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认知神经考研笔记
X射线计算断层成像(X-raycomputedtomography,X-rayCT)
正电子发射断层成像(positronemissiontomography,PET)
磁共振成像(magneticresonanceimaging,MRI)
功能磁共振成像(functionalmagneticresonanceimaging)
事件诱发电位(eventrelatedpotential,ERP)
脑磁图(magnetoencephalography)
理想的脑认知(功能)成像系统应具备以下特点:
双分离(doubledissociation)原理可作为解决这一问题的逻辑前提。
该原理应用于人脑功能研究方面可明确表述为:
若A任务与脑区a的神经活动变化有关,与脑区b无关,而任务B与脑区b的神经活动变化有关,与脑区a无关,则这两个任务存在不同的脑机制。
该原理为我们分离人的复杂心理过程提供了逻辑依据。
第1章磁共振成像
(一)NMR(核磁共振)原理
定义:
它是自旋的原子核(H+)在磁场中与电磁波相互作用的一种物理现象。
1.当具有磁矩的原子核位于恒定磁场中时,将以一定的角速度围绕磁场轴作进动,并最终沿磁场方向趋向。
2.如果垂直于该恒定磁场外加一个弱交变磁场(射频脉冲),且当交变磁场的圆频率和恒定磁场满足一定关系时,核磁矩将会沿着固定轨道绕恒定磁场进动,同时出现能量的最大吸收。
2.NMR物理学基础(魏P215)
原子由原子核(质子、中子)和电子组成。
质子:
带有正电荷,其中氢原子核(H+)不含中子,只有一个质子组成。
氢质子:
(1)有围绕自身轴旋转的本性,称为自旋。
在氢质子的自旋运动中,随之旋转的电荷产生电流,由此产生质子自身的磁性及相应的磁场(核磁)。
每一个质子可以看作一个小磁体,具有自身的南北极向磁矩。
(2)在自然状态下,质子的排列处于无序状态,其极向的朝向是随机的、瞬间即变的。
因此,每一瞬间不同朝向质子的磁矩将互相抵消,物质也不显示磁性。
(3)由于氢为磁化最高的原子核,且氢为人体内含量最多的元素,故MRI中目前只应用氢核(氢质子)成像。
共振:
在MRI中脉冲把能量传递给低能级质子的过程称为“共振”。
(二)MRI原理
利用人体中的氢原子在强磁场类受到脉冲激发后产生的NMR现象(自旋的原子核在磁场中与电磁波相互作用的物理现象),经过空间编码技术,把在NMR过程中所散发的电磁波以及与这些电磁波有关的质子密度、弛豫时间、流动效应等参数接收转换,通过计算机的处理,最后形成图像。
纵向磁化矢量(Mz):
置于外磁场中的人体,可看作一个巨大的质子群,其低能级与高能级质子的磁矩排列方向相反,相互抵消,剩余的一小部分未被抵消的低能级质子的磁矩叠加,形成一个与外磁场方向相同的磁化矢量。
进动:
处于外磁场中的质子,其自旋方式被赋予了特定的物理学性质,即质子的自旋轴沿外磁场轴向成一种陀螺样旋转运动,运动轨迹沿旋转轴的顶点呈一圆锥形。
共振:
在MRI中脉冲把能量传递给低能级质子的过程。
弛豫:
新建立的Mxy逐步消失和原来的Mz逐步恢复的过程
纵向弛豫T1:
Mz恢复到原来大小的过程,该过程中,吸收了RF脉冲能量、跃迁到高能级的质子要把能量传递给周围的晶格,重新成为低能级的质子。
横向弛豫T2:
Mxy逐步消失的过程,该过程中没有能量交换,而是不同质子的进动失去同步、同速,即“失相”。
不同的物质其化学环境不同,将造成T1和T2两个时间常数的差异。
人体的各个组织都有其特有的T1T2,这种组织间弛豫时间的差异是MRI的基础。
利用人体某一点信号的T1T2来确定该点为何组织,从而区别各种组织成像。
1.当质子周围环境(晶格)为纯水时,水分子运动太快,跃迁到高能级的质子较难把能量传递给晶格,因此T1较长;
2.当晶格由中等大小的分子组成时,进动频率接近于质子的频率,能量较易传递,因此T1较短。
3.在强磁场中质子的进动频率较快,把能量传递给进动较慢的晶格较困难,故在强磁场中质子的T1较长。
第2章FMRI
一、原理
将被试放入一个强磁场,测量被试在强磁场中活动时的血液中含氧量的变化(血氧水平依赖信号BOLD),以此来确定神经活动的情况。
1认知过程所引起的神经活动导致大脑某些区域的细胞的代谢增强,有大量的能量消耗,需要额外补充葡萄糖和氧等能量物质。
2从而进一步引起局部脑血流量(regionalcerebralbloodflow,RCBF)增加,补偿代谢活动。
3因此,在增加活动的脑组织中氧合血红蛋白所占的比率要高于基线状态下的水平,含氧量变化引起其磁场发生变化,形成该脑区磁场的不均匀性,这种微观磁场梯度的变化会使磁共振信号增强。
当向被试周期性呈现和去除特定的刺激信息,脑皮层受激发区的磁共振图像信号就会相应的周期性增强与消退
4神经细胞活动的增强会引起局部血流的增加,,由于这些脑区域的血流量和葡萄糖的新陈代谢与该区域神经活动情况存在内在联系,因此,可以通过考察大脑局部血管血流变化及脑血流中血氧含量的变化获的大脑各区域神经细胞都激活情况,并对不同脑区的认知功能进行定位。
fMRI实验依据BOLD原理:
(重点)
1认知活动引起脑组织兴奋时,导致大脑某些区域的细胞的代谢增强,有大量的能量消耗,需要额外补充葡萄糖和氧等能量物质。
从而进一步引起局部脑血流量(regionalcerebralbloodflow,RCBF)增加,其携带的含氧血红蛋白远远超过氧的消耗,因此抗磁性物质也就是含氧血红蛋白的含量增加,从而延长了T2(横向弛豫时间),导致T2加权像的信号增加。
2通过磁共振成像系统采集到的图像上可见到激活脑区的信号强度增加,从而获得激活脑区的功能成像图。
由于使用磁化磁敏感效应进行功能成像,与微循环内血红蛋白的氧合状态有关,这种方法被称为基于血氧水平依赖法(BOLD)的fMRI。
3当向被试周期性呈现和去除特定的刺激信息,脑皮层受激发区的磁共振图像信号就会相应的周期性增强与消退。
二、优缺点
优点:
1信号直接来自脑组织功能性变化,无创性,同一被试可反复参加试验
2可同时提供机能性和结构性的图像
3极高的空间分辨率
4有大量参数供试验者自由控制
缺点:
1不是直接检测神经活动,对神经元代谢的测量,而是检测滞后于神经活动5-8秒的血氧水平依赖信号,故其时间分辨率低于脑电图和脑磁图
2实验环境不适于幽闭恐惧症患者
3扫描过程中的巨大噪声也影响其在听觉研究上的应用
4系统造价高
三、试验设计
(一)组块设计(blockdesign)
基于认知减法范式,特点是以组块的形式呈现刺激,在每一个组块内同一类型的刺激连续、重复呈现。
包括两类刺激,一类是任务(task)刺激、一类是控制(contral)刺激,通过对任务刺激和控制刺激引起的脑局部血氧反应的对比,了解与任务相关的脑结构的活动,常用于功能定位。
优点:
BOLD信号也是通过刺激叠加的方式获得的,因而区块设计往往具有比较高的信号探测能力(统计检验力)
缺点:
1由于刺激不能随机化,多个同类刺激在一起,出现被试的期待或习惯效应,无法根据同一组块内的刺激类型和被试者反应进行选择性处理。
2由于任务刺激时间较长,血氧反应的幅度高,BOLD信号变化较大,任务和控制间的会产生交互作用,有时任务激活阶段影响控制阶段的血氧反应。
开关(ONOFF)试验设计
程序:
1)在开始的前30秒中不显示任何刺激(0FF),在接下了的30秒钟显示刺激(ON),然后再在30秒中不显示任何刺激(0FF),可重复这种开和关交替进行。
(二)事件相关设计(singletrial)
定义:
一次只呈现一个刺激(1.5s),刺激引起血氧水平的变化,BOLD信号逐渐增强,达到峰值后又缓慢回落到基线水平,间隔一段时间(ISI16s左右,以利于BOLD信号降至基线水平)呈现下一个相同或不同刺激;从本质上说,组块设计是事件相关设计的特例,在事件相关设计中,把几个任务刺激的ISI减少到零,就成为组块设计。
另定义:
被试交替进行几个循环的任务作业和对照作业,最后的差异信号来自进行任务作业时的信号减去进行对照作业时的信号,又称为“基线(baseline-任务task刺激”的减法模式。
优点:
1随机化设计,刺激任务与刺激间隔的随机化,可有效地排除组块设计的期待、习惯化效应。
2根据刺激任务类型进行选择性处理
3可以根据被试反应的进行选择性处理
4可提供脑局部活动的反应特点
缺点:
1刺激间隔时间较长时,被试的注意力会有所降低;
2对事件相关设计数据的分析方法还不成熟。
3忽视了持久的、状态相关的成分
(1)慢速呈现事件设计
基本特征:
是刺激呈现的间隔时间(ISI)相对较长,通常在12s或者以上。
Buckner等人最初使用的事件相关实验设计采用的即是单类刺激慢速呈现事件相关设计。
在该实验中,词干补全任务以每(14~16)s一次的频率呈现。
一般认为,单个事件所诱发的典型的OLD信号的持续时间大约在(12~16)s,因此,在慢速事件相关设计里,可以忽略前后刺激所引发的信号叠加,也可以不考虑BOLD信号的饱和与叠加的线性问题。
直接采用时间锁定(time-lock),分离出单个刺激所导致的信号变化。
这种设计方式相对比较直观,也比较容易理解。
缺点:
由于刺激的间隔相对较长,减少了刺激的数量,可能导致个别刺激的差异对整体结果造成较大干扰;另外,由于被试可以在(2~3)s内完成实验任务,在剩余的相对较长的时间内则处于休息状态,研究人员无法控制被试在这期间的其他心理活动,限制了实验研究的准确性。
(2)快速呈现事件相关设计方法
刺激间隔时间被降至2s,甚至1s以下,这就必须要考虑前后两个刺激引发的BOLD信号的叠加和相互干扰等问题。
可以说快速呈现事件相关设计方法是建立在对BOLD信号特点的深入认识的基础上的,这也是其与慢速呈现事件相关设计在原理上的本质差异。
1.血氧水平相关信号(bloodoxygenleveldependentsignal,BOLD)
作用:
神经活动的非直接的间接测量。
血氧水平依赖反应(BOLDresponse):
血液中的氧合血红蛋白的升高,在脑功能成像中所要测量的。
血流动力变化(hemodynamicchange)也被称为相对的激活(activation).
(1)认知过程所引起的神经活动导致大脑某些区域的细胞的代谢增强。
(2)从而进一步引起局部脑血流量(regionalcerebralbloodflow,RCBF)增加,过度补偿代谢活动。
(3)因此,在增加活动的脑组织中氧合血红蛋白所占的比率要高于基线状态下的水平。
(4)氧合血红蛋白具有反磁性,而脱氧血红蛋白具有顺磁性,在磁场出现的情况下,顺磁性物质受到磁化而变成一个小“磁铁”。
这个小磁铁引起磁场的不均匀因而使得信号产生相位差。
(5)相反,相对于激活前,由于在激活的脑区中氧化的血液增加,结果是顺磁性物质的净量减少。
这使得磁场更均匀、由相位差引起的信号损失减少,从而使我们能从激活的脑区中获得更较强的信号。
2.空间特性
空间解析度主要取决于观察域(fieldofview,FOV)、矩阵大小、切片厚度和切片数。
3.时间特性
时间解析度主要取决于:
血流动力反应函数(hemodynamicresponsefunction,HRF).通常我们2-3s(repetitiontime,RT重复时间)采集一卷全脑的图像。
(三)研究问题
脑功能成像的研究对象是系统神经科学。
我们应从网络和系统的角度,而不是从孤立的脑区,来思考和研究我们的问题。
(四)试验设计
脑功能成像的自变量:
我们所操作的任务引起的行为或认知加工过程的变化。
因变量:
脑的某一区域、某一网络或某一系统由于自变量所引起的激活或去激活。
这种激活反映在BOLD信号的上升,而去激活反映在BOLD信号的下降。
减法反应方式:
先定义一个基础的认知活动,然后再定义一个以此为基础的附加的活动。
这两个试验(活动)条件下所引起的脑活动的对比通常被称为“激活”。
Stroop效应:
用有冲突的试验条件所引起的脑活动减去无冲突的一致的试验条件引起的脑活动,而得到由于解决冲突所引起的额外的脑的神经活动。
1.组块设计(blockdesign)
定义:
把相同的条件、事件或试验(测试)放到一个组块中,或者参量性的操作每一个组块的特性。
每一个组块在时间上大约持续30S,组块之间是休息或基线条件组块,同样持续30S,在组块试验设计中,基线条件不应该省去。
(1)基线条件组块功能:
A定义一个统计分析模型的参照点
B矫正FMRI信号的漂移。
在统计分析中,基线条件可作为一个缺省的条件。
2.事件相关设计(event-relateddesign)
定义:
锁定感觉或认知加工事件与血流动力反应的关系。
单独试验设计(singletrialdesign)是事件相关设计的一个特例。
在设计中,每一个试验都在呈现一个刺激后间隔相当长的时间(如24秒),以便测量整个血流动力反应过程。
因而,单独试验设计的时间相关设计具有高的估计效率。
(五)图像采集
功能性磁共振成像试验设备
1)一台磁共振成像扫描系统
2)试验控制系统:
计算机、心理实验软件及程序、刺激呈现设备(LCD投影仪)、被试反应采集设备。
1.安全原则
因磁共振成像系统有强磁场,任何顺磁的金属都可以被极快的速度和极大的冲量吸进这个强磁场。
2.图像扫描
注意事项:
1提醒被试本人在整个试验中尽可能的避免头动。
2采用其它办法来控制头动。
图像采集过程包括
1)定位图像的扫描
2)结构图像的扫描
3)功能图像的扫描
4)高分辨率结构图像扫描
3.常用术语
段(session):
被试每进一次扫描机就是一段,在FMRI试验中,每一段通常包括前面所提到的结构和功能图像的扫描。
在每一段的功能图像中通常包括几个更小的时间段。
(例如每个时间段持续4-10min,在每个时间段内同步启动扫描机和试验任务)这样的小时间段称为一个“运转”。
在每个运转中,扫描几十或几百卷全脑图像。
一套构成一个三维图像的包括多个切片的图像称为“卷”。
这几十或几百卷有时间顺序关系全脑图像称为一个时间序列。
(六)图像分析
1.图像预处理
(1)时间校正
(2)头动校正
(3)结构-功能图像对齐
(4)空间位置标准化
(5)空间滤波
2.统计分析
步骤:
(1)对单个被试的一般性模型分析
(2)根据整个试验样本对总体进行统计推论
四、功能磁共振成像的应用
(一)注意研究
(二)情绪研究
(三)学习与记忆研究
(四)社会认知神经科学研究
(五)未来发展
(一)FMRI在工作记忆中的应用
工作记忆的任务设计常采用短时记忆内容的项目再认研究。
好处:
1.实现实验设计的随机化2.生理情况下更有力的证实工作记忆与相应脑区的关系3.分别直接检测工作记忆各过程的神经功能4检测不同作业类型引发的神经激活的差异。
第3章ERP
一、脑电图EEG
定义:
是来源于突触后电位的、连续的时间电压变化。
是借助电极从头皮连续记录的电活动。
EEG的波幅约为10-100μV。
按周期长短或频率高低可将EEG分为α节律、β节律、γ节律、δ节律、θ节律等。
EEG与人体的意识水平密切相关,当大脑活动增加时EEG节律增高而波幅降低。
二、事件相关脑电位ERP
定义:
是与实际刺激或预期刺激(声、光、电)有固定时间关系的脑反应所形成的一系列脑电波。
这些脑电变化十分微弱,掩埋在自发脑电位中难以观察,但利用诱发电位固定的锁时关系,经过计算机的叠加处理,则可以提取出ERP成分。
ERP的平均叠加:
在反复呈现相同刺激的过程中,与刺激有锁时关系、时间和方向上一致的电位活动逐渐增大,而与刺激无锁时关系的随机的背景电活动则相互抵消,逐渐减小。
电压放大倍数(增益gain):
对异相信号的电压放大倍数,数值用分贝(dB)表示
频带宽度:
任何放大器只能对一定频率范围内的信号进行正常放大,超过其频率范围的信号经过放大器后放大倍数就会降低甚至失真。
放大器的这个频率范围成为频带宽度。
如何消除撤反应的伪迹。
1.延长刺激持续时间,在拟观察的ERP成分出现后,再使刺激消失。
2.缩短刺激时间,在拟观察的ERP成分出现前,使刺激消失
3.使声音刺激逐渐消失而不是突然消失
4.用持续时间长的刺激测出撤反应的潜伏期与波形,从混合的ERP中将其减掉。
5.在观察不同心理条件下同样刺激的差异波时,由于撤反应已被减掉,可以不考虑撤反应。
三、ERP的基本技术
(一)刺激材料与刺激程序
1、刺激物分类
(1)视觉刺激:
自然界存在的所有物体都可能成为视觉刺激
(2)听觉刺激:
纯音、短音、白噪音、语音
刺激参数:
频率:
声音音调的高低(音高)用物体振动的频率大小表示
声压级:
声音的强度,单位用分贝
(3)体感刺激:
人次所能承受的微弱脉冲电流
2、刺激序列
(1)刺激呈现时间
1)刺激呈现时间长度与任务难度成反比
2)当呈现时间短到一定程度,人就不能主观感觉到这个刺激,可利用此特性进行非意识的启动研究。
3)撤反应的现象:
即刺激物消失也能导致ERP波形的微小改变,避免撤反应的措施是将刺激呈现时间适当延长或缩短,而是利用相减的办法。
(2)刺激间隔
(二)脑电数据的采集与记录
1、电极导联
参考电极:
将头皮上的一个电极的电位设置为零。
记录电极:
另外一个或多个电极与参考电极的电位差即是该电极的电位值。
单级导联法:
采用一个公共参考电极与多个记录电极的方法。
为脑电记录常用法
双极导联法:
记录2个点之间的相对电位差。
2、记录电极安放
矢状线:
从鼻根至枕外隆凸的连线,称为中线。
从前往后标出5个记录点。
冠状线:
两外耳道之间的连线。
从左至右5个点。
3、记录参数
(1)分析时间与基线:
根据试验模式和研究目的设定分析时间。
经典的ERP分析多在1000ms之内。
刺激发生前的基线常设为100-200ms。
(2)频带宽度:
使其仅够放大拟研究的ERP信号,落在频带外的噪声与干扰信号则不被放大,达到排除目的。
(3)伪迹的排除与校正:
眼电是最为常见的伪迹,目前多对其校正。
(4)皮肤阻抗≤5欧姆
(5)采样频率与时间分辨率成正比
(三)ERP数据处理与分析
1、波形平均与叠加步骤
2、总平均
3、相减技术
4、波形、测量与统计
(四)脑地形图
(五)源定位分析
(六)主成分分析法
(七)独立成分分析
四、ERP成分
(一)ERP成分与命名
1.按感觉通道:
听觉诱发电位、视觉诱发电位、躯体感觉诱发电位
2.按潜伏期:
早中晚期成分
早期成分:
出现在刺激后的10ms以内,为高频率短纯音产生的脑干诱发电位。
中期成分:
在刺激后10-50ms的范围内产生,可能与头皮肌反射有关。
晚期成分:
P1以后的成分,位于50-500ms,常与心理认知过程有关。
慢波:
在刺激发生500ms以后的一系列变化趋势小而缓的波。
3.按心理学性质
外源性成分:
主要与刺激的物理学性质有关,而与人的心理学过程无关。
内源性成分:
与脑的认知功能有关的主要是晚成分和慢波。
(二)标志性ERP成分
1.伴随性负变化
2.P300
潜伏期为300ms的正波。
具有明显的年龄相关变化。
它是与注意、辨认、决策、记忆等认知功能有关的ERP成分,又称为认知电位。
3.失匹配负波与加工负波
4.N400
反映语义等言语认知加工过程,人脑语言加工脑机制的认识。
5.C1波
6.LRP
第4章PET
原理:
1.把示踪同位素注入人体,它们随血液循环分布至全身。
2.同位素释放出的正电子与脑组织中的电子相遇时,会发生淹灭作用,产生一对方向几乎相反的r射线
3.可以被专门的装置探测到,据此可以得到同位素的位置分布。
作用:
用来测量大脑中的各种活动,葡萄糖代谢、耗氧量、血流量
策略:
在实验条件和对照条件下分别得到一副脑血流像,将两幅图像相减,图中较亮的区域被认为是由该试验因素所激活的脑区。
优点:
无伤害,可重复使用;观测范围不仅脑的表层、还有脑的深层部位。
PET比较灵敏和特异性高。
可以针对不同的研究目的选择不同的显像剂。
缺点:
成像时间长、仍需受放射性物质剂量的限制、造价高
时间的不一致,因为是先注射药物,吸收稳定后显像,所以显像当时获得的结果反应的不是显像当时的情况,而是之前的代谢状态,但是脑电测到的是当时的脑电活动。
时间分辨率:
与晶体、光电倍增管、后续电路以及探测系统设计有关
空间分辨率:
受正电子成像理论及探测技术的制约,如
1.正电子的飞行距离2.电子的费米运动3.点源扩展探测技术上的原因。
还与光电倍增管的性能、探测器设计、采集方法(2D、3D)及重建算法等因素有关。
第5章脑磁图MEG
原理:
大脑工作时,神经细胞形成电流,在头颅外表产生感应磁场,脑磁图通过捕捉这些极微弱的磁信号,可反映大脑内部的神经活动。
;
把通过探测线圈的磁通,经过磁通变换器耦合到SQUID上,由SQUID输出电信号,经电子线路放大、显示,从而是磁场被检测出来。
事件相关磁场(ERFeventrelatedfield)
基本原理
通过记录神经元突触后电位产生电流所形成的脑磁场信号,神经元动作电位沿细胞膜到达突触时,蘘泡中的神经递质释放到突触间隙中,产生突触后电位。
当突触后电位明显大于动作电位时,在单位面积的大脑皮层区域的椎体细胞同步形成神经冲动(汇集成电流),并形成与电流方向呈正切的脑磁场,通过MEG就可以在颅外与电流呈正切的方向能检测到脑磁场信号的强度。
条件:
1具有可靠的磁场屏蔽系统
2处理脑磁场信号时,还需要安装抗外界磁场干扰的软件
3具有灵敏的磁场探测系统
4具有综合信息处理系统
优点:
1.无创性
2.时间分辨率高,与ERP一样小于1毫秒。
3.脑磁场的原定位不受容积导体与颅骨厚度不均、个体差异大的影响,空间分辨率高小于2毫米
4.测量线圈不与头皮接触,避免了逐个电极注射导电膏、消减头皮阻抗之烦,测试准备时间短。
缺点:
1.造价高
2.主要检测的是脑沟神经元的磁场信号,而对其他流向的兴奋源无法探测到。
不够全面
3.同ERP一样是通过偶极子解逆问题定位,不同神经源构成的偶极子可以产生同样的头皮磁场分布,在这个根本问题条件制约下,其空间定位也具有一定的不确定性。
偶极子:
由头皮上已测得的磁场分布来来求脑内产生这些磁场的源,这源通常被假设为电流偶极子。
求偶极子的位置、大小和方向称为脑磁逆问题
超导磁强计由超导量子干涉器件(SQUID)、磁通变换器和电子线路组成,原理是把通过探测线圈的磁通过磁通变换器耦合到SQUID上,由SQUID输出电信号,经电子线路放大、显示,从而使磁场被检测出来。
磁通变换器和电子线路还起到抑制噪声作用,以提高最终输出分析信号的信噪比。
第6章经颅磁刺激TMS
定义:
(transcranialmagneticstimulation)以无痛产生感应性电流来激活皮层,从而改变大脑内的生理过程,包括影响头皮脑电图、脑磁图以及PETFMRI成像检测的皮层下血液动力学变化。
通过改变TMS的参数可以观测不同的生理和心理效应。
包括三种模型:
单脉冲、双脉冲、重复脉冲。
第7章记忆过程及其脑机制
一、记忆的过程
编码至
感觉记忆短时记忆长时记忆
(获得性记忆)(工作记忆)至取提
记忆不是一个单一的机制,而是由不同记忆功能组成的心理活动
延缓反应任务(delayedresponsetask):
暗示期、延缓期、反应期
眼
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- 认知 神经 考研 笔记