法可以在光學(xué)顯微鏡下觀察神經(jīng)系統(tǒng)各種組織的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，即神經(jīng)元的不同形態(tài)，以及它們間連接的一般情況。運(yùn)用電子顯微鏡可以進(jìn)一步了解神經(jīng)元和突觸的精細(xì)結(jié)構(gòu)。 運(yùn)用微電極細(xì)胞外記錄、細(xì)胞內(nèi)記錄技術(shù)對(duì)單個(gè)神經(jīng)元活動(dòng)分析。近年來(lái)，片膜鉗技術(shù)對(duì)離子通道進(jìn)行深入的研究。 細(xì)胞外記錄：30年代后期發(fā)展起來(lái)的。用金屬絲電極1-5微米記錄幅度較大的瞬間性動(dòng)作電位，對(duì)神經(jīng)元的功能起了重要作用。 細(xì)胞內(nèi)記錄：0.10.5微米的玻璃電極，內(nèi)充高濃度氯化鉀或醋酸鉀以導(dǎo)電。能

6、記錄動(dòng)作電位，小的分級(jí)電位，同時(shí)能監(jiān)視膜電位的變化。此外，能注入物質(zhì)，進(jìn)行形態(tài)學(xué)分析。缺點(diǎn)是造成細(xì)胞損傷，記錄時(shí)間、小細(xì)胞受限。 片膜鉗技術(shù)：70年代后期，Neher 和Sakmann 發(fā)展了一種新的紀(jì)錄方法，可以用來(lái)記錄單個(gè)離子通道的活動(dòng)。 分子生物學(xué)方法： 重組DNA技術(shù)：分析離子通道蛋白的結(jié)構(gòu)和功能、生理特性。 應(yīng)用單克隆抗體和遺傳突變體。,腦科學(xué)的主要研究方法,01，直接觀察：解剖，顯微解剖,02，間接觀察：染色，示蹤，顯影，造影,03，比較解剖學(xué),結(jié)構(gòu)研究,04，電生理學(xué)研究,05，基因修剪,06，病理研究,07，成像技術(shù),結(jié)構(gòu)-功能-行為研究,現(xiàn)代腦成像技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代腦成像技術(shù)可

7、以在清醒的、不損傷的條件下洞察 腦認(rèn)知功能的活動(dòng)過(guò)程。它能夠顯示出：在認(rèn)知過(guò)程中大 腦特定的腦區(qū)是如何一個(gè)個(gè)相關(guān)聯(lián)地被“點(diǎn)亮”。,大腦皮層是怎樣工作的？在各種的認(rèn)知活動(dòng)中，哪些 腦區(qū)在工作？哪些腦區(qū)在休息？哪些腦區(qū)先激活？哪些腦 區(qū)后激活？傳統(tǒng)的腦損傷和麻醉的方法無(wú)法回答。,功能核磁共振成像技術(shù) 局部神經(jīng)元興奮將引起該區(qū)域血流量的增加，而血液中 含有氧和葡萄糖，血紅蛋白所攜帶的氧的含量會(huì)影響血紅蛋 白的磁場(chǎng)特性，因此，磁共振成像能夠能夠檢測(cè)到大腦的功 能性的氧消耗變化情況，并顯示高活動(dòng)量區(qū)域的三維圖像， 空間分辨率可達(dá)1mm。,關(guān)于腦研究方法的評(píng)論,1，局部與全局，部分與整體,2，靜態(tài)與動(dòng)態(tài),

8、3，物質(zhì)-能量-信息,4，結(jié)構(gòu)-功能-行為-機(jī)制,R斯佩里 （1961）：兩半球功能一側(cè)化現(xiàn)象和腦發(fā)育關(guān)鍵期以及可塑性現(xiàn)象，至今對(duì)教育仍發(fā)生一定影響。 腦認(rèn)知功能模塊論：MS加查尼加（Gazzaniga，1976） 腦是由在神經(jīng)系統(tǒng)的各個(gè)水平進(jìn)行活動(dòng)的子系統(tǒng)以模塊的形式組織在一起的，腦功能模塊是一種動(dòng)態(tài)變化的組裝。 正逐漸替代了“定位說(shuō)”，被現(xiàn)代技術(shù)所證實(shí)。 主張左右兩半球整體功能的協(xié)調(diào)開發(fā)。,腦科學(xué)在教育中的應(yīng)用,神經(jīng)生物學(xué)界認(rèn)為： 人類大腦的感應(yīng)是分析外來(lái)信號(hào)的處理過(guò)程； 除了分析外來(lái)信號(hào)外，大腦在某一特定時(shí)刻的內(nèi)在狀態(tài)也很重要。 大腦是通過(guò)某個(gè)神經(jīng)“密碼”來(lái)處理外來(lái)信息的。 這一“密碼”

9、不是固定不變的，而是隨著大腦內(nèi)部狀態(tài)和外界環(huán)境的改變而不斷改變。 利用新技術(shù)，可以觀察大腦在處于高度集中和高度期待等狀態(tài)下，怎樣處理外部信息的過(guò)程。,腦科學(xué)在教育中的應(yīng)用,腦科學(xué)的研究意義,不僅具有重要的科學(xué)意義，還具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。 不僅能夠揭示生命的本質(zhì)和意義，促進(jìn)人工智能的發(fā)展，提高人類的認(rèn)識(shí)能力和生活質(zhì)量。 在促進(jìn)現(xiàn)代科學(xué)特別是心理學(xué)、生理學(xué)、語(yǔ)言學(xué)、邏輯學(xué)、腦科學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)甚至哲學(xué)等眾多學(xué)科的發(fā)展上，都有非同尋常的重要意義。,概念：腦科學(xué)相關(guān)學(xué)科研究課題,認(rèn)知心理學(xué)： 研究知覺(jué)、注意、學(xué)習(xí)、記憶、語(yǔ)言、概念思考、解決問(wèn)題思考、推理、判斷與決策、創(chuàng)造性與智能、運(yùn)動(dòng)行為等各

10、種行為與技術(shù)的心理過(guò)程。 功能分析來(lái)解釋有關(guān)認(rèn)知處理理論與處理各要素成分。,語(yǔ)言學(xué)： 語(yǔ)法結(jié)構(gòu)、語(yǔ)言與認(rèn)知關(guān)系、語(yǔ)用論、自然語(yǔ)言等認(rèn)知過(guò)程的核心工具之一的語(yǔ)言信息處理問(wèn)題，為認(rèn)知心理學(xué)和人工智能及哲學(xué)提供依據(jù)。 計(jì)算機(jī)科學(xué)： 研究機(jī)器的視聽知覺(jué)、人工智能、機(jī)器語(yǔ)言處理、專家知識(shí)表象、神經(jīng)網(wǎng)系統(tǒng)等信息處理模型。,神經(jīng)科學(xué)（腦科學(xué)）： 大腦對(duì)空間、非空間信息處理以及虛擬環(huán)境中的認(rèn)知；學(xué)習(xí)記憶的規(guī)律及其腦機(jī)制；語(yǔ)言認(rèn)知和自動(dòng)語(yǔ)言識(shí)別；意識(shí)、自我意識(shí)及其腦機(jī)制；情緒與心境障礙、精神疾病與老年性認(rèn)知衰退的神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制；腦認(rèn)知功能可塑性的機(jī)制及其應(yīng)用；腦功能成像方法與技術(shù)等。 結(jié)構(gòu)分析來(lái)解釋有關(guān)認(rèn)知處理解剖學(xué)結(jié)構(gòu)原理。（Marr, 1982),參考文獻(xiàn)：,心理學(xué)思想的流變心理學(xué)名人傳，張春興 著，上海教育出版社，2002 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué) Gazzarniga M. 主編沈政等譯，MIT出版社1995年，上海教育出 版社1998年 楊雄里：腦科學(xué)的現(xiàn)代進(jìn)展，上?？萍冀逃霭嫔?998年版 沈政：腦科學(xué)與素質(zhì)教育，教育研究1999年第8期,可利用的資源：,孔令軍等，中國(guó)教育技術(shù)學(xué)科: 進(jìn)展、問(wèn)題和前景J ，陜西廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào)，2007， (1) 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)研究所： 腦與語(yǔ)言認(rèn)知實(shí)驗(yàn)室 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室,作業(yè)：,教育技術(shù)學(xué)的學(xué)科定位問(wèn)題？ 新技術(shù)環(huán)境下認(rèn)知、學(xué)習(xí)與教學(xué)的研究趨勢(shì)？