1、大脑学习探秘认知神经科学研究进展汪晓东 张立春 肖鑫雨( 华南师范大学 教育信息技术学院 ， 广东广州 510631)【摘要 】 认知神经科学是从脑神经的层面对认知进行研究的学科 ， 是学习科学的一个重要领域 ， 主要关注感知觉 、选择性注意 、记忆 、语言 、情绪和意识等的神经机制 。本文介绍了认知神经科学的产生 、发展 、学科建设情况以及部分知名学者 ， 并对其定义 、特点 、研究方法与技术进行了讨论 ; 同时还介绍了该领域的一个知名研究机构 卓越学习中心的概况 、六个在研项目 、三个主要的合作实验室和学术成就 ; 最后介绍了认知神经科学的三个新近研究 ， 并对该学科与教育的关系及其发展进
2、行了评述 。【关键词 】 认知神经科学 ; 卓越学习中心 ; 教育 ; 学习科学 ; 大脑【中图分类号 】G442 【文献标识码 】A 【文章编号 】1007-2179( 2011) 05-0040-12认知神经科学概述( 一 ) 认知神经科学的兴起1 认知神经科学的历史起源认知神经科学诞生于 20 世纪 80 年代后期 ， 最早由乔治 米勒 ( George Miller) 提出 ， 它是在认知科学和神经科学的基础上发展起来的一门新生学科 。传统的认知科学是研究人 、动物和机器智能的本质和规律的科学 ( Wiles Dart-nall， 1999) ， 最早于 1956 年在美国麻省理工学院
3、产生 ， 并迅速传播开来 ( Gardner， 1987) ， 其核心分支学科是认知心理学和人工智能 。其中 ， 认知心理学结合信息加工理论 ， 解释人的认知过程 ， 并采用科学的方法对人的感知觉 、注意 、记忆 、语言等认知过程展开实验研究 。( Miller， 2003) 认知心理学的成长为认知科学的产生奠定了坚实的基础 。与此同时 ， 人工智能的发展引发了学界对人脑认知过程更多的关注与研究 ， 一些新的理论成果相继出现 ， 大大丰富了认知科学的内涵 。神经科学旨在从分子水平 、细胞水平对大脑内与学习和记忆相关的一系列神经活动进行研究 ( Goswami， 2004) 。神经科学在 20
4、世纪 70 年代作为一个独立学科正式成立 。之后 ， 各种脑认知成像技术相继问世 ， 让脑科学研究从观察推理进入到实验研究阶段 。因为有了更多的科学数据作为研究支撑 ， 极大地推动了神经科学的发展 ， 并向着研究认知活动人脑机制的新内容迈进 。一开始 ， 认知科学和神经科学两个领域鲜有交流和联系 。20 世纪 80 年代以后 ， 研究者 ( 沈政等 ， 1999) 发现 ， 由于技术上的限制 ， 传统的认知科学研究只能依赖被试外在的行为表现来推断复杂的内在认知过程 ， 通过此方法得出的研究结论具有众多不确定性 ， 严重阻碍了认知科学的发展 。而此时神经科学在研究方法和技术上取得了突破性的进展
5、， 为认知科学研究提供了可借鉴的手段 。特别是脑功能成像技术的成熟 ， 建立起了认知科学与神经科学之间的沟通桥梁( Henson， 2005) ， 研究者能利用其对大脑神经活动进行脑功能成像分析 ， 获得有关认知活动脑机制的实质性证据 ， 使得研究结果更具科学性与可靠性 ( Poldrack， 2008) 。从此 ， 认知科学家开始从大脑神经机制的角度出发 ， 对人的认知过程展开研究 。基于各自发展的需要 ， 两个领域逐渐建立了密切的合作关系 ， 并最终走在一起 ， 产生了认知神经科学这一新生学科 。2 认知神经科学的发展认知神经科学自诞生至今有着近 20 年的历史 ， 它于 20世纪 80
6、年代开始走入人们的视野 ， 于 90 年代成为一门受国际学术界公认的新兴学科 。在 21 世纪的今天 ， 认知神经科学已经被视为最有发展潜力的前沿学科 。1982 年 ， 加扎尼加( Gazzaniga) 在美国创建了认知神经科学学会 ( Cognitive Neu-roscience Institute) 。1987 年 ， 欧洲认知科学界 35 位著名科学家组成的 “科学技术发展预测和评估委员会 ”建议出版认知神经科学 ( The Cognitive Neuroscience) 一书 ， 作为认知科学五个领域研究指南之一 ， 并于 1991 年正式出版 ， 认知神经科学从此正式走上历史舞台
7、 。20 世纪的最后十年是认知神经科学初露头角的十年 ， 当时国际社会掀起了一股脑科学研究的热潮 : 1990 年美国率先提出 “脑的十年 ”( Decade ofthe Brain) 计划 ; 欧洲紧随其后在 1991 年推出 “欧洲脑的十年 ”( The European Decade of Brain) 计划 ; 日本也在 1996 年计划投入 20 亿巨资以 “认识脑 ”、“保护脑 ”、“创造脑 ”为目标推出了 “脑科学时代 ”计划 。我国近年来也非常重视认知神04第 17 卷 第 5 期2011 年 10 月开放教育研究Open Education ResearchVol17， No
8、5Oct2011经科学的建设 ， 在 国家中长期科学和技术发展规划纲要( 2006-2020 年 ) 中 ， 将 “脑科学与认知科学 ”列为我国科技中长期发展规划的八大前沿科学领域之一 。1) 国外认知神经科学的发展在国外 ， 凭借先进技术和雄厚师资力量的优势 ， 许多大学建立了专门的认知神经科学研究机构 。波士顿大学建立了一个庞大的认知与神经系统系 ( Cognitive and Neural Sys-tems， 简称 CNS) ， 重点进行人类大脑如何控制行为以及机器模仿生物智能两方面的研究 ， 其下包括多个实验中心和研究所 ， 比较著名的有教育 、科学与技术卓越学习中心 ( Center
9、 ofExcellence for Learning in Education， Science and Technology) 、自适应系统中心 ( Center for Adaptive Systems) 和 CNS 技术实验室 ( CNS Technology Lab) 。另外 ， 波士顿大学还联合了认知神经生物学 ( Laboratory of Cognitive Neurobiology) 、认知神经影像 ( Cognitive Neuroimaging Laboratory) 等五个实验室 ， 成立了记忆和脑中心 ( Center for Memory and Brain) ， 重
10、点对记忆的脑机制进行研究 。波士顿大学每年产出大量世界最前沿的科研成果 ， 是目前国际上认知神经科学研究机构的权威代表 。宾夕法尼亚大学的认知神经科学中心 ( Center for Cog-nitive Neuroscience) ， 拥有全球首屈一指的脑功能成像技术功能性磁共振 ( fMRI) 数据分析技术 ， 重点建设了脑功能成像中心和经颅磁刺激实验室 ( Transcranial Magnetic Stimulation) ，主要进行脑功能成像 、眼球跟踪 、颅脑刺激等方面的研究 。加州大学成立了贤者心灵研究中心 ( SAGE Center for theStudy of Mind) ，
11、 主要研究大脑神经机制与意识之间的关系 ，并从形而上学的角度对社会 、心理和意识之间的关系进行了探索 。麻省理工学院的脑与认知科学中心 ( Brain and Cogni-tive Sciences) 使用行为测试 、先进的脑功能成像等技术对学习和记忆 、可塑性和发展 、感觉系统 、语言和推理进行了研究 。众多研究机构的成立加快了认知神经科学的发展 ， 与此同时 ， 各种国际性学术交流组织也纷纷成立 ， 并起到了积极作用 。1993 年成立于美国的认知神经科学协会 ( CognitiveNeuroscience Society) ， 拥有常规会员 3000 多名 ， 至今已经举办了 18 次年
12、会 。1971 年成立的神经科学协会发展至今已拥有超过 40000 名会员 。这些协会将不同领域背景的科学家汇集到一起 ， 通过各种形式交流分享他们在各自工作中取得的最新成果 ， 将最前沿的信息传播开来 。2) 国内认知神经科学的发展受国际研究热潮的影响 ， 国内各大学也在加紧认知神经科学学科建设 。北京大学率先于 1988 年建立了认知神经科学实验室 ， 该实验室以心理系原有心理学为基础 ， 参与了北京大学第一个国家重点实验室 “视觉与听觉信息处理国家重点实验室 ”的建设 ， 培养了一批国内最早期相关领域 的 科 研 人 才 。沈政等人组织编译了由加扎尼加( M. S. Gazzaniga)
13、 主编的权威著作 认知神经科学 ( The Cog-nitive Neurosciences) ， 为国内带来了国际学术界最新研究成果 。中国科学技术大学也于 1999 年建立了脑功能与医学成像联合实验室 ， 主要对人脑高级认知功能 、工作记忆 、选择性注意 、执行控制 、决策等展开了研究 ， 并在老年人和神经内分泌疾病病人的记忆功能 、网络游戏成瘾等方面获得了一些有意义的结果 。北京师范大学以原有的认知神经科学与学习研究所为依托单位 ， 获科技部批准成立了 “认知神经科学与学习国家重点实验室 ”。该实验室汇集了一大批国内著名学者 ， 承担了 90 多项国内外研究项目 ， 产出了一批高水平的研
14、究成果 ， 是国内研究认知神经科学的重要力量 。进入 21 世纪 ， 江苏 、河北 、上海等地也陆续成立了与认知神经科学相关的研究所 。在加强自身建设的同时 ， 国内研究者们积极通过各种形式与国际学术界进行交流与合作 ， 近年在国内召开了多次重要的认知神经科学国际学术会议 ， 邀请了大批国外知名学者前来交流分享国际最前沿的研究成果 。北京师范大学于2006 年主办了第一届认知神经科学国际学术大会 ， 会议汇集了中外认知神经科学领域的国内外知名学者 35 人 ， 其中包括诺贝尔生理学奖 ( 医学奖 ) 获得者戴维 休布尔 ( David HHubel) 教授和 10 多位中外院士 。浙江理工大学
15、于 2011 年主办了社会认知神经科学国际学术会议 ， 华东师范大学也于2011 年召开了首届教育神经科学国际研讨会 。3) 认知神经科学领军人物在短短几十年的进程中 ， 认知神经科学领域涌现了一大批著名学者 ， 为认知神经科学的发展做出了杰出贡献 。其中功绩最大的当属加扎尼加 ( M. S. Gazzaniga) ， 他最早提出了认知神经科学 ， 并于 1982 年创办了认知神经科学研究所 ，1989 年创办了第一本 认知神经科学 专业期刊 ， 1993 年创建了认知神经科学协会 ， 1995 年主编了 认知神经科学 ， 该著作至今已发行第四版 。加扎尼加是美国国家科学院院士 ，主要对裂脑进
16、行研究 ， 一生所获荣誉无数 ， 因其在认知神经科学的学科与专业建设上做出的突出贡献而被誉为 “认知神经科学之父 ”。另一位认知神经科学巨头乔治 米勒 ， 与加扎尼加一样 ， 属于最早对该领域进行研究的学者 ， 为短时记忆方面的研究做出了杰出贡献 。1986 年 ， 他与哈曼共同组建了普林斯顿大学认知科学实验室 ; 1986 1994 年 ， 任麦道基金会赞助的认知神经科学计划的负责人 ， 曾获美国国家科学奖 ， 以及美国心理学会颁发的心理学终身贡献奖等 。在国内 ， 也有一批优秀的学者在认知神经科学领域做出了卓越贡献 ， 陈霖多次在 Science、Pans等杂志上发表文章 ， 提出 “拓扑
17、性质初期知觉 ”的理论 ， 回答了视知觉过程从哪里开始的根本问题 ， 他的研究成果还被 Visual Cognition杂志以专辑的形式刊载 。魏景汉 、罗跃嘉多年从事事件相关脑电位 ( ERP) 方面的研究 ， 在汉字语言认知加工 、注意与非注意转换的脑机制 、面孔识别等方面研究成果卓著 。罗劲等人利用事件相关功能磁共振成像技术 ( ER-fMRI) 探究顿悟的大脑机制 ， 在认知神经科学领域具有开创性意义 ( 傅小兰 ，2004) 。14汪晓东 ， 张立春 ， 肖鑫雨 . 大脑学习探秘 认知神经科学研究进展 OER2011， 17( 5)( 二 ) 认知神经科学的定义及特点1 认知神经科学
18、的定义认知神经科学旨在阐明认知活动的脑机制 ， 即人类大脑如何调用各层次上的组件 ， 包括分子 、细胞 、脑组织区和全脑去实现自己的认知活动 ( Gazzaniga， 1998) 。该领域的研究都基于一个假设 : 人类所有的认知过程都是以人脑中的神经活动为基础 ， 因此认知过程和神经活动有特定的对应关系 。认知神经科学继承了以往认知科学的知识 、概念以及研究方法 ， 重点在于研究人脑 ， 及大脑是如何调节内部的神经系统 ，对外界的信息进行处理 ， 形成表征 ， 提取 、储存并对其做出反应 。研究内容涵盖了不同的感知觉 ( 如视觉 、听觉 、触觉等 )过程 ， 这些感知觉信息彼此间的交互作用以及
19、所形成的记忆 ， 基于这些记忆所产生的语言 、动作 ， 以及注意力在进行这些认知过程时的调配与作用等 。2 认知神经科学的特点认知神经科学属于研究脑的结构与功能科学领域中的一个分支 ， 具有高度的跨学科性 、学科交叉性 ( 刘昌 ， 2003) 。它之所以具有此特征 ， 是由其自身特殊的身份背景决定的 。认知神经科学是由认知科学与神经科学相结合而产生的 ， 两者本身具有庞大的学科体系 ， 走到一起组成的认知神经科学汇聚了众多领域的知识 ， 经过相互吸收与整合 ， 形成了认知神经心理学 、认知心理生理学 、认知生理心理学 、计算神经科学 、人工智能等五门核心学科分支 ( Gazzaniga， 1
20、998) 。这些分支互相交叉与融合 ， 构成了认知神经科学的核心体系 。( 三 ) 认知神经科学的主要研究方法与技术认知神经科学非常重视严谨的实验研究以及科学的研究方法与技术的运用 。各种脑功能影像技术的出现为认知神经科学提供了新的无创性脑功能研究手段 ， 也为认知神经科学的迅速发展打下了坚实的方法学基础 ( 沈政等 ， 1999) 。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 。它是在 20 世纪 50 年代在脑电图 ( EEG) 的基础上发展起来的 ， 至今技术已经相对成熟 。由于其造价比较低廉 ， 以及在记忆
21、、注意等方面的研究具有较大优势 ， 因此在认知神经科学研究领域得到广泛应用 ， 特别是在国内 ， 大部分的相关研究都是在 ERP 技术的基础上开展的 。正电子发射断层 ( PET) 作为一种脑功能成像技术 ， 其特点是利用大量存在于人体内天然元素的放射性同位素 ， 在不改变其化学结构及生物行为性质的前提下 ， 进行多层断面成像 ， PET 主要通过对区域脑代谢率 、脑血流和葡萄糖吸收率的测定 ， 来反映静态或动态的脑功能状况 。另外一种 fMRI方法原理类似于 PET， 通过 fMRI 可以记录大脑局部血流量和脱氧血红蛋白浓度的变化情况 ， 间接研究神经元的功能 。fMRI 后于 PET 出现
22、 ， 有着较高的空间分辨率 ( 5-10 mm) 和时间分辨率 ( 30s) 。它的出现突破了 PET 对于人脑神经机制研究的一些限制 ， 目前 ， fMRI 已经被广泛地应用于各种脑功能的研究 ， 研究范围涉及初级感觉和运动皮层的活动 ， 以及包括注意 、语言 、学习 、记忆在内的认知功能的研究 ( Kim Ugurbil， 1997) 。以上介绍的几种无创性脑功能影像技术 ， 它们在认知神经科学领域具体的实验研究中具有各自的优点与不足 。ERP 在时间分辨率 ( 可精确到毫秒 ) 上有着较大的优势 ， 但空间分辨率明显不足 。而 PET 和 fMRI 在空间分辨率方面表现很好 ， 时间分辨
23、率则远不如 ERP。为了同时获得良好的空间分辨率和时间分辨率 ， 研究者开始尝试将前后两种不同方法结合起来使用 ， 实现同时对相关神经活动进行精确的机能定位并且能够精确观测其动态时间 ， 进而使得大脑认知机制的研究更加深入 。认知神经科学的主要研究内容与新进展( 一 ) 认知神经科学的主要研究内容1 感知觉选择性注意的神经机制选择性注意 ( Selective Attention) 作为认知神经科学一个重要的研究方向 ， 它旨在回答大脑是如何选择性地注意来自外界感知觉信息以及以何种机制对这些信息进行存储 、加工的问题 。选择性注意是连接人类感知觉和记忆两个认知过程的关键环节 ， 个体的一系列认
24、知活动首先起始于大脑选择性地对外界复杂刺激信息进行有限的加工 。众多研究表明 ，个体不能对在同一段时间内所接触的所有信息进行加工 ， 其中相当一部分信息会被忽略 。我们按照感知觉通道的不同可以将其分为听觉选择性注意 、视觉选择性注意和跨通道选择性注意 。人们在二战时期就开始利用闻听实验探索参与信息加工系统的选择性注意机制 ， Broadbent 在 1958 年提出了注意的过滤器模型 ， 认为在高度并行的感知觉系统和有限容量的存储记忆系统之间存在着一个过滤器 ， 对外界刺激信息进行筛选 ， 其中过滤器所指的就是选择性注意 ( Desimone Dun-can， 1995) 。Desimone
25、和 Duncan( 1995) 提出了注意的偏向竞争模型 ， 该模型认为客体会对有限的注意资源进行竞争 ， 个体注意对外界的信息具有自上而下和自下而上两种加工方式 。之后 ， 众多研究者对该模型进行了进一步研究 ， Corbetta和 Shulman( 2002) 发现 ， 自上而下和自下而上两种加工方式共同影响偏向竞争的结果 。Soto 等人 ( 2005) 在对这两种加工方式关系的研究中发现 ， 自上而下加工始终参与选择性注意的整个过程 ， 而自下而上加工只在选择性注意的局部过程中出现 。认知神经科学关于选择性注意神经机制的研究一直存在着两种假设 : 第一 ， 选择性注意是由大脑不同区域组
26、成一个特定的网络实现的 ， 它既不是某一脑区的特性 ， 也不是全部脑活动的整体机能 ( Posner Petersen， 1990) ; 第二 ， 参与注意的诸多脑区并不执行同样的功能 ， 而不同区域却分配有其特定的任务 。虽然围绕着这两种假设进行了大量的研究 ，但就目前的情况来说 ， 所取得的研究成果还不足以解释大脑完整的注意神经机制 ， 许多东西仍然处于未知状态 ， 有待进24汪晓东 ， 张立春 ， 肖鑫雨 . 大脑学习探秘 认知神经科学研究进展 OER2011， 17( 5)一步探究 。2 记忆的神经机制认知神经科学关于记忆的研究主要关注了两个问题 。一个是记忆过程 ， 包括记忆的编码
27、( encoding) 、存储 ( storage)和提取 ( retrieval) ; 另一个是多重记忆系统的划分以及各种记忆系统的功能作用 。而核心任务在于寻找记忆的神经基础以及记忆过程与神经机制之间的关系 。Schacter 和 Tulving( 1994) 对前人关于记忆系统研究已积累的资料进行梳理和总结 ， 并结合自己长期以来在此领域的一些研究成果 ， 创造性地提出了记忆系统五种主要的分类体系 ， 并建立了一个简单的 SPI 模型 ， 把记忆过程和记忆系统联系起来 ， 尝试对记忆过程和记忆系统以及不同记忆系统之间的相互关系进行回答 。Baddeley( 2000) 提出了工作记忆模型
28、 ， 将工作记忆分成视空间初步加工系统 、中枢执行系统 、语音回路和情境缓冲器四部分 ， 其中中枢执行系统是整个模型的核心部分 ， 视空间初步加工系统和语音回路作为服务系统为中枢执行系统服务 ， 而情境缓冲器在其中充当临时存储系统的角色 ， 受中枢执行系统控制 。人们还在众多的研究中发现 ， 工作记忆对选择性注意具有重要的导向作用 ， 个体的工作记忆会主动引导其对客体的选择性注意加工 ( Hommelet al. ， 2001; Soto et al. ， 2005) 。在记忆过程与大脑特定区域关系的研究中 ， 探讨比较多的有额叶对记忆的支持功能 。额叶包括初级运动区 、前运动区和前额叶三个部
29、分 。众多研究表明 ， 额叶跟记忆系统的许多部分 ， 如长时记忆 、工作记忆 、自由回忆 、元记忆等相关 ( Si-mons Spiers， 2003) 。而海马也被认为是大脑内跟记忆存储相关的重要部位 ， 海马区受损的阿尔兹海默病的患者仍能够保留对患病前的记忆 ， 但对近期事物记忆存在明显缺陷 ， 由此表明海马负责记忆的存储过程 。目前 ， 通过脑损伤病人以及利用 ERP、fMRI 等先进技术进行的脑功能定位研究 ， 人们已经将特定的脑区域与各类记忆联系起来 ， 但对于这种联系的理解与解释还不是很具体和精确 。而关于大脑各功能区域是以何种机制完成各类记忆任务这方面的研究 ， 也将成为认知神经
30、科学未来发展的一个重大挑战 。3 语言的神经机制语言是人类一项特有的高级认知功能 ， 所有的语言都以复杂的结构为基础而构成 ， 一个完整的语言认知包括语音加工 、音位加工 、形态加工 、语义加工和句法加工等过程 。语言的认知神经科学研究主要在于弄清语言发生的内在认知过程和神经基础 。人们对语言的脑功能定位研究首先关注了大脑左右半球的差异 ， 众多研究表明大脑对语言功能的支持具有左半球优势特征 ( 张武田等 ， 1988) ， 也有一些人发现 ， 右半球对语言功能具有重要的协作作用 ( Osterhout Holcomb， 1992) 。在一个 ERP 实验中发现 ， 13 岁儿童在阅读语义正常
31、的句子时 ，左半球负波大于右半球 ; 而阅读语义非正常的句子时 ， 右半球负波大于左半球 ( Pugh et al. ， 1996) 。在利用 fMRI 进行英语词形加工的试验中发现 ， 大脑两侧半球的外侧纹状皮层都参与了词性匹配任务 。儿童 1-5 岁时被认为是人一生语言习得的关键时期 。通过对脑损伤病人的研究发现 ， 儿童失语者的语言回复速度与恢复程度明显优于成年失语者 。墨西哥女孩吉妮经受父亲长达 12 年虐待 ， 其间与外界几乎是零交流 ， 被解救之后 ，尽管接受语言专家长期的训练 ， 但其语言能力远不能恢复到正常水平 。人们在对第二语言学习研究中获得的一些结论也很好地支持了语言学习关
32、键期之说 。通过对语言关键期的研究能够帮助人们提高对儿童语言学习规律的认识 ， 并充分利用语言学习关键期 ， 更好地开发孩子的语言潜力 。目前语言的发展以及习得的关键期已成为认知神经科学重点关注的一个课题 ， 各种先进的无创性脑成像技术被应用于观测儿童大脑发育时期的变化情况 。而关于语言关键期大脑生理机制的探索 ， 是认识神经科学接下来需要完成的任务 。4 情绪的神经机制情绪长期以来被心理学家看作是心理学领域中最令人困惑和最困难的论题之一 ( 朱艳新 ， 2009) 。关于情绪的定义 ， 有学者认为 ， 机体在对自身需要有一定预期的基础上 ， 会对客观刺激是否能够满足自身需要做出某种认知评价
33、， 而情绪则是由这种认知评价所引起的生理 、心理和行为上的功能性的反应 ， 这些反应既可以被感知 ， 也可以被测量 ( 孙卉 ，2010) 。也有学者认为 ， 情绪是人对客观事物是否符合自己的需要而产生的态度体验 。人对客观事物采取什么态度 ， 决定于该事物是否能够满足人的需要 。积极的情绪能明显地提高人的活动能力 ， 驱使人积极地行动 ， 而消极的情绪则会产生相反的作用 ( 张道祥 ， 2006) 。因此情绪对于人的生存和发展有着重要影响 ， 对学生的学习也起着不可忽视的作用 。情绪也是认知神经科学研究的一部分 ， 脑的认知活动影响着情绪 ， 认知神经科学研究脑的认知活动 。早在两千年前就有
34、哲学家探索情绪和认知的关系 ， 如古希腊时期著名的哲学家柏拉图认为 ， 人的灵魂是由理性 、激情 、欲望三者构成的 ， 理性占主导地位 ， 把理性与情绪比喻为 “主人 奴仆 ”的关系 。亚里士多德认为 ， 心理学是研究人类这种有机体的更为高级的机能即认知 、欲望和情感 ; 并且他认为情绪是人类高级认知与低级的纯感官欲望相结合的产物 ， 即情绪的认知观点 ( 郑庆等 ， 2011) 。近些年来 ， 随着科技的迅猛发展 ， 相关的无创性脑成像研究方法有了很大进展 ， 使人们对脑的研究更加深入 ， 导致了认知神经科学对情绪的研究也更深入 。通过对比实验得出 ， 情绪对于人的记忆 、推理和判断有着重要
35、的影响 。研究者 ( Ochsner Phelps， 2007) 还认为 ， 杏仁核 、下丘脑 、腹侧纹状体控制人的情绪 ， 这部分的兴奋情况决定着人的情绪 ， 而情绪和认知共同控制人的行为 。情绪表现的各种状态 ， 与大脑不同部位的兴奋程度有着直接的联系 ， 从而也就影响人的行为 。近期一项研究表明 ， 刺激大脑腹内侧前34汪晓东 ， 张立春 ， 肖鑫雨 . 大脑学习探秘 认知神经科学研究进展 OER2011， 17( 5)额皮层 ， 对人们在法律方面的决策有着重要的影响 ( Salernc Bottoms， 2009) 。同时情绪与创造力也有着密切的关系 ， 积极的情绪能够提高认知的灵活性
36、 ， 借助于情境信息的广泛联系有助于问题创造性解决 ( Ashby Isen， 1999) 。积极的情绪能够促进人脑中多巴胺的释放 ， 从而激发人潜能的发挥 ，增加认知持久性和意志力 ， 而认知持久性可能产生更多的创意 、顿悟 ， 促进创造性的问题解决 ( Friedman Frster，2008) 。情绪对人的影响是巨大的 ， 通过认知神经科学的加入 ，使得情绪对人影响研究的更加深入 ， 也更科学 ， 相信这方面的研究会越来越多 。5 意识的神经机制意识就是现时正被人觉知到的心理现象 。我们在清醒状态下 ， 能够意识到作用于感官的外界环境 ( 如感知到各种颜色 、声音 、图片 、街道 、人群
37、等等 ) ; 能够意识到自己的行为目标对行为的控制 ， 使环境适应于自己的需要 ; 能够意识到认识 、情绪和意志行动中的心理活动和心理状态 ( 张道祥 ，2006) 。意识 ， 代表了我们可以认识自己的存在 ， 可以知道发生的事情 ， 可以与不同于自己的存在进行对比 。意识是经验的产物 ， 大脑经过长期的积累 ， 意识会更加准确和起作用 ， 我们从小就在灌输意识 ， 如水 、火 、电等安全意识 ， 在做事情时有问题意识 。经过后天的培养 ， 包括社会环境 、言语的训练等 ， 还有自我的醒悟 ， 人脑的意识会不断完善 。人脑是自然界乃至整个宇宙中最复杂的系统 。在人类进化过程中 ， 对自身最有利
38、 、对外界变化最有效的神经连接经过外界的优胜劣汰 ， 在人类世代遗传中被基因固定了下来 ， 我们就是要研究外界的神经刺激如何通过脑的认知活动传递到人的意识中来 ， 从而影响或控制人的行为 。同时意识又是哲学研究的对象 ， 随着认知神经科学的发展 ， 人们对意识的研究也不断深入 ， 对意识的研究自然就跟哲学有着必然的联系 ， 究其研究的哲学问题有感知的主观与客观 、还原论 、心 -物之间的关系等 ( 邓翌超 ， 2007) 。Crick 和 Koch( 1990) 首先提出意识的神经相关物这一概念 。而认知神经科学对意识的研究始于视觉意识 ， 进而不断展开对意识的研究 。过去研究者普遍认为意识产
39、生于大脑高级皮层区域 ， 而近年来出现的各类证据说明 ， 从高级皮层区域到低级皮层区域的反馈过程对于意识的产生是必要的( 李奇等 ， 2008) 。认知神经科学探索意识的神经加工活动的方法和技术主要有脑电图 ( EEG) 、事件相关电位 ( ERP) 、脑磁图 ( MEG) 、功能磁共振成像 ( fMRI) 、经颅磁刺激 ( TMS) 和正电子发射断层成像 ( PET) 等 。意识的研究对于人类认识自身以及生存的自然界有着重要的意义 ， 同时意识的研究有其复杂性 ， 诸多心理现象有待进一步的探索 ， 如脑和意识的关系等 ( Joseph， 2011) 。加上认知神经科学是交叉学科 ， 所以仍需
40、多种方法 、技术支持和共同的合作研究才能更好地开展下去 ， 以不断的认识自我 、提高自我 ， 解决身边的疑惑 ， 方便人们的生活 。( 二 ) 认知神经科学的新进展1 睡眠剥夺睡眠剥夺 ( Sleep Deprivation， 简称 SD) 是由新加坡认知神经科学实验室 ( Cognitive Neuroscience Laboratory) 主持开展的一个认知神经科学项目 。以往人们关于睡眠剥夺的研究大多只单独关注其对人类生理功能 、认知功能或社会行为如免疫功能 、内分泌系统或情绪的影响 ， 缺乏多层次的融合 。而该项目运用最新的脑功能成像技术 ， 深入到神经机制层面探讨 SD 对认知功能的
41、影响 。截至目前 ， 该实验室已对 SD 影响视觉处理能力 、长时记忆 、选择性注意等认知功能的神经机制进行了大量研究 ， 并获得了不少成果 ( Chen et al. ， 2010;Chee et al. ， 2010) 。Chee 与 Choo( 2004) 运用脑功能成像技术对 14 名被试进行 SD 研究 ， 其间设计了两项难度不同的工作记忆任务 。在研究的过程中他们发现 ， 前后两项任务的执行都激活了被试双侧额叶和顶叶 ( Bilatera Frontal-parietal) 组成与工作记忆相关的神经网络 。在 SD 后 ， 内侧顶叶 ( medialparietal) 区域的血氧依
42、赖水平降低 ， 被试完成任务的时间增加 ， 这表明 SD 会使大脑与工作记忆相关的区域兴奋性降低 ，导致认知能力下降 。同时 ， 研究者还发现在执行难度不同的两项任务时 ， 前内侧额叶 ( Anterior Medial Frontal) 和后扣回区 ( Posterior Cingulate) 的激活程度都有所增加 ， 但是在完成复杂任务时 ， 大脑背外侧前额叶皮层和双侧丘脑的激活有明显的增强 。研究者根据结果推断 ， 在 SD 后执行高负荷认知任务时 ， 大脑会对认知功能下降进行动态性代偿 ， 从而激活与高难度认知任务相关的额叶 ， 以致出现上述现象 。这也很好地解释了为什么在 SD 后
43、， 被试在执行复杂的工作记忆任务时会比执行简单任务有更好的表现 。Chee 和 Chuah( 2007) 通过研究发现短时记忆能力在 SD后之所以会下降 ， 并不是因为大脑记忆容量减少 ， 而是由视觉注意力和视觉处理能力下降导致的 ; SD 后人的反应变慢 ，失误率增高 ， 这与大脑顶额叶 ( Fronto-parietal) 、纹状体皮层( Extrastriate Cortex) 以及丘脑 ( Thalamus) 的活性变化直接相关 。最近 ， Chee 和 Chuah( 2008) 、Chee 等人 ( 2010) 又按照Lavie 的知觉注意负载理论 ( Perceptual Load
44、 Theory of Atten-tion) 对视觉注意的脑功能进行研究 ， 通过 fMRI 图像发现 SD后大脑海马回 ( Parahippocampal Place Area， 简称 PPA) 和梭状体 ( Fusiform Face Area， 简称 FFA) 在执行任务时的激活程度都有减少 ， 从而推断 SD 导致视觉处理能力的下降 。另外 ， Venkatraman 等人 ( 2007) 还将该项目扩展到风险决策的研究 ， 得出了 SD 对风险决策具有双重影响的结论 。在 SD 的情况下对风险较高的选择时 ， 大脑内与预期回报反应相关的右伏隔核 ( Right Nucleus Acc
45、umbens) 区域活性明显增强 ， 而与损失反应相关的岛叶 ( Insular) 和眶额叶皮质 ( Or-bito Frontal Cortices) 区域活性明显降低 ， 表明被试对风险决策的预期回报有更高的期望 ， 同时对损失的反应减少 。毫无疑问 ， 睡眠是我们人类日常生活重要的一部分 ， 其质量高低将在很大程度上影响人们的健康和认知能力 。SD44汪晓东 ， 张立春 ， 肖鑫雨 . 大脑学习探秘 认知神经科学研究进展 OER2011， 17( 5)的研究对改善人类认知能力和提高人们睡眠意识具有积极的作用 。新加坡认知神经科学实验室关于 SD 的研究为我们提供了许多可借鉴的成果 。目前
46、 ， 在神经科学领域 ， 关于 SD的研究大都集中在其对各种认知功能以及与其相关的神经机制的影响上 ， 而关于如何减轻 SD 这种影响的问题 ， 还鲜有研究 ， 这也是未来该领域发展的一个方向 。2 陈述性记忆的存储和巩固陈述性记忆是对事件 、情境或知识的回忆 ， 其中存储和巩固是陈述性记忆加工的两个过程 。早期 ， 研究者在对遗忘症患者的研究中发现内侧额叶 ( Medial Temporal Lobe， 简称MTL) 是大脑中对记忆发挥着重要作用的关键部位 ， 而关于陈述性记忆的存储和巩固过程在 MTL 中是否由相同的区域负责这个问题 ， 学术界一直存在着很大的争议 。近年来 ， 波士顿大学
47、认知神经科学实验室的陈述性记忆存储和巩固的神经机制项目对这方面问题做了相关研究 ， 并根据实验证据提出了自己的观点 。Fortin 等人 ( 2004) 以动物老鼠为实验对象 ， 对脑的海马进行分析 ， 得出了与之前对人脑海马回进行研究相同的结论 ， 即海马是陈述性记忆加工的重要区域 。Sauvage 等人( 2007) 对海马的记忆功能做了更深一步的研究 。他们利用行为学方法 ， 对海马损伤后的老鼠的存储和巩固能力进行观察测试 。结果发现 ， 海马受损对陈述性记忆加工的两个部分 存储和巩固 产生了截然不同的影响 。老鼠的记忆存储能力随着海马受损而减少 ， 而巩固能力却在增加 。因此 ， 他们
48、提出海马并不同时负责陈述性记忆的存储和巩固 ，而以往关于陈述性记忆存储和巩固的模型也还有待修正 。同时 ， Farovik 等人 ( 2008) 也在他们的研究中发现内侧前额叶皮质区 ( Medial Prefrontal Cortical Area， 简称 MPFC) 只支持记忆的存储过程 ， 而没有巩固过程 。以上这些结论都非常一致地支持了记忆的各个加工过程是由不同区域负责的观点 。此外 ， 该项目另外一个方向主要在于通过电生理学的方法记录大脑各个区域在执行不同任务时单个神经元或神经集合的活动情况 ， 从而了解记忆信息加工和存储的具体过程 。Manns 等人 ( 2007) 等设计了气味顺
49、序记忆实验 ， 了解了老鼠大脑海马区域在完成整个事件记忆任务过程中的活动变化情况 ， 同时发现空间线索和时间线索特别是时间线索对情境事件的顺序记忆非常重要 。结合一系列实验 ， 该项目研究者还论证了他们最初提出的假设 : 在 MTL 中共同完成记忆的存储和巩固过程是由各个不同的区域相互协调完成的 。此外他们还对海马 、内侧前额叶皮质区等区域负责的具体功能及其神经机制进行了分析 。目前 ， 关于陈述性记忆存储和巩固的神经机制研究还处于初步摸索阶段 ， 与其相关的经典理论模型也在被反复地修正和拓展 ， 许多观点还存在很大争议 ， 人们对此尚未形成统一意见 ， 许多问题有待研究者做更多深入的研究 。3 仿神经自适应塑料可微缩电子系统仿神经自适应塑料可微缩电子系统 ( Systems of Neuro-morphic Adaptive Plastic Scalable Electronics) 项目成立于 2009年初 ， 由美国国防部高级研究计划局 ( Defense Advanced Re-search Projects Agency) 赞助 ， 惠普 、IBM 和 HRL 三家公司参与 ，
