心理与教育科学研究的物理与化学技术

随着现代科学技术的发展与学科间的融合，越来越多的自然科学技术被应用于心理与教育科学研究之中，对推动心理与教育科学的发展起到了重要作用。本节简要介绍几种用于研究大脑的物理与化学技术。

一、心理与教育研究中的物理技术

随着心理与教育科学研究的深入探讨，研究心理活动的生理机制越来越显得重要。如何在自然状态下观察人脑内部活动成为研究脑活动的重要技术问题，现代科技的发展为解决这个问题提供了方法，主要有计算机轴断层扫描、正电子放射断层扫描术和核磁共振扫描。

（一）计算机轴断层扫描

计算机轴断层扫描（或计算机轴断层摄相术）（computerized axial tomography，简称CAT）是将X光照相和计算机处理方法结合起来观察活脑的组织病变的技术。使用时将病人的头安置在一个大的圆形仪器中，其中装有X射线管。在头的另一边，正对着X射线管有一个X光检测器。通过病人脑的X射线量由检测器测定。X射线管和检测器可以在圆圈内移动。如开始时，X射线管和检测器的连线可以通过脑的正中线。透射一次后，向左或向右移动几度再透射一次。如此连续地在一个平面上移动和透射多次，可以将这一个平面上的各个角度透射的检测结果输入计算机处理，得到整个平面的图像。然后向上或向下移动圆圈，以同样的方法扫描另一平面的脑组织。因为正常的组织和病变的组织对X光的吸收量是不同的，所以在相片上可以看到如脑瘤、血栓、脑积水和多发性硬化溃变的区域的影子，查明病变的位置范围。这对脑神经心理学家研究脑的局部损伤和行为及心理障碍的关系是极其有用的。

（二）正电子放射断层扫描术

正电子放射断层扫描术（positron emission tomography，简称PET），这是研究脑的各个部分代谢活动的一种新技术。先给病人注射经过加速器处理后能放射正电子的、可被神经细胞吸收的物质（如2-脱氧葡萄糖），然后把病人的头置于正电子放射检测器中一个一个平面地扫描。扫描的结果经计算机处理制成各个平面的断层面图。可以看到所注射的放射物质在脑的某些区域被吸收的多寡。此种技术可用来研究人们在进行各种心理加工时脑的某些部分某种物质的代谢情况。

目前，正电子放射断层扫描术不仅在判断癫痫、精神分裂症、帕金森氏病、脑肿瘤等脑疾患方面发挥了重要作用，而且根据脑功能失调与葡萄糖消耗量下降程度之间的关系，在大脑功能定位方面也起到了重要作用。

（三）核磁共振扫描

核磁共振扫描（nuclear magnetic resonance scanning，简称NMR）是利用某些物质的原子核在强磁场中向一定方向旋转而发生射频波的原理，来研究脑工作时脑内物质变化的技术。如用一种射电频率的波通过脑时，脑内的某些物质的原子核就会发射出自己的射频波。不同的分子发射的频率不同。可以使核磁共振扫描与已知的某种分子（例如氢分子或氧分子）的波频调谐，以检测该种物质在脑进行某种工作时，在脑各部分的集中情况。这种扫描的信息也需要通过计算机分析制成脑的层面图像。

二、心理与教育研究中的化学技术

人脑不仅具有电信号系统，而且具有化学信号系统。从20世纪60年代起，脑功能的研究扩大到化学过程方面。因此，20世纪60年代以来，脑化学的研究取得了重要进展。早期的研究着眼于神经组织的化学分析，以后集中于神经结构的物质代谢方面。随着分子生物学的发展和神经科学的引入，脑的化学研究进入了分子与功能神经生物化学时期。大脑化学研究的方法与技术是多种多样的，兹举三例加以说明。

（一）脑血流图

当脑内某一区域的神经活动增强时，必然伴随代谢率和血流量的增加。因此，脑血流图（brain blood vessel flow gram）通过测量单位时间内的血流量就可以反映出神经元的活动水平。将同位素氙注入人的颈内动脉，在头部放置大量闪烁探测器，检测在不同活动状态下大脑半球各个区域在单位时间内的放射性同位素的密度，以电子计算机进行信息处理，用彩色监视器显示不同的血流量水平，以确定各个区域的血流量图景。已有的研究发现，不同的心理活动，如感知、随意运动、说话、心算等，脑的不同部位血流量的变化是不同的，但前额叶的血流量均有增加，表明前额叶在脑的各种机能活动中，特别是在思维活动中有重要作用。而某些精神病患者的区域脑血流图在安静时显示出异常。

（二）2-脱氧葡萄糖法

从理论上讲，葡萄糖是脑组织的燃料，其利用率可反映脑细胞能量代谢的速度，因此用同位素标记葡萄糖可测定脑细胞的代谢强度。但是，葡萄糖的生物半衰期过短，不适用于放射显影技术。而葡萄糖的类似物2-脱氧葡萄糖具有独特的生化性质，它在用同位素标记后，可用来测定局部脑组织的代谢强度，因此也就有了2-脱氧葡萄糖法。之所以称之为2-脱氧葡萄糖法（2-deoxyglucose method），是由这种葡萄糖类似物的结构特点所决定的。2-脱氧葡萄糖是葡萄糖第2位碳上的OH基被H置换，即脱去一个氧原子，但它在体内可以和葡萄糖经同样的转运系统通过血脑屏障和细胞膜，并和脑中葡萄糖一样经过第一步的分解，但它不能继续分解，而代谢的中间产物便在细胞内较长期积聚起来。在葡萄糖代谢平衡的情况下，其积聚量大致与该部位葡萄糖的消耗量相平行。因此，用同位素标记2-脱氧葡萄糖可测定脑细胞葡萄糖的消耗率，从而精确地了解脑细胞能量代谢的速率。

（三）测量中枢神经递质

一般认为，人体一切复杂的机能活动是由神经-体液调节的，并通过各种特定的化学物质进行信息传递。当某一神经元受到外来刺激的时候，由于突触后膜缺乏电兴奋性，因此，突触前膜的电变化不能直接传递至后膜。必须以某种化学物质为中介，才能将信息传递至后膜。这种起传递作用的中介物质，通常称为神经递质（或神经介质）（neurotransmitter）。

神经递质是多种多样的，现已发现30余种。按分子结构的不同，可将递质分为：（1）胆碱类，如乙酰胆碱；（2）单胺类，如多巴胺、去甲肾上腺素、肾上腺素、5-羟色胺；（3）氨基酸类，如y-氨基丁酸、谷氨酸、甘氨酸；（4）肽类，如神经肽。

人的心理活动和行为是以大脑为生理基础的，而神经突触和神经递质又是大脑活动的关键环节。已有研究发现，人的睡眠、情绪、行为的引发与维持、学习记忆等都与特定的神经递质有关。因此，测量神经递质对于揭示心理活动的生理机制是非常有意义的。尽管神经递质含量极微，但科学家还是创造了一些方法来对其进行测定。例如，特殊染色方法和标记技术，其基本原理是将天然递质转变为荧光衍生物，在荧光显微镜下经紫外线照射发出荧光，或将放射性同位素标记的递质分子注入动物脑内，被释放这种递质的神经末梢选择性摄取，然后用放射自显影方法显示含放射性物质的神经末梢，以确定分泌该种递质的神经元。