为了研究心理活动的生理机制，生理心理学首先要选定行为模式作为考察某一心理过程的模型，观察和测量这一模型的行为变量和生理变量；或干预脑的功能，观察这一行为模式的变化。一方面要建立行为模式，另一方面是干预或考察脑功能的变化，构成生理心理学研究方法的核心。随着整个自然科学技术的发展，生理心理学的各种研究方法都有新的进展。本章除介绍传统的生理心理学干预脑功能的研究方法外，还特别注意介绍近年的一些新进展。
一、干预脑功能和记录生理参数的传统方法
（一）传统生理心理学方法
传统生理心理学方法以低等动物，如大、小白鼠为主要实验对象。设计实验时，首先考虑改变脑结构或功能，将生理参数作为自变量，然后再观察其行为的变化，将行为、反应等心理参数作为因变量。这种研究方案所得到的结果，有助于说明一些脑结构或生理参数在心理活动中的作用和意义。通常用于控制生理参数的手段有损毁法、刺激法和药物注入等。经常测量的因变量有动物某些本能行为、习得行为或情绪行为等。这一研究方法的不足之处是低等动物的心理活动及脑结构与人类相差甚远。因此其研究结果和讨论未必能准确反映人类的生理心理学规律。
（二）传统心理生理学方法
与前种方法不同，心理生理学的基本方法学是将心理学参数作为自变量，在尽可能不干预生理活动和脑功能的前提下，随心理学参数的改变，测量其生理指标的变化，目的在于阐明不同心理状态的生理学基础。这种方法学原则主要适用于人类被试，例如，设计认知实验，给被试某种操作任务，测量其脑电、心电、心率、血压、脉搏波、呼吸波和皮肤电阻等生理参数。这种方法学的基本前提是无损伤性，并尽可能减少对脑功能的干扰。显然，在当代科学技术发展水平上，这类方法学仅能做一些宏观水平的实验研究，对于复杂脑机制的揭露是无能为力的。除了上述两种截然相反的实验设计，近年越来越受到重视的一些新方法学，兼顾上述两条研究路线，各取其所长，避其不足之处。
（三）灵长类动物的电生理学方法
此方法是以高等灵长类动物为实验对象，为动物精心设计一些操作条件，使其完成接近于人类的某种心理作业，如对人类面孔的识别或根据语声对熟人或陌生人的识别、颜色和图形的分辨等认知作业。当对动物训练到一定程度时，再设法记录其脑整体生理功能或某些结构的细胞电活动。在麻醉状态下，颅骨手术埋植记录细胞电活动的微电极基座。当动物从手术中恢复，伤口长好后，再进行前述认知实验。通过遥控使细胞微电极缓慢地到达大脑皮层表面，尽可能不干扰脑功能，测量其认知操作中脑细胞的变化规律。由此可见，此方法是在传统心理生理学的原则下，将生理参数的记录深入到细胞水平。除上述认知模型中脑细胞电活动的变化规律外，对灵长类动物生态环境中的行为规律及其脑机制的研究，本来是神经行为学的方法学原则，随细胞电活动记录技术和其他生理参数记录技术的发展，这些学科分支的界线变得模糊，彼此渗透，共同发展。
（四）传统神经心理方法
脑损伤的病人，无论是颅脑外伤还是脑血管疾病造成的脑局部性损伤，虽是人类的不幸，但却是大自然赐予脑科学的难得病例。因此，通过神经心理测验以及精细的认知实验，考查脑不同部位的损伤对心理活动的影响，就成了生理心理学研究方法的扩展。与传统生理心理学方法不同，以脑损伤病人为研究对象，其脑损伤的自变量参数无法准确控制，仅靠CT资料、临床资料或开颅手术的记载为根据。因此，自变量（脑损伤部位、性质）和因变量（心理功能的改变）间的关系往往要经过相当长的时间才能搞清。
综上所述，对脑与心理活动的关系问题，大体通过四类方法加以揭露：一是对正常人类被试给予精确控制的认知条件，令其完成某项作业，并记录脑功能的变化规律；二是利用大自然提供的脑损伤病人，考查脑结构与功能的改变影响了哪些心理活动；三是利用灵长类动物，采用损伤性较小的实验方法研究其认知或本能行为过程中脑生理参数的变化；四是利用低等动物，给予损毁或刺激改变脑结构与功能参数，观察对其行为产生的后果。总之，无论对行为或心理功能的控制或测量，还是对脑结构与功能的控制或测量，都着眼于生理与心理的关系，寻求两者之间的变化规律。随人类社会文明的发展和科学技术的进步，越来越多的科学手段可以用来研究心身的关系；越来越多的科学事实，可以用于揭示大脑与心理活动的奥秘。
二、干预与记录脑功能的当代认知神经科学方法
（一）透颅磁刺激技术
透颅磁刺激（repeative transcranial magnetic stimulation，rTMS）是最近十多年采用的新仪器，利用脉冲磁场对头皮和颅骨的穿透力，通过头皮外的磁力线圈产生的脉冲磁刺激作用于大脑皮层表面，对其产生局部刺激作用。通过调节刺激强度和脉冲数，分别可引起大脑皮层局部兴奋或抑制作用，用以观察大脑皮层局部兴奋或抑制对某些心理活动的影响。由于脉冲刺激很短暂，对大脑的作用是可逆性的，不会留下持久后效，所以没有不良的后果。当代认知神经科学将之与无创性脑成像技术相结合，用于脑高级功能的研究，近年发现一批新的科学事实。
（二）无创性脑代谢成像技术
无创性脑代谢成像技术主要包括：功能性磁共振成像技术（functional megnetic reso-nance imaging，fMRI）和正电子发射层描技术（PET）。两者均通过显示认知活动中，与脑代谢过程相关生理参数的变化，研究认知过程的脑机制。具体地讲，fMRI是测定血氧水平信号在认知活动中不同脑区的变化；PET是测定含放射性同位素18 F的脱氧葡萄糖，在脑区域性代谢率，以此作为脑认知功能的生理指标；近年利用含15 O的水作为标记，通过PET测量脑血流的变化，研究脑认知功能的生理指标。这两种方法所需仪器设备十分昂贵，技术也复杂，但可以给出完成某一认知作业时，脑内激活区的精确空间定位和激活强度。两类脑代谢成像技术具有较高的分辨率，但两者的时间分辨率差。一般情况下fMRI每0.1秒，即100毫秒可以给出一幅脑激活区的清晰图像；PET却需几秒乃至几十秒。由此可见，对以毫秒数量级变化的复杂认知活动来说，两类代谢成像的时间分辨率并不理想。这也就是为什么fMRI于1993年问世以来不但没有取代传统的脑电活动记录技术，反而成为进一步激发这一传统技术发展的原因。
（三）无创性脑生理成像技术
无创性脑生理成像技术主要包括高分辨率脑电信号（脑电图）分析和脑磁信号分析技术。它们测量脑活动所产生的微弱电磁场信号的变化。电场与磁场变化互为90°，脑电信号较好地反映出大脑皮层与深层之间的功能变化；脑磁信号反映大脑表面切线方向的功能变化。脑电图（EEG）、事件相关电位（ERPs）和脑磁图（MEG）的共同特点是较高的时间分辨率，在毫秒数量级的时间尺度上监测脑功能的变化，但其弱点是空间分辨率差。当人脑头皮上用19个电极记录时空间分辨率是6厘米；41个电极时分辨率为4厘米；120个电极时空间分辨率为2.25厘米；256个电极时空间分辨率为1厘米。因此，无创性脑生理成像技术，一方面通过增加记录电极的数量提高空间分辨率；另一方面通过源分析的算法，计算出头皮电磁场信号的源偶极子（dipoles）。此外，还可以将两类脑功能成像技术结合起来应用，发挥脑电磁信号检测中高时间分辨率的优势。最后将不同时间段上的电磁信号的源偶极子，与fMRI得到的脑激活区对照起来，就可以对时间和空间维度认知功能的脑机制问题得到较好的认识。
（四）实验设计
认知神经科学引用无创性脑功能成像技术时，最关键的问题是认知实验的设计应经周密地反复论证，才能得到适用于不同脑成像技术的实验方案。总体上讲，认知神经科学出现的前十多年，采用组块实验设计，近些年则较多采用事件相关的实验设计。组块设计就是先做一个对照（或空白）实验，再完成正式实验，将两次实验的脑功能图像相减，所得的差值图像中的激活区，作为该项认知功能的脑功能基础。这种方法称为减法法则。除减法法则外，还要利用一致性分析（consistent analysis），即将A任务减去A对照组的差值与B任务减去B对照组的差值，两者再相减，以作为完成相类似的认知任务的脑功能基础。由此可见，组块实设中较大的问题是如何设计对照实验和一致性分析的比较实验。
随着fMRI技术的发展，近年更多采用事件相关的fMRI实验设计，就是将主要实验和对照实验的刺激混在一起按随机顺序，从始至终完成一组实验，由计算机识别和叠加同类刺激，诱发脑的血氧水平信号，得到两类实验的脑激活区。这种实验设计与事件相关电位的实验设计方法大体相似。因此，更便于对同一实验设计进行空间分辨率高的fMRI和时间分辨率高的ERPs的实验研究。
§§第二章 感觉的生理心理学基础
