脑科学科普 | 揭秘脑认知的神经基础

2025年01月04日更新

人有发达的自我认知、逻辑推演、意识、语言等能力。认知能力，决定了个人的人生轨迹、自我价值实现乃至对社会的贡献。所有认知行为都是由神经细胞的功能来决定，其神经基础是脑科学的核心问题，也是人类认识自身的挑战。神经科学已经揭示了认知行为神经基础的一些基本原理：不同认知行为是由脑内不同的神经环路负责，需要各脑区内的局部神经环路与脑区间长程神经环路的协同工作。学习与记忆是许多认知功能的必要基础，这是由神经细胞之间突触联结的强度与结构的可塑性介导；神经调质(例如多巴胺)可以在多个尺度上调节神经网络的活动与可塑性，从而调控认知行为。本次聚焦在感知觉、学习与记忆方面，对认知功能的神经基础进行解析。

感知觉

感觉(Sensation)是人脑对直接作用于感受器的客观事物个别属性的识别。知觉(Perception)是大脑对直接作用于感觉器官的客观事物整体属性的反映，也是认识世界的前提。视听感知视觉和听觉是人*主要的两种感觉系统。人对外界信息以及知识的获取主要通过视觉系统来实现；人与人之间的交流则主要通过听觉系统和语言系统来完成。视觉

视觉通路起始于眼球的视网膜。视杆细胞和视锥细胞将光强和颜色信息转变成电信号后，由视神经经外侧膝状体投射到初级视皮层，再经腹侧通路和背侧通路传递到高级脑区。腹侧通路常被称为“内容通路”(“What”Pathway)，参与物体识别，例如面孔识别。背侧通路常被称为“空间通路”(“Where”Pathway)，参与处理物体的空间位置信息以及相关的运动控制。视知觉的产生，不仅依赖于由下至上(Bottom．up)的信息传递，也依赖于由上至下(Top．down)的调节。听觉

在听觉方面，内耳的听小毛将声波转变成电信号，然后耳蜗将不同频率的声波信号进行分离，经过听觉神经通路将声音信号按照频率分布传递到初级听皮层，然后再向高级脑中枢传递。听觉系统不仅要识别声音的3种基本特性：响度、音调和音色，更重要的是要识别声音的复杂模式。感知觉的信息处理常包含了对特殊信息的注意。空间感知人可以借助多种感觉系统来实现空间感知。视觉系统不仅可以判别物体在视野中上下左右的位置，亦可通过双眼视差的信息来感知物体在空间中深度上的位置(图1)。

与此类似，听觉系统亦可以通过双耳听觉的机制来判断声音在三维空间中的来源方位。除了视听系统，前庭系统亦在空间感知方面发挥重要作用，具体包括调整自身在空间中的平衡状态和指导机体在空间中的运动路径。多模态感知整合我们试想一个场景：一个人用手指指向一只正在发出叫声的猫。那么他的视觉系统所看到的信息，听觉系统所听到的信息，以及本体感觉(手指)所获取的信息，都同时指向一个物体——那只猫。人类生活在一个丰富多彩的世界中，时刻接受外界的各种信息。这些信息有时是一致的，有时是相互矛盾的。注意注意，是大脑几种优势资源优先处理最重要任务的一种能力。注意的功能包括警觉状态的维持、意识的导向以及执行控制等方面。在众多的嘈杂声音中，人们可以排除干扰，挑选出自己想要听的对话。大脑时时刻刻接受不同模态的信息输入，就可能要通过心理资源分配来优先处理其中的某些信息，于是就产生了选择性注意。注意的理论不仅有传统的朝向反射理论和注意的过滤器理论，也有包含Bottom—up和Top—down多层次机制的现代理论。学习与记忆

学习与记忆是人认识世界的基础之一。按照其维持时间的长短，记忆可以分为长时程记忆与T作记忆(短时程记忆)。长时程记忆长时程记忆包括“陈述式记忆”与“非陈述式记忆”。这两类长时程记忆都包括获取、存储、提取、巩固等多个过程。在理论层面，赫波(Hebb)等人创造性地提出神经元之间的突触联结可以被神经元的活动所改变的假说。这一假说被细胞层面的突触可塑性所证明，海马等突触强度会随着神经元活动而变化，即“长时程增强LTP”与“长时程减弱LTD”现象工作记忆大脑需要在线、实时地存储和操作信息，从而在快速变化的环境中作出合理的行为，这一过程就是工作记忆。工作记忆在日常生活中被频繁地使用：简单的比如进行数学心算、凭记忆在手机中输入一个号码；复杂的例如在脑中组织各种信息，从而完成一个项目的规划。工作记忆的能力与智商相关，其缺陷出现在精神分裂症、阿尔兹海默症等多种脑疾病中，而其环路机制是脑科学的关键未知问题之一。工作记忆的一个核心特征是在感觉信息消失之后、行为输出之前，脑内内在环路所产生的神经元活动需要能够实现信息的存储。工作记忆的另一个核心过程是信息的操纵，包括在同时做两个任务时的注意力切换、任务切换、对任务的规划与设计、跟踪任务进程等。这些能力是智能行为的核心过程。文献出处：李澄宇, 杨天明, 顾勇, 等. 脑认知的神经基础[J]. 中国科学院院刊, 2016,31(7):755-764. DOI：10.16418/j.issn.1000-3045.2016.07.004.— E N D —喜欢此内容的人还喜欢学员案例 | 一年级男孩，从*倒数、读写障碍，到现在80多分，主动学习…