认知神经科学

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认知神经科学英语:Cognitive neuroscience)是一门科学学门,旨在探讨认知历程的生物学基础[1]。主要的目标为阐明心理历程的神经机制,也就是大脑的运作如何造就心理认知功能。认知神经科学为心理学(psychology)神经科学(neuroscience)的分支,并且横跨众多领域,如生理心理学(physiological psychology)神经科学认知心理学(cognitive psychology)神经心理学(neuropsychology)[2]。认知神经科学以认知科学的理论以及神经心理学神经科学计算模型(Computational model)的实验证据为基础[3]

由于其跨领域的特性,认知神经科学家的背景除了上述提到的学科之外,还有来自神经生物学精神病学(psychiatry)神经学(neurology)物理学(physics)语言学(linguistics)哲学(philosophy)数学(mathematics)等学门。

认知神经科学采用的研究方法,包括来自心理物理学(psychophysics)认知心理学功能性神经造影(functional neuroimaging)电生理学(electrophysiology)认知基因体学(cognitive genomics)行为遗传学(behavioral genetics)实验典范。另外一部分重要的研究方向来自于脑伤病人的研究。脑部损伤所造成的认知功能受损,提供认知神经科学许多重要的证据(请参照:神经心理学)。而理论的发展则来自计算神经科学(computational neuroscience)认知心理学

历史起源

认知神经科学的观点认为特定脑部区位负责特定的认知功能。这样的看法源自于许多不同的理论,如颅相学Phrenology)。虽然颅相学最后因为缺乏科学根据而被摒弃,但特定脑区控制特定认知功能的观点仍被采纳。而现今,在扬弃了观察头壳外观这样不科学的方式之后,取而代之的是对于头皮的电生理测量,或是更多对脑部本身的观测。

颅相学

认知神经科学的起源和颅相学(Phrenology)有很大的关系。颅相学实质上是一个伪科学,并声称头皮的形状会影响行为的表现。在19世纪早期,高尔(Franz Joseph Gall) 和史普汉(J. G. Spurzheim)相信人大脑可以被分为35个不同的区域。在高尔在他的书《神经系统的解剖生理学概论和脑部深论》声称头壳上较大的凸起代表着这块区域被较频繁的使用。颅相学广被大众所注意,并且发行了以颅相学为主题的期刊。甚至发明了颅相测定仪以测定头颅上的凸起。

总体论

法国的实验心理学家佛罗伦斯(Pierre Flourens)如众多的科学家一样质疑颅相学的观点。虽然他的实验对象为兔子和鸽子,但他发现特定部位的脑伤并不会造成行为上的改变。由此他认为行为表现是由不同脑区共同参与,也就是总体论的观点。

区位化论

欧洲一些科学家如杰克森(John Hughlings Jackson)所进行的一些研究让区位化论重新成为主流的观点。杰克森的研究特别在于有癫痫症状的脑伤病人,他发现病人在癫痫发作的时候,时常会造成相同的阵挛和肌肉紧张的情况。因此他认为每次的发作一定都是发生在相同的脑区,并且提出特定脑区负责特定功能的看法[4]。在后续对于脑叶的研究中,区位化观点有很大的影响和帮助。

神经心理学的兴起

Broca's area and Wernicke's area.

法国的神经科学家布洛卡英语Paul Broca在1861年报告了一位病人的症状。这位病人可以听的懂语言,但是无法说,并且只能发出“谈”(tan)的音。这位病人之后被发现他左脑的额叶有脑伤,而这块脑伤的区域现今则被称作布洛卡氏区。另外一位神经科学家卡尔·韦尼克Carl Wernicke)则发现一位中风病人无法听取语言讯息和阅读文字,但可以流利的说话(虽然说的是没有意义的语句)。这位病人则是有一个在左脑顶叶颞叶交界处的脑伤。而这块区域现今被称作韦尼克区。这两个病例是支持区位化论的重要证据,因为特定区域的脑伤造成了特定的行为改变。布洛卡和威尼基的研究促成了神经心理学的诞生,而这个新领域研究的是心理现象和脑伤之间的关系。

脑功能定位

在1870年,德国两位医师希兹格(Eduard Hitzig)和费理屈(Gustav Fritsch)发表了他们在动物实验的发现。他们在的不同的大脑皮质部位通上电流,可以造成不同相应的动作。由此他们认为行为的表现是源自于脑细胞的层次的运作。德国的神经解剖学科比尼安·布洛德曼Korbinian Brodmann)使用尼氏发明的组织染色技术观察脑部的细胞种类。于1909时,他发表了他的结论:脑部是由52个不同的部分所组成。这些分区现在称为布洛德曼分区。现在看来,有些分区划定的非常精确,如布洛德曼17区布洛德曼18区

神经教条

在20世纪早期,圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔Santiago Ramon y Cajal)和卡米洛·高尔基Camillo Golgi)开始研究神经细胞的结构。高基发展出银染色法英语Silver stain,可以将特定区域的细胞一同染色。使用这样的技术观察神经细胞,让高尔基认为细胞之间,在共同的细胞质内有直接的连接。卡哈尔则反对这样的观点。他在脑部含有较少髓鞘的部位做染色,发现神经细胞并不是紧密相连,而是分离的。他进一步发现神经细胞会单方向的传递电讯号。这些发现称为神经教条,并对之后了解神经细胞的功能提供了基础的理论。也因次这个贡献,高基和卡哈都获得了1906年的诺贝尔生理学或医学奖

认知科学的诞生

1956年9月11日,认知科学大会在麻省理工学院举行。在大会上乔治·A·米勒George A. Miller)发表了他著名的研究《神奇的数字:7±2》。诺姆·乔姆斯基Noam Chomsky)和艾伦·纽厄尔Newell赫伯特·亚历山大·西蒙Simon)发表了他们在计算机科学上的成果。耐瑟英语Ulric Neisser在他1967年的书“认知心理学”中评论了许多在这次会议中所发表的成果。“心理学”这个名词在1950到1960年代逐渐式微,取代的是认知科学的开始。行为主义的科学家如乔治·A·米勒开始重视语言的内在表征英语representation,而不只有外在的行为表现。大卫·马尔David Marr)提出记忆的阶层性表征,也让许多心理学家接纳了心理功能是需要由脑中特别的算法处理。

认知神经科学

在1980年代之前,神经科学和认知心理学这两个领域之间几乎没有互动。[5].在1970年代晚期,“认知神经科学”这个名词在一辆计程车的后座诞生[6],由乔治·A·米勒和麦可·葛詹尼加Michael Gazzaniga)共同创立[7]。认知神经科学开始用实验心理学神经心理学神经科学的研究方法来为认知科学奠定基础。在20世纪晚期,新的科学技术成为认知神经科学重要的研究方法。这些技术包含了穿颅磁刺激英语Transcranial_magnetic_stimulation功能性磁振造影脑电图脑磁图英语Magnetoencephalography。有时也会使用到其他的脑造影技术,如正子断层扫描造影单光子电脑断层扫描英语SPECT。在动物上使用的单细胞电位记录Single-unit recording)也是重要的技术。另外其他的技术还包含微神经图英语microneurography、脸部的肌电图英语EMG眼球追踪仪整合神经科学英语Integrative neuroscience试着将不同领域和不同尺度(如生物学、心理学、解剖学和临床经验)所得到的研究成果,整合成一个统合的描述性模型。

认知神经科学的主题

注释

  1. ^ Gazzaniga, Ivry and Mangun 2002, cf. title
  2. ^ Gazzaniga 2002, p. xv
  3. ^ Gazzaniga 2002, p. xv
  4. ^ Enersen, O. D. 2009
  5. ^ http://www.petemandik.com/philosophy/papers/brookmandik.pdf
  6. ^ Gazzaniga et al. 2002, p.1
  7. ^ http://www.petemandik.com/philosophy/papers/brookmandik.pdf

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