认知神经心理学入门研读.doc
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1、认知神经心理学入门研读第一章脑科学和认知科学的发展趋势第一节概述人脑是有上千亿个神经元组成的复杂巨系统。她为人类提供了知觉、运动、注意、学习、记忆、思维、语言、情感、意识等最重要的高级脑功能和认知行为。脑-认知-行为的关系是人类在认识自身的过程中必须解决的核心问题。它将对人类理解自然和自身,增进脑和身心健康,发展全新的脑智能信息系统及提高全民族的知识创新能力做出重要贡献。随着人类基因组测序的完成,本世纪生命科学的走向必将是下面的几个层次:基因组-蛋白组-脑-认知-行为。认识脑从而认识人类自身已成为本世纪最具挑战性和最活跃的科学前沿,是摆在各国科学家面前的首要科学使命,已成为全球性的研究热点。认
2、知科学(Cognitive Science)是研究人、动物和机器的智能的本质和规律的科学,研究内容包括知觉、学习、记忆、推理、语言理解、知识获得、注意、情感和统称为意识的高级心理现象。认知科学是在心理学、计算机科学、人工智能、语言学、人类学、神经科学等基础科学及哲学的交界面上发展起来的高度跨学科的新兴科学,其中认知心理学和人工智能是认知科学的核心学科(Wiles&Dartnall,1999)。神经科学(Neuroscience):研究人与动物神经系统(主要是脑)的结构和功能,在分子水平、神经网络水平、整体水平乃至行为水平阐明神经系统特别是脑的活动规律(韩济生.1999)。认知神经科学(Cogn
3、itive Neuroscience):阐明认知活动的脑机制,其学科分支包括认知神经心理学、认知心理生理学、认知生理心理学、认知神经生物学、计算神经科学(Gazzaniga,2000)。下表列出认知科学、神经科学、认知神经科学的研究目标、分支学科和研究特点。学科的概念认知科学神经科学认知神经科学研究目标研究人类认知与智能的本质与规律研究人和动物神经系统的结构与功能阐明认知活动的脑机制学科分支认知心理学、人工智能、语言学、发展心理学、哲学、人类学和神经科学神经心理学、心理生理学、生理心理学、神经生物学、行为药理学认知神经心理学、认知心理生理学、认知生理心理学、认知神经生物学、计算神经科学特点跨学
4、科和行为水平跨学科多层次跨学科多层次认知科学的创立标志着人类对自身特有的精神和心理活动的研究、对脑和心智关系的研究、对人工智能以及人机结合的研究,进入到一个建立在现代科学基础上的新阶段。这是近半个世纪以来科学发展史上的重要事件之一。信息科学神经科学心理学直觉、注意、记忆、决策、思维、意识复杂性测度、数学模拟、计算模拟脑电、ERP、MEG、PET、fMRI、多道微电极纪录、声探测性诱发电位、光学成像、神经行为定量测量、钙成像学科的交叉性一、认知科学的历史渊潭探索心智性质的历史十分悠久,可以追溯到东方和古希腊的哲学探索,但这些研究基本上是哲学讨论或直接经验的观察。直到1879年Wundt在德国莱比
5、锡建立了世界上第一个心理学实验室,人类才开始用实验手段研究心理问题。在科学心理学建立的早期,心理学家采用化学分析的模型,试图把人的复杂心理活动分解为基本的心理元素。但由于所采用的内省的研究方法主观性太强,因而这种心理的结构主义走入了死胡同。20世纪初期,Watson和Skinner提出的行为主义逐渐在心理学研究中取得主导地位。行为主义认为看不见的心理现象是无法研究的,所以行为主义只研究人的可以观察到的外显行为,抛弃了对认知和意识的研究。但行为主义只能确定行为的产生条件及其后果,却无法解释其产生的内在原因,所以,行为主义在统治了心理学达40多年之后,在50年代让位于认知心理学。认知心理学采取信息
6、加工观点,将人脑看作类似于计算机的信息加工系统,将心理过程看作序列的信息加工过程,1967年U.Neisser出版的名为认知心理学的专著是认知心理学理论体系初步完备的标志。认知科学是在多学科的影响下发展起来的。第二次世界大战中,许多科学家叁加了军事研究。1948年N.Wiener和C.E.Shannon分别提出控制论和信息论。一些生物科学察看到通讯系统的信息传递原理可以用来说明人脑对外界刺激的加工过程。从此,信息加工的观点被引用到有关人类认识的研究。几乎与此同,N.Chomsky开创了心理语言学,从深层结构研究内部语言机制。与人工智能有关的另一件大事是计算机和人工智能的发展。早在30年代A.T
7、uring和J.Von Neumann等人曾设想制造能利用程序来进行思维运算的机器,即所谓的图灵机。直到1956年,John McCarthy,Marvin Minsky,Herbert Simon,Alan Newell等人在Dartmouth学院召开了一次会议。他们讨论了人和计算机程序设计,让机器像人一样具有智能去思考和行动。Newell和Simon发表了第一个能证明数理逻辑定理的程序逻辑理论家(Logic Theorist)。随后,在1958年,Newell、Shaw和Simon三人首次提出物理符号系统理论,认为人脑和计算机的运算都是利用符号的信息加工过程。此后,人脑的内部过程的研究再度
8、被提到日程上来。中国的脑与认知科学的历史事件:l 1910年Wundt实验室出现了一位中国人-蔡元培。蔡先生回国后任北京大学校长,直接推动了北大心理学教学的开展。l郭任远教授-20世纪上半叶国际知名的行为主义心理学家。l 1958年,中宣部胡乔木指示心理所要研究人脑如何工作,心理所成立脑电(刘世熠等)与脑模拟组(曹传咏)。l 1982年,制订五年滚动计划,首次提出对认知过程的研究。l 1983年,中美科学院认知心理学双边讨论会(Joint Conference)在美国NIH举行,中国10余名心理学家赴美参加会议。会后联合出版了论文集Issues in Cognition。l 1983年,由中国
9、科学院心理所特邀认知科学创始人之一、诺贝尔奖获得人、美国卡耐基-梅隆大学的Simon教授来北京讲学3个月,系统介绍了认知科学的理论与最新进展,极大地推动了我国认知科学的研究。他与我国科学家所做的合作研究在国际上发表了一批论文并获得了多项科技成果奖,影响极其深远。l 1984年,出版荆其诚、张厚粲翻译的人类认知;1987年,译著人类的信息加工出版。1992年,译著认知心理学出版。二、认知科学的四大理论体系认知科学从20世纪50年代兴起以来,提出多种革命性的理论,如在推理层次的Newell和Simon的通用问题解决系统,在语言理解层次的Quillian的语义网络的命题式的知识表征,在记忆层次的Ko
10、sslyn的心理象的模拟式的知识表征,在注意层次的Treisman的特征整合理论等,这些理论对认知的理解和对人工智能的发展起到强大的推动作用。从认知科学的发履历程来看,主要发展了四种大的理论体系:1.物理符号论这是人工智能的认知科学理论,该理论把认知过程看作是对来自外部输入的物理符号的处理过程。2.联结理论开始于20世纪40年代的人工神经网络研究,在沉寂了近20年之久后,于80年代中期再度兴起。该理论认为,认知活动的本质在于神经元间联结强度不断发生动态变换,它对信息进行着平行分布式处理。这种联结与处理是连续变化的模拟计算,不同于人工智能物理符号的计算。3.模块论受计算机编程和硬件模块的启发,F
11、odor提出认知功能的模块性,认为人脑在结构和功能上都是由高度专门化井相对独立的模块组成,这些模块的复杂而巧妙的结合,是实现复杂精细认知功能的基础。80年代末和90年代初,模块思想已发展为多功能系统理论,特别是在记忆研究中得到了较多科学发现的支持。4.生态现实论1993年初在认知科学杂志上掀起环境作用论和物理符号论的大论战,一批年轻的心理学家与人工智能大师Simon之间展开了大论战。环境作用(Situation Action)的观点认为认知决定于环境,发生在个体与环境的交互作用之中,而不是简单发生在每个人的头脑之中。三、脑与认知科学的主要研究路线由于脑与认知科学是一门高度交叉的学科,所以不同学
12、科从各自独特的研究角度对认知进行研究。总的来看,目前对脑与认知科学的研究路线有三条。1.认知心理学的研究即把人脑与计算机进行类比,将人脑看作是计算机的信息加工系统。但这种类比只是机能性质的,而不管脑的生物细胞和电子元件之间的区别。这类研究采用从上向下(top-down)的策略,也就是先确认一种心理能力,再去寻找它所具有的计算结构。2.神经网络的研究把大脑看作是一种神经网络,但这种神经网络模型是人工的,与真正的神经及其突触连接并不相同。该视角采用一个从下向上(bottom-up)的策略,先建立一个简单的或理想化的神经网络模型,然后再考察这个模型所具有的认知功能。从最简单的模型人手,不断增加它的复
13、杂性,就有可能模拟出真正的神经网络,从而了解认知活动的真相。3.认知神经科学的研究也是采用从下向上的研究策略,但与人工神经网络不同,它是从真正的大脑工作方式入手来研究认知的。由于无损伤技术手段(如ERP、EMG、PET和fMRI)的出现,使研究者可以直接观察到大脑活动的区域及特点。第二节脑与认知科学的发展现状脑与认知科学是一门新兴的科学,但其发展速度非常快,成为当今国际上最热门的学科之一。一、西方国家科学战略计划中的认知科学在人类正在进入知识经济时代的过程中,西方国家正在各自的国家科学战略计划中对认知科学进行重点部署。美国在结束脑的十年之后,又开始进行行为的十年。日本1996年推出的脑科学时代
14、计划,总预算高达200亿美元,其中脑的认知功能及其信息处理是重中之重,包括知觉、注意、记忆、动作、语言、推理和思考、意识乃至情感动机在内的各个层次和各个方面的人类认知活动都被列入研究的重点。多国合作项目国际人类前沿科学计划(Human Frontier Science Program)被国际上看作是和美国的战略防御计划、欧洲的尤里卡计划鼎足而立的三个重要计划,准备投资100亿美元,而认知科学是国际人类前沿科学计划的重点内容。由此可见,认知科学受到西方发达国家的普遍重视,他们都把认知科学看作是21世纪的领头学科。二、认知科学的应用得到越采越多的重视脑与认知科学研究不仅具有崭新的科学意义,还具有巨
15、大的潜在性应用价值。在美国,支持认知科学发展的不仅是各种支持基础研究的基金会,还有政府部门、军方和工业界。美国宇航局专门设立了支持认知科学研究的部门,组织认知科学的研究项目和提供研究经费;美国空军制定了支持认知科学的应用基础研究的长期计划;美国海军认知科学基础规划已有20多年的历史。在20世纪90年代诺贝尔奖得主North发起了名为知识、社会变革和经济效能的系列研讨会,其主要观点是,知识经济的发展必须更好地理解个人决策的认知基础,需要奠定从理论和经验的角度来解释认知在形成文化、生活方式和组织团体过程中的作用的理论基础。这些观点反映了认知科学在社会变革和经济发展中可能发挥作用的最新研究方向。三、
16、国际学术组织美国的认知科学学会(Cognitive Science Society)于1979年成立,在此前后,各种以认知科学命名或者与认知科学有关的杂志相继创刊,各名牌大学相继成立了认知科学系或认知科学研究中心、研究所。1986年,美国加州大学圣地亚哥分校开始设立认知科学的博士学位。这些都表明认知科学已得到学术界的广泛认可。1994年,美国建立认知神经科学学会(Cognitive Neuroscience Society),现有会员1000余人,出版认知神经科学杂志(Journal of Cognitive Neuroscience),每年召开认知神经科学年会。对认知神经科学的定义为对知觉、
17、行为、记忆、语言、选择性注意等认知活动的研究,并预言这些研究将成为21世纪神经科学研究的焦点问题。国际人类脑成像组织(The Organization for Human Brain Mapping)成立于1997年,致力于研究脑的功能和结构成像,在感觉运动系统、视觉、注意、记忆和语盲的正常与病理状况下的脑认知过程和活动定位。其基本技术为功能性磁共振(fMRl)、正电子断层扫描(PET)、脑电图(EEG)、事件相关电位(ERP)、脑磁图(MEG)、单光子发射计算断层扫描术(SPECT)、光学成像(Optical Image)和其他神经解剖学技术。该组织的专业期刊为Neuroimage,1999
18、年该杂志的影响因子分为5.6分。四、国际著名的脑与认知研究机构目前世界上最有影响力的脑与认知研究机构有美国心理健康研究所脑与认知实验室、美国加州大学圣地亚哥分校的认知科学系、加州大学伯克利分校的认知科学研究所、麻省理工学院的脑与认知科学系、布朗大学的认知和语言科学系、英国医学研究理事会的认知与脑科学所等。窥一斑而知全豹,我们考察这些著名研究机构的研究情况,就可以对当前认知科学的发展现状有所了解。美国心理健康研究所脑与认知实验宣(Laboratory of Brain and Cognition,NIMH,NIH)实验室主任为L.G.Ungerleider博士,她是美国科学院院士,该实验室在国际
19、认知神经科学领域享有盛名。主要从事以下五个领械的研究工作:(1)神经回路Neurocircuitry(2)功能性脑成像Functional Brain Imaging(3)认知神经心理学Cognitive Neuropsychology(4)临床与实验神经心理学Clinical and Experimental Neuropsychology(5)功能性成像方法Functional Imaging Methods加州大学圣地亚哥分校认知科学系(Department of Cognitive Science,UCSD)主要从事以下三个领域的研究工作:(1)脑:强调对神经生物学过程和现象的理解;(
20、2)行为:注重使用实验方法和进行心理学、语言学和社会文化环境的研究;(3)计算:结合对计算机制的研究,考察各种认知能力及其机制。该系既进行实验室控制情景下的认知研究,也进行日常生活中自然情景下的认知研究,并对两类情景下的认知活动建模。加州大学伯克利分校认知研究所(Institute for Cognition and Brain Sciences,UCB)强调在实际生活中的认知活动,并试图对这些现象给予理论上的说明。近年来,该所研究人员提出了许多有特色的认知理论,例如,Lakoff等人的原型理论和心象图式,Fillmore等人的格语法和构造语法,Slobin的语言获取的操作法则,Feldman
21、的整体平行联结网络。这些理论在认知科学研究领域产生了广泛的影响。麻省理工学院脑与认知科学系有以下五个重点研究领域:(1)分子和细胞神经领域;(2)系统神经科学领域。研究问题包括感觉刺激的转换和编码、感觉运动系统的组织、脑与行为的循环交互作用等;(3)认知科学领域。主要研究心理语言学、视知觉和认知、概念和推理以及儿童认知能力的发展等;(4)计算领域。主要研究机器人技术和运动控制、视觉、神经网络学习、基于知识的知觉和推理;(5)认知神经科学领域。麻省理工学院已将神经科学和认知科学列为该院今后10年到20年发展的重要研究领域,目标是要使该院的脑与认知科学系在神经科学和认知科学领域占据领导地位。布朗大
22、学的认知和语言科学系(Cognition&Linguistic Sciences,Brown University)是在美国建立的第一批认知科学系之一。系里的教授有着不同的学科背景,大量兼职教授则来自应用数学系、计算机科学系、神经科学系和心理学系等。这种多学科的教授结构为该系学科内和跨学科的研究生提供了特别丰富的学习机会。例如,视觉研究组可以同时采用计算、心理学和生态学三种研究倾向对知觉和行动进行研究;言语组则同时采用了实验的、发展的、神经语言学的和进化的观点来研究言语知觉和产生。该系的主要研究领域包括高级认知活动、视觉、语言获得、计算机语言学(自然语言加工)、神经语言学、言语知觉和生成、句法
23、和语义。英国医学研究理事会的认知与脑科学所(Cognition and Brain Sciences Unit,MRC)人员和项目分为以下四个研究群体:(1)注意:主要研究选择性注意的基本过程和这些过程依赖的分布式脑系统;(2)认知和情绪:主要研究唤起和调节情绪的基本认知和神经过程的性质;(3)语言和交流:该项目把人类语言作为一个认知的、计算的和神经的系统进行研究;(4)记忆和知识:该项目主要从事记忆的理论与临床研究。从这些国际上著名的研究机构可以看出,认知科学的研究队伍主要由神经生物学、计算机和心理学三大领域的专家组成,这也决定了目前认知科学在研究手段和研究槐角上也以这三大便域为主。而作为认
24、知科学家族的其他学科虽然很重要,但在整个认知研究中还没有占据主导地位。五、我国的脑与认知科学研究自20世纪70年代以来,我国的认知科学研究主要在儿童认知发展、记忆、样例学习、汉语的机器理解、汉语认知加工、知觉的机制、选择性注意、人工神经网络、视觉信息加工、人工智能等领域,逐步在中国科学院心理所、自动化所、生物物理所、中国科技大学、科大研究生院、北京大学、清华大学、西安交大等单位形成了一些认知科学研究队伍。但是,纵观我国认知科学的研究状况,尚存在研究队伍分散、总体投入不足、总体研究目标不明确、研究水平与国际水平有较大差距等同题。当前,应有组织地开展认知科学重大前沿问题的研究,尽快缩小与国际水平的
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