認知科學：導論/神經科學方法

大腦的結構

儘管它只佔我們身體質量的不到 2%，但人腦卻消耗了人體 20% 的能量預算——每天大約相當於 3 根香蕉的能量。但這並不是全部。這是一個真正的能量限制，這意味著在任何給定時間，只有 1% 的神經元可以處於活躍狀態。

利用神經科學幫助我們理解思維

觀察大腦如何運作是幫助理解思維的重要方法。心理學通常使用行為實驗來理解思維，而神經科學提供了多種方法來觀察大腦，這些方法限制了我們的理論。腦科學已在許多方面促進了我們對思維的理解，包括區分短期記憶和長期記憶、情景記憶和語義記憶以及隱式記憶和顯式記憶。

成像

許多腦部研究檢查神經元的活動。這通常透過成像完成。大多數腦部成像顯示大腦消耗——氧氣或葡萄糖。假設是消耗率表明大腦中的資訊處理。

磁共振成像 (MRI)

人體中許多原子是氫原子。這些原子中的每一個的單個質子就像一個小指南針。MRI 產生一個磁場。無線電波使質子失去排列，當它們恢復到正確方向時，它們會釋放一個無線電波訊號，該訊號可以在身體外部測量。這種波可以被解釋以找出身體或大腦中組織的三維結構，因為不同組織中的原子以不同的速度排列。

MRI 用於描述大腦（或其他組織）的物理結構，而不是其隨時間的處理過程。但是，它可以看到大腦結構之間的連線。使用稱為擴散加權成像的技術，科學家可以追蹤水分子方向以檢視神經纖維方向，並瞭解大腦網路的設定。

功能性磁共振成像 (fMRI)

大約在 1990 年，小川誠二及其同事發明了一種無需開顱或注射即可研究大腦活動的方法。

活躍的細胞，無論它們位於身體的哪個部位，都會消耗更多的血液中的氧氣。富含氧氣的血液與貧氧血液具有不同的磁性，因此使用強大的磁鐵，您可以觀察哪些細胞正在努力工作，哪些細胞工作量較少。fMRI 機器就是這麼做的。研究人員通常要求某人執行一些任務或觀察一些刺激，而 fMRI 則記錄大腦活動，假設最努力工作（消耗最多氧氣）的大腦部位正在執行任務。這被稱為血氧水平依賴 (BOLD) 測量。

fMRI 以其良好的空間解析度而聞名：它可以找出精確的位置（在一到兩毫米以內）。但它在時間解析度方面並不出色：獲得影像需要幾秒鐘，因為血液流向大腦結構需要幾秒鐘。EEG（見下文）具有相反的特點（時間解析度好，空間解析度差）。一些心理事件太快了，fMRI 無法捕捉到。

其中一個問題是，整個大腦一直在活動。因此，他們必須使用一種應該無關的“減法任務”。他們將一個任務的活動從另一個任務中減去，然後觀察差異。

大腦對映

人們也在努力繪製大腦中的神經元。所有神經元及其連線的表示被稱為連線組。連線組已完成兩種非常小的物種：秀麗隱杆線蟲（一種只有 302 個神經元的蠕蟲）和海洋生物海鞘。

但人腦極其複雜，大約有 1000 億個神經元，這大約是銀河系中恆星的數量。這些神經元有 1,000,000,000,000,000（即 10^15）個連線。如果 2019 年的十幾臺顯微鏡晝夜不停地工作，則需要數千年才能繪製一個大腦。

挑戰的一部分是，追蹤神經元連線必須手動完成，檢視影像。計算機視覺演算法在自動化這方面越來越好，但截至 2019 年，它們仍然需要人工檢查。

連線組的價值存在爭議。有些人認為它過於詳細，需要更抽象的組織原則。另一些人認為它不夠詳細，我們需要生成一個突觸組，它包含連線組的所有內容，但也包含有關突觸性質的資訊，例如存在哪些神經遞質受體。

腦電圖 (EEG)

在腦電圖中，測量電活動的電極連線到頭皮。發射的神經元會釋放帶電粒子，從而產生電流。就像從電源插座中流出的電流一樣，大腦電流也有電氣週期。

腦電圖（EEG）測量了大腦中的這種振盪活動。這種有節奏的活動被分解成“波段”。這些似乎對大腦協調和自我溝通至關重要。低頻通訊利於更長距離（在大腦中）的同步，而高頻更精確，用於區域性。^[7]

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

在清醒放鬆狀態下，你會看到很多α波。當你集中注意力或解決問題時，你會得到更多的β波，而δ波在睡眠或冥想時出現。

在典型的腦電圖實驗中，會呈現一些刺激，然後測量誘發電位（EPs，或事件相關電位，或ERPs）。它們要麼是正的，要麼是負的（取決於波的極性）。然而，環境和其他無關的大腦過程會產生很多噪聲。由於噪聲是隨機的，可以透過進行多次試驗並對結果進行平均來消除噪聲。噪聲會相互抵消。^[7]

P300

P300成分是在呈現令人驚訝的刺激後往往發生的事情。科學家可以透過尋找P300來檢視參與者的思維是否對某些事物沒有預期。它往往在刺激呈現後大約300毫秒出現，但這種延遲的長度被解釋為思維對刺激進行分類的速度。P300的振幅被解釋為對記憶更新發生時分配的注意力資源的估計。^[7]