脑与认知-01-02 脑科学概述
脑与认知- 脑科学概述 ppt课件
1.2 脑科学概述
电子工程系
本节的中心问题是：
什么是脑科学？ 脑科学的研究内容 脑科学的研究方法
精品资料
• 你怎么称呼老师？
• 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你 是否会认为老师的教学方法需要改进？
• 你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？ • 教师的教鞭
• “不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我 笨，没有学问无颜见爹斯佩里 （1961）：两半球功能一侧化现象和脑 发育关键期以及可塑性现象，至今对教育仍发生一定 影响。
脑认知功能模块论：M·S·加查尼加（Gazzaniga， 1976） 脑是由在神经系统的各个水平进行活动的子系统以模 块的形式组织在一起的，脑功能模块是一种动态变化 的组装。 →正逐渐替代了“定位说”，被现代技术所证实。 →主张左右两半球整体功能的协调开发。
北京大学的认知神经科学实验室； 中国科技大学研究生院脑认知开放实验室； 北大与北师大、浙大、东南大学等
组建了“脑科学与认知科学网上合 作研究中心”； 中山大学设立“逻辑与认知研究所”。
脑科学的研究对象
研究对象：脑的结构与功能
科学问题： 脑的形态 脑的结构（组织水平，细胞水平，分子水平） 脑的功能（基本功能，物质与意识的关系） 脑与其他器官的关系（脑系统） 脑系统与环境的关系（认识世界，改造世界） 脑的进化（系统发育） 脑的发育（个体发育） 脑的保护与医治 脑的潜能开发
认知心理学： 研究知觉、注意、学习、记忆、语言、概念思 考、解决问题思考、推理、判断与决策、创造 性与智能、运动行为等各种行为与技术的心理 过程。
功能分析来解释有关认知处理理论与处理各要素成分。
语言学：
语法结构、语言与认知关系、语用论、自然语 言等认知过程的核心工具之一的语言信息处理 问题，为认知心理学和人工智能及哲学提供依 据。
脑科学与认知神经学
脑科学与认知神经学当我们提及脑科学与认知神经学，或许您会觉得这是一个高深莫测、充满神秘色彩的领域。
但实际上，它与我们的日常生活息息相关，影响着我们的思考、学习、记忆以及情感等各个方面。
脑科学，简单来说，是研究大脑结构和功能的科学。
它试图揭示大脑是如何工作的，从神经元的活动到复杂的神经网络，从感知觉的形成到思维的产生。
我们的大脑由数十亿个神经元组成，这些神经元通过电信号和化学信号相互交流，形成了一个极其复杂而又高效的信息处理系统。
认知神经学则更侧重于研究大脑与认知过程之间的关系。
它关注的是我们如何感知世界、如何获取和存储信息、如何做出决策以及如何解决问题等。
通过各种先进的技术手段，如功能性磁共振成像（fMRI）、脑电图（EEG）、脑磁图（MEG）等，科学家们能够实时观察大脑在进行各种认知活动时的变化。
比如说，当我们看到一张美丽的风景图片时，大脑中的视觉皮层会被激活，处理和分析来自眼睛的视觉信息。
同时，与情感和记忆相关的区域也可能会参与进来，让我们产生愉悦的感受并可能将这个画面存储在记忆中。
在学习方面，脑科学与认知神经学的研究为我们提供了很多有益的启示。
我们知道，大脑具有很强的可塑性，也就是说，它能够根据我们的学习和经历不断改变和调整自身的结构和功能。
比如，当我们学习一门新的语言时，大脑中与语言处理相关的区域会逐渐变得更加活跃和高效。
而且，不同的学习方式和环境也会对大脑的学习效果产生影响。
重复性的练习可以帮助强化神经连接，而多样化的学习情境则有助于促进知识的迁移和应用。
记忆是认知神经学中的一个重要研究领域。
我们的记忆分为短期记忆和长期记忆。
短期记忆就像一个临时的“便签本”，只能存储有限的信息，而且持续时间较短。
而长期记忆则像是一个巨大的“仓库”，可以存储大量的信息，并且持续时间较长。
记忆的形成涉及到神经元之间连接的改变，也就是所谓的突触可塑性。
通过不断的复习和巩固，我们可以将短期记忆转化为长期记忆。
脑与认知科学概论
March 26, 2020
自强，笃行，艰苦奋斗，自强不息
信息科学与工程学院
School of Information Science and Technology
沈阳工业大学
Shenyang University of Technology
March 26, 2020
自强，笃行，艰苦奋斗，自强不息
• 为了制作一个真实的模型，研究组需要把各种模块和一些运算法则输入一
台超级电脑中。一个神经元的计算量需要用一台笔记本来做，所以，需要
上万台笔记本。但是，研究使用的是一台有1万个处理器的IBM“蓝色基因”
电脑。模拟大脑已经开始让研究人员了解到大脑工作方式的一些线索。例
如，他们能显示出大脑的画面并监控机器的电活性。
信息科学与工程学院
School of Information Science and Technology
沈阳工业大学
Shenyang University of Technology
• 按照他的设想，人造大脑由硅、金和铜等金属制成，最终的结果会是一 个“人”——如果我们可以这样称呼的话，马克拉姆相信在十年内，此 人可能会具备思维、感觉等能力，甚至还能坠入爱河。一旦成功，马克 拉姆的“蓝脑”计划一定会成为科学史上最非同寻常的项目之一。
沈阳工业大学
Shenyang University of Technology
第四章：人工大脑
第四章：人工大脑
人工大脑概述 人工大脑相关数学模型 人工大脑实现技术 人工大脑简单记忆功能的电路设计 互联网与神经学的交叉对比研究
March 26, 2020
自强，笃行，艰苦奋斗，自强不息
信息科学与工程学院
沈阳工业大学
脑科学与认知心理学
脑科学与认知心理学：洞察人类思维的奥秘思考、记忆、语言、情绪，这些看似简单的人类活动，其背后却隐藏了大量的神经活动和心理机制。
脑科学和认知心理学的发展，为我们揭示了人类思维的奥秘，也为解决一系列社会问题提供了新的思路和方法。
一、脑科学：解密大脑的活动在众多学科中，脑科学以其深入的探究大脑功能和结构的特点而备受关注。
人类的整个思考过程都与大脑的各种神经元活动有着密不可分的关系。
脑科学家们通过依靠类似于FMRI（功能性磁共振成像）这样诊断技术得以深入研究人脑的活动机制、脑回路等问题，从而进一步了解人脑。
神经元的活动使大脑能够完成广泛的任务，如视觉、听力、记忆、语言还有决策等等功能。
典型的FMRI技术，在这方面起着引领性的作用，使科学家们得以研究诸如广告中意识形态手段的运用与人类大脑产生的反应、压力状態带来的反应，婴儿、一般成年人、老年人在大脑活动方面的改变等等复杂问题。
二、认知心理学：揭开人类心理世界的神秘面纱与此同时，认知心理学也以研究人类思维过程为重点，解释和理解个体的思考、感觉等心理现象，认知心理学也一直被称为解释人类行为和思维模式的学科。
与动物的行为模式不同，人类认知心理学探究的范围，即认知过程，预示着一种传统的行为准则上的突破。
如在学科的范畴问题上，人类的认知边界仅仅由大脑的硬件和生理活动所确定，而非人类把行为模式和优越算法规定的界限。
认知心理学研究人类的思维模式、记忆过程、决策、学习，以及对心理干预的反应等等。
例如，在记忆范围上，人类的记忆在受到外部因素的影响下也会发生变化，为此，通过认知心理学可以更加深入地了解人类的记忆效应，从而发挥出最大的优势。
三、未来发展：多学科融合，拓展认知领域与此同时，认知控制的扩张和人类思维状態的不断调整，也为其他学科的发展贡献了力量。
计算机科学，色彩学、心理学和语言学等等的科学，与脑科学和认知心理学的结合融合，也使这些学科不断开展下去。
随着多学科的融合，脑科学和认知心理学的应用领域也不断扩展。
脑科学与认知神经生物学
脑科学与认知神经生物学随着现代科学的发展，人们对于大脑及其功能的研究已经取得了重大进展。
脑科学和认知神经生物学正是这一领域的代表。
本文将分别阐述脑科学和认知神经生物学的相关概念、历史、研究方法和研究内容，以期为读者提供更深入的了解。
一、脑科学1.1概念脑科学是指研究大脑结构、功能和行为的学科领域。
它跨越了多个学科领域，如神经学、心理学、计算机科学、生理学等等，旨在揭示大脑是如何实现认知、情绪、意识、意图等功能的。
1.2历史脑科学的历史可以追溯到古希腊时期，早期的医学家和哲学家对脑的结构和功能已经有所研究。
到了近代，随着神经生理学等分支学科的出现和科学技术的发展，脑科学开始进入快速发展的阶段。
20世纪60年代以后，该领域的研究方法和技术得到了极大的创新，研究取得了重大进展。
1.3研究方法脑科学的研究方法涉及到多个层面。
在脑结构的研究中，研究者采用的方法主要有电子显微镜、免疫组织化学、脑切片等等。
在研究脑功能和行为时，神经影像技术是一种最为常见的研究手段。
例如，功能磁共振成像（fMRI）、电生理技术（如脑电图和脑磁图）等都能够揭示脑在认知和行为方面的实时活动。
1.4研究内容脑科学的研究内容极为广泛。
从脑结构和发育、神经细胞的信号传递、神经网络和大脑区域之间的相互作用到脑中多种认知和行为的实现机制等等。
例如，神经科学家正在研究大脑如何感知环境刺激、大脑如何控制行为、大脑如何储存和提取记忆等。
二、认知神经生物学2.1概念认知神经生物学是研究大脑与观念、思维、语言和行为表现之间的联系的学科。
它探究不同大脑区域在支配认知过程中的作用和交互关系，通过研究认知生物学可以更好地理解人类思维和行为。
2.2历史认知神经生物学的历史可以追溯到20世纪50年代，当时研究者们利用病人的病例和病后效果研究不同大脑区域与认知活动的关系。
随着技术的进步，该领域的研究变得更加细致深入。
2.3研究方法认知神经生物学方面的研究方法涉及到脑影像技术、神经干预技术、行为实验等等。
脑与认知 脑科学概述 PPT
→ 把本世纪的最后十年命名为“脑的十年”， 重点是保护脑，防治脑疾病。
一九九二年，启动「人类脑计划」：
→ 会员国已有20多个。
新世纪开始：科学基金会、商务部
“聚合四大技术，提高人类素质”计划
脑科学在欧洲
英国：“认知与脑科学研究所” → 研究方向有：注意、认知和情绪、语 言和交流、记忆和知识等。
解剖学方法：
采用通常的组织染色方法可以在光学显微镜下观察神经系统各种组织 的细胞结构，即神经元的不同形态，以及它们间连接的一般情况。运 用电子显微镜可以进一步了解神经元和突触的精细结构。
运用微电极细胞外记录、细胞内记录技术对单个神经元活动分析。近 年来，片膜钳技术对离子通道进行深入的研究。
细胞外记录：30年代后期发展起来的。用金属丝电极1-5微米记录幅 度较大的瞬间性动作电位，对神经元的功能起了重要作用。
广义的定义：是研究脑的结构和功能的科学， 还包括认知神经科学等。
二十一世纪是脑科学时代
J.D.Watson在「The Brian」前言： → “二十一世纪是脑的世纪”。
五十年代→六次诺贝尔医学奖 脑科学研究者以美国为中心每年以20%速
度递增。
脑科学的研究范围
大家好
5
1.2.1 脑科学的研究现状
脑科学在教育中的应用
神经生物学界认为：
→ 人类大脑的感应是分析外来信号的处理过程； → 除了分析外来信号外，大脑在某一特定时刻的内在 状态也很重要。 → 大脑是通过某个神经“密码”来处理外来信息的。 → 这一“密码”不是固定不变的，而是随着大脑内部 状态和外界环境的改变而不断改变。 利用新技术，可以观察大脑在处于高度集中和高度 期待等状态下，怎样处理外部信息的过程。
脑与认知科学概论
脑与认知科学概论1、自然智能，又叫人工智能，主要包括感知能力、思维能力、行为能力3方面。
2、人工智能的核心是对脑的功能的模拟。
3、“NBIC会聚技术”是指当前四个迅速发展的科学技术领域的协同和融合。
这四个领域分别是：纳米技术、生物技术、信息技术、认知科学。
4、人脑被认为是自然界中最复杂、最高级的智能系统。
5、认知科学是探索人类的智力如何由物质产生和人脑信息处理的过程。
6、认知科学的研究思路：（1）“认知心理学”路径（2）“人工神经网络”路径（3）“认知神经科学”路径7、中脑位于脑桥的嘴侧。
控制许多感觉及运动功能，包括眼球运动及视、听反射的协调。
8、根据脑结构、皮质的类型和作用的不同，科学家提出了人脑的三位一体学说，即大脑有三个部分：古脑，也叫做爬行脑；旧脑，也叫做哺乳脑；最后一个是新脑，也就是大脑的新皮层。
新皮层是人类独有的。
9、胼胝体是左右脑沟通的桥梁。
10、男脑与女脑在生理构造上的区别表现在如下几个部位：胼胝体、前连合、颞平面。
11、胞体是神经元的代谢和营养中心。
12、神经系统的基本功能包括：（1）协调人体内各系统器官的功能活动，保证人体内部的完整统一。
（2）使人体活动能随时适应外界环境的变化，保证人体与不断变化的外界环境之间的相对平衡。
（3）认识客观世界，改造客观世界。
13、脑科学的基本研究手段：（1）脑电图与脑功能成像技术（2）功能性磁共振成像技术（3）正电子发射断层摄影术（4）脑研究的新技术——ET（脑涨落图技术）14、事件相关电位ERP，是一种特殊的脑诱发电位，通过有意地赋予刺激特殊的心理意义，利用多个或多样的刺激所引起的脑的电位。
15、人们通常习惯把读书、听讲、练习、或进行实验等活动叫做学习。
16、反射分为两种，无条件反射和条件反射。
17、操作条件反射同经典条件反射有几点重要区别：（1）前者没有所谓的条件刺激，也不是靠条件刺激与无条件刺激相结合而形成条件反射，它的形成源自动物的一种随意活动，而且是欲求行为的结果。
脑与认知(自己总结)
第一章1.智能科学与技术是由脑科学（brain science）、认知科学（cognition science）、人工智能（artificial intelligence）等学科组成的交叉学科。
2.NBIC会聚技术：纳米科技（Nano-technology）、生物科技（包括生物制药和基因工程）（biotechnology）、信息科技（包括先进计算机与通信）（informational technology）、认知科学（包括认知神经科学）（cognition science）。
其简化英文的联式为（Nano-Bio-Info-Cogintion），缩写NBIC。
NBIC会聚技术代表着研究与开发新的前沿领域，其发展将显著改善人类生命质量，提升和扩展人的技能。
（名词解释）3.脑科学是研究人脑的结构与功能的综合性学科。
4.现代脑科学的研究有两个大的潮流：一是从细胞乃至分子的水平入手，由基础向上，把功能与结构研究结合起来，即所谓的bottom-up，二是从整体入手，用系统的观点，在整体水平以及整体各部分之间的相互联系和相互作用中，逐渐向下深入，逼近脑研究的答案，称为top-bottom。
（什么是自上而下驱动？什么是自下而上驱动？）5.脑与认知科学的研究实验方法：（简答题）（1）脑电图与脑功能成像技术（EEG）通过在头皮表面记录大脑内部的电活动情况而获得脑电图（治疗脑血管）（2）功能性磁共振成像技术（FMRI）局部神经元兴奋将引进该区域的血流量的增加，而血液中含有氧和葡萄糖，FMRI能检测到大脑的功能性氧的消耗变化情况，清晰地显示高活动量区域的三维图像（空间分辨率1mm、实时跟踪信号的改变、时间分辨率1s）（3）正电子发射断层摄影技术（PET）根据正电子的检测而获得有关大脑活动的信息的实验技术（肿瘤、冠心病）（4）脑磁图（MEG）运用一个超导量子干扰装置来测量闹电活动的磁场变化（5）事件相关电位（ERP）是与实际刺激或预期刺激有固定时间关系的脑反应所形成的一系列脑电波，利用ERP的固定时间关系，经过计算机的叠加处理，提取ERP成分，在评估某些认知活动的时间特点上尤为有效。
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脑科学在中国
❖ “香山科学会议”（一九九三年）： → 将脑科学列为国家研发重点，脑认知科学研究列 为「十五」国家规划重点发展学科。
❖ 二○○一年，中国正式成为加入国际「人类脑会议 的第二十个国家。
脑科学在中国
❖ 中国科学院生物物理所：“脑与认知科学研究中 心”；
运用微电极细胞外记录、细胞内记录技术对单个神经元活动分析。近 年来，片膜钳技术对离子通道进行深入的研究。
细胞外记录：30年代后期发展起来的。用金属丝电极1-5微米记录幅 度较大的瞬间性动作电位，对神经元的功能起了重要作用。
细胞内记录：0.1~0.5微米的玻璃电极，内充高浓度氯化钾或醋酸钾 以导电。能记录动作电位，小的分级电位，同时能监视膜电位的变化。 此外，能注入物质，进行形态学分析。缺点是造成细胞损伤，记录时 间、小细胞受限。
❖ 北京大学的认知神经科学实验室； ❖ 中国科技大学研究生院脑认知开放实验室； ❖ 北大与北师大、浙大、东南大学等
组建了“脑科学与认知科学网上合 作研究中心”；
脑科学的研究对象
研究对象：脑的结构与功能
科学问题： 脑的形态 脑的结构（组织水平，细胞水平，分子水平） 脑的功能（基本功能，物质与意识的关系） 脑与其他器官的关系（脑系统） 脑系统与环境的关系（认识世界，改造世界） 脑的进化（系统发育） 脑的发育（个体发育） 脑的保护与医治 脑的潜能开发
脑与认知科学
1.2 脑科学概述
申华 电子工程系
本节的中心问题是：
什么是脑科学？ 脑科学的研究内容 脑科学的研究方法
脑科学：
❖ 狭义的定义：就是神经科学，是为了了 解神经系统内分子水平、细胞水平、细 胞间的变化过程，以及这些过程在中枢 功能控制系统内的整合作用而进行的研 究。（美国神经科学学会）
❖ 广义的定义：是研究脑的结构和功能的 科学，还包括认知神经科学等。
片膜钳技术：70年代后期，Neher 和Sakmann 发展了一种新的纪录 方法，可以用来记录单个离子通道的活动。
❖ 分子生物学方法：
结构研究 01，直接观察：解剖，显微解剖 02，间接观察：染色，示踪，显影，造影 03，比较解剖学
结构-功能-行为研究 04，电生理学研究 05，基因修剪 06，病理研究 07，成像技术
脑科学的研究意义
❖ 不仅具有重要的科学意义，还具有巨大的潜 在应用价值。
脑科学的研究目的
美国“脑的十年：1990 -- 2000” 的提法 了解脑：脑科学研究的基本目的 保护脑：医学科学研究的基本目的 开发脑：教育科学研究的基本目的
智能科学技术工作者的特殊研究目的
了解脑 – 了解脑的工作原理 创造脑 – 创造人工脑，扩展脑的能力
脑科学的主要研究方法❖Fra bibliotek解剖学方法：采用通常的组织染色方法可以在光学显微镜下观察神经系统各种组织 的细胞结构，即神经元的不同形态，以及它们间连接的一般情况。运 用电子显微镜可以进一步了解神经元和突触的精细结构。
→正逐渐替代了“定位说”，被现代技术所证实。
→主张左右两半球整体功能的协调开发。
脑科学在教育中的应用
❖ 神经生物学界认为：
→ 人类大脑的感应是分析外来信号的处理过程； → 除了分析外来信号外，大脑在某一特定时刻的内在 状态也很重要。 → 大脑是通过某个神经“密码”来处理外来信息的。 → 这一“密码”不是固定不变的，而是随着大脑内部 状态和外界环境的改变而不断改变。 ❖ 利用新技术，可以观察大脑在处于高度集中和高度 期待等状态下，怎样处理外部信息的过程。
功能核磁共振成像技术 局部神经元兴奋将引起该区域血流量的增加，而血液中 含有氧和葡萄糖，血红蛋白所携带的氧的含量会影响血红蛋 白的磁场特性，因此，磁共振成像能够能够检测到大脑的功 能性的氧消耗变化情况，并显示高活动量区域的三维图像， 空间分辨率可达1mm。
关于脑研究方法的评论
1，局部与全局，部分与整体 2，静态与动态 3，物质-能量-信息 4，结构-功能-行为-机制
二十一世纪是脑科学时代
❖ J.D.Watson在「The Brian」前言： → “二十一世纪是脑的世纪”。
❖ 五十年代→六次诺贝尔医学奖 ❖ 脑科学研究者以美国为中心每年以
20%速度递增。
脑科学的研究范围
1.2.1 脑科学的研究现状
脑科学在美国
❖ 1989年美国脑科学计划：
→ 把本世纪的最后十年命名为“脑的十年”， 重点是保护脑，防治脑疾病。
现代脑成像技术的发展
大脑皮层是怎样工作的？在各种的认知活动中，哪些 脑区在工作？哪些脑区在休息？哪些脑区先激活？哪些脑 区后激活？传统的脑损伤和麻醉的方法无法回答。
现代脑成像技术可以在清醒的、不损伤的条件下洞察 脑认知功能的活动过程。它能够显示出：在认知过程中大 脑特定的脑区是如何一个个相关联地被“点亮”。
脑科学在教育中的应用
❖ R·斯佩里 （1961）：两半球功能一侧化现象和脑 发育关键期以及可塑性现象，至今对教育仍发生一定 影响。
❖ 脑认知功能模块论：M·S·加查尼加（Gazzaniga， 1976）
脑是由在神经系统的各个水平进行活动的子系统以模 块的形式组织在一起的，脑功能模块是一种动态变化 的组装。
❖ 一九九二年，启动「人类脑计划」：
→ 会员国已有20多个。
❖ 新世纪开始：科学基金会、商务部
“聚合四大技术，提高人类素质”计划
脑科学在欧洲
❖ 英国：“认知与脑科学研究所” → 研究方向有：注意、认知和情绪、语言和 交流、记忆和知识等。
❖ 巴黎： “信息处理”课题（2000年） → 人文与社会科学部同工程科学部和符号处 理技术与自动化技术部的合作项目；
脑科学在日本
❖ 一九九六年，制定了为期十年的「脑科学时 代」计划，计划每年投入1千亿日元。其主要 研究内容为：
➢ 了解脑——阐明脑功能 ➢ 保护脑——征服脑疾患
脑科学在韩国
❖ “脑神经信息学研究规划（BNRP规划）： → 强调目标明确的多学科梯队研究，发展基于脑信息加工 机制的“人类化(Human―like)”的功能。 → 先从视听模块着手，在第二阶段中首先实现人工视觉和 听觉。而整个规划的整合需到2008年才进行。