行为神经学导论

Neuroscience

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Summary

行为神经学是研究神经系统如何引导行为,以及大脑的各种功能区和网络如何与特定行为和相关疾病状态相互关联。 该领域的研究人员运用多种实验方法进行研究,包括从复杂的动物训练技术到在人体实验对象伤进行的精细的成像实验。

本短片首先回顾了对大脑控制行为的现有知识做出贡献的一些主要历史里程碑事件。然后介绍了行为神经科学家所问的一些基本问题,其中涉及到研究神经关联,或特定的脑区,它们被激活后会引起某项功能。接下来讨论了利用人类和动物研究对象来回答这些问题的主要方法,如操作性条件反射和脑功能成像。最后展示了这些技术的实验室应用,包括用斯金纳箱训练动物,和利用脑电图来探讨人类的神经系统疾病。

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JoVE Science Education Database. 神经科学的基本知识. 行为神经学导论. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

行为神经学是研究神经系统如何引导人类和动物行为的学科。

该领域的研究人员运用多种方法,从动物训练技术到神经影像学实验,来研究大脑的功能区和网络如何与特定行为和相关疾病状态相互关联。

本短片将回顾行为神经学简史,讨论这一领域的研究人员所问的核心问题,概述用来回答这些问题的一些重要方法,并让我们初步认识在今天的行为神经学实验室中进行的实验种类。

让我们先来回顾行为神经学史上的一些重大里程碑事件。在古希腊时期,希波克拉底和他的追随者最早相信大脑控制人的思想。

之后在1662年,笛卡尔创建了第一个描述大脑如何控制行为的模型之一- 他认为灵魂通过松果体控制身体。

接下来的几个世纪出现了大量证据表明,笛卡尔是错误的。

例如,在1848年,铁路工头菲尼亚斯·盖奇遭遇事故,被铁棒戳穿了头骨。他活了下来,但表现出严重的性格变化,这表明破坏额叶对行为产生深远的影响。

之后,在19世纪后期,保罗·布洛卡和卡尔·韦尼克研究那些失去了阅读和/或说话能力的病人,发现了负责语言的大脑区域,就是现在所知的布洛卡和韦尼克区。

后来,在1890年,威廉·詹姆斯宣称,心理学应该通过生物学进行研究,之后出现了许多行为改变的重大发现。在20世纪30年代,根据詹姆斯的建议,斯金纳开发出被称为斯金纳箱的装置,它在现在仍然被用来研究处罚和奖励是如何可以增强动物行为的。

然后,在20世纪后期,出现了先进的神经成像技术,比如磁共振成像MRI。1990年,小川诚二开发了现在用于功能性磁共振成像的方法,该方法彻底改变了神经科学领域,它使得研究人员能够看到在简单的认知任务中大脑随时间的活动。

现在,我们已经讨论了行为神经学史上的一些重大事件,让我们来回顾一下今天的神经生物学家所问的一些基本问题。这些问题都涉及研究神经关联,或特定的脑区,它们被激活后会引起某项功能。

例如,对神经系统控制运动感兴趣的科学家可能研究控制平衡和协调的机制。虽然我们已经确定这些功能被定位到主运动皮层,前运动皮质,小脑和黑质中,科学家们仍在研究各区域之内和之间的环路是如何导致运动产生。

此外,研究人员还可能研究神经系统如何对刺激作出评估,并根据这些刺激指导行为。在这里,研究人员可能想知道不同类型的奖励如何影响动物的行为。了解何时以及为什么某些奖励有激励作用可以帮助我们解决类似成瘾的问题。

与激励和奖励相关的神经是边缘系统和腹侧被盖区。

其他行为神经科学家研究神经系统如何帮助学习和记忆的形成。例如,有人可能研究大脑如何创建和保持与恐惧刺激相关的记忆,这对创伤后应激障碍的治疗很重要。

这些功能通常被定位到海马和杏仁核。

其他的核心问题集中在高级认知过程,如面部识别。在这里,研究人员可能研究实验对象对熟悉和新鲜的面孔是如何反应的。

在人类中,与特异性人脸识别相关的神经组织是位于梭状回的梭状回面孔区。

现在,我们已经回顾了行为神经科学家所问的一些核心问题,让我们深入探讨试图回答这些问题时所使用的重要方法。该领域中的许多方法涉及动物的行为学实验,为了研究神经生物学和行为之间的联系,要先对某些脑区进行操作之后才开始这些行为学实验。

要在动物上研究某些类似运动的过程,需要用到一些特殊的设备,如旋转杆,它是一个不断旋转的杆子,需要动物不断地运动以避免从杆子上摔下来;或使用腔室,需要动物抓到食物来测试它们的灵巧性。

涉及行为改变的方法包括操作性条件反射研究,可使用斯金纳箱进行自我给药实验,该实验会用到奖励或厌恶刺激,如食物或药物。

研究学习和记忆的方法通常利用迷宫,如T形臂或Morris水迷宫,装置中的动物需要寻找并记住通向装置出口的路径。

随着研究行为的复杂性的增加,我们确实需要用到人体做实验。例如,对研究高级认知过程如语言学习,可能会用到通过头皮测量神经活动的方法,如脑电图,它可以在实验对象执行某特定认知任务时进行使用。

功能性成像方法也被用来研究人类的认知,如功能性磁共振成像fMRI。这种方法测量的信号,与血液流动相关,并且可以反过来关联到与任务相关的神经元的激活,从而产生激活大脑区域的统计图。

现在,我们已经讨论了一些在行为神经学中应用的重要方法,让我们一起来看看这些技术的一些应用。

在这个实验中,一只小鼠被教导反复按斯金纳箱的杠杆会得到食物奖励。然后我们用神经活性物质如荷尔蒙利普丁,来处理这只动物,评估大脑活动产生的变化是如何影响动物获得食物的动机。

在人类中,功能性磁共振成像常被用来研究高级认知过程,如决策过程。

在这项研究中,参与者在功能性磁共振成像扫描过程中被要求决定圆点的图案是快速移动还是缓慢移动。

脑电图EEG,是一种无创伤性技术,可以用于研究一些疾病状态,如老年痴呆症和阿尔茨海默氏病。在这些实验中,参与者在头皮上佩戴上非侵入型电极以测量大脑在执行某个功能时的电活动。分析可能发现与神经或精神疾病相关的异常电模式。

您刚观看的是JoVE对行为神经学的介绍。我们回顾了这一研究领域的简史,概述了一些核心问题,讨论了用来回答这些问题的一些重要方法,并探讨了这些方法的一些具体应用。

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