第四节 认知神经科学的发展
自从1995年认识神经科学取得学术界公认的前沿科学地位以来，已经走了十多年的历程，无论是在研究的广度和深度上都取得了很大进展，它的理论和方法学也有了新的发展。
一、新领域的开拓——社会和情感认知神经科学的问世
2001年美国科学家试图谋求美国政府将2001～2010年冠以“行为科学十年”，作为1990～2000年“脑科学十年”的延续。为此认知心理学家、社会心理学家、人类学家、神经科学家、神经病学家和社会学家共同合作，研究人类社会问题的脑科学基础。他们试图应用无创性脑成像技术研究情绪、情感、社论动机等社会情感心理问题的功能网络及其动态特性。首先，在美国加州大学洛杉矶分校召开了第一次协作工作会议，计划召开70～80人的小规模会议，结果吸引了300多位来自世界各地的多学科专家，充满了合作研究的激情。
东道主UCLA的代表首先宣告，社会认知神经科学实验室的建立，由Matthew D.Lieberman教授任实验室主任。2006年牛津大学出版社创刊 Social Cognitive and Affective Neuroscience 杂志，2008年心理科学出版社创刊 Social Cognitive Neuroscience杂志。北京大学心理学系也宣布成立社会认知神经科学实验室，由韩世辉教授主持工作，并在Nature Neuroscience Review杂志上发表了综述性报告。2007年《心理学年鉴》上Matthew D.Lieberman发表题为“社会认知神经科学：它的核心过程”的文章。他将社会认知神经科学定义为：利用认知神经科学的研究方法，如无创性脑成像技术和神经心理学方法，检查社会现象和社会过程的学科。所谓基本过程是指自动过程和控制过程，以及指向自己和他人内心世界和指向他们的外表特征的过程。2008年11月6日美国认知神经科学界著名权威Gazzaniga在N euron杂志上发表了题为“法律和神经科学”的评论，透露一些发达国家的科学基金会，在2007—2008年间特别资助关于犯罪嫌疑人的刑事责任能力鉴定的科学方法以及法庭采信问题的研究。测谎的基础理论研究报告也在2008年有了飞速的发展。可以说，社会情感认知神经科学已成为当代科学的热点。
虽然社会和情感认知神经科学作为一个新的科学分支出现在21世纪之初，但它的理论基础却是经过了几十年研究的积累。其中对社会情感认知神经科学的形成起着关键作用的是心灵理论、镜像神经元和共情的三个研究领域所得到的新科学事实。
（一）心灵理论
心灵理论（theory of mind）的概念是1978年比较心理学家Premach和Woodruff在观察大猩猩的社会行为中提出来的概念。他们发现，大猩猩能彼此理解各自的心理需求和行为意向，因而能够互动，彼此帮助。另一批动物心理学家认为这种现象只是一种联想学习行为，没什么特别之处，不赞成用“心灵理论”这一概念。十多年之后，儿童发展心理学研究进一步支持了这一概念。他们通过情境观察发现，理解自己和别人的心理意向和需求的能力，不是出生就有的，大约是在4岁时才发展出来的一种能力。认知神经科学在21世纪之初，用无创性脑成像的方法发现（Gallagher et al.2002），当人们想象和理解自己伙伴的意图时，前扣带回皮层受到激活，为心灵理论确定了脑科学基础。
（二）镜像神经元
Rizzolatti和Craighero（2004）综述了过去几年内在恒河猴细胞电生理学研究中的发现，在其额叶5区皮层中存在一些神经细胞，当猴子看到饲养员拿着水瓶，就激烈地兴奋起来，同样的兴奋也发生在猴接近水瓶喝水之际。所以，他们就把这类神经元称之为镜像细胞，它们对所看到的别人的动作和行为类型特别敏感，似乎是能够发现和理解别人行为意向的检测细胞。这一发现在社会认知神经科学领域中产生很大的震动，似乎发现了人类社会关系赖以发展的脑科学基础，使社会认知问题的研究又有了一项重要的自然科学基础。
（三）共情
共情（empathy）是指感受或体验到别人情感或情绪变化的能力。心灵理论和镜像神经元的研究侧重于描述通过认知过程在人们之间发生社会关系的社会认知神经科学基础，而共情的研究则揭示了人们在社会交往中情感方面相互影响的脑机制，其表现为腹内侧前额叶的激活。
上面三个发现提供了理解人类社会交往中，认知和情感相互理解和相互影响的脑科学基础，也是社会情感认知神经科学作为新学科分支，能够建立起来的重要基础。
二、认知神经科学方法学的进展
在过去的十多年间，作为认知神经科学最重要的方法学基础，无创性脑成像技术也有很大的发展，无论是仪器硬件结构和它的附属器件，还是它的应用软件以及测试分析方法，都取得了很大发展。此外，多种脑成像技术同时并用也是其重要的发展。
（一）功能性磁共振成像的研究进展
自从1992年功能性磁共振成像技术面世，很快就在世界各国迅速发展起来，并成为认知神经科学研究中最受青睐的重要工具，而且在应用中取得进一步发展。
1．硬件发展
在过去十多年间，基础研究中应用的功能性磁共振仪已从1.5T场强的仪器升级为3T、4T、7T乃至11T场强，随着磁共振仪器场强提高，其图像的清晰度和分辨率也进一步提高。但是，场强提高也带来许多问题，例如，与情感和社会心理问题相关的大脑内侧前额叶和基底部，由于这些脑组织邻近上颚和鼻窦等有空隙的部分，仪器场强提高后对这些非脑组织部分的空隙分辨率也增高，形成了对脑功能变化的干扰。所以目前仍以3T场强的仪器为主要工具。
2．实验设计
除了仪器硬件的更新换代，研究中的实验设计也更为合理。早期研究多采用组块设计，可以简单将之理解为实验组、对照组 依次逐一完成实验。近几年已经广泛采用事件相关的实验设计，即把不同组的刺激随机混合在一起，以随机方式呈现，事后按刺激性质作为标记，分门别类地叠加在一起，最后比较不同种类刺激引起的血氧相关信号（BOLD）平均值之间差异的显著性。这样做就克服了组块设计方案中，连续多次重复呈现完全相同刺激所引起BOLD信号逐渐降低的生物适应效应。
正是利用脑细胞对刺激的生物适应性效应，Grill-Spector和Malach（2001）创造出一种新的实验设计方法，称为功能性磁共振适应性成像法，是介于组块设计和事件相关设计之间的一类实验设计方法。例如，在面孔识别的实验中，熟悉人面孔和陌生人面孔分别是两个实验组，按组块实验设计，连续重复呈现熟悉人面孔刺激，再连续重复呈现陌生人面孔。但是在功能性磁共振适应性成像法中，每组刺激中也要做刺激属性的不同变化。例如，在屏幕上呈现的同一人的照片尺寸不同，在屏幕上的位置不同以及照片的方向或视角不同等，结果发现有些次级物理特性，如照片尺寸和出现的位置，不影响大脑皮层梭状回（FFA）对面孔反应的适应性。换言之，重复呈现的面孔照片不论其尺寸还是在屏幕上出现的位置是否改变，BOLD信号都逐次减弱（适应性反应）。相反，无论照片的视角不同（如正面照和侧面脸照片），还是照片的照明灯光的角度不同，都明显克服了梭状回对照片重复呈现的BOLD信号适应性。这说明，虽然是同一个人的照片，但它引起大脑敏感区磁共振信号变化不同，据此可以认为识别人类面孔的关键性脑结构，对面孔照片不同物理特性产生不同的反应。这也可以理解成实验设计不同，影响fMRI仪器的分辨率不同。为提高fMRI的分辨率，在设计认知实验中，经常要明确所感兴趣的脑结构，以便使仪器对准这个脑区，检测BOLD信号，这称为ROI区的实验设计。
3．突破性发展
除fMRI的硬件和实验设计的进展，功能性磁共振方法学在过去十多年间还取得了更大的突破性进展，这就是发展了非血氧水平相关的功能性磁共振方法。这类方法包括用于测定脑微小动脉生理状态的加权灌注成像法（perfusion weighted imaging）和显示脑区之间神经纤维或蛋白质的加权弥散成像法（diffusion weighted imaging）以及血管空间占位成像法（vascular-space-occupacy, VASD）。
（1）加权灌注成像法又称动脉自旋标记法（arterial spin labeling, ASL），用于测定血液从颈动脉向脑内灌注以及从脑内动脉向微小血管灌注效应，它可以对全脑或某一脑结构血液供应进行功能成像。
（2）加权弥散成像又称弥散张力成像（diffusion tensor imaging, DTI）由于血液中的水分子具有各向同性的扩散性，它在神经纤维（白质）和神经细胞体（灰质）中的行为不同，纤细的神经纤维限定水分子只能沿着神经纤维方向弥散。这样功能性磁共振成像的磁场环境中，就能很好采集到神经纤维（白质）的图像以及一些脑结构之间神经纤维联系的图像。正是采用这些方法，2005年发现自闭症儿童脑深层白质的发育缺陷，随后又为男女两性人格差异的E-S理论提供了科学基础。
（3）血管空间占位成像技术（VASD）主要测定脑内毛细血管容量变化，为认知神经科学实验提供一种新的生理参数。
（4）磁共振波谱成像技术（magnetic resonance spectroscopy, MRS）
在过去十多年中MRS也得到了较快的发展，它是一种非BOLD信号的检测方法。其实，MRS的理论和技术比功能性磁共振技术更早，它不是建立在单一质子的磁共振现象基础之上的成像技术，它分析和比较多种化学物质的分子组成，或者是某一脑区的化学组成分析。这种技术比fMRI更复杂，所以发展得比较慢。利用这种方法，目前检测人脑神经细胞轴突中乙酰天冬氨酸（N-acetyl aspartate, NAA）的分布。它的变化可以作为吸毒、脑中风和许多脑疾病的指标之一。
从上述功能性磁共振成像方法学的多样性可以看出，它在认知神经科学中的应用领域越来越广泛，已成为当前最为重要的方法。
（二）高分辨率脑电图和事件相关电位
虽然脑电图是一项有80多年历史的传统技术，但在这80年中经历了多次历史机遇，不断得到新生。第一次历史机遇发生在20世纪60年代，由于吸收了快速傅里叶变换的信号处理方法和锁时叠加（平均）技术，不但使自发脑电信号处理走向新阶段，也使诱发电位的研究开辟了新领域。平均诱发电位和事件相关电位的研究，提高了电生理技术的应用价值和应用领域。平均诱发电位的早成分研究在70～80年代就得到广泛应用，特别是脑干听觉平均诱发电位技术在当时成为早期诊断听神经瘤的重要手段。平均诱发电位的晚成分的研究，很快成为脑事件相关电位的新研究领域，促进了心理生理学和认知神经科学的发展和成熟。第二个历史机遇是1992年功能性磁共振成像技术的问世，它不但没有取代电生理学技术反而从下述两个方面推进了脑电技术的快速前进，出现了一派繁荣发展的局面。
1．高空间分辨率脑电记录和源分析技术的出现
功能性磁共振技术对于脑功能的检测具有极高的空间分辨率，但这种基于脑血氧水平的信号分析是脑细胞耗能的变化，滞后于脑细胞的兴奋性变化。因此，需要有时间分辨率高的脑电信号分析方法的配合，才能得到脑兴奋性变化的空间和时间特性。20世纪90年代以前，脑电图仪器最多是21—32导联，为了使脑电图与fMRI配合，脑电图仪的导联数从32导起不断增加导联数，先后有64导、128导和256导等不同型号的产品问世。导联或电极数的增多就能通过逆算法分析出事件相关电位成分在脑内产生的部位，也就是求出偶极子的参数，以便与fMRI所得到的激活区加以对比。
2．事件相关的脑反应分析
在过去十多年间随着数字信号处理的理论和技术发展，出现了一批新算法，例如，独立成分分析，小波分析，相干分析等。这些算法在事件相关电位分析中的应用，不仅提高了信噪比，而且促使人们思考如何克服事件相关电位研究中的片面性缺陷。什么是它的片面性呢？事件相关电位分析是以同一刺激反复出现，将每次诱发的电位变化以刺激呈现时刻为零点，进行时间锁定叠加，这样就把背景的脑自发电位作为噪声平均削弱而抛弃，使原来淹没在自发电位之中的诱发电位显现出来。这种处理技术优点是提高诱发电位的信噪比，但其片面性却不止一点。首先，它假设只要刺激参数恒定，脑诱发反应也是恒定的。其次，脑受到一种刺激，它的自发电活动基本不变，只是在其背景上出现一个很弱的诱发电位。事实上这两点假设都不成立，不仅神经细胞，而且所有的生物组织对外部刺激的反应，都表现为习惯化和敏感化的变化趋势。当一个刺激对生物组织不是损伤性的或致命性的，就表现为习惯化，刺激重复多次呈现，对其反应也就变得淡漠和减弱；相反，若刺激是损伤性的，当其重复出现，就会表现为过快过强的敏感化反应。这是生命体生存的基本基础。所以，事件相关电位技术的第一点假设是片面的；第二点假设存在的问题更多。当受到一个刺激后，脑电图（EEG）不仅仅是出现了一个微弱的诱发电位，而且发生了复杂的变化。首先表现为自发电位基本节律的变化，原来安静时以α节律（8～13次/秒）为主，受到刺激的瞬间发生α阻抑反应，β节律（14～30次/秒）取代了α节律成为主频率。其次，脑不同部位记录的电活动，即不同导联的电活动都在不同程度上发生这种β节律取代α节律的去同步化反应（de-synchro nization），随后又逐渐发生同步化（synchronization），脑电活动的频率逐渐变慢。再次，前头部与后头部之间以及左右两侧与脑中线的诸多导联电活动之间存在一定的相位差。受到刺激的瞬间，各导联电活动之间的相位关系就会发生重组。简言之，当大脑接受到来自于内外环境中的事件（刺激）时，脑电信号发生下面四类与事件相关的反应（event-related EEG responses）：事件相关电位（event-related potentials, ERPs）、事件相关去同步化（event-related desynchronization, ERD）、事件相关的同步化（event-related synchronization, ERS）、事件相关的相位重组（event-related phase resetting, ERPR）。
如何将刺激重复呈现所引起的这四类脑电变化及其蕴涵的脑功能信息分别加以提取，正是这一技术领域的前沿课题，相信经过今后若干年的研究，对脑的事件相关反应会有更准确的分析技术问世。
（三）事件相关的实验设计与叠加技术的发展
过去十多年间，信号处理技术领域出现的大量新算法，丰富了认知神经科学研究方法学，使事件相关的实验设计成为主流的方法学原则。无论是功能性磁共振成像的实验研究还是大脑电磁信号采集分析技术，都以事件相关的实验设计为基础。事件相关的实验设计包含两方面的设计技巧，一是事件相关的呈现技巧；二是反应的采集与叠加技巧。下面一些研究方法是认知神经科学领域的新发展趋势：
1．刺激呈现技巧：去习惯化的刺激呈现法
为克服脑对重复刺激出现的习惯化反应所引起的各类信号衰减，将几类事件混合在一个实验段内，以随机方式呈现，事后分类叠加。
2．叠加技术的发展
事件相关的实验设计不仅把刺激作为一种事件，还把被试的反应也作为一类事件。此外，不仅把事件出现的时刻作为零点进行叠加处理，还把脑信号本身的特性作为叠加处理的零点。因此，就有下列锁定的叠加技术：刺激时间锁定的叠加处理（time-locked averaging）、反应时间锁定的叠加处理（response-locked averaging）、脑信号锁定的叠加处理（phase-locked averaging）。
研究认知过程，特别是研究知觉和注意过程的脑机制，以刺激时间锁定的叠加处理方法为主；研究执行过程的脑机制以反应锁定的叠加技术为首选；关注脑信号的时序性则采用锁相叠加方法为好。当然，对同一次实验所得原始数据进行各种叠加处理，比较之间的异同，可能更为全面，充分利用了数据资源。
（三）光成像技术
随着心理生理活动，脑组织的光学特性发生两类时程不同的改变，均可通过近红外光检测技术加以测定，并据此可以分析脑功能激活的状态。当脑受到某一刺激数十毫秒之内，神经细胞发生一系列生化变化，这时如果导入一束近红外激光，就会发生散射效应，通过近红外散射光测量就能反映出神经细胞兴奋性的变化，这种脑组织对近红外光（波长750～880 nm）的散射效应（650～950 nm）被称为脑的快速光信号（fast optic signals）。随着脑细胞的兴奋，氧化代谢增强，消耗了脑血流中的氧，所以不但增加了局域性脑血流，而且流入含有高浓度氧的含氧血红蛋白O2Hb迅速变为脱氧血红蛋白HHb，它们对近红外光的吸收效应构成了数秒时窗内的光信号变化。这就产生了慢时窗光信号。通过20多年的研究，虽然对两种光生理信号的起源还有一定争议，但大体取得的共识是快速光生理信号（毫秒时窗）与神经细胞兴奋过程相关；慢光生理信号（秒时窗）与神经细胞兴奋后脑代谢，即血氧含量的功能变化相关。事件相关的近红外光散射的快生理信号与事件相关电位具有相似的时窗，但是却有更好的空间分辨率。脑电记录分析法随电极数量增多，空间分辨率会有所提高。但即使是采用256个记录电极，其空间定位误差也不小于20 mm。与之相比，近红外成像的空间分辨率即使只有不超过10个记录光极（optode），它的空间分辨率是10 mm。在时间特性上，视觉刺激引发潜伏期100 ms的快速光生理信号，复杂的实验范式在额叶和前额叶诱发潜伏期300～500 ms的快速光生理信号，随后还有数秒时间窗的光吸收效应所引起的慢光信号变化，与fMRI有相近的时窗。所以，近红外成像可以灵活快速地采集一系列功能相关的信号变化，与fMRI共用（每扫描一次需要数秒），既可以提供极高的图像分辨率（1～2毫米量级）和大脑被激发部位的准确定位，又可以采集被试毫秒数量级的动态变化信号。