脑功能成像技术在心理学实验中的应用

1脑成像技术的成熟与心理学的发展1.1脑是心理的器官要更好地了解心理，就要更好地了解脑1.2怎样研究心理的脑机制？1.2.1创伤性动物实验1.2.2对脑损伤患者的观察1.2.3脑功能成像技术无创性：可以安全地对正常人进行实验高空间分辨率：能对相关脑组织进行精确的定位高时间分辨率：能准确地反映大脑的动态过程——脑成像技术使人类有史以来第一次能直接观察到大脑的认知活动和工作过程，有如研究脑功能的“显微镜”和“望远镜”。2主要的脑功能成像技术2.1事件相关电位(event-relatedpotentials,ERPs)2.1.1ERPs技术原理2.1.2ERPs技术的特点2.2正电子发射断层扫描(positronemissiontomography，PET)2.2.1PET技术原理2.2.2PET技术的特点2.3功能磁共振成像(functionalmagneticresonanceimaging,fMRI)2.3.1fMRI技术原理2.3.2fMRI技术的特点3脑功能成像技术的应用3.1ERPs实验案例：P300与测谎3.1.1研究假设3.1.2实验过程及结果3.2PET实验案例：人类言语活动定位的PET研究3.2.1任务设计3.2.2研究思路3.2.3研究结果3.3fMRI实验案例：关于道德判断的fMRI研究3.3.1问题的提出3.3.2实验过程3.3.3结果与讨论2.1.1ERPs技术原理脑电图(EEG)大脑工作时，神经细胞中离子的运动产生电流，在头皮表面形成微弱的（μV级）电位，这些电位可以通过高灵敏度电极和放大器探测并记录下来ERP与ERPsERP：一个概念事件相关电位(Event-relatedpotential,ERP)ERPs：一种脑成像技术利用ERP的固定时间关系，即“锁时”(time-locked)关系，经过计算机叠加处理，提取出与某种特定刺激相对应的ERP成分ERPs实验仪器及实验现场事件相关电位(Event-relatedpotential，ERP)事件相关电位是一种特殊的脑诱发电位诱发电位(EvokedPotentials，EPs)是指给予神经系统（从感受器到大脑皮层）特定的刺激，或使大脑对刺激（正性或负性）的信息进行加工时，在该系统和脑的相应部位产生的可以检出的、与刺激有相对固定时间间隔（锁时关系）和特定位相的生物电反应诱发电位的特征在特定的部位才能检测出来有其特定的波形和电位分布其潜伏期与刺激之间有较严格的锁时关系，在给予刺激时几乎立即或在一定时间内瞬时出现ERPs实验现场2.1.2ERPs技术的特点优点直接反映了神经的电活动时间分辨率极高（毫秒级），几乎达到实时完全无创设备造价较低，使用、维护方便缺点空间分辨率较低（厘米级）2.2.1PET技术原理PET的技术原理将同位素示踪剂通过静脉注射到人体中示踪剂随血液循环可到达全身，并持续发射正电子，正电子释放后与人体内的电子相遇并湮灭，产生两个背对背光子这对光子具有确定的能量(511keV)，能穿透人体并被环绕人体的PET探测器测到，显示出正电子的位置信息，于是人们就可以对血流方向和流量进行追踪当认知活动在大脑的某一特定部位进行时，该部位新陈代谢加剧，所需的血流量便会增加，此时就可用PET技术确定与特定认知活动相关的激活区域PET实验仪器2.2.2PET技术的特点优点空间分辨率高于ERPs，可达4-6mm缺点成像时间较长，导致时间分辨率低被试需接受放射性物质注射系统造价极高2.3.1fMRI技术原理血氧水平依赖(BOLD)效应神经活动兴奋性水平增强时，局部脑组织血流、血流容积、以及血氧消耗均增加，但增加的比例不同，脑血流量增加超出血流容积2-4倍，而氧耗量仅轻微增加，血流量增加超出了氧耗量的增加。这种差异导致脑激活功能区的静脉血氧浓度升高，使该区域的磁共振信号明显强于其它非活动的区域，此效应称为血氧水平依赖效应(bloodoxygenationleveldependent,BOLD)利用快速磁共振技术，就可以将大脑这一短时间内的变化检测出来，这就是功能性磁共振成像技术fMRI实验设备2.3.2fMRI技术的特点优点信号直接来自脑组织功能的变化，完全无创可以同时提供大脑结构和功能的图像空间分辨率极高（毫米级）缺点由于检测的是滞后于神经活动的氧信号，时间分辨率较低（秒级）实验环境较封闭，不适合幽闭恐惧者扫描噪声巨大，无法使用听觉刺激系统造价高3.1.1研究假设ERPs成分研究的成果：对P300波的认识P300是事件相关电位(ERP)中，潜伏期在300ms左右的晚期正向波，一般认为该电位与认知过程有关，并且是由“有意义的事件”所引起P300的两个重要指标潜伏期：反映对刺激物评价或分类所需要的时间波幅：与接受的刺激信息量正相关，它反映了刺激的信息量和大脑耗费能量的多少如：熟人面孔比生人面孔包含更多信息熟人面孔：面孔识别中的结构码、身份语义码和姓名码等生人面孔：图形码、视觉语义码因此，熟人的面孔引起的P300波波幅更大P300潜伏期波幅3.1.1研究假设用P300波测谎的原理假设：只有真正的罪犯才充分掌握有关的犯罪细节那么：与案件相关的实物或场景照片刺激对罪犯蕴涵有更多的信息，也就必然会引出P300波幅高值因此：可以将案情有关的和无关的事件编成一个刺激序列，根据两者引出的P300波幅的高低来判定被试是否为真正的罪犯相应的研究假设当以与案情有关的事件或事物为靶刺激时对于罪犯来说，它含有更丰富的信息，靶刺激的P300波幅高于对照刺激P300波幅对无辜者来说，靶刺激与对照刺激的信息量是一样的，两者的P300波幅应无太大差别3.1.2实验过程及结果被试分组模拟盗窃组指定人(A)向被试交待如下盗窃过程并要求其完成模拟者戴上一付染有墨迹的手套(B)手持一把带有标记的钳子(C)到指定现场熟悉周围环境现场房门(D)的特点破门而入，观察房间布置及布局(E)找出其上放有一束花的保险箱(F)用钳子将保险箱打开，取出其中的金项链(G)返回时突然出现一人(H)并与盗窃者相遇要求模拟者对上述程的A~H的特征记忆清楚并复述对照组：从未到过模拟盗窃现场3.1.2实验过程及结果脑电记录时间：模拟盗窃后2-3天刺激类型无关刺激：与盗窃过程无关，被试也未见过的照片靶刺激：与模拟盗窃无关，要求被试事先记忆的照片探测刺激：与模拟盗窃有关的照片被试任务判断呈现的照片是否是靶照片如果靶照片出现，就按鼠标左键对其它照片不需要做任何反应3.1.2实验过程及结果实验结果对照组P300波幅分析靶照片vs.探测照片：有显著性差异探测照片vs.无关照片：无显著性差异三者关系：靶照片探测照片≈无关照片模拟盗窃组P300波幅分析靶照片vs.探测照片：无显著性差异探测照片vs.无关照片：有显著性差异三者关系：靶照片≈探测照片无关照片识别率：100%（文献来源：周亮等.P300用于模拟盗窃测谎的实验性研究.中国临床心理学杂志,1999,1）3.2.1任务设计文献来源PetersenSE,FoxPT,PosnerMI,MintunM,RaichleME.Positronemissiontomographicstudiesofthecorticalanatomyofsingle-wordprocessing.Nature,1988;331:585-589实验任务任务1:看名词（如“锤子”）任务2:听名词任务3:说出名词（让被试说出看到或听到的名词，该过程包括单词感知和言语运动）任务4:产生动词（如看到“锤子”则说出“敲打”）控制任务:要求被试注视一个十字符号，作为基线水平3.2.2研究思路研究的关键：减法设计以言语感知（看和听）状态下的区域脑血流减去基线水平的区域脑血流，得到——纯粹感知单词状态下的区域脑血流以言语运动任务时的区域脑血流减去相应的言语感知状态下的区域脑血流，得到——纯粹的“说出名词”的区域脑血流以完成联想任务时的区域脑血流减去言语运动任务的区域脑血流，得到——纯粹的“产生动词”的区域脑血流3.2.3研究结果听名词说名词看名词产生动词3.3.1问题的提出文献来源GreeneJD,SommervilleRB,NystromLE,etal.AnfMRIinvestigationofemotionalengagementinmoraljudgment.Science,2001,293:2105-2108问题的提出道德心理学中长期存在的理性主义传统强调理性在道德判断中的作用两个难题的挑战电车难题vs.天桥难题问题的提出为何在电车难题中，几乎每个人都断定为五个人牺牲一个人是可以接受的，但在天桥难题中却不行？电车难题在如图所示的三岔道口，前方的两条轨道中，左边一条上站着五个人，右边一条上站着一个人。这时有一列失控的有轨电车飞奔而来，如果不扳道岔，电车将笔直行进，冲向左边的轨道，压死五个人。如果扳动道岔，电车将改变方向，冲向右边的轨道，压死另一个人。请你决定，这时是否应该扳道岔，将电车引向另一条轨道，压死上面的那一个人？天桥难题一条笔直的轨道前方站着五个人，此时，一列失控的有轨电车飞奔而来，前方五人处于危险之中。在电车和五个人中间，隔着一座天桥，桥上站着一位陌生的大胖子。拯救这五个人的唯一办法，是把这个大胖子推下天桥，电车将他撞死后就会停下来。请你来决定，是否应该把这个人推下桥去，以拯救另外五个人？3.3.2实验过程实验材料：三组问题与人身密切相关，可能会调动感情的道德难题“天桥难题”及类似的道德难题偷了一个人的内脏器官去拯救五个人，是否应该？在救生艇因超载面临沉没时，是否应该把某个人扔到海里？与人身关系不密切或无关的，非人化的道德难题“电车难题”及类似的道德难题捡到了钱，该不该还给失主？空白对照组，与道德无关的难题出门旅行，是坐汽车还是坐火车好？3.3.3结果与讨论行为层面：反应时记录对于非道德难题和非人化道德难题（电车难题）回答“应该”者与回答“不应该”者的反应时无显著差别对于与人身密切相关的道德难题（天桥难题）回答“应该”者所花的时间比回答“不应该”者长得多这一差别反映出理智战胜感情的过程3.3.3结果与讨论神经机制层面：fMRI的扫描结果与判断非人化道德难题和非道德难题时相比较，判断与人身关系密切的道德难题时更活跃的脑区是BA9/BA10-额内侧回；BA39-角回；BA31-扣带后回在上述比较中更不活跃的脑区是BA46-额中回；BA7/40-顶叶3.3.3结果与讨论结果分析与判断非人化道德难题和非道德难题相比，大脑在判断与人身关系密切的道德难题时与情绪有关的区域明显变得更活跃与工作记忆有关的区域活跃程度明显降低本研究揭示了道德判断的脑生理心理机制一些道德两难事件（如天桥难题）中情绪加工参与的程度可能高于其他道德两难事件（如电车难题）在类天桥难题中，把某人直接推向死亡产生了显著的情绪反应，这些情绪参与影响了人们的判断结论道德判断并不是纯理性的