認知科學與認知藥理學（簡體書）

認知，這一古老問題早在古希臘就有一批哲學先賢對其進行了大量研究和臆測。 然而，人們真正在科學意義上探索心智與大腦的關係則始於近代。雖然認知活動源於大腦對外界信息的全面感知，但是由於受信息存儲和處理能力的限制，我們的大腦往往需要選擇性地對重要信息進行存儲、加工直至做出決定來解決問題。這些特點決定了認知過程是包括多層次、多形式的高級腦功能活動，其中既包括如知覺、意識、注意、學習、記憶、思維、判斷、概念、語言等這些心理學或神經科學範疇的腦功能活動，同時也包括像快樂、自信、恐懼、冷漠等情緒活動。情緒既可以驅動和引導行為，也可以調節人的認知過程和行為。另外，意識是大腦本身具有的本能或一種功能狀態，通常是源於多個腦結構，協調整合多方面外界信息的。意識狀態可呈現不同層次：有意識與非意識，顯意識與潛意識。創造性思維常寓於潛意識中。在行為活動水準上，大腦對輸入刺激做出回饋的行為反應可以表現為機體功能的改變和/或外顯行為的出現。
當前認知研究方興未艾，其廣度和深度都在不斷擴展。從認知神經科學的角度，它涵蓋如物體識別，特別是視覺、聽覺與記憶之間的關係；知覺刺激的轉化與編碼；信號轉導系統中的第一信使至第五信使以及神經環路和神經網絡；中樞神經系統可塑性，如腦皮質感覺、運動和結構可塑性，突觸可塑性和神經細胞可塑性等。從社會學的角度，它包括對自我知覺、自我意識、對他人的知覺、認知偏見、情景效應等方面的研究。 從人工智能學的角度，它又包括運用機器研究表徵、算法，進行計算機造模，制定人工智能等。 如果我們把納米技術、生物技術、信息技術與認知科學融合發展，就可以在如何（how）、為何（why）、何處（where）、何時（when）4個層次上來理解思維活動。另外,從認知研究的深度來看，我們也確實在很多方面取得了很大進展甚至突破。然而，無可否認的是，我們在回答很多重要問題時仍然面臨重大挑戰，知之甚少甚至不得而知。例如，大腦內有上千億個神經元和上萬億個膠質細胞，它們是相互協作，共同產生不同意識的，還是分成若幹小群體，分別產生記憶的？又如，八九十歲老人仍能清楚地記得兒時某些事情的細節，其實，他身體裡的組織、細胞已更新了幾千次、幾萬次，乃至幾百萬次了，記憶痕跡究竟藏匿在哪裡？雖然人類智能可以說是無比強大的，但就人類的個體來說，其大腦潛能的開發和利用大概只有十分之一二。如何才能更大限度地開發和利用人腦的潛能是一個十分有趣和重要的問題。另外，聰明人或所謂天才的腦袋是什麼樣的，哪些腦結構、哪些腦物質、什麼樣的信號轉導途徑才是決定聰明人大腦功能活動至為重要的關鍵因素呢？如此等等的許多重要問題等待我們去回答。 總之，認知問題的高深複雜決定了其研究的任重道遠。欲徹底闡明認知過程與調控機制，來實現人類利用自己智能的最大化，恐怕還需要幾代人的不懈努力。
國內外已出版大量認知科學的有關著作，本書與已出版的著作相比，有以下幾個特點。
第一個特點，相對於以往的出版物（包括教科書）一致認為，組成認知科學的6個支撐學科是哲學、心理學、神經科學、語言學、人類學和計算機科學，本書首次提出藥理學應成為認知科學的重要組成學科。藥理學的發展和分支學科的形成，使之不僅成為藥學學科間的橋樑，同時也是基礎與臨床學科間的橋樑。學科的性質和任務決定了它是認知科學基礎、臨床和藥物研究不可或缺的重要學科。從歷史地角度看，近代生理學與藥理學同步發展使得藥理學已融入認知科學，並作出重要貢獻。如藥理學裡的受體學說，不但是指導藥理學的重要學說，也是生物學、基礎醫學和臨床醫學各學科包括認知科學的共同的理論基礎。再如，神經突觸傳遞研究方面，20世紀30年代曾有過一場突觸傳遞是化學傳遞還是電傳遞的長期爭論。以Eccles為代表的生理學家，由於知道神經細胞在神經軸突上的傳導是電性質的，因而認為突觸傳遞是電流由突觸前膜擴展到突觸後膜的結果；但以Dale為代表的藥理學家，由於看到很多藥物不影響電傳導但影響突觸傳遞過程，因而推測有一種化學仲介物，即神經遞質，由突觸前末梢釋放出來並作用於突觸後結構,從而起作用。後來大量的研究終於證實多數神經突觸過程主要是化學傳遞的，但也有少量電傳遞存在。
第二個特點，本書第一次充滿信心地提出關注和開發提高正常智能的藥物，國際上稱之聰明藥（smart drug）。人類的智能已發展到很高水準，人類改造世界的本領已達到登峰造極的地步。但對人類的個體來說，其大腦潛力仍有十分之八九未被利用。許多研究已證明，通過不斷的學習與訓練，反復強化，或置身於豐富環境，接受更多信息的刺激可增加認知水準。那麼，藥物是否也有同樣的作用呢？另外，神經退行性疾病以及造成認知障礙的其他疾病日漸增多，因此開發改善認知功能障礙藥是必要的。但認知障礙的患者只占人類總人口數的極少數，絕大多數人認知功能是正常或基本正常的。所以從這個角度來看，找到能提高正常智能的藥物以提高健康人的聰明和能力，其意義與研發改善認知功能障礙藥的意義同樣重大。20世紀70年代初期，歐洲一批學者寄希望於吡拉西坦（Piracetam）, 認為它是能夠促智的藥物， 但後來進一步研究證明事與願違。我們的研究發現，中藥補益藥人參及其皂苷成分可提高正常大、小鼠的學習能力和突觸可塑性、促進神經發育，作用機制的研究證明人參皂苷Rg1可促進神經發生（neurogenesis）並轉化為神經細胞和突觸新生（synaptogenesis）。這為開發提高正常智能的藥物帶來了希望。
第三個特點，本書撰寫了認知與神經遞質、認知與激素、認知與基因以及認知與表觀遺傳學（非編碼RNA、DNA甲基化、組蛋白共價修飾系統構成蛋白密碼等）等4章內容，旨在為認知科學中認知的啟動、認知活動的過程及信息的傳輸、加工提供物質基礎。生命過程的調控與個體內源性活性物質的存在和變化息息相關。從胚胎形成到出生後的生長、發育，認知功能、性功能的形成，神經的傳導，信息的傳遞，系統的成熟和行使功能無不與內源性物質密切相關。神經遞質、神經調質及其受體，激素，蛋白質，基因以及非編碼RNA在體內種類多、分佈廣、生物活性強，是認知活動的物質基礎。 因此，對這些問題的研究必將為推動認知科學的發展發揮重要的作用。
第四個特點，本書牽涉情緒智能的內容。為此我們邀請美國著名心理學家新罕布夏大學的John D. Mayer博士以及耶魯大學的David R.Caruso和Peter Salovey 博士合寫了有關情緒智能（情商）一章以饗讀者。
最後一個特點是我們為本書撰寫了3章介紹有關認知評價的方法，分別為實驗室動物實驗、臨床人體試驗和藥物研究有關認知評價的技術方法與模型。在認知科學的基礎、臨床和藥物研究中，認知評價十分重要。 這是因為它影響到結果和結論的準確性和可靠性。近年來，認知評價和認知藥物研究中所用的技術方法已從行為學和電生理技術擴展到儀器檢測，從而實現認知評價的客觀化，避免主觀意識和非特異性因素的幹擾，力求做到認知活動直觀、可視，既能定性，又能定量。鑒於藥理學工作者在認知評價所建立的技術方法和模型上有豐富的實踐經驗，為此，我們特意邀請有關作者編寫這些章節供讀者參考。
本書可作為從事認知科學、認知神經科學、認知藥理學等的研究人員，臨床醫師，相關專業研究生和大學高年級學生以及對認知科學感興趣的廣大讀者的參考書。
參加本書編寫的作者均系從事認知研究多年，卓有成就的教授或博士，化學工業出版社對本書十分重視，並在許多方面熱情指導，協助良多。在此書即將付梓時，表示由衷的感謝。
限於水準和撰寫時間倉促，本書內容尚不全面，不夠深入，錯誤在所難免，懇請讀者批評指正。

張均田
劉少林
2019年6月於北京

第一章認知科學概述1
第一節認知科學的形成和發展的歷史1
第二節認知科學的內涵及主要學科3
第三節認知的熱點研究領域5
第四節認知的神經學基礎12
第五節認知功能評價系統有關的實驗技術和方法18
參考文獻21

第二章認知藥理學概述22
第一節認知藥理學形成的主要依據與歷史貢獻22
第二節認知藥理學的主要任務和研究取向28
第三節結語31
參考文獻31

第三章認知與神經遞質33
第一節引言33
第二節神經遞質釋放的核心機制——SNARE複合物34
第三節乙醯膽鹼與認知功能36
第四節多巴胺與認知功能38
第五節谷氨酸與認知功能40
第六節γ-氨基丁酸與認知功能42
第七節去甲腎上腺素與認知功能43
第八節5-羥色胺與認知功能45
第九節組胺與認知功能46
第十節神經遞質及其受體的測定技術46
參考文獻65

第四章認知與激素66
第一節腎上腺皮質激素與認知功能66
第二節性激素與認知功能69
第三節胰島素與認知功能76
第四節神經肽與認知功能81
第五節甲狀腺激素、生長激素與認知功能85
第六節褪黑素與認知功能89
第七節外源性甾體物質與認知功能92
參考文獻97

第五章認知與基因101
第一節活力依賴的轉錄因數在認知功能中的作用101
第二節神經元活動介導的基因表達在學習記憶中的作用107
第三節NMDA受體與認知功能108
第四節Sirtuin與記憶110
第五節認知功能基因調控的研究前景與展望112
第六節基因相關技術方法研究發展112
參考文獻123

第六章認知與情緒126
第一節情緒智能的七大原則126
第二節四岔分枝模型：原始模型及修訂129
第三節討論135
第四節結語136
致謝和聲明136
參考文獻136

第七章認知與表觀遺傳學140
第一節認知過程中的表觀遺傳學140
第二節認知過程中的表觀遺傳學機制149
第三節表觀遺傳學與衰老155
第四節表觀遺傳學與神經退行性疾病157
第五節表觀遺傳調控與記憶、認知障礙159
第六節表觀遺傳治療160
第七節表觀遺傳學技術162
參考文獻168

第八章認知與突觸可塑性170
第一節引言170
第二節胞內鈣離子171
第三節興奮性谷氨酸受體173
第四節蛋白質磷酸化與脫磷酸化178
第五節突觸可塑性的神經營養因數學說183
第六節樹突內蛋白質合成184
第七節神經精神障礙與突觸可塑性185
第八節突觸可塑性與促智藥物的研究190
參考文獻193

第九章認知評價與研究的技術方法200
第一節大腦局域損傷200
第二節行為學方法202
第三節影像學技術208
第四節電生理學技術211
第五節光遺傳學技術221
參考文獻225

第十章認知藥物的臨床評價229
第一節概述229
第二節認知藥物的臨床藥動學評價232
第三節認知藥物的臨床藥效學評價234
第四節認知藥物的臨床風險獲益/安全性評價242
第五節促智藥物在健康人群中提升記憶功能的評價方法245
參考文獻249

第十一章認知藥物研究有關的主要方法與模型252
第一節行為藥理實驗方法與技術252
第二節學習記憶的電生理研究方法——突觸傳遞長時程增強(LTP)現象259
第三節圖像可視化技術在認知藥理學研究中的應用264
第四節認知科學探測與可視化技術280
第五節光遺傳學技術308
參考文獻313

第十二章改善認知障礙藥物和促智藥的研究現狀316
第一節用於阿爾茨海默病治療的藥物316
第二節臨床應用的促智藥322
第三節討論和總結337
參考文獻337

第十三章認知科學研究展望341
第一節認知科學基礎研究341
第二節促智信號轉導途徑的研究344
第三節認知的基因調控344
第四節開發兩類認知藥物的研究思路和治療策略346
第五節優化認知研究有關技術、方法、模型的展望349
參考文獻354