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心理与行为的生物学基础心理与行为的生物学基础遗传与行为1.进化与自然选择技术二：双生子研究神经系统与行为 脑是复杂的系统，它控制着我们的行为。人脑是复杂的系统，它控制着我们的行为。人脑中有大约脑中有大约10001000亿个神经细胞（神经元），那么亿个神经细胞（神经元），那么神经细胞是怎样工作的呢？神经细胞是怎样工作的呢？什么是神经元？什么是神经元？神经系统与行为一、神经元（神经细胞一、神经元（神经细胞）1891年，瓦尔岱耶（Waldeyer)提出 神经元这一名称。它是神经系统的结构和机能单位 基本作用：接受和传递信息神经元神经元的结构神经元神经元虽然不尽相同，功能各异，但其结构主要由虽然不尽相同，功能各异，但其结构主要由细胞体、轴突和树突细胞体、轴突和树突三个部分组成三个部分组成 主要作用是从其他主要作用是从其他神经元那里接受信神经元那里接受信息。息。接受外来的信息，对接受外来的信息，对各种信息进行汇总，各种信息进行汇总，并产生神经冲到。并产生神经冲到。负责把胞体发出的负责把胞体发出的信息传导至其他神信息传导至其他神经元。经元。神经元的分类 按功能分为感觉神经元、运动神经元和中间神经元三类按功能分为感觉神经元、运动神经元和中间神经元三类感觉神经元（传入神经元）：接受内外刺激，将神经冲感觉神经元（传入神经元）：接受内外刺激，将神经冲动传到中枢神经。动传到中枢神经。运动神经元（传出神经元）：其功能是将中枢神经系统运动神经元（传出神经元）：其功能是将中枢神经系统发出的神经冲动传至反应器，使肌肉、腺体产生反应。发出的神经冲动传至反应器，使肌肉、腺体产生反应。中间神经元：连结作用中间神经元：连结作用 中间神经元的连接形成了中枢神经系统的微回路，这中间神经元的连接形成了中枢神经系统的微回路，这是脑进行信息加工的主要场所是脑进行信息加工的主要场所例：痛收缩反射神经兴奋方式神经兴奋方式神经冲动神经冲动 神经元具有兴奋和传导两种功能。神经元受神经元具有兴奋和传导两种功能。神经元受到刺激并产生兴奋是一种对刺激的反应能力，表到刺激并产生兴奋是一种对刺激的反应能力，表现为现为神经冲动神经冲动 。神经冲动的传导1.动作电位的产生2.动作电位的性质1）动作电位遵从全或无规律（all-or-none law）2）不同神经元沿轴突传递动作电位的速度不同3）当动作电位传过一个轴突节段后，这部分神经元就进入不应期神经冲动的传导3.突触传递一、不能有其他递质或化学分子附着到受体分子上；二、神经递质的形状必须与受体分子形状匹配，就像钥匙与钥匙孔一样精细匹配神经递质 人的大脑内有人的大脑内有3030多种神经递质，其中比较重多种神经递质，其中比较重要的介质有乙酰胆碱、要的介质有乙酰胆碱、GABAGABA、去甲肾上腺素、去甲肾上腺素、5-5-羟色胺、多巴胺、内啡肽，以及多种氨基酸。羟色胺、多巴胺、内啡肽，以及多种氨基酸。二、神经系统自主神经系统脑科学与行为脑科学与行为 人的大脑只有一个柚子那么大，重1.4千克左右，由大约1000亿神经细胞够构成。在高倍显微镜下观察人的大脑时，就像进入一个奇妙的世界。那里，到处都像是纵横交错的蜘蛛网，密布着细细的纤维和一些透明的小球。更为奇妙的是，还可以看到四处飞驰的电脉冲，而所有的物体又都浸泡在一个运动着的化学物质海洋中。大脑和行为大脑和行为之间究竟有之间究竟有什么关系？什么关系？（一）脑结构及其功能1.脑干、丘脑和小脑各类脊椎动物的脑都有脑干2.边缘系统边缘系统的结构仅出现在哺乳动物的脑内3.大脑1）脑叶额叶：具有运动控制和进行认知活动的功能；位于外侧裂之上和中央沟之前顶叶：负责触觉、痛觉和温度觉；位于中央沟之后枕叶：视觉信息到达的部位；位于后头部颞叶：负责听觉过程，位于外侧裂下部2）大脑皮层的分区及机能大脑皮层的分区及机能运动皮层区运动皮层区:位于中央沟前的额叶；控制身体中位于中央沟前的额叶；控制身体中600600多块的多块的随意肌，产生随意动作。随意肌，产生随意动作。躯体感觉皮层区：位于中央沟之后左、右顶叶；负责处理躯体感觉皮层区：位于中央沟之后左、右顶叶；负责处理温度、触觉、躯体、位置和疼痛的信息。温度、触觉、躯体、位置和疼痛的信息。联合皮层区：将不同感觉模式的信息结合起来，用于筹划联合皮层区：将不同感觉模式的信息结合起来，用于筹划对外界刺激作出适当反应。对外界刺激作出适当反应。运动和体干感觉皮层左右交叉上下倒置例如：请大声说出这个物体如何说出书面图（二）脑半球功能单侧化大脑两半球具有相同的功能大脑两半球具有相同的功能区域区域左、右半球在某些方面成为左、右半球在某些方面成为优势半球，这种不对称被称优势半球，这种不对称被称为大脑两半球单侧化为大脑两半球单侧化 大脑半球单侧化大脑半球单侧化著名生理心理学家斯佩里（著名生理心理学家斯佩里（Roger Roger Sperry)Sperry)通过对裂脑人的研究，在大脑通过对裂脑人的研究，在大脑两半球特殊能力研究中做出了重两半球特殊能力研究中做出了重要贡献，要贡献，19811981年获诺贝尔奖。年获诺贝尔奖。裂脑人研究结论大脑两半球在结构和功能上都有明显的差异。大脑两半球在结构和功能上都有明显的差异。从从结构上结构上说，人的大脑右半球略大于和重于左半球，但左半球的灰质多于右半球；说，人的大脑右半球略大于和重于左半球，但左半球的灰质多于右半球；右半球的颞叶具有明显的不对称性，颞叶的不对称性是和丘脑的不对称性相关右半球的颞叶具有明显的不对称性，颞叶的不对称性是和丘脑的不对称性相关的；各种神经递质的分布，左右半球也是不平衡的。的；各种神经递质的分布，左右半球也是不平衡的。从从功能上功能上说，在正常情况下，大脑两半球是协同活动的。进入大脑任何一侧的信说，在正常情况下，大脑两半球是协同活动的。进入大脑任何一侧的信息会迅速地经过胼胝体传达到另一侧，作出统一的反应。裂脑研究说明，两半息会迅速地经过胼胝体传达到另一侧，作出统一的反应。裂脑研究说明，两半球具有不同的功能，语言表达主要定位在左半球，该半球主要负责言语、阅读、球具有不同的功能，语言表达主要定位在左半球，该半球主要负责言语、阅读、书写、数学运算和逻辑推理等；而知觉物体的空间关系、情绪、欣赏音乐和艺书写、数学运算和逻辑推理等；而知觉物体的空间关系、情绪、欣赏音乐和艺术则定位于右半球。术则定位于右半球。应该指出，应该指出，大脑半球功能的单侧化并不是绝对的大脑半球功能的单侧化并不是绝对的。讨论：讨论：“左撇子左撇子”是否更聪明？是否更聪明？一本叫一本叫左撇子的神奇世界左撇子的神奇世界的新书指出，左撇子是一个盛产天的新书指出，左撇子是一个盛产天才的群体。从拿破仑、克林顿到本才的群体。从拿破仑、克林顿到本拉登，从牛顿、爱因斯坦到比尔拉登，从牛顿、爱因斯坦到比尔盖盖茨，从卓别林、玛丽莲茨，从卓别林、玛丽莲梦露到赵本梦露到赵本山，都是左撇子。左撇子在当代政山，都是左撇子。左撇子在当代政治经济文化生活中的作用其实远远治经济文化生活中的作用其实远远高于他们在人口中的比例。高于他们在人口中的比例。（三）内分泌系统内内分分泌泌系系统统是是通通过过某某些些特特殊殊的的生生物物化化学学物物质质来来实实现现对对有有机机体体的的控控制与调节的制与调节的内内分分泌泌活活动动方方式式有有两两种种，一一是是通通过过植植物物神神经经来来直直接接调调节节内内分分泌泌腺腺的腺体活动的腺体活动另另一一种种方方式式是是神神经经系系统统使使脑脑垂垂体体分分泌泌激激素素来来调调节节其其它它内内分分泌泌腺腺的的活动活动（四）对脑的窃听大脑皮层受损的著名个案：-1848年9月13日，铁路监工盖吉在一次意外爆破中受伤-他的朋友和熟人都说：“他不再是以前的盖吉了”1.最初的认知科学研究人体解剖动物脑损毁法直接刺激2.当代认知神经科学认知神经科学是一门新兴的交叉学科，其研究任务在认知神经科学是一门新兴的交叉学科，其研究任务在于阐明于阐明认知活动的脑机制。认知活动的脑机制。现有的脑认知功能研究现有的脑认知功能研究技术大致可以分为两类：技术大致可以分为两类：一类是通过改变（损伤或刺激）脑组织和脑活动并观一类是通过改变（损伤或刺激）脑组织和脑活动并观察行为上相应的变化来研究脑与行为之间的关系。察行为上相应的变化来研究脑与行为之间的关系。属于属于生理心理学生理心理学的范畴。的范畴。eg:脑损伤，电刺激，透颅磁刺激。脑损伤，电刺激，透颅磁刺激。另一类是在人们完成认知任务的同时，观察他们的脑另一类是在人们完成认知任务的同时，观察他们的脑活动变化。这属于活动变化。这属于心理生理学心理生理学的范畴。的范畴。eg：单细胞记录，脑电，脑磁，：单细胞记录，脑电，脑磁，PET，fMRI1、脑电（EEG/ERP）脑电图（脑电图（electroencephalography，简称简称EEG），），通过头通过头皮表面电极记录得到脑电活动变化，一般认为这种电活皮表面电极记录得到脑电活动变化，一般认为这种电活动反映了电极下神经元群活动时产生的动反映了电极下神经元群活动时产生的突触后电位突触后电位总和。总和。除了记录电极以外，还在头皮表面放置除了记录电极以外，还在头皮表面放置参考电极，参考电极，实际记实际记录下来的信号是记录电极和参考电极之间的录下来的信号是记录电极和参考电极之间的电位差。电位差。脑电信号微弱，电极引出的电位变化通过高倍放大器后才脑电信号微弱，电极引出的电位变化通过高倍放大器后才能被计算机记录下来。能被计算机记录下来。ERP技术由由特定认知任务特定认知任务所引起的脑电活动比较微弱，被淹没在整所引起的脑电活动比较微弱，被淹没在整体的体的EEG中难以观察，事件相关电位（中难以观察，事件相关电位（ERPs,event-related potential）技术可以将其抽提出来，其核心是）技术可以将其抽提出来，其核心是叠叠加平均加平均技术。技术。通过叠加平均，只有那些与刺激相关（时间锁定、振幅锁通过叠加平均，只有那些与刺激相关（时间锁定、振幅锁定）的脑电成分保留下来，而与刺激无关的成分定）的脑电成分保留下来，而与刺激无关的成分衰减衰减了。了。所提取出来的信号就是所提取出来的信号就是ERP，它是由刺激事件（包括物，它是由刺激事件（包括物理刺激和心理事件）所引起的脑电波，也称理刺激和心理事件）所引起的脑电波，也称诱发电位诱发电位（evoked potentials，EP）。）。技术特点1）无损。可以在人体上重复多次使用。）无损。可以在人体上重复多次使用。2）脑电信号直接反映了神经元电活动变化。）脑电信号直接反映了神经元电活动变化。3）时间分辨率非常高，可以达到）时间分辨率非常高，可以达到1ms以下。以下。4）空间分辨率较低。电极个数和脑内兴奋源推测。）空间分辨率较低。电极个数和脑内兴奋源推测。5）费用低廉。）费用低廉。128导，导，100万左右。万左右。研究动态研究者可以通过记录分析人们在执行各种认知任务时的研究者可以通过记录分析人们在执行各种认知任务时的ERP信号，信号，动态地观察动态地观察大脑在认知过程中的活动变化，大脑在认知过程中的活动变化，进而探索这些认知功能的神经机制。进而探索这些认知功能的神经机制。ERP技术被广泛应用于知觉、注意、学习、记忆、语言等技术被广泛应用于知觉、注意、学习、记忆、语言等多种认知过程的研究中，并取得了非常丰富的研究成果。多种认知过程的研究中，并取得了非常丰富的研究成果。EEG Measurement2、脑磁（MEG/ERF）当神经元兴奋时，除了产生与突触活动相关的电流之外，当神经元兴奋时，除了产生与突触活动相关的电流之外，还会产生还会产生磁场。磁场。与脑电相似，可以通过特殊的技术手段与脑电相似，可以通过特殊的技术手段将头皮表面很小的磁场检测出来。将头皮表面很小的磁场检测出来。脑磁图（脑磁图（magneto encephalography,MEG），就是一种在），就是一种在头皮表面头皮表面测量脑神经活动产生的微弱磁场的技术。测量脑神经活动产生的微弱磁场的技术。与与ERP相似，研究者也可以通过叠加平均技术在相似，研究者也可以通过叠加平均技术在MEG中抽中抽取取事件相关磁场事件相关磁场（event-related fields，ERFs）。）。3、正电子发射断层扫描（PET）神经元需要从血液中获取神经元需要从血液中获取氧和葡萄糖氧和葡萄糖作为其营养和活动能作为其营养和活动能源。在脑组织兴奋时其附近的血管血流量会增多以满足源。在脑组织兴奋时其附近的血管血流量会增多以满足神经活动的需要。神经活动的需要。正电子发射断层扫描（正电子发射断层扫描（PET,positron emission tomography）技术，就是利用正电子放射性同位素来标）技术，就是利用正电子放射性同位素来标记血流量在脑内的分布，通过测量与某个认知过程有关记血流量在脑内的分布，通过测量与某个认知过程有关的的局部脑血流量局部脑血流量（regional cerebral blood flow，rCBF）变化，来推测在这个认知过程中伴随着哪些脑区域的活变化，来推测在这个认知过程中伴随着哪些脑区域的活动。动。技术特点1）扫描时要给人体注射一定剂量的放射性物质，短期内最）扫描时要给人体注射一定剂量的放射性物质，短期内最好不要接受多次好不要接受多次PET扫描。扫描。2）并不是直接测量脑神经活动，只是通过测量脑血流量来）并不是直接测量脑神经活动，只是通过测量脑血流量来间接推测脑活动。脑血流量和神经活动之间的关系复杂。间接推测脑活动。脑血流量和神经活动之间的关系复杂。3）空间分辨率高。目前最高可达）空间分辨率高。目前最高可达5-10mm3。4）时间分辨率非常差。需要几十秒。）时间分辨率非常差。需要几十秒。5）设备昂贵。回旋加速器和同位素。）设备昂贵。回旋加速器和同位素。PET4、功能磁共振成像（fMRI）功能磁共振成像（功能磁共振成像（fMRI,functional magnetic resonance imaging），测量的是），测量的是“血氧水平依赖血氧水平依赖”（blood oxygenation level dependent，BOLD）信号。）信号。大脑活动时，其血氧含量中大脑活动时，其血氧含量中氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的比率发生变化，引起脑部组织的的比率发生变化，引起脑部组织的磁化率磁化率变化，测量其变化，测量其引起的信号改变，以此反映相关的大脑活动功能变化。引起的信号改变，以此反映相关的大脑活动功能变化。与与PET相比，相比，fMRI成像时间可以短于成像时间可以短于100ms，空间分辨率，空间分辨率可以达到可以达到1mm，可以无创性的多次实验。，可以无创性的多次实验。研究动态fMRI涉及的脑结构大都在涉及的脑结构大都在皮质区域水平。皮质区域水平。时间和空间分辨时间和空间分辨率都还有较大的局限性。并且，率都还有较大的局限性。并且，fMRI信号的变化与神经信号的变化与神经元的兴奋和抑制之间的确切关系是什么，还是一个没有元的兴奋和抑制之间的确切关系是什么，还是一个没有完全解决的问题。完全解决的问题。fMRI的一个发展方向是提高成像的的一个发展方向是提高成像的时空分辨率和信噪比，时空分辨率和信噪比，发展新的成像技术克服发展新的成像技术克服BOLD-fMRI研究的限制。研究的限制。另一个发展方向是另一个发展方向是多种成像技术的结合多种成像技术的结合。如与。如与ERP结合使结合使用。用。fMRI眼动研究技术1、基本概念基本概念眼跳，眼跳，我们看东西时，不断发动一些眼动以使我们的注视点由一个我们看东西时，不断发动一些眼动以使我们的注视点由一个位置变换到另一个位置，这个过程就叫眼跳。位置变换到另一个位置，这个过程就叫眼跳。潜伏期，潜伏期，发动一个眼跳需要一定的时间，这段时间就是眼跳的潜伏发动一个眼跳需要一定的时间，这段时间就是眼跳的潜伏期。期。在眼跳的过程中我们视觉输入的敏感性会降低，这个现象叫在眼跳的过程中我们视觉输入的敏感性会降低，这个现象叫眼跳抑眼跳抑制。制。在注视一个目标时，我们的眼睛不会真正静止下来，而是有一种持在注视一个目标时，我们的眼睛不会真正静止下来，而是有一种持续的颤动叫做续的颤动叫做眼球震颤。眼球震颤。回跳，回跳，与视觉运动方向相反的眼跳运动。与视觉运动方向相反的眼跳运动。回扫，回扫，注视点从一行的末尾跳到另一行的开始。注视点从一行的末尾跳到另一行的开始。2、研究动态利用眼动技术可记录多种指标，包括注视和凝视时间，眼利用眼动技术可记录多种指标，包括注视和凝视时间，眼跳时间和位置、回跳时间等。跳时间和位置、回跳时间等。可用来研究阅读、视觉搜索和场景浏览等问题。可用来研究阅读、视觉搜索和场景浏览等问题。目前，研究者正试图改进技术，使视觉场景与真实接近。目前，研究者正试图改进技术，使视觉场景与真实接近。比较流行的眼动仪是用摄像机对眼球运动进行跟踪的比较流行的眼动仪是用摄像机对眼球运动进行跟踪的头头盔式眼动仪。盔式眼动仪。结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！60
