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认知神经科学:人类行为研究新进展
2020年06月30日 10:23 来源:中国社会科学网-中国社会科学报 作者:谭成慧 赵源 刘电芝 字号

内容摘要:人类行为是如何产生的?不同学科之间虽存在差异和鸿沟,但对人类行为的思考和研究从未停止过,迄今为止,这仍是具有挑战性的科学问题。从认知进路探索行为就产生和发展而言,认知神经科学可视为认知心理学的一个研究取向,即采用神经科学的范式研究人类认知过程,解决有关人类心智的根本问题。

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  人类行为是如何产生的?不同学科之间虽存在差异和鸿沟,但对人类行为的思考和研究从未停止过,迄今为止,这仍是具有挑战性的科学问题。神经科学从生物学视角出发,试图解释神经回路如何活动进而执行当前行为;认知科学则从心理学视角出发,探讨行为产生的内部认知加工过程是什么;这些过程如何通过计算机加以实现,则是人工智能关心的问题。随着科学技术的发展,从基因定位到光遗传学回路控制,从电生理机制到多模态的解剖和功能性结构,研究大脑活动的手段和工具日渐精益。但仅依靠对大脑和神经的研究尚不足以解释人类行为,如同研究羽毛无法解释鸟类如何飞行一般。而对人类心智及认知过程的研究,能够帮助神经科学更好地理解大脑,了解神经系统如何实现人类的感知、记忆、思维。认知心理学与神经科学相结合的认知神经科学,定位为“心智的生物基础”,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各种认知活动。了解认知神经科学的主要内容和目标取向,对理解人类大脑—心智—行为三者之间的关系至关重要。

  从认知进路探索行为

  就产生和发展而言,认知神经科学可视为认知心理学的一个研究取向,即采用神经科学的范式研究人类认知过程,解决有关人类心智的根本问题。与外显行为不同,认知心理学关注的是那些不能直接观察但却构成了人类行为基础的内部机制和过程,如意识的起源、思维的产生和信息的加工等。

  认知心理学从20世纪六七十年代产生至今,主要经历了四个阶段。第一阶段是类比计算机的信息加工,即将大脑的加工模式比作计算机的序列加工。第二阶段是以神经网络为基础的平行加工,这种联结主义认为,大脑各项功能主要依赖于神经网络的整体加工,但此阶段的模型大多是基于算法的计算模型,即人工神经网络,还未涉及具体的神经科学证据。第三阶段是嵌入环境的具身认知思潮,即将认知、身体和环境看成是一个动态的统一体,认为认知是在一定环境下,由身体提供认知内容,并由物理属性决定认知加工方式的过程。第四阶段是如今的认知神经科学,即从神经科学的视角解释人类认知过程,探讨心智与大脑的关系。

  因此,认知神经科学的核心仍是解决根本的认知问题,正如科莱考尔(John W. Krakauer)所强调的,仅将重心放在神经科学的研究上无法做到理解人类行为,只有通过理论和实践对行为的认知过程进行分解,并辅以神经科学研究对因果关系进行检验,才能真正理解大脑,真正理解认知,进而解释人类行为。

  脑科学带来新发展

  认知神经科学这一领域主流趋势的形成,直接原因在于神经成像技术的发展及其在认知心理学研究中的应用,主要是为解决大脑加工模式究竟是分不同的功能模块还是作为一个整体对信息进行加工的认知问题。不同于心理学研究中普遍参照的行为指标,认知神经科学会使用更为客观的脑成像技术作为研究依据。其中主要包含了时间分辨率较高的脑电图(Electroencephalograph, EEG)和脑磁图(Magnetoencephalography, MEG)以及空间分辨率较高的正电子发射断层扫描技术(Positron emission tomography, PET)和功能性磁共振成像技术(Functional magnetic resonance imaging, fMRI)。

  EEG和MEG分别检测神经元细胞产生的电活动信号和细胞内电流产生的磁场,因此在信号传导过程中会受到介质的影响导致空间分辨率较低,其中脑磁图受介质的影响较小,但受到距离的影响很难探测到大脑深处的磁信号。得益于二者较高的时间分辨率,通过测量认知活动引起的脑电或脑磁信号的变化,就可以逆向推断出神经元活动的源定位,其中20世纪六七十年代发展的事件相关电位技术(Event-related potentials, ERP)被广泛应用于认知心理学的研究,但也只能是对真实脑活动的粗略估计。

  相比之下,依据大脑对能量的消耗进行测量的PET和fMRI技术的空间分辨率就高很多。其中PET主要通过将放射性标记物注入人体,计算脑内相关物质的代谢率来测量人脑在进行认知任务时脑部血流量、糖代谢率以及耗氧量的变化,以此说明生理代谢活动和认知过程之间的关系。而fMRI技术则无需标记物,直接通过血液中氧浓度变化引起的血红蛋白磁性变化来检测执行认知功能时脑部兴奋区域的活动模式。

  在认知心理学研究中,应用PET和fMRI技术主要通过与对照状态相减的方法,认为相减后的兴奋区域就是与特定认知任务相关的脑区。基于的前提假设是认知任务能从其他认知活动中独立分离出来,而不会相互影响。这可能并不符合实际的认知加工过程,因此想要得到更为确切的神经机制还有很多技术和理论层面的问题需要解决。但至少现在可以认为某个特定区域负责相应特定功能的观点是错误的,几乎所有认知活动都会涉及多个脑区的同时兴奋。

  近年来的近红外脑功能成像(functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)利用神经血管耦合规律来反推大脑的神经活动情况,能够解决以往技术由于干扰敏感和成像过程幽闭等原因无法适用于儿童(尤其婴幼儿)和自然情境的问题。也有研究采用EEG和fMRI相结合的方法以取得技术的优势互补,但考虑到依据的生物基础不同,为获取高时间分辨率和高空间分辨率的神经影像仍是认知神经科学领域的重要技术路线。

  探索心智的功能和结构

  认识人类自身是理解人类行为的基础,是解释人类为何会成为智慧生物的根本。如果说认知心理学的目标在于探索行为背后的认知活动和加工机制,那么认知神经科学则更加强调大脑与这些认知活动之间的关系,即探究心智的功能和结构,找到心理过程和生理过程的基本关系,阐明人脑实现认知活动的信息加工机制。

  对于一个复杂的信息加工系统的研究,马尔(David Marr)提出了三层次理论,即这个系统至少要包含计算理论层次、表征与算法层次以及物理实现层次,分别解决了为什么、是什么和怎样做的问题。第一个层次,研究者关心这个系统的计算目标是什么,想要实现怎样的功效,解决什么样的问题,对什么信息进行加工,例如人类想像鸟类一样实现飞行。第二个层次则要考虑需要进行的操作有哪些,如何对信息进行加工,如为了飞行对空气动力学进行研究。第三个层次则探讨设计何种物理系统来执行上述算法,从而解决最根本的问题,例如制造飞机来实现飞行。从研究取向上来看,认知神经科学侧重于解决第二层次的算法问题,相比于认知心理学仅对心智过程和机制进行探索,加入了对大脑的探秘,进而能帮助神经科学或电子工程学完成第三层次的实现问题。

  多脑互动:未来可能发展方向

  过去二十年认知神经科学的发展让人们对于大脑和认知有了新的理解,但人们尚不清楚大脑在普遍且具有生态意义的环境下是如何运作的,即社交互动。以往研究受限于实验范式和研究设计,难以将互动考虑在内,仅能研究孤立的大脑。但人类作为社会性动物,相比于个体如何解释和加工信息,人们更应该关心人类在互动中如何形成共享的认知空间,使得在个体信息加工差异存在的情况下还能够在沟通行为中实现快速的相互理解。

  在社会互动背景下,依托于多人交互同步技术,即对执行社会互动任务中的不同被试进行同时的、多人的记录(多EEG、多fMRI或多NIRS同步记录)来测量人类在交流时大脑间的神经活动,探讨认知和心理活动是如何实现相互联系的。库伦(Anna K. Kuhlen)指出,通过多人交互同步技术能将大脑置于人际互动背景中,人们能够根据自己对互动对象的认识和理解对沟通方式进行适应性的调整。这使得大脑交互研究成为可能,更为解决某些无法解释的社交障碍提供基础,为认知神经科学的研究增加了新的生态现实意义。

  认知神经科学的魅力,在于能够直接冲击人类对于“我是谁”的哲学思考,解决人类行为产生和形成的问题,并为人工智能的发展开创新的路径,未来的发展和贡献可期。

 

  (作者单位:苏州大学教育学院)

 

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姓名:谭成慧 赵源 刘电芝 工作单位:

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