腦功能成像技術在心理學實驗中的應用

腦功能成像技術在心理學實驗中的應用第1頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四1腦成像技術的成熟與心理學的發(fā)展1.1腦是心理的器官要更好地了解心理，就要更好地了解腦1.2怎樣研究心理的腦機制？1.2.1創(chuàng)傷性動物實驗1.2.2對腦損傷患者的觀察1.2.3腦功能成像技術無創(chuàng)性：可以安全地對正常人進行實驗高空間分辨率：能對相關腦組織進行精確的定位高時間分辨率：能準確地反映大腦的動態(tài)過程

——腦成像技術使人類有史以來第一次能直接觀察到大腦的認知活動和工作過程，有如研究腦功能的“顯微鏡”和“望遠鏡”。第2頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四2主要的腦功能成像技術2.1事件相關電位(event-relatedpotentials,ERPs)2.1.1ERPs技術原理2.1.2ERPs技術的特點2.2正電子發(fā)射斷層掃描(positronemissiontomography，PET)2.2.1PET技術原理2.2.2PET技術的特點2.3功能磁共振成像(functionalmagneticresonanceimaging,fMRI)2.3.1fMRI技術原理2.3.2fMRI技術的特點第3頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四3腦功能成像技術的應用3.1ERPs實驗案例：P300與測謊3.1.1研究假設3.1.2實驗過程及結果3.2PET實驗案例：人類言語活動定位的PET研究3.2.1任務設計3.2.2研究思路3.2.3研究結果3.3fMRI實驗案例：關于道德判斷的fMRI研究3.3.1問題的提出3.3.2實驗過程3.3.3結果與討論第4頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四2.1.1ERPs技術原理腦電圖(EEG)大腦工作時，神經細胞中離子的運動產生電流，在頭皮表面形成微弱的（μV級）電位，這些電位可以通過高靈敏度電極和放大器探測并記錄下來ERP與ERPsERP：一個概念事件相關電位(Event-relatedpotential,ERP)ERPs：一種腦成像技術利用ERP的固定時間關系，即“鎖時”(time-locked)關系，經過計算機疊加處理，提取出與某種特定刺激相對應的ERP成分ERPs實驗儀器及實驗現場第5頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四事件相關電位(Event-relatedpotential，ERP)事件相關電位是一種特殊的腦誘發(fā)電位誘發(fā)電位(EvokedPotentials，EPs)是指給予神經系統（從感受器到大腦皮層）特定的刺激，或使大腦對刺激（正性或負性）的信息進行加工時，在該系統和腦的相應部位產生的可以檢出的、與刺激有相對固定時間間隔（鎖時關系）和特定位相的生物電反應誘發(fā)電位的特征在特定的部位才能檢測出來有其特定的波形和電位分布其潛伏期與刺激之間有較嚴格的鎖時關系，在給予刺激時幾乎立即或在一定時間內瞬時出現第6頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四第7頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四第8頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四第9頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四ERPs實驗現場第10頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四2.1.2ERPs技術的特點優(yōu)點直接反映了神經的電活動時間分辨率極高（毫秒級），幾乎達到實時完全無創(chuàng)設備造價較低，使用、維護方便缺點空間分辨率較低（厘米級）第11頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四2.2.1PET技術原理PET的技術原理將同位素示蹤劑通過靜脈注射到人體中示蹤劑隨血液循環(huán)可到達全身，并持續(xù)發(fā)射正電子，正電子釋放后與人體內的電子相遇并湮滅，產生兩個背對背光子這對光子具有確定的能量(511keV)，能穿透人體并被環(huán)繞人體的PET探測器測到，顯示出正電子的位置信息，于是人們就可以對血流方向和流量進行追蹤當認知活動在大腦的某一特定部位進行時，該部位新陳代謝加劇，所需的血流量便會增加，此時就可用PET技術確定與特定認知活動相關的激活區(qū)域PET實驗儀器第12頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四第13頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四第14頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四2.2.2PET技術的特點優(yōu)點空間分辨率高于ERPs，可達4-6mm缺點成像時間較長，導致時間分辨率低被試需接受放射性物質注射系統造價極高第15頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四2.3.1fMRI技術原理血氧水平依賴(BOLD)效應神經活動興奮性水平增強時，局部腦組織血流、血流容積、以及血氧消耗均增加，但增加的比例不同，腦血流量增加超出血流容積2-4倍，而氧耗量僅輕微增加，血流量增加超出了氧耗量的增加。這種差異導致腦激活功能區(qū)的靜脈血氧濃度升高，使該區(qū)域的磁共振信號明顯強于其它非活動的區(qū)域，此效應稱為血氧水平依賴效應(bloodoxygenationleveldependent,BOLD)利用快速磁共振技術，就可以將大腦這一短時間內的變化檢測出來，這就是功能性磁共振成像技術fMRI實驗設備第16頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四第17頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四2.3.2fMRI技術的特點優(yōu)點信號直接來自腦組織功能的變化，完全無創(chuàng)可以同時提供大腦結構和功能的圖像空間分辨率極高（毫米級）缺點由于檢測的是滯后于神經活動的氧信號，時間分辨率較低（秒級）實驗環(huán)境較封閉，不適合幽閉恐懼者掃描噪聲巨大，無法使用聽覺刺激系統造價高第18頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四3.1.1研究假設ERPs成分研究的成果：對P300波的認識P300是事件相關電位(ERP)中，潛伏期在300ms左右的晚期正向波，一般認為該電位與認知過程有關，并且是由“有意義的事件”所引起P300的兩個重要指標潛伏期：反映對刺激物評價或分類所需要的時間波幅：與接受的刺激信息量正相關，它反映了刺激的信息量和大腦耗費能量的多少如：熟人面孔比生人面孔包含更多信息熟人面孔：面孔識別中的結構碼、身份語義碼和姓名碼等生人面孔：圖形碼、視覺語義碼因此，熟人的面孔引起的P300波波幅更大第19頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四P300潛伏期波幅第20頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四3.1.1研究假設用P300波測謊的原理假設：只有真正的罪犯才充分掌握有關的犯罪細節(jié)那么：與案件相關的實物或場景照片刺激對罪犯蘊涵有更多的信息，也就必然會引出P300波幅高值因此：可以將案情有關的和無關的事件編成一個刺激序列，根據兩者引出的P300波幅的高低來判定被試是否為真正的罪犯相應的研究假設當以與案情有關的事件或事物為靶刺激時對于罪犯來說，它含有更豐富的信息，靶刺激的P300波幅高于對照刺激P300波幅對無辜者來說，靶刺激與對照刺激的信息量是一樣的，兩者的P300波幅應無太大差別第21頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四3.1.2實驗過程及結果被試分組模擬盜竊組指定人(A)向被試交待如下盜竊過程并要求其完成模擬者戴上一付染有墨跡的手套(B)手持一把帶有標記的鉗子(C)到指定現場熟悉周圍環(huán)境現場房門(D)的特點破門而入，觀察房間布置及布局(E)找出其上放有一束花的保險箱(F)用鉗子將保險箱打開，取出其中的金項鏈(G)返回時突然出現一人(H)并與盜竊者相遇要求模擬者對上述程的A~H的特征記憶清楚并復述對照組：從未到過模擬盜竊現場第22頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四3.1.2實驗過程及結果腦電記錄時間：模擬盜竊后2-3天刺激類型無關刺激：與盜竊過程無關，被試也未見過的照片靶刺激：與模擬盜竊無關，要求被試事先記憶的照片探測刺激：與模擬盜竊有關的照片被試任務判斷呈現的照片是否是靶照片如果靶照片出現，就按鼠標左鍵對其它照片不需要做任何反應第23頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四3.1.2實驗過程及結果實驗結果對照組P300波幅分析靶照片vs.探測照片：有顯著性差異探測照片vs.無關照片：無顯著性差異三者關系：靶照片>探測照片≈無關照片模擬盜竊組P300波幅分析靶照片vs.探測照片：無顯著性差異探測照片vs.無關照片：有顯著性差異三者關系：靶照片≈探測照片>無關照片識別率：100%（文獻來源：周亮等.P300用于模擬盜竊測謊的實驗性研究.中國臨床心理學雜志,1999,1）第24頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四3.2.1任務設計文獻來源PetersenSE,FoxPT,PosnerMI,MintunM,RaichleME.Positronemissiontomographicstudiesofthecorticalanatomyofsingle-wordprocessing.Nature,1988;331:585-589實驗任務任務1:看名詞（如“錘子”）任務2:聽名詞任務3:說出名詞（讓被試說出看到或聽到的名詞，該過程包括單詞感知和言語運動）任務4:產生動詞（如看到“錘子”則說出“敲打”）控制任務:要求被試注視一個十字符號，作為基線水平第25頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四3.2.2研究思路研究的關鍵：減法設計以言語感知（看和聽）狀態(tài)下的區(qū)域腦血流減去基線水平的區(qū)域腦血流，得到——純粹感知單詞狀態(tài)下的區(qū)域腦血流以言語運動任務時的區(qū)域腦血流減去相應的言語感知狀態(tài)下的區(qū)域腦血流，得到——純粹的“說出名詞”的區(qū)域腦血流以完成聯想任務時的區(qū)域腦血流減去言語運動任務的區(qū)域腦血流，得到——純粹的“產生動詞”的區(qū)域腦血流第26頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四3.2.3研究結果聽名詞說名詞看名詞產生動詞第27頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四3.3.1問題的提出文獻來源GreeneJD,SommervilleRB,NystromLE,etal.AnfMRIinvestigationofemotionalengagementinmoraljudgment.Science,2001,293:2105-2108問題的提出道德心理學中長期存在的理性主義傳統強調理性在道德判斷中的作用兩個難題的挑戰(zhàn)電車難題vs.天橋難題問題的提出為何在電車難題中，幾乎每個人都斷定為五個人犧牲一個人是可以接受的，但在天橋難題中卻不行？第28頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四電車難題在如圖所示的三岔道口，前方的兩條軌道中，左邊一條上站著五個人，右邊一條上站著一個人。這時有一列失控的有軌電車飛奔而來，如果不扳道岔，電車將筆直行進，沖向左邊的軌道，壓死五個人。如果扳動道岔，電車將改變方向，沖向右邊的軌道，壓死另一個人。請你決定，這時是否應該扳道岔，將電車引向另一條軌道，壓死上面的那一個人？第29頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四天橋難題一條筆直的軌道前方站著五個人，此時，一列失控的有軌電車飛奔而來，前方五人處于危險之中。在電車和五個人中間，隔著一座天橋，橋上站著一位陌生的大胖子。拯救這五個人的唯一辦法，是把這個大胖子推下天橋，電車將他撞死后就會停下來。請你來決定，是否應該把這個人推下橋去，以拯救另外五個人？第30頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四3.3.2實驗過程實驗材料：三組問題與人身密切相關，可能會調動感情的道德難題“天橋難題”及類似的道德難題偷了一個人的內臟器官去拯救五個人，是否應該？在救生艇因超載面臨沉沒時，是否應該把某個人扔到海里？與人身關系不密切或無關的，非人化的道德難題“電車難題”及類似的道德難題撿到了錢，該不該還給失主？空白對照組，與道德無關的難題出門旅行，是坐汽車還是坐火車好？第31頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四3.3.3結果與討論行為層面：反應時記錄對于非道德難題和非人化道德難題（電車難題）回答“應該”者與回答“不應該”者的反應時無顯著差別對于與人身密切相關的道德難題（天橋難題）回答“應該”者所花的時間比回答“不應該”者長得多這一差別反映出理智戰(zhàn)勝感情的過程第32頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四3.3.3結果與討論神經機制層面：fMRI的掃描結果與判斷非人化道德難題和非道德難題時相比較，判斷與人身關系密切的道德難題時更活躍的腦區(qū)是BA9/BA10-額內側回；BA39-角回；BA31-扣帶后回在上述比較中更不活躍的