脑科学过去、现在和未来

1、脑科学展望,脑科学的定义,脑科学又称神经科学（Neuroscience) ，其作为一门独立学科仅有四十余年的历史，但它与神经生理、神经解剖、神经生物化学和神经药理学却有很久的渊源。,第一部分 脑研究历史,脑科学,开发脑 开发人脑 增强智能 模拟人脑 智能电脑,保护脑 寿命延长 PD, AD, 中风 高速交通 颅脑, 脊髓外伤 生活节奏 焦虑,抑郁,精神病 生活质量 镇痛 祛痛 社会开放 吸毒问题,认识脑 分子 细胞 网络 全脑 (离体研究) (无创在体研究) Patch（电） EEG RIA(化学） PET PCR(基因） fMRI Confocal (形态） 行为变化,一、认识脑,神经生物学：研究神经系统的结构与功能及其相互关系。是在分子、细胞、神经网络或回路、系统和整体水平上阐明神经系统特别是脑的基本活动规律的科学。,百年诺贝尔奖回顾,1906,1.神经元学说创立,Golgi用镀银法染色，第一次在显微镜下观察到了神经元和胶质细胞，为研究神经科学提供了最基本的组织学方法。,Cajal在掌握了Golgi的方法后，建立了还原硝酸银染色法，可以显示出神经元树突，发现神经元之间没有原生质的联

2、系，认为神经元是整个神经活动的最基本单位，从而使复杂的神经系统有了进一步研究的切入口。,神经元(neuron) 与神经胶质细胞(neuroglia)是构成神经系统的主要细胞成分。,2.电信号变化,C. S. Sherrington 分析研究膝跳反射，认为“反射”是神经系统基本的活动形式。 首先提出“突触”的概念； 并指出脊髓中管理伸肌的运动神经元发生兴奋时，管理屈肌的运动神经元必然发生抑制。 由此，把神经系统的活动看作是有客观规律指导，而不是神秘不可测的。,1932,艾德里安（英） Edgar Adrian （1889-1977）,Edgar Adrian在单根神经纤维上记录到电活动，即神经冲动。 证明这些传人神经冲动可以到达大脑，引起脑电变化，也可以通过中枢联系经传出神经支配肌肉收缩，从而把谢灵倾的反射学说具体化了。 把谢灵顿的生理学概念用电生理方法加以证实,传入,传出,J.C. Eccles师从谢灵顿从事反射活动的研究。 记录到神经与肌肉接头处的终板电位； 证明突触部位不仅有兴奋性递质，还有抑制性递质，证实了谢灵顿晚年强调的抑制性突触的存在。,1963,动作电位的离子机制,1936

3、,3.神经化学递质的发现,Loewi 1921年证明迷走神经兴奋时释放递质Ach的双蛙心实验,Dale在证明副交感神经末梢能分泌出乙酰胆碱（Ach)，而且证明交感神经的节前纤维和运动神经的末梢也都能分泌Ach。 把神经化学研究方法与神经生理研究结合起来，牢固地建立了突触的化学传递学说。,N1,N1,交感 神经,副交感 神经,躯体运 动神经,ACh,ACh,ACh,ACh,NE,M1-5,N1,胆碱能纤维,少数节后纤维,胆碱能纤维,胆碱能纤维,大多数节后纤维,M1-5,ACh,N2,周围胆碱能纤维,1970,他们共同发现了神经递质及其储存、释放和激活的过程。,B. Katz主要研究神经和肌肉功能，在神经肌肉接头处发现了微终板电位，为“量子释放”理论打下基础.,N1,交感 神经,NE,N1,少数节后纤维,胆碱能纤维,M1-5,Euler发现去甲肾上腺素（NE）是交感神经系统的神经传递介质,Axelrod阐明了儿茶酚胺类神经递质的代谢过程，为治疗高血压、帕金森氏病药物的研制开创了新途径。,Chemical Electrical,1991,4. 离子通道和信号转导,Neher和Sakmann发

4、现了细胞中单离子通道的活动态。他们应用膜片钳技术，记录到了细胞膜上单个离子通道的电流量，证实了离子通道的改变，可影响细胞内、外离子浓度，从而调节细胞的功能。,patch clamp recording technique,他们的研究首次表明气体NO分子可以穿过细胞膜而发挥信使作用，提出了生物信号传递的新理论。,1998,NO作为信号传递分子,Carlsson发现了多巴胺（DA）是脑内的一种神经递质，这种物质对于控制人类身体运动和精神活动具有非常重要的作用，缺失该递质会导致类似帕金森氏病的症状。,2000,卡尔森(瑞典) A.Carlsson (1922-),Kandel 发现细胞内蛋白质的磷酸化可以加强突触传递效率，构成了短期记忆的基础； 多次强烈的突触传递活动，可影响神经元内的蛋白质合成代谢，改变突触的结构，形成长时程记忆的基础。,坎德尔(美） E.R.Kandel (1929-),5.感觉和知觉,Gullstrand通过眼屈光度的研究，建立了常用的眼睛光学模型高尔斯特兰简化眼。,视觉,古尔斯特兰德(瑞典) A.Gullstrand (1862-1930),1911,Wald从事视觉

5、升华的研究，包括对遗传性色盲的生化机制,1967,Granit从事视网膜电生理的研究,Hartline用电生理方法研究鱼复眼之间存在相互抑制的作用,R. Barany对前庭器官进行了生理与病理学的研究，探明前庭器官功能及其疾病的诊断方法。,巴拉尼（奥地利） R.Barany（1876-1936),位置觉,1914,贝凯希（美） G.V.Bakesy (1899-1972),V.Bakesy发现耳蜗感音的物理机制，外界声波使内耳基底膜振动，从而使毛细胞电位发生变化，激发耳蜗神经产生冲动，传至脑而产生听觉。,1961,听觉,2004,阐明了人类嗅觉系统的工作方式 人体约有1000个基因用来编码气味受体细胞膜上的不同气味受体，每个气味受体细胞会对有限的几种相关分子作出反应。尽管气味受体只有约1000种，但它们可以产生大量的组合，形成大量的气味模式，这也就是人们能够辨别和记忆约万种不同气味的基础。,嗅觉,1981,脑功能侧化,Sperry1952年进行了分裂脑的研究，将猫和猴大脑两半球之间的胼胝体切断，发现两半球各自保留自身的学习能力，但两半球之间不再能进行信息传递。以后又将癫痫病人联系左右脑

6、的胼胝体切断作为治疗措施，并进行细致研究，发现左脑偏重抽象思维，右脑偏重空间认知。,6.神经系统的高级功能,斯佩里(美) R.W.Sperry（1913-）,左半脑： 逻辑理解、记忆、时间、语言、书写、判断、排列、分类、逻辑、分析、推理、抑制、五感(视、听、嗅、触、味觉)等。 思维方式具有连续性、延续性和分析性。 左脑可以称作“意识脑”、“学术脑”、“语言脑”。,右半脑： 空间形象记忆、直觉、情感、身体协调、视知觉、美术、音乐节奏、想像、灵感、顿悟等。 思维方式具有无序性、跳跃性、直觉性等。 右脑又称作“本能脑”、“潜意识脑”、“创造脑”、 “艺术脑”。,如果你看见这个舞女是顺时针转，说明你用的是右脑 如果是逆时针转，说明你用的左脑,他们的研究表明: (1)大脑不同部位有职能分工，视觉皮层以细胞柱为功能单位，分别有方位优势柱和左眼或右眼作为优势眼)，对视觉信息进行加工; (2)出生早期视觉皮层的发育受环境影响，具有很大的可塑性。,大脑视觉信息加工和发育的可塑性,方位优势柱,他们揭开了胚胎如何由一个细胞发育成完美的特化器官,如脑和腿的遗传秘密，也树立了科学界对动物基因控制早期胚胎发育的模

7、式。 神经发育生物学的内容广泛，包括出生前的胚胎发育，出生后的生长、成熟、老化、退变、凋亡和损伤后的再生修复等，而且由于技术上的困难对神经系统的发育了解还很少，所以该研究是近年来研究进展最为缓慢的领域，他们的重大发现成为神经发育生物学的历史转折点。,7.发育神经生物学,1995,哺乳类神经系统的头尾和腹背发育受一些基因的控制,Acta Paediatr 90: 707-15. 2001,他们不仅发现脑中可产生肽类激素和脑垂体激素，而且在研究蛋白质和各种肽类激素相互作用方面也取得显著成果，并创立了放射免疫分析学（RIA），在方法学上提供了依据。,8.神经内分泌调节,1977,1941年的Rosalyn Yalow,Guillemin与Schally同时证明了肾上腺皮质素释放因子（CRF）的存在； Guillemin从30万头羊的下丘脑纯化出促性腺激素释放激素（LRH）,Yalow创立了放射免疫分析法,9.神经营养因子（NGF）,1953年 Levi-Montalcini发现了NGF； 1960年 Cohen提取纯化NGF，证明其生物活性； 1970年 Cohen证明NGF是个复合蛋白；

8、1984年 NGF的研究重点从周围神经系统拓展到中枢神经系统，乃至非神经系统； 90年代 国内外多家制药公司和药物研究机构相继开始进行NGF开发研究。,1986,NGF：能够促进神经细胞存活、生长、分化的一类蛋白质因子,Rita Levi-Montalcini,1944,阴极射线示波器,10.方法学创新,发展了阴极射线示波器，可以记录神经纤维上微小的电位变化。证明神经纤维越粗，传导冲动的速度越快，并因此将神经纤维分为A、B、C三类。这一方法学的进步，为深人细致的电生理研究打下坚实基础。,发明了脑立体定位仪，可以根据三维座标将电极插人动物脑的特定核团进行刺激或损毁，从而开启了在自由活动的动物上进行脑深部(研究的大门。,脑立体定位仪,1949,应该获诺贝尔奖的研究：,LTP （Long term Potentiation，长时程增强） 脑功能成像,Tim Bliss in 1973,在高等动物中，1973年，英国的布理斯(Tim Bliss)和挪威的洛默(Terje Lmo)发现LTP，是神经可塑性机理的重要发现和主要模型。其后二十多年内，LTP已在脑内多个部位观察到，并有证据显示与一些学

9、习记忆有关。,1. LTP研究,Marc Raichle 将正电子扫描 (PET)做活体人影像检测； Seiji Ogawa利用功能性核磁共振成像(fMRI)技术进行脑功能研究。 他们的工作是生物医学影像的重要发展,2. PET和fMRI研究,Seiji Ogawa(日本),Marc Raichle (美国),MRI设备,fMRI扫描,二、保护脑,临床神经科学：侧重医学临床应用研究与神经系统有关的疾病，及其诊断、治疗方法、技术等。,世界卫生组织的资料显示，全球现有约4.5亿人患有神经精神疾病，包括抑郁症、躁狂症、精神分裂症、神经发育障碍疾病如儿童自闭症等。据预测，在未来20年中，抑郁症将可能排在世界疾病负担(疾病所致的经济负担)的第2位。我国目前精神疾病患者约1600万人，神经精神疾病在我国疾病总负担中排名首位，约占疾病总负担的20%。,（一）精神疾病的机理与防治,神经症,抑郁症,精神分裂症的神经基础,精神分裂症,（二）神经病的机理与防治,阿尔茨海默病（Alzheimers disease, AD）： 65岁以上约5%, 85岁以上20%,帕金森病（Parkinsons disease, PD）： 65岁以上患病率1 700/10万,(三)脊髓损伤的治疗,Science vol 288:9,June 2000,外侧痛觉系统：痛感觉： 背角深层-外侧丘脑-初级与次级体感皮层 内侧痛觉系统：痛情绪： 背角浅层-内侧丘脑-岛叶-前扣带回,（四）痛觉,Ascending pathways of pain,Location of brain activity correlated with both induced cocaine craving and anger. Cocaine craving (yellow) Anger (blue),Neural Activity Related to Drug Craving in Cocaine Addiction,（五）药物成瘾,PET study,计算神经科学：应用数学理论和计算机模拟方法来研究脑功能的学科。,

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