认知科学：导论/神经科学方法

大脑的结构

尽管它只占我们身体质量的不到 2%，但人脑却消耗了人体 20% 的能量预算——每天大约相当于 3 根香蕉的能量。但这并不是全部。这是一个真正的能量限制，这意味着在任何给定时间，只有 1% 的神经元可以处于活跃状态。

利用神经科学帮助我们理解思维

观察大脑如何运作是帮助理解思维的重要方法。心理学通常使用行为实验来理解思维，而神经科学提供了多种方法来观察大脑，这些方法限制了我们的理论。脑科学已在许多方面促进了我们对思维的理解，包括区分短期记忆和长期记忆、情景记忆和语义记忆以及隐式记忆和显式记忆。

成像

许多脑部研究检查神经元的活动。这通常通过成像完成。大多数脑部成像显示大脑消耗——氧气或葡萄糖。假设是消耗率表明大脑中的信息处理。

磁共振成像 (MRI)

人体中许多原子是氢原子。这些原子中的每一个的单个质子就像一个小指南针。MRI 产生一个磁场。无线电波使质子失去排列，当它们恢复到正确方向时，它们会释放一个无线电波信号，该信号可以在身体外部测量。这种波可以被解释以找出身体或大脑中组织的三维结构，因为不同组织中的原子以不同的速度排列。

MRI 用于描述大脑（或其他组织）的物理结构，而不是其随时间的处理过程。但是，它可以看到大脑结构之间的连接。使用称为扩散加权成像的技术，科学家可以追踪水分子方向以查看神经纤维方向，并了解大脑网络的设置。

功能性磁共振成像 (fMRI)

大约在 1990 年，小川诚二及其同事发明了一种无需开颅或注射即可研究大脑活动的方法。

活跃的细胞，无论它们位于身体的哪个部位，都会消耗更多的血液中的氧气。富含氧气的血液与贫氧血液具有不同的磁性，因此使用强大的磁铁，您可以观察哪些细胞正在努力工作，哪些细胞工作量较少。fMRI 机器就是这么做的。研究人员通常要求某人执行一些任务或观察一些刺激，而 fMRI 则记录大脑活动，假设最努力工作（消耗最多氧气）的大脑部位正在执行任务。这被称为血氧水平依赖 (BOLD) 测量。

fMRI 以其良好的空间分辨率而闻名：它可以找出精确的位置（在一到两毫米以内）。但它在时间分辨率方面并不出色：获得图像需要几秒钟，因为血液流向大脑结构需要几秒钟。EEG（见下文）具有相反的特点（时间分辨率好，空间分辨率差）。一些心理事件太快了，fMRI 无法捕捉到。

其中一个问题是，整个大脑一直在活动。因此，他们必须使用一种应该无关的“减法任务”。他们将一个任务的活动从另一个任务中减去，然后观察差异。

大脑映射

人们也在努力绘制大脑中的神经元。所有神经元及其连接的表示被称为连接组。连接组已完成两种非常小的物种：秀丽隐杆线虫（一种只有 302 个神经元的蠕虫）和海洋生物海鞘。

但人脑极其复杂，大约有 1000 亿个神经元，这大约是银河系中恒星的数量。这些神经元有 1,000,000,000,000,000（即 10^15）个连接。如果 2019 年的十几台显微镜昼夜不停地工作，则需要数千年才能绘制一个大脑。

挑战的一部分是，追踪神经元连接必须手动完成，查看图像。计算机视觉算法在自动化这方面越来越好，但截至 2019 年，它们仍然需要人工检查。

连接组的价值存在争议。有些人认为它过于详细，需要更抽象的组织原则。另一些人认为它不够详细，我们需要生成一个突触组，它包含连接组的所有内容，但也包含有关突触性质的信息，例如存在哪些神经递质受体。

脑电图 (EEG)

在脑电图中，测量电活动的电极连接到头皮。发射的神经元会释放带电粒子，从而产生电流。就像从电源插座中流出的电流一样，大脑电流也有电气周期。

脑电图（EEG）测量了大脑中的这种振荡活动。这种有节奏的活动被分解成“波段”。这些似乎对大脑协调和自我沟通至关重要。低频通信利于更长距离（在大脑中）的同步，而高频更精确，用于局部。^[7]

波段名称	频率（Hz）
δ波	0-3
θ波	4-7
α波	8-12
β波	13-30
γ波	30-200

在清醒放松状态下，你会看到很多α波。当你集中注意力或解决问题时，你会得到更多的β波，而δ波在睡眠或冥想时出现。

在典型的脑电图实验中，会呈现一些刺激，然后测量诱发电位（EPs，或事件相关电位，或ERPs）。它们要么是正的，要么是负的（取决于波的极性）。然而，环境和其他无关的大脑过程会产生很多噪声。由于噪声是随机的，可以通过进行多次试验并对结果进行平均来消除噪声。噪声会相互抵消。^[7]

P300

P300成分是在呈现令人惊讶的刺激后往往发生的事情。科学家可以通过寻找P300来查看参与者的思维是否对某些事物没有预期。它往往在刺激呈现后大约300毫秒出现，但这种延迟的长度被解释为思维对刺激进行分类的速度。P300的振幅被解释为对记忆更新发生时分配的注意力资源的估计。^[7]