神经生物学第一章神经生物学概述.ppt

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1、教材:寿天德主编,神经生物学(第二版),高等教育出版社2006参考书:Bear,BW Connors和MA Paradiso，“Neuroscience:Exploring the Brain,3nd Ed”.2011 高等教育出版社(影印本）Siegel A,Sapru H H.Essential Neuroscience.2nd Ed.2011 韩济生主编，神经科学纲要（原理）韩太真等主编，学习记忆的神经生物学 吕国蔚主编，医学神经生物学 左明雪主编，细胞和分子神经生物学“生理科学进展”杂志 有关神经科学方面的国际国内期刊杂志,神经科学网络工具：网上神经科学资源 一个可供搜索和浏览的网上神

2、经科学资源网站，包括提供神经生物学，神经科学，神经外科，心理学，精神病学认知科学和人类神经疾病方面的站点.孩子们的神经科学 为对神经系统相关知识有兴趣的学生和老师建立的网站.发育中老鼠的组织切片注解 有关老鼠发育的数码图谱和数据库资源，包括向原位基因表达和细胞谱系方面的空间信息.三维老鼠图谱(MRI based)允许使用者查询13.5天的老鼠胚胎大脑结构和观看这些结构的三维重建以及整胚的三维重建。,通过这门课的学习,希望达到的目的:,1、了解神经生物学的基本知识2、了解神经生物学知识是如何来的3、了解神经生物学的基本概念和原理 4、了解神经生物学的发展现状和发展趋势(哪些已知的？哪些是未知的？

3、）,一些值得深究的神经生物学问题:,1.大脑是如何编制运动程序的？2.记忆是如何形成的?3.情绪是如何产生的？4.如何解释“闹鬼现象”？5.如何解释人与人之间语言能力的差别？6.各种感觉的大脑机制如何？7.人脑真的会被硬盘取代吗？8.思维产生、社会交往等的神经基础？9.一些大脑疾病（痴呆、帕金森氏病、癫痫等）发生的神经基础10.低智特才综合症（Savant syndrome）,Benjamin Rush(Father of American Psychiatry)在1789年描述了一个低智特才综合症例：Thomas Fuller（心算特才）提问：一个人若活到70岁另17天12小时，他（她）总共

4、活了多少秒？正确答案：2，210，500，800秒(22亿）,Kim Peek(who isdevelopmentally Disabled)knowsmore than 7,600 books（书名）by heart as well as every area code（区号）,highway（高速公路）,zip code（邮政编码）and television Station（电视台）in the U.S.,记忆特才,神经生物学概述 神经生物学的主要研究方法 神经元结构和功能 神经系统的发育和再生 感觉系统 大脑的高级功能,主要内容:,一、神经生物学的形成和发展二、神经生物学研究的方法和手

5、段三、神经生物学的基本内容四、神经生物学研究动向和前景,第一章 神经生物学概述,一、神经生物学的形成和发展,1、神经生物学的概念和研究范畴2、学科的形成3、神经生物学发展特点4、学习和发展神经生物学的意义及目前的状况,1、神经生物学的概念和研究范畴,概念：神经生物学(Neurobiology)是研究人和动物神经系统结构和功能的科学，是探索脑的科学。主要研究神经细胞的分子组成和结构，神经细胞如何通过突触连接组成功能回路以处理信息和介导行为的科学。它是一门交叉学科。,研究的中心问题：阐明脑神经回路的组织结构和神经信息的处理机制。即采用多种技术方法和手段研究 脑的结构特征 神经元回路的组成方式 细胞

6、间的突触联结 神经细胞的组成及信息的传递方式 进而探索脑在信息处理、行为完成过程中的作用机制和规律。,最终目的:,了解人类脑的结构和功能，以及人类行为和心理活动的物质基础；为增进人类感觉与运动、学习与记忆的效率，提高神经系统疾患的预防、诊断、治疗水平而服务。,“神经生物学（Neurobiology)”与“神经科学(Neuroscience)”的关系：神经科学(Neuroscience)=神经病学(Neurology)+神经生物学(Neurobiology),、学科的形成,1）人类对脑认识的历史 人脑是宇宙中已知的最复杂的结构（1011神经细胞,1014神经突触），可以说认识了人脑便是认识了人类

7、自己。揭开人脑奥秘（即完全充分地认识自己）一直是人类梦寐以求的目标！,人总是对自己了解最少！,人类研究脑的历史,公元前600-400年：希腊哲学家提出理智和灵魂；思想依靠脑（或心脏）1543年：维萨利（A.Vesalius）精确提出人类神经系统的大体解剖。著名的人体的构造问世1637年：笛卡儿（R.Descartes)将脑描绘成一种机器样的结构，独立于精神之外1798年：伽尔伐尼（L.Galvani）发现了神经肌肉活动的电性质,人类研究脑的历史,1891年：卡尔吉尔（S.R.Cajal)确定神经系统是由独立的神经细胞连接形成的通路【细胞学说183839年间由德国的植物学家施莱登（Schleid

8、en）和动物学家施旺（Schwann）所提出】1897：谢灵顿（C.S.Sherrington)设想，神经细胞通过突触连接形成通路20世纪20年代：Langley,Loewi和Dale等人证明神经递质的功能象信使，作用于突触处的受体20世纪40年代：Shannon,Weaver和Weiner将信息加工和控制系统（控制论）的概念引入脑的研究中,人类研究脑的历史,50年代：Hodgkin,Huxley,Katz和Eccles用微电极获得精确的电信号记录，电子显微镜的应用揭示出突触和神经元的细微结构 Mountcastke,Lettvin,Hubei和Wiesel对特征提取作用的脑回路作单细胞分析6

9、0年代：树突的整合功能被认识，证明神经系统有无冲动的突触回路和突触相互作用 神经科学研究规划组织（Neuroscience Research Program，NRP)和神经科学学会相继成立，神经生物学成为一门新的专业和课程进入高校,人类研究脑的历史,70年代：神经调质和第二信使的发现大大扩展了神经元相互作用的时程和复杂性；计算机成像技术使与感觉和认识相关的脑活动模式形象化；分子生物学方法被用于分析遗传机制（DNA重组技术）和单个膜蛋白（膜电钳技术）80年代：开始利用计算机和人工智能模拟神经系统功能（视觉、语言、记忆、推理）90年代：为脑科学时代。一些发达国家脑研究计划的提出；对神经活动的认识推

10、向细胞和分子水平；从整合的观点研究神经系统功能21世纪：明星学科，脑科学世纪,欧盟“人脑工程”-2013美国的“大脑活动全图的研究计划”-2013-堪比人类基因组计划,2)神经科学的形成:1962年美国麻省理工学院创立了神经科学研究规划组织（Neuroscience Research Program,NRP）；1966年美国哈佛大学成立神经科学系；1969年美国神经科学学会宣告成立，其他全国和国际的神经科学学会也相继成立，其中最著名的是国际脑研究组织(IBRO),上世纪70年代欧美很多高等院校相继成立神经生物学专业或开设神经生物学课程。80年代中期，我国一些高等院校开始给研究生开设选修课，近年

11、来有很多高等院校都陆续给本科生开设神经生物学，有些学校（综合性大学）还把神经生物学列为重点学课。,2006年按神经生物学领域排名靠前的美国大学,Univ of California-San Diego Yale University Harvard University Univ of California-San Francisco Stanford University Columbia University Johns Hopkins UniversityWashington UniversityUniversity of California-BerkeleyCalifornia In

12、stitute Technology,2007年美国大学神经系统科学/神经生物学排名,Harvard University Stanford University University of California-San Diego Rockefeller University(NY)Johns Hopkins University University of California-San Francisco Yale University Columbia University California Institute of Technology Massachusetts Institut

13、e of Technology,2008年美国大学Neuroscience/Neurobiology 专业排名,Harvard University Stanford University University of California San Diego Rockefeller University Johns Hopkins University University of California-San Francisco Yale University Columbia University,The School of General Studies California Instit

14、ute of Technology Massachusetts Institute of Technology,2009年美国大学神经科学/神经生物学专业排名,Harvard UniversityStanford UniversityJohns Hopkins UniversityMassachusetts Institute of TechnologyUniversity of California San DiegoUniversity of California-San Francisco Rockefeller UniversityYale UniversityWashington U

15、niversity in St LouisCalifornia Institute of TechnologyColumbia University,The School of General Studies,2010美国大学排名神经科学/神经生物学专业研究生排名,HarvardUniversity StanfordUniversity JohnsHopkinsUniversity MassachusettsInstituteofTechnology UniversityofCaliforniaSanDiego UniversityofCalifornia-SanFrancisco Rocke

16、fellerUniversity YaleUniversity WashingtonUniversityinStLouis CaliforniaInstituteofTechnology ColumbiaUniversity,TheSchoolofGeneralStudies UniversityofCaliforniaBerkeley,2011美国大学排名神经科学/神经生物学专业研究生排名,Harvard University Boston,MA Stanford University Stanford,CA University of California-San Francisco Sa

17、n Francisco,CA Johns Hopkins University Baltimore,MD Massachusetts Institute of Technology Cambridge,MA Yale University New Haven,CT Columbia University New York,NY University of California-San Diego La Jolla,CA University of California-Berkeley Berkeley,CA Rockefeller University New York,NY Washing

18、ton University in St.Louis St.Louis,MO,2012美国大学排名之神经学/神经生物学专业研究生排名,1 Harvard University哈佛大学2 Stanford University斯坦福大学3 University of California-San Francisco加州大学旧金山分校4 Johns Hopkins University约翰霍普金斯Massachusetts Institute of Technology麻省理工学院Yale University耶鲁大学Columbia University哥伦比亚大学7 University of

19、 California San Diego加利福尼亚大学圣地亚哥分校University of California Berkeley加州大学伯克利分Rockefeller University洛克菲勒大学10 Washington University in St Louis圣路易斯华盛顿大学,2013神经科学/神经生物学专业排名,我国神经科学力量较强的单位,中国科学院神经科学研究所：近30个研究组，每个研究组由不超过五名的工作人员与数目不等的研究生和博士后组成。主要的研究领域为分子、细胞和系统神经生物学。所长：蒲慕明 复旦大学（医学部加生命科学学院-脑研究院）北京大学（医学部加生命科学学院

20、），北京大学IDG/麦戈文脑研究院（饶毅兼首任院长）第二、四军医大学,生命科学和医学学部院士127名）神经生物学院士（13）占生命科学与医学学部的11%：,陈 霖陈宜张段树民郭爱克韩济生鞠 躬李朝义,裴 钢苏国辉吴建屏杨雄里王正敏叶玉茹,3、神经生物学发展的几个特点,多学科研究多层次研究实验材料的重要性现代神经科学呈现方向的多样性知识更新很快：日新月异,1）、神经科学研究是多学科的综合研究 作为一门实验科学，对神经系统的研究在很大程度上有赖于研究手段的发展和完善。（1）Golgi染色法：神经细胞的形态；（2）微电极：神经系统的电生理学研究；（3）免疫组织化学：把神经化学的研究与形态学研 究有机

21、地结合起来（功能物质的定位）（4）膜片钳技术的发展：单通道电流的研究。,2）、神经科学研究也是多层次的综合研究：从分子到行为的“一条龙”研究，是神经科学研究的特点。,3）、神经科学的发展在一定程度上取决于能否寻找到合适的实验材料来对某个特定的问题进行研究。（1）、海兔（海蛞蝓ku y，Aplysia）标本:学习、记忆机制的阐述；（2）、枪乌贼大神经:神经电活动的机制；（3）、鱼类的电器官:乙酰胆碱的作用；（4）、线虫和果蝇:神经分子遗传学研究。,4）、现代神经科学研究与19世纪末和20世纪初的情势已完全不同：在哪个时候，几个人或几个实验室的工作会成为整个神经系统研究的原动力，主导着其发展方向。

22、如西班牙Cajal关于神经元的理论;英国Sherrington的反射理论;俄国巴甫洛夫的条件反射理论;40年代研究的主流，有Eccles,Katz,Hodgkin,Huxley的工作;20世纪50年代后，上述情况则越来越少了，呈现出百家争鸣的景象。Torsten N Wiesel（威塞尔，1981 年诺贝尔奖获得者）：在美国，20年前300名研究人员，2004年 达3万。神经生物学是发展很快的学科。,5）神经生物学的另一个特点：知识更新的速率越来越快，所涉及的面越来越广-日新月异。15年前在国内很难找到一本好的神经生物学，现在已经有大量的教材和专著！,4、学习和发展神经生物学的意义及目前的状况

23、,1）意义：认识脑、保护脑、创造脑（1）、“认识脑”的需要，认识脑就是要揭示脑功能的本质，阐明实施认识、情感、意识的脑区的结构和功能以及脑的通讯功能。认识脑是认识自身的关键；揭示脑的奥秘是当代自然科学面临最重大的挑战之一，蕴涵着深邃的哲学意义，对社会发展有不可估量的影响。,As the brain is a mystery,the universe will be also a mystery.,只要大脑的奥秘尚未揭开，宇宙将仍是一个谜。,爱因斯坦：20世纪最聪明的大脑,（2）、“保护脑”的需要，保护脑就是要控制脑发育和老化的进程及神经性和精神性疾病康复和预防。（3）、“创造脑”的需要，创造脑

24、就是发挥人脑的潜在能力，开发具有人脑特点的高度智能化的计算机。（4）、从“生命第一、健康第一、创新第一”的观点出发，应该研究脑。,2）发展状况 国外：美国“脑的十年”“欧洲脑十年”；日本“脑科学时代”美国于1989年率先推出了全国性的脑研究计划，并把本世纪最后十年命名为“脑的十年”，此计划由国会通过立法，总统签署发布。两年后，欧洲出台了“欧洲脑十年”计划。1996年，日本也制订了为期二十年的“脑科学时代计划”，计划每年投资1000亿日元（约8亿美元）预计总投资将达到2万亿日元，,1996年，神经信息工作组,由美国领头,包括19个国家。1997年，人类脑计划在美国正式启动。2001年10月，我国

25、有科学家参加神经信息工作组(人类脑计划)的第四次会议，成为第20个国家。,美国“脑的十年”研究计划,20条理由：从必要性和充分条件阐述。必要性：*美国约5千万人次/年罹患脑部因伤致残，用于治疗这些疾病的费用达3000多亿美元；*全面认识神经系统仍然处于技术创新的前沿；*中枢神经系统和免疫系统均作为控制整个机体的信号系统，在二者之间有直接的联系，就一个系统的调制作用的研究，将提高我们对主要的精神疾患、爱滋病和自身免疫疾患的认识。,表2、美国主要的脑和神经系统疾患的发病率和医疗费用（美国国立卫生研究所1989年统计资料）病种 总病例数 每年费用（美圆）眼病 80000000 160亿 听力丧失 2

26、8000000 560亿 老年痴呆症 4000000 800亿 忧郁症 3500000 160亿 中风 2000000 250亿 癫痫 2000000 30亿 精神分裂症 1110000 210亿 头部创伤 1000000 250亿 帕金森氏症 500000 20亿 脊髓创伤 250000 20亿 多发性硬化 250000 20亿 肿瘤 62000 3.25亿 脑萎缩性脊髓侧索硬化 30000 3亿,美国“脑的十年”研究计划,充分条件：脑科学的技术革命可以研究复杂的神经肽和行为的关系，认识参与记忆的脑的复杂结构；信息科学和计算机科学已达到高度发展的水平足以有效地处理神经科学的资料；分子生物学和

27、分子遗传学的发展，有可能澄清脑在神经生理事件转译为行为、思维和情感中的作用；脑的研究有众多学科的科学家的参与，包括生理学、生化学、心理学、精神病学、分子遗传学、解剖学、及其他学科；从1965年到1989年的25年间，诺贝尔医学或生理学家已授予15位神经科学学家，这标志脑和中枢神经系统的研究的巨大潜力。,一百多年来神经生物学领域诺贝尔奖获得者及其成果(22项）,巴甫洛夫（Ivan Petrovich Pavlov,18491936，俄罗斯）：关于循环、消化和高级神经活动的研究。1904（神经生理）高尔基（Camillo Golgi,1849-1936，意大利）和卡尔吉尔（Santiago Ram

28、on Cajal,18521934，西班牙），在神经结构方面的工作。1906（神经生理）Allvar Gullstrand(18621930，瑞典)，在眼屈光生理学方面的研究。1911（感觉生理）Robert Barany(18761936，奥地利)，在内耳前庭器官生理学的工作。1914（感觉生理）谢灵顿（C.S,Sherrington,18571952，英国）和Edgar Douglas Adrian(1889 1977,英国)，关于神经元功能的研究，建立突触的概念。1932（神经生理）Sir Henry Hallett Dale(18751968,英国)和Otto Loewi(187319

29、61,奥地利)，发现了神经冲动的化学传递。1936（神经生理）Corneille Jean Francois Heymans(1892 1968,比利时)，发现了颈动脉窦和主动脉弓在呼吸调节中的作用。1938（呼吸的神经调节生理）,Joseph Erlanger(18741965,美国)、Herbert Spencer Gasser(18881963,美国)，发现单根神经纤维的不同功能，1944（神经生理）Walter Rudolf Hess(18811973,瑞士)和Antonio Caetano De Abreu Freire Egas Moniz(18741955，葡萄牙)分别发现间脑对

30、内脏活动的机能，大脑皮层的额叶对情绪和精神的控制作用。1949（神经生理）Georg Von Bekesy(18991972,美国)发现了耳蜗兴奋的生理机制。1961(感觉生理）Sir John Carrew Eccles(19031997,澳大利亚)、Sir Alanlloyd Hodgkin(1914,英国)、Sir Andrlloyd Fielding Huxley(1917,英国)发现细胞膜兴奋和抑制有关的离子机制。1963（神经生理）Ragnar Granit(19001991,瑞典)、Haldan Keffer Hartline(19031983,美国)、George Wald(1

31、9061997，美国)发现眼内视觉的主要生理和化学过程。1967（感觉生理）Sir Bernard Katz(1911,英国)、Ulf Von Euler(19051983，瑞典)、Julius Axelrod(1912)发现神经末梢中体液性递质及其贮存、释放和失活机制。1970（神经生理）,Karl Von Frisch(18861982,德国)、Konrad Lorenz(19031989，奥地利)和Nikolaas Tinbergen(19071998,英国)对个体和社会行为模式的建立和阐述。1974（神经生理）Roger Guillemin(1924，美国)、Andrew v Scha

32、lly(1926,美国)发现神经活性肽；Rosalyn Yalow(1921,美国)建立神经活性肽的放射免疫方法的测定。1977（神经生理）Allan M Cormack(19241998，美国)、Sir Godfrey N Hounsfield(1919,英国)，发明了电脑辅助X线断层扫描（CT）。1979（神经生理）Roger W Sperry（19131994，美国）对大脑两半球功能特异性的研究；David H Hubel(1926,美国)和Torsten N Wiesel(1924,美国)，对视觉系统信号处理的研究。1981（神经生理）Stanley Cohen(1922,美国)、Ri

33、ta Levimontalcini(1909,意大利)，发现生长因子。1988（神经生理）Erwin Neher(1944,德国)、Bert Sakmann(1942,德国)发现细胞上单离子通道的功能。1991（神经生理）Arvid Carlsson(1923,瑞典)、Paul Greengard(1925,美国)和Eric R Kandel(1929,美国)发现了神经系统中的信号传递如多巴胺和学习记忆的分子机制。2000（神经生理）,2003年核磁共振技术在医学上的应用：,保罗.劳特布尔,彼得.曼斯菲尔德,BRAINS from a healthy aged adult(left)and a

34、 patient with Alzheimers disease(right)differ markedly.The execess of dark shading in the second image shows that brain activity is impaired.,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2004 for their discoveries of odorant receptors and the organization of the olfactory system”,Richard Axel,Linda B.B

35、uck,我国的情况,1992年“脑功能及其细胞和分子基础”正式列入国家科委重大基础研究项目攀登项目和“973”项目之中，中国科学院、卫生部、自然科学基金委会也把神经科学作为重点发展领域。1995年全国性神经科学学会于正式成立。2001年10月，我国有科学家参加神经信息工作组(人类脑计划)的第四次会议,成为第20个国家。,二、神经生物学研究的方法和手段,多学科、多层次的综合研究被认为是神经科学研究的显著特点，所涉及的方法较广：从形态到机能 从一般生理学到电生理学 从常规的生物化学到分子生物学 从手术下的观察到无创的活体脑成像技术可采用：形态学方法、生理学方法、电生理学方法、生物化学方法、分子生物

36、学方法和脑成像技术等多种手段,三、神经生物学的基本内容,神经元的结构与功能 神经元通讯 经典神经递质和神经肽及其受体神经系统的发育和再生感觉系统运动系统 自主神经和神经内分泌调节大脑的高级功能,四、神经生物学研究的新动向和前景,、在细胞和分子水平研究脑功能，特别是脑功能的基本过程*脑的感觉、运动功能的细胞和分子机制*神经系统与内分泌系统、免疫系统的相互作用的细胞和分子机制*脑高级功能的细胞和分子基础*中枢神经系统的发育和可塑性*中枢神经系统的高级整合功能,有可能对神经活动的基本过程信号的发生、转导、传导、突触传递等的研究将进一步深入，并逐渐形成完整的认识。,2、多学科、多层次的研究：*一些近年

37、发展起来的高新技术如正电子发射断层扫描、功能性核磁共振成像术等物理方法用于研究脑功能。*为了解决人类脑的高级功能问题，数理及计算机科学，临床医学科学，心理科学与现有神经科学发生融合。,3、以基础研究推动和指导脑疾病及脑损伤等问题的解决由于神经递质的发现及深入研究，为神经系统疾患或神经系统功能失调所引起的身体功能障碍提供了一大批优良的药物，如帕金森氏病，现以确定多巴胺减少为其主要缺陷。l近二十年来，许多神经疾患的基因机制被相继阐明，如肌肉营养不良症，亨延顿舞蹈症等、精神疾病的遗传倾向，开始在基因水平得到解释。l由于神经营养因子的发现以及神经干细胞的研发，为中枢再生带来新的曙光。l神经内分泌免疫学

38、正在崛起。l发育神经生物学在迅速发展。主要回答的问题：神经系统的区域化是如何形成的？不同种类的神经细胞和神经胶质细胞是如何产生的？神经细胞的迁移尤其是诱导，发育中轴突到达靶组织的分子机制是什么？,有可能：,在发育过程中神经元整合各种分子信号形成突触和组成回路的研究将取得重大发展更多的神经营养因子及其受体将被发现，它们在发育中和成年脑中的作用将逐渐阐明。通过对神经系统发育和再生的研究，许多退行性中枢神经系统疾病(如截瘫、神经元萎缩症)可望得以缓解或治愈。,（史蒂芬.霍金：肌萎缩侧索硬化症，运动神经元疾病，身体如同被逐渐冻住一样，俗称“渐冻人”。2002年来华参加国际数学大会,时间简史：人类理性的

39、最终胜利是我们能够摸清上帝的思路。果壳中的宇宙 伟大的设计：上帝在宇宙的创造过程中是没有位置的。2006年，霍金第二次来中国，在人民大会堂向北京的公众讲述宇宙的起源。继爱因斯坦之后最杰出的理论物理学家之一，被称为在世的最伟大的科学家。据称是世界上在世的最聪明的10人之一，IQ-160）,华裔澳洲籍陶哲轩，智商230 美国名校最年轻教授！,、脑功能的理论模型及基于脑功能的计算机及其他机器的设计,在脑的高级功能方面，有可能：对诸如感知、运动、学习记忆、情绪、语言、意识等的认识，可能会取得突破性的进展。脑成像技术的时间、空间分辨能力将大幅度提高，新的无创伤检测脑活动的技术将进一步发展起来。在清醒动物

40、上多电极同时记录不同脑区神经元的技术将出现突破，更紧密地把神经元群体的活动和高级功能相关起来。基于神经生物学的实验资料，具有透彻的数学和物理学上的分析的脑的高级功能模型有可能在脑科学中产生重大突破,、我国脑科学研究的一些特色,l与我国各族人民语言特点有关的脑功能活动的研究如汉语与脑功能的关系的研究。与我国传统医药学有关的脑功能理论，利用我国动、植物或矿物资源对神经、精神疾病进行治疗的基础研究，影响脑功能的中药有效成分的研究。例如:关于针刺镇疼的研究 中国蝎毒、蛇毒等神经毒的研究 影响脑功能的中药有效成分的研究l 由于我国特殊生活环境的理化因素的影响所导致的脑功能异常，包括智力低下等问题的研究。,神经生物学发展过程也证实:机遇只垂青那些有准备的头脑!问题是科学发现的起点!怀疑是创造性思维的开端!成功者往往是那些能坚持到最后的人!,