脑科学导论1
脑 科 学 导 论 Introduction of Brain Science
唐孝威 陈学群 杜继曾 魏尔清 徐琴美 秦莉娟 编 著
前 言
脑是自然界最复杂的物质。脑功能是自然界最复杂的运动形式。脑科学的研究包括认识脑、保护脑、开发脑、仿造脑等许多领域。
脑科学是一门新兴的交叉学科。目前国内外还没有全面的介绍脑科学各个领域的综合性教科书。为了推进浙江大学脑科学地教学和科研工作,我们在2002年起在浙江大学开设了《脑科学导论》选修课,为全校相关专业的学生讲授脑科学的基础知识,并将教材编成这本讲义。
这本讲义包括五篇。第一篇是引言,说明脑科学涉及的研究领域,并着重在实验技术方面介绍有关探测脑的知识。第二篇是“认识脑”,着重在神经生物学方面介绍有关认识脑的知识。第三篇是“保护脑”,着重在医学方面介绍有关保护脑的知识。第四篇是“开发脑”,着重在心理学方面介绍有关开发脑的知识。第五篇是“仿造脑”,着重在计算机科学方面介绍有关仿造脑的知识。
这本讲义由浙江大学有关学院的几位教师共同编写和讲课。第一篇由理学院唐孝威教授负责编写和讲课。第二篇由生命科学学院陈学群教授负责编写和讲课,生命科学学院杜继增教授也讲了专题。第三篇由医学院魏尔清教授负责编写和讲课。第四篇由理学院徐琴美教授负责编写,由张威博士讲课。第五篇由计算机学院秦莉娟博士编写和讲课。
目前这本讲义先以讲义稿的形式在内部试用。由于作者知识限制和准备时间仓促,讲义稿中定会有疏漏和错误之处,希望读者对讲义稿提出宝贵意见,以便进一步补充修改,并在再次讲课
之后正式出版。
曹丙利同学协助进行了这本讲义稿的编排和出版工作。
唐孝威
2002年12月
教学目的和基本要求
培养学生对脑科学的兴趣,拓宽交叉学科的视野,促进新的思维方式,为学生将来从事自然科学、工程技术和医药研究提供跨学科的知识。
要求学生了解脑科学的国内外发展趋势及其与其它学科的交叉结合,脑功能的神经机制,认知过程的基本原理,脑与健康的关系,类人智能的计算机和机器人系统的开发和趋势。 主要内容
主要包括导论、认识脑、开发脑、保护脑和创造脑。导论将介绍国内外脑科学发展的大趋势,信息、认知和脑科学的学科交叉。认识脑介绍脑神经元及其神经回路的构成和信息功能,以及脑作为大自然进化产物的智能信息处理机制。开发脑包括智能的本质及发展过程,识别,注意,学习记忆,语言,意识,情绪,大脑功能的分区和半球特异化。保护脑介绍脑与健康的关系,各种常见脑疾病(包括:帕金森氏病、早老痴呆等)的表现、形成机理和防治,脑的保养, 创造脑介绍脑型装置和神经计算机的原理和设计,开发具有直觉思维和逻辑推理能力的计算系统,具有人类智能的计算机技术的发展趋势。
学习参考书
《神经生物学纲要》 徐科 主编 科学出版社
目 录
前言································································· Ⅰ 学习指导语······················································· Ⅲ 第一篇 导论···················································· 1 第二篇 认识脑··············································· 12 第三篇 保护脑··············································· 44 第四篇 开发脑·············································· 109 第五篇 仿造脑·············································· 145
第一篇 导 论
浙江大学理学院物理系
唐孝威 教授
脑科学简介
· 脑是自然界最复杂的系统,是调控机体各种机能的中枢,具有学习、记忆、语言、情绪、意识、思维等高级功能。 · 脑科学是研究脑和心智现象和规律的科学。
我们的大脑
脑是开放的巨系统。它的复杂性表现在它是一个由1011个具有多自由度的神经元和1015个突触联结的信息处理和决策系统。脑的高级活动和创造性思维更是非常复杂的运动形式。 脑科学
脑怎样感知?怎样记忆?怎样学习?怎样思维?怎样理解语言?怎样产生情感?......了解这些基本问题,对于认识人类自身、人类社会的发展、以及弄清楚精神与物质的关系,都有十分重要的意义。
针对以上问题我们提出了脑科学研究
· 脑科学是什么?
· 脑科学要研究什么?
· 如何进行研究?
跨世纪脑科学
· 认识脑
· 探测脑
· 保护脑
· 开发脑
· 仿造脑
脑科学讲座内容
本课程的内容就是从以上五个方面展开的
· 认识脑是要掌握脑与智能的规律
· 保护脑是要使脑更健康
· 开发脑是要使脑更聪明
· 仿造脑是要研究脑型的机器
· 保护、开发、仿造脑就得认识脑而认识脑就必须探测脑。 · 探测脑就得发展无损伤的各种脑成像技术。
下面就简单介绍一下脑功能成像的各种技术和实验方法。 脑功能成像技术
· 磁共振成像
· 核磁波谱
· 正电子成像
· 光学成像
· 脑磁成像
· 脑电成像
脑功能成像研究是当今神经科学中最重要的研究手段。功能核磁共振成像技术(fMRI )作为脑成像方法之一,具有无创性、高时空分辨率的优点,是认知神经科学研究的重要手段之一。在感知觉、运动、语言加工、学习记忆等领域得出了其他手段不易获得的结果。
该技术出现在90年代初,到90年代中期得到了迅猛的发展,目前有关的论文数目呈直线增长。
fMRI 研究需要多种学科的研究者共同参与,如神经科学家、心理学家、物理学家、数学家、计算机学家、影像学家等。 功能核磁共振成像原理
个体执行各种任务时,脑局部兴奋,脑血流增加,但氧耗量的增加小于血流量的增加,血液中脱氧血红蛋白减少。脱氧血红蛋白是顺磁性物质,可使T2延长,T2加权像信号增强。这种效应被称为血氧水平依赖性(Blood Oxygen Level Dependent, BOLD)反应,功能核磁共振成像(fMRI )的原理正是基于该反应之上。 · 事件相关设计
事件相关(event-related )fMRI 的出现无疑是实验技术的一次飞跃 。采用该设计时,一次只给一个刺激,经过一段时间间隔,再给下一个刺激。刺激呈现后,BOLD 信号逐渐增强,一般6-8秒钟达到峰值,之后又逐渐降到基线(baseline )水平。
· 序列运动准备和执行的脑区分布——事件相关功能磁共振研究
参与序列运动的主要脑结构,包括初级运动区(M1)、辅助运动区(SMA)、运动前区(PMC)、后顶叶皮层(PPC)和皮层下的基底节和小脑等。但对这些区域的确切作用仍有许多争议。本研究拟采用事件相关功能磁共振成像技术考察上述脑区在运动准备和执行过程中的作用。
Activation Maps in Sequential Movements Preparation and Execution Supplementary Motor Area
Functional organization within each functional area
正电子发射断层扫描技术
PET 成像原理
Positron Emission Tomography(PET)
物理原理:
e ++e- γ+γ(511kev)
PET 成像特点
· 三维(3-dimension, 增加灵敏度和统计精度)
· 活体(in vivo,无损,自然生理状态)
· 动态,功能(Dynamic and functional)
· 定量(Quantitation)
· 正电子同位素寿命短,且为生物体组成部分
· 示踪剂多样性和专一性(specificity)
· 空间分辨较差,须与MRI 或CT 结合定位
用PET 技术得到的脑功能图象(如下)
认识脑
认识脑就是要揭示脑功能的本质。脑的研究是一项具有重大科学和哲学意义的战略性科学领域。脑是自然界中最复杂的系统。思维是自然界中最复杂的物质运动形式。揭示脑的工作原理是当代自然科学的最大挑战之一。
认识脑包括许多不同的水平,需要在基因、分子、细胞、回路、系统及至心理、行为等不同水平上进行脑科学研究 探测脑
对于脑科学的每一个课题,既要从细胞和分子水平进行细致的研究,又要从脑的通路和整体水平进行整合研究,把这两方面的研究结合起来,就可能得到创新的成果。
近年来各种无损伤的活体脑功能成像技术进展很快,如何发展这些技术,并且充分利用这些先进技术手段进行脑研究,这个问题受到了各方面专家的关注。
为此
· 要进行多学科的交叉研究
· 要利用各种新技术
保护脑
保护脑就是要预防和治疗脑疾病。脑的健康对人类的身心健康是头等重要的事。脑的研究对于各类脑疾病的预防、诊断和治疗有实际的意义。
人口老龄化与老年脑疾病,老年痴呆症吸毒与戒毒,精神、神经因素对疾病的影响等都是需要研究的问题。
开发脑
开发脑就是要在认识脑的基础上开发脑的潜力,提高人的素质。研究和了解素质教育的科学基础,进一步提高我国民族智力,已受到了全社会的极大关注。把脑科学的研究成果应用于教育的探索和实践,将使我国教育事业展现勃勃生机。
· 开发智力是强国之本
· 还有许多社会问题需要脑科学研究来解决,如独生子女脑发育
和智力发展等问题。
仿造脑
仿造脑就是在认识脑的基础上开发具有人脑特点的高度智能
化的计算机或机器。脑的研究和信息科学与信息产业有密切关系。
对脑内信息处理的研究将大大推进信息科学和计算机科学的发
展。
Human Brain Project
在科学家的倡议下,美国于1989年率先推出了全国性的脑科
学计划,并把20世纪90年代命名为“脑的十年”。这一举动得到了
许多国家相应学术组织的响应,使“脑的十年”成为世界性的行动。
两年后,欧洲制定了“欧洲脑十年计划”。1996年日本制定了为期
20年的“脑科学时代”计划。
这些计划都受到各国政府的高度重视。我国国家攀登计划和
国家重点基础研究发展规划(973计划)中也把“脑功能和脑重大
疾病的基础研究”等列入研究项目。目前,各国科学家在实施“人类
基因组计划”的基础上,正在推动“人类脑计划”。
香山科学讨论会
在1997年召开的主题为“跨世纪的脑科学——脑功能研究”的
香山科学讨论会上,提出了脑科学研究就是要认识脑、保护脑和
仿造脑。在1999年召开的主题为“脑高级功能与教育问题”的香山
科学讨论会上,进一步提出了脑科学研究要开发脑。
2001年9月年召开的主题为“人类脑计划和神经信息学”的香
山科学讨论会上,专家一致认为中国应参加国际人类脑计划。
人类脑计划和神经信息学
人类基因组计划是生物学实验结果和信息学的完美结合。人
类基因库将为人类健康、疾病诊断、药物开发、生态平衡和生物
学研究提供不可估量的贡献。
计划和人类脑计划。
人类脑计划的重要性:21世纪人类面临的最大挑战,认识脑、
保护脑和创造脑。
神经信息学的定义
神经信息学是脑科学、信息科学和计算机科学互相交叉的边
缘学科。神经信息学是研究神经系统信息的载体形式,神经信息
的产生、传输和加工规律,以及神经信息的编码、存储与提取机
制的科学。神经信息学还包括各类神经数据的获得、建库、分发、
利用及及解释等内容。
神经信息学的分类
· 分子神经信息学 基本载体是各种神经信息分子。
· 系统神经信息学 结构单元为神经元。
脑的研究层次有分子、亚细胞、细胞、神经回路、网络、神
经核团和脑区、以及认知和行为。
脑的结构和功能比基因DNA 分子线性序列要复杂得多,因此
人类脑计划比人类基因组计划的研究内容更加复杂,研究周期会
更长。
神经细胞是表达基因最多的细胞,其形态和性质十分复杂。上
千亿个神经细胞及其1014以上个突触组成了整个脑和外周神经系
统。脑具有认知、记忆、意志、情感等高级功能。
人类脑计划的直接目标是提供先进的信息手段使神经科学家
能够“绘制”出健康和疾病脑的系统、神经回路、细胞、分子和基因
的“图谱”,对相关数据进行比较、整合、分析、建模。
国际互联网的出现使得参与人类脑计划的各研究组的数据库
和信息工具相互连接起来,共享数据和科研成果。
究结合起来。利用计算机技术建立脑的各个层次的数据库,将信
息学手段用于脑研究。对脑的结构、功能及细胞、分子、基因多
层次、多水平的实验数据进行分析、加工、处理、整合及数学模
拟。并建立以生物实验为基础的神经网络模型。脑的数据库将使
研究人员共享神经科学数据。
究脑,研究神经系统信息的载体形式,神经信息的产生、传输与
加工,以及神经信息的编码、存储与提取机理等。
1993年4月2日,美国国立卫生研究院(NIH )正式启动了
人类脑计划的第一阶段可行性研究。
此项目由美国国家重要部门联合组织和资助,包括美国国立
卫生研究院、美国国家自然科学基金会(NSF)、美国海军(Office of
Naval Research )、美国宇航局(NASA )、能源部等。有美国最著
名的二十余个大学和研究所参加。
美国有关人类脑计划可行性报告中明确规定每个研究课题必
须包括脑及行为和信息学两方面的研究内容。
参加这个计划的人员主要包括信息科学家和神经科学家。
美国该可行性计划已经在1997年完成,目前人类脑计划进入
了第二阶段,目标是要提供先进的信息工具将脑的各个层次的结
构和功能整合起来,“绘制”出相应的“图谱”,利用实验数据建立脑
结构和功能的理论模型和进行仿真,建立新型的研究模式。
目前人类脑计划正在进行的项目包括:神经元的性质(如受体、
离子通道、膜的特性、神经元形态、突触形态和性质、神经递质),
神经元和神经网络的模型,脑解剖图谱,脑功能图像等。以神经
元和脑功能图像的研究最多,资助强度最大。
将受体和离子通道的数据库直接与人类基因库和蛋白质序列
库相连接,具有一致的数据格式,同时还提供可能的立体结构。
在人类脑计划中研究项目最多的要数脑功能成像。许多参加
单位已经建立了fMRI, PET, X-CT, 脑地形图,脑电图等实验设备。 美国人类脑计划的核心内容之一,是在实验数据的基础上发
展脑结构和功能的整合和分析的理论模型和仿真计算。
这一目标不仅对脑科学本身的理论发展有重大促进,而且对
医药、人工智能、信息处理都可能有重要贡献。
教育是使脑研究能持续发展的根本保证。因此人类脑计划中
还包括对研究单位神经信息学领域的导师的研究课题资助,对神
经信息学课程以及短期培训、讲座和讨论会的资助。加强对脑科
学和信息科学领域的研究工作者和学生的训练。
通过自然科学基金委和科技部等多方面的资助,我国脑科学
在基础和临床研究方面取得了不少科研成果,在某些领域达到了
国际先进水平。
中国在人类脑资源和计算机信息学研究方面有一定优势,在
人类脑计划的研究中肯定会发挥较大的作用。
人类脑计划和神经信息学的研究起步较晚,其研究过程比基
因组计划更加长期和复杂,我国从现在开始就加入这一国际性的
研究行列是非常适时的。
美国的可行性研究已经基本成功,许多有关脑的研究的数据
库和信息工具都可借鉴。
人类脑计划是一个庞大的科研大计划,没有哪一个国家能够
单独完成,需要国际大合作。
我国应及时建立神经信息电子网络,与国际接轨。利用国际
通用的神经信息工具和数据库,共享其科研成果,减少重复性研
究和重复设置。这将会大大提高我国在该领域的研究水平和国际
地位。
在美国人类脑计划资助的研究项目中,目前已汇集了各种神
经信息数据库和信息处理工具,建起了神经信息工作平台,该系
统有数据质量控制的标准和规定。不同研究单位、不同国家研究
机构,只要加入神经信息国际合作组织,都有权使用。成员国的
科学家们可以利用神经信息电子网络进行数据交换、分析、合成、
比较、整合、加工,模拟和仿真。
在浩大的人类脑计划中,中国不可能处处涉足。我们必须发
挥中国的长处,开展具有中国特色的人类脑计划研究工作。
中国可以在全球神经信息学研究中发挥积极的作用
我们具有神经科学和信息科学的基础
具有中国特色的神经信息学研究项目
初步形成我国神经信息学研究队伍
积极参与国际神经信息学的工作
通告
2001年10月4日至5日,我国科学家赴瑞典参加了人类脑计
划的第四次工作会议,使我国成为参加这一计划的第20个成员国。
全球人类脑计划负责人考斯陆博士认为,中国的参与具有极
其重要的意义,不仅将有助于中国在这一领域与国际同步,也将
对全球神经信息学的形成和发展产生重大影响。
第二篇 认 识 脑 部 分
浙江大学生命科学学院
陈学群副教授 杜继曾教授
Chapter 1 Summary of Nervous System
第一节 神经系统概论
动物体内有两种调节机制:体液调节和神经调节。神经调节
比体液调节更迅速,准确,而且体液调节是在神经系统的影响下
活动的。
神经生物学是研究神经系统内分子水平、细胞水平和细胞间
的变化过程,以及这些过程在中枢功能控制系统内的整合作用。
神经系统的基本功能
1.协调人体内各系统器官的功能活动,保证人体内部的完整统一。
2.使人体活动能随时适应外界环境的变化,保证人体与不断变化
的外界环境之间的相对平衡。
3. 认识客观世界,改造客观世界。
感受机能:NS 对体内外刺激的感受机能。
运动机能:NS 对躯体运动的调节和内脏器官平滑肌, 心肌运动
及内分泌腺分泌活动的调节。
高级机能:NS 的高级整合机能,把机体的各种神经活动协调起来。
学习,记忆,情绪行为等均为高级功能。
神经系统的组成和结构
按位置和功能分类:中枢神经系统、周围神经系统
按支配对象分类:躯体神经和内脏神经
脑 传入神经
中枢神经系统 躯干神经
脊髓 传出神经
神经系统
脑神经 传入神经
周围神经系统 内脏神经
脊神经 传出神经
神经系统的结构:宏观,微观。
脑,脊髓
前脑,中脑(四叠体,大脑脚),
后脑(延髓,小脑),
间脑(丘脑,下丘脑),脑干
脑室
脑膜
脑脊液
血脑屏障
Cell of cerebrum cortex
锥体cell pyramidal cell 属于Golgi I 大脑皮层神经元 梭形cell fusiform cell
颗粒cell granular cell ,包括星形细胞和水
平细胞,属于GolgiII
分子层 少量水平细胞,大量神经纤维
外颗粒层 大量小锥体细胞,少量星形细胞
分层 锥体细胞层 小、中锥体细胞
颗粒层 星形细胞
节细胞层 中、大型锥体细胞
多形细胞层 梭形细胞
Cerebellum cortex
篮状细胞
浦肯野氏细胞 Purkinje cell
小脑皮层 颗粒cell
星形cell
高尔基氏 Golgi cell
分子层 神经纤维, 小星形细胞, 篮状细胞
分层 节细胞层 浦肯野氏细胞
颗粒层 大量颗粒细胞和大星形细胞
神经元形态及分类
300-500 billion neurons in human
1.单极神经元,双极神经元,多极神经元
2.Golgi I,Golgi II
3.特殊类型
4.感觉神经元,运动神经元,传入神经元,传出神经元
5.兴奋性神经元,抑制性神经元
6.长投射神经元,局部回路神经元,(中间神经元)
7.胆碱能神经元,肾上腺素能神经元,肽能神经元
神经元 感受刺激,传导冲动。
神经元是神经系统的基本结构和功能单位。
神经元是形态各异,功能复杂,所含化学性递质繁多的特化细胞。 神经系统内不同神经元之间的机能联系构成复杂的神经网络。 神经元亚细胞结构
神经胶质细胞 支持,保护,绝缘,营养。
神经胶质细胞分类:
中枢神经胶质细胞和外周神经胶质细胞 中枢神经胶质细胞:又分为大胶质细胞和小胶质细胞 大胶质细胞:星状胶质细胞,特殊类型有
视网膜Muller cell 小脑 Bergmann glia
神经垂体后叶细胞 脑室
少突胶质细胞 小胶质细胞
外周神经胶质细胞:雪旺氏细胞(Schwann cell)
神经生物学,脑科学研究方法
1.形态学
束路追踪法:轴浆运输(HRP ,300-400mm/d;荧光染料;植物凝
集素及细菌毒素;病毒 跨突触)。
变性法(兴奋性氨基酸,单氨类神经毒,植物凝集素)。 神经元质膜荧光染色法
免疫组织化学
原位杂交
受体定位 配体法
神经系功能活动形态定位:脱氧葡萄糖法,c-fos 法,细胞色素氧
化酶法
2.生理学方法:
a .神经递质释放量的测定,脑透析术,microdialysis
b .神经递质的功能测定,最小的有效剂量模拟递质的生理效应,这与药理学不同。药理研究用很大剂量。但所引起的效应与生理效应不同甚至相反。
微电泳
抗体微量注射
生物测定
c. 行为学方法:经典条件反射 classical conditioning 操作式条件反射 operant conditioning
3.电生理学:
a .细胞外记录
b .细胞内记录:研究神经元基本生物物理特性
c .脑内电刺激:刺激核团,脑区。中枢功能定位研究
长串方波,波宽〈1ms――0. 4-0. 2ms
强度〈20mv
频率〈100hz
d .顺行冲动记录法:电刺激某一突触前的细胞体,树突或轴突。
在突触后神经细胞体上记录此刺激的电活动变化。
e .逆行冲动记录法:电刺激神经元的轴突主干或末梢,在同一神
经元细胞体上记录反相传导的动作电位。
f .电压钳(voltage clamp):通过插入细胞内的一根微电极向胞内补
充电流,补充的电流量正好等于跨膜流出的反相离
子流。这样即使膜通透性发生改变时,也能控制膜
电位数值不变。因此可以测定细胞兴奋时的离子电
流。
g .斑片钳 Patch clamp :91年的诺贝尔医学和生理学奖。
测定单个(1-3个)的离子通道。几个平方um2
的细胞膜通过负压吸引封接起来。由于电极尖端与
细胞膜的高阻封接,在电极尖端笼罩下的那片膜事
实上与膜的其他部分从电学上隔离。因此片膜内通
道开放所产生的电流流进玻璃吸管,用一极敏感的
电流监视器(斑片钳)放大器测量此电流强度,就
代表单一离子通道电流。
10亿欧姆的高封接
0.06pA 的电流
1um 的空间分辨力
10us 的时间分辨力
h .脑电波:用双极或单极引导法,将引导电极放在脑活动区颅骨
表面之上,可以广泛记录出能变化方向的微弱电流。
通过强力放大记录出来的电位。EEG , α和β节律。
4.生物化学方法:
a .离心分离突触小体:密度梯度离心
b .层析:分离制备生物物质
高压液相层析
c .放射免疫法测定(radioiunoassay ,RIA )神经递质
d .放射配体测定受体法:受体具有识别不同化学信使(神经递质,
激素,生长因子,抗原)的能力。并能通过一些直接或
间接的偶联系流来启动生物反应。
e .免疫印迹法鉴定生物分子:(Immunoblotting 或Western
blotting )是将电泳凝胶分离出来的电泳带转移到特殊
的滤膜上,再用标记的抗体与滤膜上的某一蛋白或肽的
特异结合,使其显色。1ng 敏感性。
例如,MSH(melanocyte stimulating hormone,MSH)垂体中叶分泌:促黑素细胞激素,对鱼类,两栖类,爬行类,
动物肤色的改变有重要作用。
MSH 和ACTH 是由促黑素皮质素裂解而来。
5.分子生物方法学:
人类疾病的转基因模型的研究
如 CRF gene 敲除NE 敲除
6.脑成像 Brain Imaging
a .颅骨X 线成像
b .同位素脑扫描(isotope Brain Scanning),99锝标记的葡萄糖
1 5-20mCi直线扫描剂,gamma 摄像机
c .脑超声波(cerebral ultrasound)
前卤的扇形扫描,新生儿,. 婴儿,颅内结构异常
d .脑血管造影术:放射性造影剂从颈动脉、椎动脉、股动脉注入,
观察血管阻塞,短路,狭窄etc
e .计算机断层扫描术(computerized tomography,CT )
X 线射线管,探测器所组成的环形中空结构,从颅底到颅顶,5—10mm 横断面进行系列扫描,矢状,或额面
气体:黑色 gray scale system
骨质:白色
f .核磁共振成像(magnetic resonance imaging, MRI )
原子核在均匀磁场受到磁场高频脉冲冲击,反射性发射发射高频脉冲现象----被接受和处理----身体组织结构影像。人类在强大的磁场中,高频脉冲穿过人体组织,组织中的原子核反射性地发射出共振的高频脉冲。
g .正电子发射断层扫描术(positron emission tomography ,PET )
是利用发射正电子的同位素作为标记物,将其引入脑内某一局部地区参与已知的生化代谢过程,利用现代化计算机和断层扫描将标记物所参与的特定的代谢过程的代谢率以立体成像的形式表现出来,电子、放射、计算机、生化、生理学的交叉,PET ,主要是反映脑内的生化代谢以及生理功能的变化。
实际测定的是光子,而不是正电子,空间分辨率为2-3mm 。PET 扫描仅是由一圈放射性测定探头组成的圆形中空结构,受试者在其中,探头从不同的角度接受并计算光子发射的数量,此数据经计算机处理后再转换为横断面图象,反映正电子发射分布图。 利用反射正电子的同位素标记前体,以PET 测定其代谢物的放射性,可以测定人和动物脑组织内糖、蛋白质以及其他生化反
应的速率。
·定量分析局部脑组织对葡萄糖的利用
·测定脑局部血流量 ·受体分布及其密度 ·2-脱氧葡萄糖(2-deoxy-D-glucose 。DG ), 18F ,14C
Chapter 2 Impulse Formation and Conduction
第二节 电信号的传导
应激性(irritability ):对环境变化能给出反应的能力。
刺激,域值,域刺激,兴奋性,可兴奋细胞,生物电。 生物电产生学说:极化分子学说(-),变质学说,膜学说。 膜学说: membrane theory. Bernstein
电位存在于神经和肌肉细胞膜的两侧,静息状态下,胞膜只对钾离子有通透性,而对较大的正,负离子无通透性。膜对钾离子的通透和膜内外的钾离子浓度差就产生了静息电位。
Resting potential,静息膜电位: 神经元处于静息状态(不活动), 存在于神经细胞胞膜两侧的电位. (-70 10mv, 内负外正, 基本稳定, 各类型神经元间无明显差异). 它是动作电位产生的基础. 去极化: 静息膜电位绝对值向减少方向
超极化: 静息膜电位绝对值向增加方向
神经系统研究标本:
Invertebrate; vertebrate
扁形动物: Notoplana acticola
线形动物: 美洲小杆线虫(Caenorhabditis elegans),
环节动物: 水蛭(Leech)
软体动物: 乌贼(loligo), 海兔(Aplysia California)
节肢动物: 虾(Crayfish; shrimps)
Rat, Mouse
电位测定方法:
a ,胞外测定
b ,胞内测定
c ,光电测定: 慢染料(毫秒),快染料(微秒,1 动作电位) 膜电位机制:
膜内外离子浓度,膜具有选择性通透性,膜上的离子通道特点:
神经胶质细胞膜: K
骨骼肌细胞膜: K ,Cl
神经元细胞膜:K ,Na ,Cl
动作电位: action potential,钠学说,Hodgkin &Huxley
是在静息膜电位的基础上出现的,细胞膜的Na 通透性瞬时升高。K 静息------Na
乌贼巨轴突(loligo giant axon, D>500um)图示
一个达到域值的刺激,在静息膜电位的基础上出现的,并能自我再生地快速达到固定的最大值(全),很快有恢复到原初的静息膜电位水平。
其特点:全或无式的脉冲反应;不衰减的传导
其生理学功能:
快速的长距离地传导的电信号
调控神经递质释放,肌肉收缩,腺体分泌
参与动作电位的离子通道:
Na 通道(内向),K 通道(外向) ,Cl 通道,Ca 通道。
根据动物种类,细胞类型,不同部位而不同。
突触电位:兴奋性和抑制性突触后电位,Ecclesions channel 动作电位的传导
局部电流学说(local current theory)
在无髓鞘神经纤维上的兴奋传导。在兴奋部位局部产生的电位差刺激了相邻的部位,则两者之间产生的局部电流 ,使相邻部位去极化,达到域值则在相邻部位产生兴奋。兴奋以这种机制快速扩布。
跳跃传导(jumping conduction; saltatory conduction)
在有髓鞘神经纤维上的兴奋传导。 Ranvier’s node(髓鞘间断处) . 神经兴奋是从一个郎氏结跳跃到下一个郎氏结。
轴浆运输:anterograde/retrograde
快速轴浆运输:1-4 um/s 正向 运输囊泡, 递质, 调质, 膜蛋白,分泌蛋白,糖蛋白, 酶反向用过的膜, 其他用过的东西(向胞体转运重新环化的突触前末梢囊泡,), NGF, 实验用的大分子, 从末梢摄取的外源物质—神经毒, 病毒, 铁蛋白, 各种荧光素, 放射性标记的凝集素。
慢速轴浆运输:0.01-0.04 um/s 正向构成微管, 微丝的细胞骨架的蛋白质及其相关的蛋白, 轴突生长相关物质。
Chapter3 Synaptic Transmission
第三节 突触传递
突触:是一个神经元的末梢和另一神经元的树突或胞体的接触部位。以及神经元与效应器,感受器细胞与神经元之间信号传递的接点。
神经元之间的联系仅是彼此接触,胞质并不沟通。人脑有1011神经元,1个神经元大约有1000个突触。
突触结构:
电镜下(boutons,synaptosome):
presynaptic membrane, vesicle
synaptic clefts
postsynaptic membrane, receptor
突触联结 有几种类型:
轴突——树突 较常见
轴突——胞体 较常见
轴突——轴突
突触分类:
电突触 神经系统,心肌,平滑肌,肝脏
化学突触
混合突触
a .电突触
电突触结构:P 88 神经生物学纲要
电突触特性:abdominal nerve cord
举例:Furshpan 的实验
螯虾的腹神经索 内侧巨纤维、外侧巨纤维——与每个腹
神经节发出的运动巨纤维(腹神经节发出的)形成巨突触,电突触(page ,89)
单向兴奋性的电突触:突触延搁很小, 或无(0.1-0.2ms ) 电突触:神经系统,心肌,平滑肌,肝脏etc 。
其广泛存在与鱼类,鸟类,哺乳类动物。
电镜发现哺乳类动物的大脑皮层感觉区星状cell, 小脑皮层蓝细胞与星状细胞,视网膜水平细胞与双极细胞,嗅球的僧帽细胞均存在着电突触。
电突触的功能:在可兴奋细胞,电突触双向快速传递,传递空间减少,则传递更有效,突触灵活性增加,有利于机能相似的细胞进行同步活动。低电阻通路还可调节细胞间小分子量物质的转移。而细胞间的化学突触传递易于受到代谢障碍的明显影响,而电突触具有较大的耐受力。
在不可兴奋细胞,它是和生长代谢的控制,胚胎的发育及分化等现象有关。它可运输某些代谢产物和营养物质。
b .chemical synapse 化学突触
The neuromuscular junction 神经-肌肉传递
·One to one
·excitation
·ACh acetycholine and its receptor
传递过程:
单个小泡——mEPP ,mEPP 是由一个量子的Ach 所引起的电位变化。
Katz 等将微电极刺入蛙骨骼肌终板区 进行细胞内记录。可观察到一电位变化。随机出现的,约每秒一次的,形状与刺激神经诱发EPP 相似,但振幅仅约0.5mv 的去极化电位。称这种自发的去极化变化为小终板电位mEPP 。 个别束泡自发释放,引起微小变化。
多个小泡 100-300个(200, ACh) 同步释放——EPP 终板电位是局部电位。
EPP 不是全或无反应,其振幅随着末梢释放的的Ach 量连续改变。 EPP 是同步发放的mEPP 形成的。
Synaptic plasticity
突触传递效率由于活动而发生的短时间或长时间的增加或减弱现象,可塑性来自突触前和后两方面的调控。
Loligo giant axon
递质释放量和突触前动作电位振幅成正比
钙离子内流是递质释放的重要环节,和突触延搁及囊泡(突触) 的各个环节相关(mobilization, targeting,docking,fusion,exocytosis) Calcium channel, CaM(Calmodulin )
synaptic delay:
在冲动到达突触前终末约0.5~0.9ms 后,脊髓运动神经元的去极化才开始,这段时间称为突触延搁。
chemical synapse in CNS, central synapses中枢化学突触的传递 Integration (Coordination ) Function
结构和分型:
①轴突——树突
轴突——胞体
轴突——轴突 Fig P126. neurobiology
②Gray I
Gray II fig 3-16 神经生物学纲要 P 105
③定向突触(解剖定向突触) :神经-肌肉接头
非定向突触(化学定向突触) : 植物神经节后纤维同效应器细胞
之间。
由于突触前末梢释放的递质对于突触后膜通透性的影响不同,突触又可分为两大类:兴奋性突触和抑制性突触。 兴奋性突触电位和抑制性突触电位。
兴奋性突触电位, EPSP
Na+,K+的膜电导暂时升高
抑制性突触电位, IPSP
后膜对K+、CI-的离子电导升高。
Temporal summation 神经生物学纲要 p 107
先后有一连串冲动抵达同一突触前终末(时间总和) Space summation
如果同时有冲动抵达多个突触前终末(空间总和)
突触后神经元一旦产生了新的神经冲动,即被认为是完成了
突触传递。
Chapter 4 Neurotransmitters and Neuropeptides
(Neuromodulators,neuroactive peptides)
神经递质和调质
神经系统通过化学物质作为媒介进行信息传递的过程称为化
学传递。其基础是神经递质。
每种神经元通常以其末梢释放出的递质而命名。
如 胆碱能神经系统
单胺能神经系统
递质 调质
分子量在100左右的小分子 数百数千
脑内含量高 含量极低
除Ach 外,都以氨基酸为前体,
有些本身就是氨基酸 主要为多肽
细胞内合成,合成速度快 合成复杂。首先在胞体合成
大分子物质,经轴突运输的过程
中加工,到达末梢储存。
递质释放后可为神经末梢 调质不能反复利用,
反复使用,释放后很快失活 必须由胞体重新合成补充
递质和受体具有高亲和力 与受体亲和力较低
具有较小的作用效率 调质具有极高潜力
递质适合快速而精细的调节 作用与缓慢持久的功能变化
多种神经递质和调质之间的相互作用
多种神经调节物共同作用是神经系统信号传递的规律
突触前多种神经递质和调质的相互作用调节递质的释放
多种神经递质和调质在信息转导引起细胞效应中的相互作用
神经递质的分类:
1 胆碱类 乙酰胆碱 Ach, Acetylcholine,
2 单胺类 monoamines
(1) 儿茶酚胺catecholamine, CA
a 去甲肾上腺素 norepinephrine noradrenaline
b 多巴胺 dopamine
c 肾上腺素 epinephrine
(2) 吲哚胺(indole amine , IA)
5-羟色胺(5-hydroxytryptamine, 5-HT)
serotonin 血清紧张素
3 氨基酸类amino acids
(1) 抑制性氨基酸类:γ-氨基丁酸,甘氨酸
(2)兴奋性氨基酸类:谷氨酸,天冬氨酸
4 多肽类,神经肽类
阿片肽,其他 神经肽
5 其他可能的神经递质
前列腺素,组胺, NO (内皮源性舒张因子),嘌呤类(ATP ,
腺苷可能是外周抑制性递质,腺苷可能是脑内调质)
胆碱能神经系统(Acetylcholinergic nerve system)
单胺能神经系统(monoamine )
儿茶酚胺生物合成
去甲肾上腺素能神经系统
肾上腺素能神经系统(adrenergic )
多巴胺能神经系统 dopaminergic
吲哚胺
5-羟色胺能神经系统
氨基酸能神经系统
兴奋性氨基酸类:谷氨酸
抑制性氨基酸类:γ-氨基丁酸
肽能神经系统
神经肽类(非胆碱能非肾上腺素能神经系统:NANC )
其它:PG ,一氧化氮
1.胆碱能神经系统(cholinergic nerve system)
Biosynthesis
Inactivation
enzyme degradation
diffusion
reuptake
location and Projection
local circuit neuron,Projection neuron
Receptor
N ,CNS ,PNS
M1,nervous tissue
M2,heart ,nerve ,smooth muscular
M3,external glands
Relative Physiology Function
Box :Receptor neuroceptor
存在胞膜,胞浆,核中对特定的生物活性物质具有识别并与
之结合而产生生物效应的大分子。蛋白质复合体。
Function : cognition and activate effector
识别递质,激活效应器。
与受体有选择性结合特性的生物活性物质(active substance).
配体 exogenous endogenous
激动剂 agonist ;
拮抗剂 antagonist
受体命名:按内源性配基命名 AchR
按外源性配基命名 烟碱型 cNAch 受体
毒蕈碱 MAch 受体
受体是蛋白质,具有以下特征:
·受体能与配基进行特异性结合
·其结合一般具有可逆性
·受体具有内源性配基,从进化的观点分析,受体形成的始因是
与体内携带特殊信息的生物活性物质相互作用。
·受体和配基的结合具有饱和性。
受体分类
胞浆受体
胞内受体(甾体激素受体,甲状腺激素受体)
核受体
突触前受体 自身受体 ( autoreceptor ),
同源受体,
异源受体
突触后受体
促离子型受体:nAch 受体,GABAA 受体,
促代谢型受体:Adrenergic receptor
肾上腺素能受体, mAch 受体
G-protein ,
结合位点(binding site ) 每一个受体上都具有与配基选择性结合
的特异部位。
例如:AchR ——乙酰胆碱受体,α亚基N 端192-193位的
半胱氨酸残基间,两个结合位点,
α亚基与β亚基,α亚基与δ亚基连接处。
促离子型受体:受体本身不是独立的蛋白质,它的一,二个亚基
为受体的结合位点同时又与另外亚基共同构成离子通道,此类受
体能引起通道的快速改变,产生兴奋性或抑制性突触后电位,在
1ms 内产生在10ms 内消失。
如:nAch 受体,GABAA 受体,甘氨酸受体和谷氨酸受体(3种
促离子型受体,1种促代谢型受体),它们介导了中枢和周围神经
系统的快速突触传递。
促代谢型受体:信号通过G 蛋白介导的细胞内的生物化学反应,
这种反应类似于一种代谢反应。促代谢型型受体: 7TM,肾上腺素
能受体,α1A ,α1B ,α2A ,α2B ,α2C ;β1,β2,β3;DA (D1-D5) 5HT (5HT1A ,5HT1B ,5HT 1D ,5HT 1E ,5HT1F ,5HT 2A ,
2B ,2C ,3-5,6)Ach (M1,M2,M3,M4,M5)
G-蛋白耦联受体,离子通道型受体,代谢调节型受体
穿膜1次的酶转换受体:胰岛素受体,内皮生长因子受体
已酰胆碱受体,谷氨酸受体,神经肽受体,嗅受体
2.单胺能神经系统(monoamine )
儿茶酚胺生物合成
TH, AADC, DBH, PNMT
Degradation
MAO,COMT
·去甲肾上腺素能神经系统
A1,A2,A3,A4, medulla oblongata
A5,A6,A7 pons
·肾上腺素能神经系统(adrenergic )
C1,C2,C3 medulla oblongata
·多巴胺能神经系统 dopaminergic
A8,A9,----A16 midbrain
吲哚胺
·5-羟色胺能神经系统
B11,B2,---B9 medulla oblongata, pons, midbrain
·去甲肾上腺素能神经系统
Biosynthesis
Inactivation
reuptake
enzyme degradation(MAO ,COMT )
location and Projection
Pons ,modulla oblongata
Receptor
alpha1,alpha2,beta1,beta2
Relative Physiology Function
Cardiovascular function
thermoregulation
foodintake
Sleep and waking (arousal)
leaning and memory
analgesia anaesthesia
psychosis disorder
·肾上腺素能神经系统
Biosynthesis
Inactivation
location and Projection
C1,C2,C3
Receptor
Relative Physiology Function
Cardiovascular function
thermoregulation and breathing
foodintake
Sleep and waking (arousalSON)
leaning and memory
·多巴胺能神经系统
Biosynthesis
Inactivation
reuptake
enzyme degradation(MAO ,COMT )
location and Projection
A8,A9,A10-----A16;midbrain
Receptor
D1,D2,D3,D4,D5-----
Relative Physiology Function
extraPyramidal tract motor
psychhomotility,(emotion,cognition,think,motivation,
pituitary hormone secretion*
Cardiovascular function
gastrointestinal function
vomitive (emetic)function CNS
intra ocular pressure
Signal transduction(transfer) in retina
analgesia anaesthesia
·5-羟色胺能神经系统
Biosynthesis
Inactivation
reuptake
enzyme degradation(MAO ,COMT )
location and Projection
B1,B2,B3,---B9,pons,modulla oblongata, midbrain
Receptor
5-Ht1,5-HT2,5-HT3,5-HT4---
Relative Physiology Function
Cardiovascular function
Breathing function
thermoregulation
sleep
sexual behavior
foodintake
analgesia
endocrinology function
psychomotility
3.氨基酸能神经系统
兴奋性氨基酸类:谷氨酸
Biosynthesis
Inactivation
reuptake
location and Projection
Receptor
NMDA non NMDA
Relative Physiology Function
leaning and memory
schizophrenia
neurotoxin
兴奋型氨基酸受体:按受体激动剂特性分类
N-甲基-D-天门冬氨酸型( N-methyl-D-aspartate , NMDA ) 使君子氨酸型(quisqualic acid ,QA (AMPA : -amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid) 海人藻酸型(Kainic acid,KA )
L-2-氨基瞵酸基丁酸型(L-2-amino phosphonobutyric acid ;L-AP4)
亲代谢型(metabotropic receptor)
抑制性氨基酸类:γ-氨基丁酸
Biosynthesis
Inactivation
reuptake
location and Projection
Receptor
GABAA GABAB: GABAC :
Relative Physiology Function
anti depression
anticonvulsive
endocrinology function
foodintake
analgesia
4.肽能神经系统
神经肽可分为许多家族 神经肽类
1) 速激肽
P 物质 SP ,first find
神经激肽A NKA
神经激肽B NKB
2) 内阿片肽
脑啡肽 ENK
β-内啡肽β—EP
强啡肽 DYN
孤儿肽,孤啡肽
3) 增血糖素相关肽
血管活性肠肽 VIP
组异肽 PH1
组甲肽 PHM
垂体腺苷酸环化酶激活肽 PACAP
生长激素释放激素 GHRH
4) 垂体后叶激素
加压素 VP
催产素 OT
5) 胆囊收缩素样肽
胆囊收缩素8 CCK-8
40
6) 蟾蜍肽样肽
胃泌素释放肽 GRP
neuromedin B NMB
7) 胰多肽相关肽
神经肽Y NPY ,PYY
8)内膜素 ET
ET-1
ET-2
ET-3
9)心钠素
α-心钠素 α-ANF
脑钠素 BNF
10)甘丙肽 GAL
11)神经降压肽 NT
12)降钙素基因相关肽 CGRP
13)生长激素抑制素 SS
14)促皮质激素释放因子 CRF ,Urocotin
15)血管紧张素 AT
16) 瘦素 leptin
17) TRH ,
18)Prolactin
第 三 篇 保 护 脑 部 分
浙江大学医学院
41
魏尔清教授
脑医学
从生物学角度,在微观和宏观的结构、功能上认识脑与脑疾病。 在认识脑的基础上,诊断、治疗和预防脑疾病。
很大程度上依靠动物实验获得知识。
第一讲 脑疾病概论
一、脑功能与脑疾病
1、认识脑功能和脑疾病的三步曲
第一步:外部行为活动的异常
第二步:仪器检查
第三步:在微观层次研究机制
由现象到本质,由浅入深透视脑的奥秘,从宏观到微观来认识正常的脑功能以及异常的脑疾病。
第一步:外部行为活动的异常
42