学文网摘要：近二十年来，认知神经科学的方法与技术已经广泛地应用于心理学的各个具体研究领域。本文区分了侵入性与非侵入性两大类方法，具体介绍了六类常见的认知神经科学技术。
关键词：认知神经科学；单细胞记录法；脑损伤法；事件相关脑电位技术；正电子发射断层扫描；功能性核磁共振成像技术；经颅磁刺激
科学研究的重大突破总是离不开方法与技术上的***。例如，望远镜的发明将“哥白尼***”（Copernican Revolution）的意义从神学转向天文学，天文学由此获得了一系列重大发现。显微镜的使用帮助生物学家发现了细胞结构，为生命科学打开了通向微观生命世界的大门。因此，心理与行为研究若想取得突破性的进展，也必须寻找到更加有效适宜的方法、技术与工具。近二十年来，认知神经科学（Cognitive Neuroscience）的方法与技术已经广泛地应用于心理学的各个具体研究领域。这些方法与技术具体又可分为侵入性（invasive）方法与非侵入性（non-invasive）方法两大类。前者包括：单细胞记录法（single-cell recordings）与脑损伤法（brain lesion），主要运用于动物以及某些患有自然脑损伤的病人；后者又称无创性脑功能成像技术，主要包括：事件相关脑电位技术（event-related brain potential，ERP）、正电子发射断层扫描（positron emission tomography，PET）、功能性核磁共振成像技术（functional magnetic resonance imaging，fMRI）、经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation，TMS）等，可以应用于正常被试。
一、单细胞神经记录法
严格意义上，该技术来源于神经生理学（neurophysi-ology）中的单细胞电神经生理学（single-cell electrophysiology）[1]。它的出现使得研究者能够描述单个神经元的反应特征。在单细胞记录中，研究者将一个微电极插入动物的脑中，使电极位于一个神经元细胞膜旁边，电生理活动的改变就能被测量到。该技术的主要目的是确定怎样的实验操作会引起一个***细胞的反应频率产生恒定的变化。比如，当动物运动手臂时细胞会增加放电频率吗？这种改变会特异于运动方向吗？动作引起的放电频率依赖于行为的结果吗？[2]总之，认知神经科学家可以借助该方法鉴别哪些因素会引起神经元突触活动的变化。为此，实验者往往尝试通过建立细胞活动与特定刺激模式或行为之间的相关来确定单个神经元的反应特征。比如，实验者可以操控呈现给动物的刺激类型来记录感觉神经元（sensory neuron）的活动，也可以通过让动物完成一个与运动相关的任务来记录运动神经元（motor neuron）的活动。虽然绝大多数单细胞记录法主要应用于动物身上，但近期已有研究开始将该技术应用于人类被试身上[3，4]。这种方法往往是在征得自然脑损伤病人（比如癫痫患者）许可的前提下展开的，因此规避了侵入性方法的伦理限制。
二、脑损伤法
脑损伤法是行为神经科学（behavioural neuroscience）中常用的方法。其目的是了解某种特定行为所需要的脑功能以及执行这些功能的大脑结构。在动物身上主要使用直接的损伤法，而在人脑中不能为了实验进行精确部位的脑损毁手术，故而一般采用间接损伤法。比如，疾病和事故可能导致脑损伤，如果研究者明确了损伤的位置，就可以观察病人的行为，借助其他方法推测出执行相关脑功能障碍的神经环路。此外，如果病人死亡，研究者还可以通过获取其大脑，并借助通常的组织学方法进行研究[5]。
三、事件相关脑电位技术
所谓事件相关脑电位（ERP）是与实际刺激或预期刺激（声、光、电）有固定时间关系的脑反应所形成的一系列脑电波[6]。该方法的基本逻辑是：根据外部事件（比如刺激的呈现或反应）将一系列测试所得到的脑电***（EEG）对齐，并进行叠加平均。经过这样处理的脑电***去除了与目标事件无关的大脑电活动的变异。ERP作为一种诱发反应是隐藏于脑电***中的微弱信号。通过叠加平均，研究者可以提取出这一信号。该信号反映了与特定感觉、运动或认知事件相关的神经活动。它为内在神经活动提供了精确的时间记录，可以描绘出当信息在大脑中加工时神经活动的动态变化[2]。换言之，ERP的变化与被试接受的刺激和脑功能变化的时间尺度能保持精确的一致。这使得该技术具有较高的时间分辨率，尤其适用于探讨有关认知的时间进程问题。但其缺陷在于头皮外记录脑电活动很难分析是脑内哪些结构或神经集合活动的结果，这导致其空间分辨率较差[7]。
四、正电子发射断层扫描
与ERP不同，PET并不直接测量神经活动，而是测量与之相关的新陈代谢变化。具体而言，该技术测量的是与心理活动相关的局部脑变化。这种变化以脑部消耗的葡萄糖为重要指标[2，7]。当一个脑区激活时，通过的血流量增加，会消耗更多的氧和葡萄糖。为实现上述设想，PET采用同位素作为示踪剂。由于这些示踪剂在血液中流动，因此，那些血液流动多的地方就会显示出射线的汇聚，从而帮助研究者判断并定位与被试当下心理活动相关的脑区与神经结构[8]。该技术的空间分辨率较ERP技术略高，但时间分辨率较低。与fMRI技术相比，其优势在于提供生理参数的绝对定量值和在检测体内神经传导时的独特适应性[9]。
五、功能性核磁共振成像技术
与PET技术一样，fMRI技术也利用了大脑活动区域的局部血流量的原理。但是，fMRI中成像所关注的是血红蛋白的磁场特性，即氧合与脱氧血红蛋白之间的比率或称血氧水平依赖效应（blood oxygen level dependent，BOLD）。fMRI技术的优势在于：首先，与PET相比，fMRI的空间分辨率更好；其次，当被试在扫描仪内时可以获得高分辨率的解剖***像，因此，该技术能够提供更精确的定位[2]；再次，BOLD效应对于特定事件的时间锁定特征使得 fMRI可以提高时间分辨率，这种利用BOLD效应描绘神经活动时间进程的方法也称“事件相关fMRI”。这些优势使得该技术既能用于探索大脑的结构又能探索其功能，显示出强大的适应性[8]。
六、经颅磁刺激
TMS是一种能够无创地在大脑中产生局部刺激的方法。它通过相关装置经触发后放出强大的电流，通过线圈产生磁场。当线圈放在颅骨表面时，磁场穿过头皮，产生感应性电流激活皮层，从而改变大脑内的生理过程[2，6]。例如，当线圈置于运动皮层控制手活动的区域时，刺激会激活手腕和手指的肌肉，被试能看到手的抽搐，但却感觉到一种不由自主的手部运动。借助TMS的参数可以观测到不同的生理与心理效应。TMS的优势如下：首先，与侵入性的单细胞记录法及脑损伤法相比，该技术可以作为暂时性的虚拟损伤（temporary virtual lesion）加以应用。研究者可以选择性地干扰某一特定皮层区域的正常活动，这与真实的损伤研究的逻辑一致，但它又是无创且安全的，它产生的神经活动改变是暂时的。该技术可以比较同一被试在有无刺激条件下的认知与行为表现，这在脑损伤病人身上无法实现[2]。其次，PET、fMRI等成像技术一般只能在脑活动与认知任务之间建立起相关关系，难以揭示因果关系。相比之下，TMS通过对给定皮质区产生暂时的虚拟损伤，可以精确地探索出磁刺激后大脑的变化情况，从而在脑活动与认知任务之间建立起较强的因果关系[10]。
近年来，伴随认知神经科学的长足发展，该领域又出现了一系列新兴的技术。这些技术的突破性进展主要体现在功能性近红外光谱成像技术（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）与弥散张量成像技术（diffusion tensor imaging，DTI）的发展与成熟。前者主要利用大脑在受到刺激时，其组织活动会影响光学特征，此时导入一束近红外激光会诱发散射效应的原理，以此获得大脑活动时血氧水平的变化，从而探索认知过程的脑机制[7，11]。由于传统fMRI受制于严格的实验室条件，研究结论的生态效度不高，而该技术的优势在于可以在相对自然的情境下研究认知活动。后者主要利用血液中水分子具有各向异性（anisotropic diffusion）的弥散特征（即其在神经纤维[白质]与神经元[灰质]中的行为差异）来采集脑白质的***像以及脑区之间神经纤维联结的***像[7，12]。传统fMRI的研究对象主要集中在大脑灰质皮层部分，而高级的认知活动（如语言）牵涉到多个脑区之间的神经信息传递，这种传递主要是通过神经纤维束联结完成，因此该技术可以应用于研究更高级的认知活动。此外，DTI附带的纤维映射技术还可用于追踪研究神经系统的发育情况[13]。最近，有研究者使用由弥散张量成像发展而来的弥散光谱成像（diffusion spectrum imaging， DSI）绘制出了迄今为止最为精细的人类大脑网络***（brain networks），并在结构上为其勾勒出了一个网络核心（network core）[14]。在此基础上，斯波恩斯认为意识经验是一种脑的动力学全局状态（dynamic global state）的涌现，借助弥散光谱成像技术破解大尺度神经活动中各个脑区的联结情况，可以把握这种全局状态的实时动态，从而预测大脑在某种情境下可能作出的反应。这开辟了一个全新的领域，即“神经连接组学”（connectomics）。
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