第三節(jié) 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的方法學(xué)

認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)方法包括兩大類互補(bǔ)的研究方法：一類是無創(chuàng)性腦功能（認(rèn)知）成像技術(shù)；另一類是清醒動(dòng)物認(rèn)知生理心理學(xué)研究方法。前一類方法中又分為腦代謝功能成像和生理功能成像兩種；后一類方法中包括單細(xì)胞記錄、多細(xì)胞記錄、多維（陣列）電極記錄法和其他生理心理學(xué)方法（手術(shù)法、冷卻法、藥物法等）。本書主要介紹無創(chuàng)性腦功能成像技術(shù)，其中腦代謝功能成像包括正電子發(fā)射斷層掃描技術(shù)（PET，對(duì)區(qū)域性腦代謝率、腦血流和葡萄糖吸收率的測定）、單光子發(fā)射斷層掃描技術(shù)（SPECT，對(duì)腦血流測定）、功能性磁共振（fMRI，通過氧合血紅蛋白測定血氧水平相關(guān)的信號(hào)，BOLD）。這些腦代謝功能成像技術(shù)的空間分辨率和時(shí)間分辨率各不相同。PET的空間分辨率在20世紀(jì)80年代為1.75 cm,90年代提高為6～7 mm，其時(shí)間分辨率由分鐘數(shù)量級(jí)提高為秒數(shù)量級(jí)，現(xiàn)在約40～60 s可給出一幅清晰圖像。fMRI的空間分辨為毫米水平，時(shí)間分辨率最高可達(dá)50 ms，一般100 ms，即0.1 s就可給出一幅圖像。由此可見，fMRI無論就其空間分辨率還是時(shí)間分辨率均優(yōu)于PET。腦代謝功能成像對(duì)于快速認(rèn)知活動(dòng)無法做到實(shí)時(shí)成像或快速跟蹤，采用積分測量法（integrated measurement），則將數(shù)十秒數(shù)據(jù)積分起來可形成清晰的圖像。然后進(jìn)行對(duì)照的認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，將兩種認(rèn)知條件不同的圖像采用減法處理，即完成A認(rèn)知任務(wù)的PET圖像減去無A任務(wù)的對(duì)照PET圖像，所得差值為A任務(wù)操作的腦代謝功能差異。除減法法則外，還利用一致性分析（consistent analysis），即將A任務(wù)減A對(duì)照組的差值與B任務(wù)減B對(duì)照組之差值再相減，以作為完成不同認(rèn)知任務(wù)的腦代謝功能的特異性變化的腦代謝基礎(chǔ)參數(shù)。

無論是減法法則還是一致性分析，雖有一定的實(shí)驗(yàn)心理學(xué)基礎(chǔ)，但它在一定的前提下才可靠。首先，用減法法則意味著腦內(nèi)的認(rèn)知過程信息加工是串行的，按一定方向無曲折地層次性處理過程。被試在完成認(rèn)知作業(yè)時(shí)，忠誠執(zhí)行指示語要求，并毫不分心地完成作業(yè)。此時(shí)參與這項(xiàng)認(rèn)知任務(wù)的腦結(jié)構(gòu)與其他心理活動(dòng)的腦結(jié)構(gòu)分離而不相干。只有這樣，其減法所得結(jié)果才與所進(jìn)行的認(rèn)知活動(dòng)完全相關(guān)。顯然，這種約束條件在實(shí)現(xiàn)PET認(rèn)知測量中是很難滿足的。

第二類生理功能成像是在自發(fā)腦電活動(dòng)（EEG）、誘發(fā)腦電活動(dòng)（EP）和腦磁（MEG）場變化的基礎(chǔ)上，結(jié)合計(jì)算機(jī)控制的斷層掃描技術(shù)（CT）而實(shí)現(xiàn)的。它的時(shí)間分辨率極為理想，可實(shí)時(shí)跟蹤認(rèn)知活動(dòng)的腦功能變化。但在記錄的頭皮電極為19個(gè)電極時(shí)，空間分辨率為6 cm;41個(gè)電極時(shí)為4 cm;120個(gè)電極時(shí)為2.25 cm;256個(gè)電極時(shí)為1.0 cm。由此可見，其空間分辨率很不理想。為提高其空間分辨率，采用了偶極子（dipole）算法，但常常發(fā)現(xiàn)所得結(jié)果不是唯一的。雖然生理功能成像技術(shù)時(shí)間分辨率佳，技術(shù)所耗資金少是其優(yōu)點(diǎn)，但其空間辨率卻無法滿足認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的要求。因此，近年將腦代謝功能成像與生理功能成像結(jié)合起來應(yīng)用，取各自之長相互補(bǔ)充，以滿足空間和時(shí)間分辨率的要求。在多種腦認(rèn)知成像技術(shù)應(yīng)用中，為了比較各種方法所得圖像之間的關(guān)系，必須進(jìn)行多種比例性立體變換。這些變換不僅以解剖學(xué)定位標(biāo)志為標(biāo)準(zhǔn)，還要以10多種腦數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行線性和非線性變換。因此，這是一項(xiàng)技術(shù)難度很大的研究工作。盡管如此，腦認(rèn)知成像對(duì)于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的要求，仍存在許多問題。首先，腦代謝功能成像的激活區(qū)反映出腦代謝率或腦區(qū)域性血流量的增加，與神經(jīng)元的興奮性水平并非總是平行性變化，特別是對(duì)于抑制性神經(jīng)元而言，代謝率增高，導(dǎo)致神經(jīng)元單位活動(dòng)的降低。實(shí)際上，腦抑制性神經(jīng)元和興奮神經(jīng)元的分布至今尚難以給出明確的答案。因此，代謝功能成像的激活區(qū)是否能代表神經(jīng)元功能活性的問題還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究。其次，在代謝功能成像分析中，每個(gè)場激活區(qū)至少為0.8 cm3，即使假設(shè)為1 mm3，則至少含有數(shù)以萬計(jì)皮層神經(jīng)元（105細(xì)胞/mm2皮層），不能設(shè)想這么多神經(jīng)元都是在同步性發(fā)放，功能均一地發(fā)揮生理心理功能。總之，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。然而這種圖像僅可提供結(jié)構(gòu)或區(qū)域性功能關(guān)系，對(duì)于細(xì)胞水平的機(jī)制顯然過分粗糙。下面我們選取幾種常見的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)方法進(jìn)一步加以討論。

一、腦功能之窗——事件相關(guān)電位和高分辨腦電成像技術(shù)

腦功能之窗的提法已有20多年的歷史，但它的真正含義只是腦功能成像技術(shù)問世以后，由于腦電成像和其他腦代謝成像聯(lián)合運(yùn)用，才顯示出它們作為腦功能之窗的本意。20世紀(jì)20年代，德國精神病科醫(yī)生Berger面對(duì)許多精神病的診斷問題，決心尋找一種檢查人腦功能的方法，以便作為診斷精神病的重要根據(jù)。他利用當(dāng)時(shí)物理學(xué)上最靈敏的弦線式電流放大器經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)，終于在1925年，從安靜閉目的人頭上記錄出8～13次/秒變化的波形。每當(dāng)睜開眼睛后，這個(gè)曲線就被幅值很小、變化更快的波形所代替。他把這個(gè)發(fā)現(xiàn)寫成文章寄給德國生理學(xué)雜志，一些審稿專家都認(rèn)為這些波形不是發(fā)自人腦，而是來自記錄儀器的不穩(wěn)定性。直到1929年經(jīng)當(dāng)時(shí)世界最著名的意大利電生理學(xué)實(shí)驗(yàn)室反復(fù)驗(yàn)證，才證明伯格醫(yī)生在人頭皮上記錄到的8～13次/秒節(jié)律變化，確實(shí)是發(fā)自大腦的電活動(dòng)，并把該節(jié)律稱為伯格節(jié)律或α波，把睜眼后的低幅快波（14～30次/秒）稱為β波。

20世紀(jì)30～50年代，人們一直努力發(fā)現(xiàn)一些新的腦電波，試圖用以診斷精神疾病，都沒有成功。但腦電活動(dòng)的記錄用于診斷癲癇和腦瘤等占位性病變卻得到了廣泛的應(yīng)用。但伯格醫(yī)生的心愿至今未了，腦電圖（EEG）至今仍無法作為診斷精神病的重要手段，更無法作為探究腦認(rèn)知功能的有效手段。然而，20世紀(jì)60年代以后通過許多信號(hào)處理技術(shù)，已能分析出認(rèn)知活動(dòng)的平均誘發(fā)電位。腦的自發(fā)活動(dòng)α節(jié)律大約在25～75μV范圍隨機(jī)地波動(dòng)，而人的認(rèn)知過程或外部刺激誘發(fā)的電活動(dòng)小于1μV，淹沒在自發(fā)的α節(jié)律之中。因此，在20世紀(jì)60年代以前，無法在正常人類被試的認(rèn)知活動(dòng)中觀察腦的誘發(fā)電變化。隨著信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，利用時(shí)間鎖定疊加的辦法，多次重復(fù)同一刺激，使誘發(fā)反應(yīng)逐漸加在一起，而自發(fā)活動(dòng)由于其本質(zhì)是隨機(jī)變化的，疊加中相互抵消。這種時(shí)間鎖定疊加技術(shù)可以提高信號(hào)與噪聲的比例，使自發(fā)腦電活動(dòng)背景上的誘發(fā)活動(dòng)能夠檢測出來，這就是平均誘發(fā)電位。

平均誘發(fā)電位是一組復(fù)合波，用組成成分的潛伏期和波幅對(duì)其進(jìn)行分析。刺激之后1～10 ms的一些小波稱早成分，10～50 ms的波稱中成分，50 ms以后的成分稱晚成分。早、中成分主要反映感覺器官和傳入神經(jīng)通路的活動(dòng)，晚成分才是認(rèn)知過程腦功能變化的生理指標(biāo)。對(duì)于認(rèn)知活動(dòng)來說，可以把誘發(fā)其產(chǎn)生的內(nèi)外刺激看成事件，而這些晚成分就是事件引起的腦電活動(dòng)變化，故稱之為事件相關(guān)電位。腦事件相關(guān)電位的變化與被試接受的刺激和腦功能變化的時(shí)間尺度能精確地一致。換言之，腦電活動(dòng)的時(shí)間分辨率很高，可以實(shí)時(shí)記錄認(rèn)知過程的腦功能變化。但其空間分辨能力較差，頭皮外記錄的腦電活動(dòng)很難分析出是腦內(nèi)哪些結(jié)構(gòu)或細(xì)胞群活動(dòng)的結(jié)果。為了克服事件相關(guān)電位分析的這一弱點(diǎn)逐漸增加頭皮上記錄的點(diǎn)數(shù)，從原來常用的8導(dǎo)增加為12導(dǎo)、21導(dǎo)、32導(dǎo)、64導(dǎo)、128導(dǎo)和256導(dǎo)。隨記錄部位的增加，得到較多的數(shù)據(jù)，就可以通過一種偶極子的算法求解出每一電活動(dòng)成分由腦內(nèi)發(fā)出的位置。把這種分析的結(jié)果變換成斷層掃描圖，就稱為高分辨率或高密度腦電成像技術(shù)。

二、心靈窺鏡和腦斷層掃描技術(shù)

窺鏡是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中檢查內(nèi)臟的一種有效工具，如胃窺鏡、膀胱窺鏡等，它可以使醫(yī)生直接看到臟器的內(nèi)壁，檢查是否有腫塊、潰瘍和出血等病變。那么心靈窺鏡是否也能使研究者們看到人們腦子里的心理活動(dòng)呢？對(duì)這個(gè)問題不能用是或否加以簡單地回答。我們先以斷層掃描技術(shù)為起點(diǎn)回答這個(gè)問題。對(duì)腦進(jìn)行X光射線攝影，專家用肉眼進(jìn)行分析，由于腦內(nèi)各種軟組織X光射線吸收的值相差很小，也由于腦立體結(jié)構(gòu)在平面膠片上顯影的重疊，就無法得到有價(jià)值的信息。它應(yīng)用連續(xù)旋轉(zhuǎn)，不斷改變X光射線方向所得到的大量連續(xù)體層圖代替單一平面圖。用光電探測器和電子計(jì)算機(jī)分析處理代替人類肉眼直接分析。因此，腦斷層描述裝置由連續(xù)旋轉(zhuǎn)的X光射線發(fā)射部分，穿過腦組織吸收后X光射線的接收和換能裝置，計(jì)算分析系統(tǒng)等三大部分組成。X光射線放射部分，由可旋轉(zhuǎn)的X光射線發(fā)射球管組成，其X光射線束寬度可調(diào)，球管每次以一度的角度可連續(xù)旋轉(zhuǎn)180度，可得43200個(gè)數(shù)據(jù)。計(jì)算分析系統(tǒng)，由一套計(jì)算機(jī)裝置構(gòu)成，包括主機(jī)、輸入輸出卡、存儲(chǔ)器、顯示器、打印機(jī)和繪圖儀等。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)把接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在顯示器或繪圖儀上，可顯示出160×160點(diǎn)矩陣，開成一個(gè)由25600個(gè)點(diǎn)組成的腦組織圖像。每個(gè)點(diǎn)反應(yīng)了1.5×1.5體層掃描厚度（毫米）的腦組織吸收X光的值。若體層掃描厚度為13 mm時(shí)，則計(jì)算機(jī)給出的25600個(gè)點(diǎn)中的每一個(gè)點(diǎn)均是0.03375 cm3腦組織吸收X光的值。通常以水對(duì)X光吸收值取作為標(biāo)準(zhǔn)值零，光吸收值每相差0.2%則為1，頭骨為400～500；大腦灰質(zhì)為19～23；白質(zhì)為13～17；腦室系統(tǒng)為1～8；流動(dòng)血液為6，凝血為20～30。靈敏接收器和換能系統(tǒng)，把各種腦組織對(duì)X光吸收差異靈敏地傳遞給計(jì)算機(jī)分析系統(tǒng)，很快地計(jì)算出結(jié)果，并在熒光屏或繪圖儀上顯示出各種腦結(jié)構(gòu)的變化。利用人工顏色技術(shù)，把這種黑白圖形轉(zhuǎn)變?yōu)椴噬珗D形，便于觀察。雖然X光斷層掃描技術(shù)與腦功能構(gòu)像沒有直接關(guān)系，由計(jì)算機(jī)控制的掃描技術(shù)卻是各種腦成像技術(shù)的共同基礎(chǔ)。無論是單光子還是正電子發(fā)射或磁共振成像，都通過腦斷層掃描的基本方法得到圖像數(shù)據(jù)并構(gòu)成三維腦結(jié)構(gòu)圖像。

三、正電子發(fā)射斷層掃描儀

正電子發(fā)射斷層掃描儀（PET）是當(dāng)今世界上最昂貴的生物醫(yī)學(xué)儀器，每臺(tái)造價(jià)600萬～700萬美元。它與其他生物醫(yī)學(xué)構(gòu)像技術(shù)不同，不是關(guān)于腦結(jié)構(gòu)的造影，而是一種關(guān)于腦功能的造影技術(shù)，測定腦中不同區(qū)域葡萄糖的吸收率和血流量等。這種機(jī)器由放射化學(xué)裝置和探測系統(tǒng)組成。當(dāng)人們注射一種放射性半衰期只有幾十分鐘的18 F-D-脫氧葡萄糖之后，靜靜地躺在床上時(shí)，PET機(jī)器就開始了緊張的工作，腦吸收18 F-D-脫氧葡萄糖分子發(fā)射出正電子，遇到腦內(nèi)的負(fù)電子，就會(huì)對(duì)撞，兩敗俱傷，化成一對(duì)180度反方向的強(qiáng)光子發(fā)射出來，這時(shí)就可以對(duì)腦不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行造影。這種造影就像CT技術(shù)一樣對(duì)腦進(jìn)行一層層、一塊塊的逐一檢查，對(duì)其葡萄糖吸收率進(jìn)行活體動(dòng)態(tài)測定。所以，利用18F-D-脫氧葡萄糖和PET機(jī)器，就可以研究人們各種認(rèn)知活動(dòng)時(shí)，腦區(qū)域性葡萄糖的吸收率。通過PET技術(shù)研究，腦科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，人們看黑白素描時(shí)，初級(jí)視皮層葡萄糖吸收率最高，看復(fù)雜彩色風(fēng)景畫時(shí)，次級(jí)視皮層的葡萄糖吸收率最高；不太懂音樂的人聽音樂時(shí)，右半球葡萄糖吸收率高，音樂行家聽音樂時(shí)，左半球葡萄糖吸收率高；單獨(dú)遮住眼睛進(jìn)行視覺剝奪或單獨(dú)掩起耳朵進(jìn)行聽覺剝奪時(shí)，葡萄糖吸收率在兩側(cè)大腦半球是對(duì)稱的，但視、聽覺同時(shí)被剝奪，則右半球特別是右前額葉下區(qū)和后枕區(qū)的葡萄糖吸收率下降率更為明顯；一些退行性癡呆的病人，腦額區(qū)葡萄糖吸收率顯著變低；一些精神分裂癥病人與正常人不同，腦的葡萄糖吸收率在額葉最低，而正常人則額葉較高。這些事實(shí)說明18F-D-脫氧葡萄糖分子在腦內(nèi)吸收率，不但是腦信息加工的靈敏指針，也可以作為腦疾病的診斷指標(biāo)。

四、核磁共振和功能性磁共振成像

核磁共振（nuclear magnetic resonance, NMR）成像的基本理論研究工作遠(yuǎn)在1952年就得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，應(yīng)用核磁共振波譜儀分析化學(xué)物質(zhì)的組成部分，也有40多年的歷史，但是形成關(guān)于腦組織構(gòu)像的核磁共振技術(shù)，應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)研究則是80年代的事情。在恒磁場中，某些物質(zhì)的原子核在射頻電磁波的能量激發(fā)下吸收能量，隨后又發(fā)射能量的現(xiàn)象，就稱為核磁共振現(xiàn)象。每種原子或離子的結(jié)構(gòu)不同，受激發(fā)后出現(xiàn)共振的頻率不同。如氫原子的核磁共振頻率42.59兆赫茲，鈉原子核磁共振頻率僅為11.26兆赫茲。腦核磁共振的構(gòu)像儀器中，射頻線圖（RF）可以發(fā)出1～700兆赫茲的射頻電磁波，足以激發(fā)腦內(nèi)化學(xué)組成中主要原子核產(chǎn)生的核磁共振現(xiàn)象。除射頻線圈外，腦核磁共振構(gòu)像機(jī)內(nèi)還有一組恒常磁線圈引出一萬高斯以上的強(qiáng)磁場，作為腦核磁共振的背景磁場，通常其場強(qiáng)為1.5T、3T等。在X、Y、Z三維方向上各有一組梯度磁場是檢測腦核磁共振現(xiàn)象的主要部分。梯度磁場中，每一微小的變化都由計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)，構(gòu)成圖像顯示出來。計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)和圖像分析的基本原理與CT和PET機(jī)器中的原理完全相似。

磁共振成像技術(shù)自20世紀(jì)80年代，在世界各國的大醫(yī)院中普遍使用，我國各地醫(yī)院已有近千臺(tái)機(jī)器在應(yīng)用，主要用于各臟器器質(zhì)性病變的診斷，當(dāng)然包括腦器質(zhì)病變，這種儀器不能進(jìn)行腦功能成像研究，但卻是功能性磁共振研究的技術(shù)基礎(chǔ)。下面我們進(jìn)一步介紹功能性磁共振成像的技術(shù)原理。

雖然功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging,fMRI）原理，即回波平面成像（EPI）原理，于1977年就提出來，但直到1992年，功能性磁共振成像技術(shù)才問世。這是由于EPI要求儀器中梯度磁場的變化梯度0.2 mT/m，而且上升時(shí)間不得慢于100 ms，這在技術(shù)上難度很大。此外，功能性磁共振成像中采樣率要求不得少于500 kHz，只有這樣才能在短于100 ms射頻脈沖期對(duì)磁共振數(shù)據(jù)采樣K空間給出足夠快的掃描。最后，普通磁共振成像儀器的信噪比也滿足不了功能磁共振快速成像的要求。因?yàn)殡S著成像速度快，噪聲成比例增加，磁共振儀的這些條件滿足之后還要有較好的計(jì)算方法和軟件，才能對(duì)快速成像的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。由于軟、硬件條件的上述改進(jìn)，使傳統(tǒng)磁共振成像從約60 s才能出一幅清晰圖像，改變?yōu)槊?.1 s可給出較好圖像。除儀器條件的這些特點(diǎn)還有多種不同EPI方法，用于不同目的，如水?dāng)U散成像法適于得到腦灰質(zhì)和白質(zhì)分布的精細(xì)變化，而灌注成像法適于得到局部血容量的測定。一般采用梯度快速成像法可靈敏測定含氧血紅蛋白的分布狀態(tài)，以此作為腦功能的靈敏指標(biāo)，適用于認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)和精神病研究，也就是通常所講的磁共振認(rèn)知成像技術(shù)。