脑科学研究入门

认知行为-脑功能研究设备:

认知行为方法

认知行为研究方法,在实验心理学中应用广泛。核心是,针对一个假设,设计一项实验任务。实验对象一般包含实验组和对照组(可以是不同的实验被试,或相同的实验被试),任务的过程中,被试需要完成包含被研究的认知功能的行为。最后通过数据分析来确认行为中包含的认知过程。

脑功能研究设备

利用脑功能研究设备的研究方法,一般使用可以记录脑活动时的血流变化、或者脑电活跃的仪器,在被试执行一项实验任务的同时,将大脑活动的情况记录下来,并且通过图像呈现。最常见的有,功能性核磁共振(fMRI)、脑电图(EEG)、脑磁图(MEG)等。

在一般的实验研究中,研究人员会结合行为及脑成像设备共同研究某个认知过程的脑功能基础。他们根据自己要研究的认知功能来设计实验任务,然后请被试在佩戴脑成像设备的同时完成这项实验任务。

比如,在研究“人脸识别过程是否受到情绪影响?”这一问题时,会设计一个包含识别不同表情人脸任务的实验。研究人员在请被试判断自己所看到的人脸图片是否属于某种情绪时,同时使用脑电图记录他们的大脑活跃情况,最后通过对比被试判断的正确率、时间以及脑电活跃的高低范围,来确定大脑中负责在人脸识别情绪判断的功能区及反应速度。

侵入性-非侵入性研究:

侵入性研究

侵入性研究,顾名思义,是对研究对象的身体有侵入性和伤害性的。

正常认为,如果大脑的某部分区域,对于某种行为和认知功能是有贡献的,那么当它受损之后,这部分的贡献会消失,那么对应的行为和认知功能就会受到损害。例如部分人脑中风时导致不会说话,就是因为脑中风损伤到大脑中负责语言的区域,导致没有办法正常发音、组句或进行有意义表达。所以科学家们,会通过研究脑损伤,来探索某个脑区所负责的功能。

这种研究方法也会区分主动和被动。使用人做被试时基本是被动的。一般是寻找一些大脑本身受损的病患,去研究他们的行为和认知。而使用实验动物做被试时,可能会有意的去破坏它们大脑中某部分皮层,或将实验记录设备植入动物的脑,而去进行试验。

这种研究一般包含,脑损伤研究(brain leision),单一神经元记录(single-cell-recording),神经手术(neurosurgical)等方法。

非侵入性研究

非侵入性研究,是大多数研究员用到的研究方法。一般利用对大脑没有任何伤害的实验仪器,通过对大脑进行扫描、活跃记录、部位刺激等方式,来研究大脑。

当然在非侵入性的实验仪器里,也会分纯脑结构研究,或者针对功能的研究。比如我们常听到的CT,一般就被用于判断脑结构及确定损伤部位。而如果是功能性核磁共振(fMRI),则是用来记录大脑的血氧含量变化,即在大脑工作时,不同皮层区域所处的活跃状态导致血流中氧气含量不同,从而来判断做某项任务时的脑区活跃情况。

非侵入性的研究方法很多,比如前面提到的脑功能及成像设备(fMRI,EEG,MEG,PET)、经颅磁刺激(TMS)等,都被广泛用于脑科学实验。

时间-空间敏感性:

时间及空间的敏感性,是在脑科学研究中绕不开的话题。每种不同的研究方法与仪器,都有不同程度的时间敏感-空间敏感,但目前并没有一种设备,是在时间-空间上敏感性都好的。所以研究人员一般都会根据自己的研究内容,进行一些取舍。

时间敏感性

时间敏感性(temporal resolution),就是在利用某种试验方法做记录时,它所记录的数据根据时间变化是否及时。

这个原理有点类似照相机的快门,如果快门速度足够快,那么就可以记录下来一个运动员跑步的一连串动作。但如果快门速度慢,在一个飞快进行的活动中,我们可能只能排到一片模糊的影像。

所以在研究问题偏重于希望了解时间因素时,例如,如果想要研究“人脸识别过程中,人脸图像出现多久时,大脑判断出了这个图像中人脸的情绪”这种问题时,就适合使用时间敏感性强的方法。

时间敏感性较好的研究方法包括,脑电图(EEG),事件相关电位(ERP),脑磁图(MEG)等。

空间敏感性

空间敏感性(spatial resolution),就是指所记录到的功能活动的脑区位置是否与真实区域更接近。

可以想象一个在实验中,我们需要一个扫描仪,这个扫描仪能将大脑的结构扫描并且生成图像。同时还可以扫描到不同图像位置所产生的活跃状态和活跃程度。而研究人员通过这张大脑地图,去判断脑区位置对应的功能。

研究人员会在研究类似“大脑的哪部分区域参与了人脸识别”这种,不需要特别区分时间性,而需要做位置定位的问题时,选取空间敏感性较高的研究方法。空间敏感性较高的实验仪器有,脑磁图(MEG),功能性核磁共振(fMRI), 经颅磁刺激(TMS)等。

成年人不做选择题,而是“全都要”

大多数时候,研究人员会做一定的取舍,或者将实验拆分,先定位出空间区域后,再拆解认知过程,进行时间维度的实验。

有人可能会问,为什么不一起用呢?答案是,穷(噗)。其实是,不同设备组合,可能产生不同程度的磁电信号干扰,导致数据记录不准确。当然如果是一个富足的实验室,有一台脑磁图(MEG)设备,我的确见到过有将EEG,MEG结合而得出高时间-空间敏感度数据的。

另外还有一种方法,在德国一位研究者的文章中看到,让同一个被试在进行同一个实验任务的时候,分别佩戴脑电图设备,或者在fMRI扫描仪中完成,得到两组相同任务的实验数据,通过任务过程匹配数据,来从时间维度上拆解空间维度的变化(这是个很聪明的做法,作者发了nature neuroscience)

转自知乎@艾菲,侵删

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