腦與認知-01-02腦科學概述市公開課一等獎省賽課微課金獎

腦與認知科學

1.2腦科學概述申華電子工程系第1頁本節(jié)中心問題是：什么是腦科學？腦科學研究內(nèi)容腦科學研究方法第2頁腦科學：狹義定義：就是神經(jīng)科學，是為了了解神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)分子水平、細胞水平、細胞間改變過程，以及這些過程在中樞功效控制系統(tǒng)內(nèi)整合作用而進行研究。（美國神經(jīng)科學學會）廣義定義：是研究腦結構和功效科學，還包含認知神經(jīng)科學等。

第3頁二十一世紀是腦科課時代J.D.Watson在「TheBrian」序言：

→“二十一世紀是腦世紀”。五十年代→六次諾貝爾醫(yī)學獎腦科學研究者以美國為中心每年以20%速度遞增。第4頁腦科學研究范圍第5頁1.2.1腦科學研究現(xiàn)實狀況第6頁腦科學在美國1989年美國腦科學計劃：

→把本世紀最終十年命名為“腦十年”，重點是保護腦，防治腦疾病。一九九二年，開啟「人類腦計劃」：

→會員國已經(jīng)有20多個。

新世紀開始：科學基金會、商務部

“聚合四大技術，提升人類素質”計劃第7頁腦科學在歐洲英國：“認知與腦科學研究所”→研究方向有：注意、認知和情緒、語言和交流、記憶和知識等。巴黎：“信息處理”課題（年）→人文與社會科學部同工程科學部和符號處理技術與自動化技術部合作項目；→學習、推理、創(chuàng)造活動和語言表示等信息軟件。第8頁腦科學在日本一九九六年，制訂了為期十年「腦科課時代」計劃，計劃每年投入1千億日元。其主要研究內(nèi)容為：了解腦——說明腦功效保護腦——征服腦疾患創(chuàng)造腦——開發(fā)腦型計算機第9頁腦科學在韓國“腦神經(jīng)信息學研究規(guī)劃（BNRP規(guī)劃）：→強調目標明確多學科梯隊研究，發(fā)展基于腦信息加工機制“人類化(Human―like)”功效。→先從視聽模塊著手，在第二階段中首先實現(xiàn)人工視覺和聽覺。而整個規(guī)劃整合需到年才進行。與哈佛大學腦影像中心和德國(Siemens)聯(lián)合進行協(xié)作研究。第10頁腦科學在中國“香山科學會議”（一九九三年）：→將腦科學列為國家研發(fā)重點，腦認知科學研究列為「十五」國家規(guī)劃重點發(fā)展學科。二○○一年，中國正式成為加入國際「人類腦會議第二十個國家。

第11頁中國科學院生物物理所：“腦與認知科學研究中心”；北京大學認知神經(jīng)科學試驗室；中國科技大學碩士院腦認知開放試驗室；北大與北師大、浙大、東南大學等組建了“腦科學與認知科學網(wǎng)上合作研究中心”；中山大學設置“邏輯與認知研究所”。腦科學在中國第12頁科學問題：腦形態(tài)腦結構（組織水平，細胞水平，分子水平）腦功效（基本功效，物質與意識關系）腦與其它器官關系（腦系統(tǒng)）

腦系統(tǒng)與環(huán)境關系（認識世界，改造世界）腦進化（系統(tǒng)發(fā)育）腦發(fā)育（個體發(fā)育）腦保護與醫(yī)治腦潛能開發(fā)腦科學研究對象研究對象：腦結構與功效第13頁美國“腦十年：1990--”提法了解腦：腦科學研究基本目標保護腦：醫(yī)學科學研究基本目標開發(fā)腦：教育科學研究基本目標智能科學技術工作者特殊研究目標了解腦–了解腦工作原理創(chuàng)造腦–創(chuàng)造人工腦，擴展腦能力腦科學研究目標第14頁解剖學方法：采取通常組織染色方法能夠在光學顯微鏡下觀察神經(jīng)系統(tǒng)各種組織細胞結構，即神經(jīng)元不一樣形態(tài)，以及它們間連接普通情況。利用電子顯微鏡能夠深入了解神經(jīng)元和突觸精細結構。利用微電極細胞外統(tǒng)計、細胞內(nèi)統(tǒng)計技術對單個神經(jīng)元活動分析。近年來，片膜鉗技術對離子通道進行深入研究。細胞外統(tǒng)計：30年代后期發(fā)展起來。用金屬絲電極1-5微米統(tǒng)計幅度較大瞬間性動作電位，對神經(jīng)元功效起了主要作用。細胞內(nèi)統(tǒng)計：0.1~0.5微米玻璃電極，內(nèi)充高濃度氯化鉀或醋酸鉀以導電。能統(tǒng)計動作電位，小分級電位，同時能監(jiān)視膜電位改變。另外，能注入物質，進行形態(tài)學分析。缺點是造成細胞損傷，統(tǒng)計時間、小細胞受限。片膜鉗技術：70年代后期，Neher和Sakmann發(fā)展了一個新紀錄方法，能夠用來統(tǒng)計單個離子通道活動。分子生物學方法：重組DNA技術：分析離子通道蛋白結構和功效、生理特征。應用單克隆抗體和遺傳突變體。腦科學主要研究方法第15頁01，直接觀察：解剖，顯微解剖

02，間接觀察：染色，示蹤，顯影，造影

03，比較解剖學

結構研究第16頁04，電生理學研究

05，基因修剪

06，病理研究

07，成像技術

結構-功效-行為研究第17頁當代腦成像技術發(fā)展

當代腦成像技術能夠在清醒、不損傷條件下洞察腦認知功效活動過程。它能夠顯示出：在認知過程中大腦特定腦區(qū)是怎樣一個個相關聯(lián)地被“點亮”。

大腦皮層是怎樣工作？在各種認知活動中，哪些腦區(qū)在工作？哪些腦區(qū)在休息？哪些腦區(qū)先激活？哪些腦區(qū)后激活？傳統(tǒng)腦損傷和麻醉方法無法回答。

功效核磁共振成像技術局部神經(jīng)元興奮將引發(fā)該區(qū)域血流量增加，而血液中含有氧和葡萄糖，血紅蛋白所攜帶氧含量會影響血紅蛋白磁場特征，所以，磁共振成像能夠能夠檢測到大腦功能性氧消耗改變情況，并顯示高活動量區(qū)域三維圖像，空間分辨率可達1mm。第18頁關于腦研究方法評論1，局部與全局，部分與整體2，靜態(tài)與動態(tài)3，物質-能量-信息4，結構-功效-行為-機制第19頁R·斯佩里（1961）：兩半球功效一側化現(xiàn)象和腦發(fā)育關鍵期以及可塑性現(xiàn)象，至今對教育仍發(fā)生一定影響。腦認知功效模塊論：M·S·加查尼加（Gazzaniga，1976）腦是由在神經(jīng)系統(tǒng)各個水平進行活動子系統(tǒng)以模塊形式組織在一起，腦功效模塊是一個動態(tài)改變組裝。→正逐步替換了“定位說”，被當代技術所證實?！鲝堊笥覂砂肭蛘w功效協(xié)調開發(fā)。腦科學在教育中應用第20頁神經(jīng)生物學界認為：→人類大腦感應是分析外來信號處理過程；→除了分析外來信號外，大腦在某一特定時刻內(nèi)在狀態(tài)也很主要?！竽X是經(jīng)過某個神經(jīng)“密碼”來處理外來信息?！@一“密碼”不是固定不變，而是伴隨大腦內(nèi)部狀態(tài)和外界環(huán)境改變而不停改變。利用新技術，能夠觀察大腦在處于高度集中和高度期待等狀態(tài)下，怎樣處理外部信息過程。腦科學在教育中應用第21頁腦科學研究意義不但含有主要科學意義，還含有巨大潛在應用價值。不但能夠揭示生命本質和意義，促進人工智能發(fā)展，提升人類認識能力和生活質量。在促進當代科學尤其是心理學、生理學、語言學、邏輯學、腦科學、數(shù)學、計算機科學甚至哲學等眾多學科發(fā)展上，都有非同尋常主要意義。第22頁概念：腦科學相關學科研究課題認知心理學：研究知覺、注意、學習、記憶、語言、概念思索、處理問題思索、推理、判斷與決議、創(chuàng)造性與智能、運動行為等各種行為與技術心理過程。功效分析來解釋相關認知處理理論與處理各要素成份。第23頁語言學：語法結構、語言與認知關系、語用論、自然語言等認知過程關鍵工具之一語言信息處理問題，為認知心理學和人工智能及哲學提供依據(jù)。計算機科學：研究機器視聽知覺、人工智能、機器語言處理、教授知識表象、神經(jīng)網(wǎng)系統(tǒng)等信息處理模型。第24頁神經(jīng)科學（腦科學）：大腦對空間、非空間信息處理以及虛擬環(huán)境中認知；學習／記憶規(guī)律及其腦機制；語言認知和自動語言識別；意識、自我意識及其腦機制；情緒與心境障礙、精神疾病與老年性認知衰退神經(jīng)生物學機制；腦認知功效可塑性機制及其應用；腦功效成像方法與技術等。結構分析來解釋相關認知處了解剖學結構原理。（Marr,1982)第25頁參考文件：《心理學思想流變——心理學名人傳》，張春興著，上海教育出版社，

《認知神經(jīng)科學》GazzarnigaM.主編沈政等譯，MIT出版社1995年，上海教育出版社1998年楊雄里：《腦科學當代進展》，上?？萍冀逃霭嫔?998年版沈政：《腦科學與素質教育》，《教育研究》1999年第8期

第26頁可利用資源：孔令軍等，中國教育技術學科:進展、問題和前景[J]，陜西廣播電視大學學報，，(1)認知神經(jīng)科學與學習研究所：/researches.asp腦與語言認知試驗室

認知神經(jīng)科學研究試驗室

第27頁作業(yè)：教育技術學學科定位問題？新技術環(huán)境下認知、學習與教學研究趨勢？第28頁本章小