認知神經科學

八、九十年代，心理學研究者無不關注兩個蓬勃發展的邊沿交叉學科的研究，即認知神經科學和認知行為遺傳學。這兩個學科吸收了認知科學和行為發展科學的理論與神經科學和遺傳學的新技術，共同向智能的本質和意識的起源這一基本的重大理論問題發起衝擊，將心理學的研究推向了一個新的發展水平，已經並且勢必繼續對心理學的研究產生重大影響。

認知神經科學的研究旨在闡明認知活動的腦機制，即人類大腦如何調用其各層次上的組件，包括分子、細胞、腦組織區和全腦去實現各種認知活動。傳統神經科學的某些分支，例如神經心理學、心理生理學、生理心理學、神經生物學和行為藥理學等，吸收了認知科學的理論和神經科學的新技術，逐漸形成了認知神經心理學、認知心理生理學、認知生理心理學、認知神經生物學和計算神經科學等認知神經科學的各個分支。自八十年代後期發端以來，認知神經科學的研究在短短時間內取得了令人注目的進展，對傳統認知心理學和發展心理學的理論建構和各內容領域的研究有著巨大影響。認知發展研究自然也不例外，由於認知發展心理學和發展神經科學科學對許多共同問題感興趣，由此衍生出來的發展認知神經科學正得到越來越多人的關注，成為當前最熱門的交叉研究領域之一。

認知科學的核心學科分支——認知心理學、心理語言學、人工智慧和人工神經網路的研究都取得了重要進展，但又都發現在自己的研究領域內出現許多難點，必須在人腦認知活動機制中需求答案。例如，認知心理學和心理語言學研究中，信息加工的并行和串列方式，外顯機制和內隱機制，基於經驗和知識的認知活動和靠靈感、頓悟的認知活動，其腦機制有何異同？在人工智慧和人工神經網路的研究中，物理符號的離散表徵和運算原理，與亞符號連續運算原理之間存在何種關係？人工神經網路的學習機製為何需要千萬次訓練，而人類的觀察模仿學習則一看就會？這些問題都尖銳提到認知科學各個分支學科發展面前。人類社會發展對智能信息系統越來越高的要求和技術難題之間的矛盾，使認知科學迫切希望有一個新生兒來繼承自己未竟的事業。生物醫學構像技術特別是近年功能性磁共振成像可以用於對於人類認知活動的研究；腦事件相關電位、腦磁圖和高分辨腦成像等生理學方法，可以為人腦認知功能研究提供許多新的數據；分子神經生物學和細胞神經科學，為人腦認知障礙和動物認知行為提供腦內機制的許多科學數據，包括動物的學習障礙和某些基因序列的關係。這些都使神經科學有資格孕育一個徑直研究認知活動腦機制的新學科。傳統神經科學的某些分支，吸收了認知科學的理論和神經科學的新技術，就可以成為新學科分支的組成部分。神經心理學、心理生理學、生理心理學、神經生物學、行為藥理學等都是這些傳統神經科學的分支。一經吸收了認知科學和神經科學新理論和新技術，這些傳統學科得到新生，於是，認知神經心理學、認知生理心理學、認知心理生理學、認知神經生物學、計算神經科學等逐漸形成。

雖然認知科學和神經科學的興起只有20多年的短暫歷史，由於其高度跨學科性與高新技術發展的密切相關，兩者又結合在一起，形成了新的交叉領域———認知神經科學。在世紀之交，可以預見這一領域的發展將會帶動整個科學的發展，並能順應發展教育事業的理論需求。下列研究已經形成或正在形成國際前沿。

腦的認知功能包括知覺、注意、記憶、語言和思維以及智能和意識等心理功能。一百多年來，神經生理學家和解剖學家一直按機能定位的指導思想試圖尋找各種認知功能的特異腦中樞。60年代在治療頑固癲癇的腦手術病人中，發現了大腦兩半認知風格的差異和海馬的記憶功能，曾極大地鼓舞了高級功能定位論的研究，認為海馬是特異的記憶中樞，左半球負責抽象思維，右半球負責形象思維等。然而，即使這類研究的奠基人和大腦半分工說的創始人，也很快陷入迷惘之中。因為總是存在大量矛盾的科學事實。還在70年代中期，我們就試圖以“功能模塊”的概念取代定位論或分工說。經過十多年的努力，神經病學家和心理學家們終於採用雙分離方法學原則，發現了人腦功能模塊性或多重功能系統，主要突破表現在多重記憶模塊和複雜的認知功能系統。神經生理學家在猴等動物的實驗研究中，也積累了大量科學事實，證明視覺功能存在著背、腹側系統，至少是枕、頂、顳、額的30多個腦皮層區動態活動。目前，物體真實運動和似動知覺之間、幻覺和真實知覺之間、外界引起和主動性選擇注意之間的腦功能模塊的異同是引起普遍關注的研究課題。

過去20年間，運用雙分離原則，已將記憶至少分離出意識和無意識兩類多重記憶系統，在這些研究成果之上，近年湧現出意識的“全腦工作空間模型”、“簇化模型”、複雜性模型”等，對意識與無意識過程進行了更為系統性的實驗研究及對外界客體的真實知覺和想像之間的腦功能模塊的對比研究等，這種對比性分離研究，將會對腦高級功能的認識更加深入。這類研究一方面在認知實驗設計上巧奪天工，另一方面，又必須有適當的腦功能檢測手段或者嚴格挑選的腦損傷病人為實驗對象。此外，為了搞清所研究的腦功能系統，設計得當的靈長類或低等動物實驗模型也是十分必要的。不同層次上的實驗數據彼此支持是使這一領域深入發展的必由之路。這一領域的發展一方面直接涉及人類科學最大難題腦與意識的本質；另一方面又關係到智能化信息系統、智能化機器人等高新技術發展，將為人工智慧研究開創新的境界。

在過去20年間學習記憶的神經基礎研究在各個層次上都取得了突破性進展。認知心理學和神經心理學研究發現，人類的學習、記憶，至少由五個以上的腦功能系統，實現著多種學習記憶功能，包括重複啟動效應,知覺啟動效應，語義系統，工作記憶和情景記憶的多重記憶，以及熟練技能學習、知覺學習、語義學習等多種學習模式。學習和記憶的性質不同，參與的腦結構也不同。神經生物學研究發現，不僅學習中刺激呈現時間，而且學習之間的間隔期也制約著學習效果和穩定長時記憶的形成，其原因在於從學習到記憶，必須有腦內記憶相關的基因調節蛋白的激活和基因表達。行為水平上所須的時間恰好與基因調節蛋白激活所需時間巧合。介於行為科學和分子水平研究之間的細胞學研究表明，腦的個體發育中，突觸形成需要一定的神經化學環境，包括神經遞質和神經生長因子。因此，作為學習記憶神經生物學基礎而言，突觸可塑性的研究，已成為近年教育相關腦科學所關注的研究課題，尋求腦發育和不同認知功能發展的關鍵期和可塑性是當代心理學與生理學共同熱衷研究的領域。70～90年代以海馬三突觸體迴路為先導的離體腦片實驗標本，隨後膜片箝技術所要求的離體細胞培養和腦片標本，乃至海兔、果蠅等實驗模型，都極大推動了學習記憶的分子生物學基礎研究。這些研究表明，不僅多種神經遞質及其受體是必不可少的神經信息傳遞環節，而且膜的離子通道特性和細胞內信號轉導系統，乃至細胞核內的基因調節蛋白，都是學習和記憶的重要分子生物學基礎。90年代以來，有採用基因敲出或轉基因技術，培養出許多動物模型，對學習記憶的分子生物學基礎提供了新的研究手段。因此，學習記憶的分子生物學研究已成為國際上最活躍的研究領域之一，出現了難以計數的研究課題，極大豐富了認知神經科學的學術空間。

在認知神經科學的基本理論和方法學上，都取得了不少進展，同時也存在不少問題。在理論方面，智能的本質和意識的起源是認知神經科學的基本重大理論問題。認知科學理論發展的歷程，經歷了三個不同的階段，出現了四種大的理論體系：物理符號論、聯結理論、模塊理論和生態現實理論。這四個理論分別與認知神經科學中的檢測器與功能柱理論、群編碼理論、多功能系統理論和基於環境的腦認知功能理論相對應。認知神經科學的這些理論，有些可以分別用於分析不同層次機制中，它們之間並無根本對立或排他性；但有些理論觀點則很難相容，例如，神經元理論中特化細胞與群編碼觀點就各自有自己的實驗事實依據。

在方法學上，認知神經科學包括兩大類互補的研究方法：一類是無創性腦功能（認知）成像技術，另一類清醒動物認知生理心理學研究方法。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胞記錄、多細胞記錄、多維（陣列）電極記錄法和其他生理心理學方法（手術法、冷卻法、藥物法等）。儘管這些方法為人類科學增添了許多光彩，但遠未滿足認知神經科學研究的要求。例如，腦認知成像技術可以為我們對認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構或區域性功能關係，對於細胞水平的機制顯得過分粗糙。由上述可見，作為當代心理學研究熱點的認知神經科學，是否能夠繼續閃現光輝，有待於進一步的歷史驗證。

迄今為止，由於認知神經科學形成的歷史短暫，對作為全人類共性的腦高級功能多重系統的研究，剛剛拉開序幕。因此，尚未來得及系統研究腦高級功能的個體差異。然而，隨著21世紀社會經濟和科學技術的高度發展，對每個公民而言，那個領域能夠最好發揮自己的聰明才智，是其面臨的重大抉擇；對教育而言，雖然因材施教是理想的原則，但怎樣評定教育對象的心理素質和才氣，至今仍是教育家們的經驗之談，缺乏系統的科學基礎。雖然在認知心理學誕生之前，一些學者曾試圖尋求腦高級功能的個體差異，如巴甫洛夫的高級神經活動類型和艾森克的人格維度理論；但都缺乏對人類心理過程深層機制進行系統實驗研究的科學基礎。過去40年間，認知心理學對人類信息加工過程進行精細的實驗研究，概括出許多心理過程的基本特性，提供了理解心理過程個體差異的科學基礎。外顯的意識過程和內隱的無意識心理過程的特性，控制加式與自動加工過程的特性及其相互轉化的規律，心理容量分配的基本特性和規律，複雜心理過程的時序性和決策水平的特性等，這些心理過程的深層機制，不但可以進行實驗操作的客觀研究,而且還可找到與之並存的許多相應腦功能參數，如腦細胞或不同腦區神經信息處理和能量代謝水平的差異，同一心理過程腦激活區大小、多少和激活水平的差異等。將認知心理學和神經科學的當代新成果用於人腦認知功能的個體差異研究，已具備了較好的科學基礎。因此,21世紀將個體差異的心理學研究納入認知神經科學軌道，將會出現突破性發展。

近年來多種腦成像綜合應用已成一大發展趨勢。一方面，取高解析度腦電或腦磁成像的理想時間解析度，另一方面，看重功能性磁共振(fMRI)或正電子發射層描術(PET)的準確空間解析度，將兩類圖像的配准、融合共同投射到結構圖像上，已成為這一研究領域重大的技術路線。然而兩類成像技術的生物學基礎並不相同，前者是腦細胞生理活動的反映，後者是腦細胞活動伴隨的能量代謝的變化(包括腦血流、血氧和葡萄糖代謝率的變化)。兩類過程時間尺度之差異(從數毫秒至數分鐘)卻為圖像配准和融合技術所抹殺。因此，在細胞和分子水平上解決多種腦成像技術綜合應用的理論基礎已引起很大重視。離體腦片研究發現腦細胞活動的能量供應主要依靠通過膠質細胞進行的谷氨酸/谷氨醯胺循環，但也有證據支持是葡萄糖有氧代謝的結果。腦細胞生理活動及其伴隨的能量代謝過程的動態規律已成為這一領域的重大理論基礎課題，它的突破將會對多種無創性腦研究發生重大影響。

雖然認知神經科學剛剛誕生不足十年，但其實驗基地形成之迅速，理論著作問世之集中，都反映了該研究領域的重大意義和巨大的生命力。在比較各國發展的勢態時，令我們震動的是這幾年經濟發展並不景氣的英國和德國，竟能拿出大筆資金分別建設了世界上非常先進的認知神經科學基礎實驗基地。在倫敦一個只有40人編製的研究所，竟在一座小樓內具有專門研究用的PET和fMRI設備。在德國,1997年投資5000萬馬克興建的猴實驗室內同時具有專用fMRI和一百多套腦細胞電活動記錄的儀器。這種加強基礎研究的勇氣和明智的選擇已預示德國有可能在認知神經科學發展中迅速做出突破性進展。面對這一新領域的發展勢態，我國科學界將取何種舉措是值得深思的問題。

認知神經科學與學習國家重點實驗室，依託單位為北京師範大學腦與認知科學研究院，其總體定位為以高級認知功能發展變化為主線，以“學習與腦的可塑性”為核心科學問題，圍繞學習的一般規律和機制以及特殊領域學習的認知與腦機制開展認知神經科學研究。為我國基於腦科學的教育質量提升、認知障礙矯治和人力資源開發等提供依據，促進我國億萬兒童青少年的智力和心理的健康發展，提升我國人口素質和綜合國力。

腦與認知科學國家重點實驗室，依託單位為中國科學院生物物理研究所，實驗室立足於腦與認知科學的基礎研究，同時開展相關領域的多學科交叉研究，以“圍繞研究方向形成共同的研究計劃、建設共同的實驗環境平台、創立新的原則並著力將研究成果服務於相關應用領域”為主要目標；以視知覺和注意的基本表達、感知覺信息加工的腦機制、高級認知過程及其腦機制、腦與認知功能異常及其機製為主要研究方向。