第1章 神经生物学绪论

《神经生物学》《Neurobiology》《神经科学》《Neuroscience》教学的基本思路：（1）建立在已经学过“生理学”中的神经生理学内容的基础之上来上神经生物学课。（2）传授基础知识、培养科学的兴趣、扩大知识面。（3）教学管理执行学校和生科院的规定和原则，并根据同学们对生科院的本科教学所提出的建议，要求在教学中坚持严格管理，本课程在教学过程中继续坚持：随机时间点名；随机时间要求课堂完成书面作业；课后补交前一次缺课的请假条一律无效；这些均纳入平时考试成绩。（4）课堂上上网和玩手机等，均视为违规，并会当面提出批评。请各位君子自重！讲授的内容第1章绪论第2章神经系统的发育第3章神经系统的解剖学结构第4章神经元第5章突触第6章神经信息的编码和加工第7章痛觉的神经生物学第8章运动控制和调节第9章学习与记忆第10章睡眠与觉醒第11章情绪活动及调控第12章语言和注意第13章脑的性别差异推荐阅读和使用的教材、参考书：[1]ERKandeletal.eds:PrinciplesofNeuralScience.(5thed)TheMcGraw-HillEducation,2013[2]JGNichollsetal.eds:FromNeurontoBrain.(5thed)SinauerAssociates,

Inc.,2012[3]MFBearetal.eds:Neroscience—ExporingtheBrain.(2nded)LippincottWilliams&WiilkinsInc.,2001[4]寿天德主编：神经生物学.(第2版)高等教育出版社，2006第1章绪论神经科学

(1990-2000脑的十年)(2001-2100脑的世纪)开发脑保护脑认识脑生命科学认知科学模拟人脑→智能电脑开发人脑→增强智能寿命延长→

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→吸毒问题分子→细胞→网络→全脑离体研究:无创在体研究:Patch(电)脑地形图RIA(化学）PET(化学）PCR(基因）fMRI(功能）ConfocalCT(形态）(形态)行为变化分子生物学细胞生物学……………人脑--机器互通诸多分支学科在20世纪，人类智慧对自然的征服已达到登峰造极的地步。但对于作为产生智慧源泉的人脑的认识，才刚开始。迄今为止，对于人脑产生的很多行为，还不能从机能学和形态学上加以全面解释；对于人类智慧的集中表现——人的思想产生的过程和机制，还是“未解之迷”。曾有人预测，21世纪将是脑科学时代。“神经科学”或“脑科学”（brainscience）的发展将始终是处于科学前沿的地位。(center)欧洲“神经元无人隐形战斗机”由法国领导，瑞典、意大利、西班牙、瑞士和希腊参与。值得铭记的成就：脑科学研究进展的三大里程碑：1.神经元学说2.神经元兴奋过程中的离子通道理论3.脑成像技术（可做到realtime）脑科学研究取得的十大进展：1.电生理学2.神经递质与受体3.神经营养因子的发现4.信号转导系统5.神经系统发育的基因调控6.神经系统疾病基因的定位7.视觉生理学8.学习与记忆9.脑超微结构的研究10.神经网络理论百年来与神经科学有关的诺贝尔奖获得者选介(1)C.S.Sherrington(英)18571850190019502000C.Golgi(意)19261934神经元染色方法18431852R.Cajal(西班牙)“神经元学说”形态190619521932•“突触”定名•“反射”概念•“交互”抑制反射学说生理电生理18891977•感觉神经纤维电活动•传入冲动大脑诱发电位•神经控制骨骼肌运动机制E.D.Adrian(英)电生理O.Loewi(德英)196118731936乙酰胆碱神经化学•蛙心灌流实验•“迷走物质”19681875H.Dale(英)•神经末梢分泌•乙酰胆碱ACh神经化学18741965194419631888J.Erlanger(美)H.S.Gasser(美)•阴极射线示波器•神经纤维的分类ABC19731881W.R.Hess(瑞士)•脑立体定位仪hypothalamus方法学创新1949电生理OxfordCambridge徒手切脑片银染神经元染出神经末梢，发现神经元之间无原生质联系生理科学进展2001，32：187神经药理学分子药理学百年来与神经科学有关的诺贝尔奖获得者选介(2)1850190019502000J.C.Eccles(澳大利亚)191419031963A.L.Hodgkin(英)B.Katz(德英)1917A.F.Huxley(英)•细胞内微电极•突触后电位•抑制性递质突触•电压钳技术•动作电位的离子学说•数学方程表述•NM终板电位•递质“量子释放”1911动作电位机制19051983U.VonEuler(瑞典…)•交感神经递质•去甲肾上腺素1970•儿茶酚胺代谢•影响CAs的药物电生理1912J.Axelrod(美)1913(左右脑)R.W.Sperry(美)1981“脑功能侧化”D.Hubel(加美)19261924T.Wiesel(瑞典美)视觉皮层信息加工E.Neher(德)1991B.Sakmann(德)•大脑视觉信息加工•视觉系统发育的可塑性•膜片钳技术•单个离子通道电流记录1999英，澳CambridgeCambridgeLeviMontalcini1986NervegrowthFactor(NGF)(Italy)儿茶酚胺神经化学单通道膜片钳方法学百年来与神经科学有关的诺贝尔奖获得者选介(3)1850190019502000192619232000P.Greengard(美)1930E.Kandel(美)A.Carlsson(瑞典)神经系统中的信号转导蛋白磷酸化慢突触传递多巴胺一.神经系统的演化遵循达尔文（CharlesRobertDarwin）的生物演化理论吗？脊椎动物脑典型特征是嗅觉脑变小，大脑半球皮质变大人脑的进化—脑半球和新皮质最为显著在演化过程中，什么样的直接原因影响到我们的智力？1.脑的重量？阿纳特尔（大文豪）脑重1100克，晚年仍能创作；夏目濑石脑重1425克，50岁去世；拿破仑三世脑重1500克，65岁去世；希勒（Schiler）脑重1580克，46岁去世；桂太郎脑重1600克，66岁去世；内村舰三脑重1600克，69岁去世；康德（Kant）脑重1650克，80岁去世；卑斯麦（Bismarck）脑重1807克，83岁去世；屠格涅夫（Turgenav）脑重2012克，65岁去世。

2、脑/体重量比？

蛙1:172；

麻雀1:34；鸡1:347；鸽1:104；

小白鼠1:28（体重）；小象1:500；马1:400；狗1:257；

鲸1:2500；

类人猿（长臂猿）1:28；黑猩猩1:100；人类1:50；3、脑的皱折？海豚脑的皱折比人脑皱折多，但海豚智力远不如人类。4、突触、基因等？突触（Synapse）的发育在生后3年内发育最旺盛，大概需要20年时间才可以大致完成。P17人们期望找到在大脑结构和功能方面与智力之间简单而明了的对应关系……，是否存在“非同寻常”？托马斯-哈维医生未经同意取出了爱因斯坦的大脑人们期望找到在大脑结构和功能方面与智力之间简单而明了的对应关系……，是否存在“非同寻常”？现代神经科学是千百年来神经科学的发展与继续，众多的科学家对神经科学的发展作出了重要贡献。公元前？中国古代“孟子”中论述了脑的功能“心之官则思”。公元前600-公元40年，古西腊哲学家描述了思想与灵魂，思想有赖于脑（或心？）。

二、神经生物学的发展简史“神经科学”是生命科学进入20世纪中叶以来，最受关注的学科领域。“神经生物学（neurobiology）”属于“神经科学（neuroscience）”的分支学科；是近30年来发展最快的学科领域之一。众所周知，人类之所以能够遨游太空、改造自然，能够创造出文学、艺术和音乐的不朽之作，最主要是因为人类在进化的过程中获得了一个其他生物所无法与之相比的脑。我们还不知道世界上有什么物质结构比人脑更复杂，也还不知道脑的潜在能力究竟有多大。1901年开始颁发生理学或医学诺贝尔奖，迄今已逾百年。在生物学和医学如此众多的领域中，因研究神经系统而获奖者多达44位科学家。

脑是开放的巨系统，它的复杂性表现在:

人脑有上千亿个(约1011个)具有多自由度的神经元和约千万亿（1015个）突触联结的信息处理和决策系统。

3.2百万公里“线路”,所有这些包容在重约1.5千克、1.5升容积内,消耗约10瓦能量。全世界近六万名神经科学家在研究脑功能各个方面,从各种单分子(如离子通道)的功能到认知、思想、记忆与情感那样的整体活动,以及为预防及治疗脑疾病寻找新药物。神经科学几乎每天都有新的发现,实验数据正以指数级增长与积累。迎接这场挑战除神经科学家之外，还有数学、物理学、化学、信息科学、认知科学和计算机科学等领域的科学家。

如此复杂的神经系统，尤其是大脑，神经科学研究该采用何种战略思路？现代神经科学就是利用现代生物学多领域的成就来研究神经元机能活动的发生规律，面对大脑这个极其复杂的难题，Kuffler提出了明确的见解以说明研究方法与目标，“从单个神经元到大脑（FromNeurontoBrain）”。

当时认为电生理学方法是最重要的手段S.Kuffler的同事和学生D.H.Hubel

与T.N.Wiesel按照他提出的研究路线和方法，阐明了视知觉的神经元过程而获得1981年诺贝尔医学或生理学奖。一般认为“现代神经生物学始于上世纪60年代”。1960年国际脑研究组织（IBRO）宣告成立。会员国达100多个国家，有会员近3万人。1962年美国MassachuseteInstituteofTechnology创建了“神经科学研究计划（NRP）”1966年美国哈佛大学最早成立神经科学系，StephenKuffler提出“Neuroscience”这一概念。1969年美国神经科学会（SocietyforNeuroscience）成立，当时会员仅250名，1995年粗略地估计约2.5万名，成为美国最大的学会，发展速度惊人。1989年7月25日，美国总统G.Bush根据美国第101届国会会议通过的政府议案(根据美国中风协会科学家提议)，宣布《自1990年1月1日开始的今后的10年为“脑的十年”》的提案，“脑的十年（theDecadeoftheBrain）”成为法定研究计划。这在美国历史上仅2次，即60年代“登月计划（LandingLunarProject）”和“脑的十年”计划。2年后，欧洲制定了“欧洲脑的十年（EuropeanDecadeoftheBrain）”计划。得到英、法、德、意等国积极响应，投入巨额资金开展神经科学研究。2000年6月由世界经济合作发展组织资助、在美国召开的“人类脑计划暨神经信息学大会”，宣布将建立电子“通天塔”，为神经信息学全球化服务[1]。东方的日本紧随其后，启动“HumanFrontierScienceProject”，投资十多亿美元开展这方面的研究。1996年，日本还制定了为期20年的“脑科学时代（theAgeofBrainScience）”计划（希望解决智慧问题），投入的经费惊人，8亿美元/年，总投资达2万亿日元，是该国“超级钢材开发计划”的10倍。该计划把脑科学分成2大部分：“硬件（hardware）研究”，其目标是在细胞和分子水平上研究脑神经元的发育、分化，及神经网络的形成；“软件（software）研究”

，其目标是阐明脑的各种功能。有人预测，由于分子生物学、电子工程、信息科学等各领域的进展，脑科学研究正处在重大飞跃的前夜。21世纪计划将从三个方面来推动脑科学研究：认识脑（UnderstandingtheBrain）：研究的战略目标是阐明实施认知、情感、意识的脑区的结构和功能，以及脑的通讯功能。保护脑（ProtectingtheBrain）：研究的战略目标是控制脑发育和老化的进程及神经性和精神性疾病的康复和预防。创造脑（CreatingtheBrain）：研究的战略目标是设计和开发仿脑型计算机和信息处理系统。美国为了抢占脑科学研究的战略制高点，于2013年再次制订“脑计划”美国总统奥巴马在2013年初的国情咨文中谈及为人脑绘图时说：“现在是太空竞赛以来，美国的研发水平达到新高度的时候了”。一语道破美国出台“脑计划”的深层次动机----抢占脑科学研究的战略制高点。2013年5月美国白宫就公布了“推进创新神经技术脑研究计划”(简称“脑计划”)。无独有偶，欧盟委员会年初也宣布，石墨烯和人脑工程两大科技入选“未来新兴旗舰技术项目”，并分别设立专项研发计划，每项计划将在未来10年内分别获得10亿欧元的经费。三、神经生物学与神经科学“神经生物学是研究神经细胞分子组构及神经细胞如何通过突触组成功能回路以处理信息和中介行为的科学(G.M.Shepherd:Neurobiologyisthestudyofnervecellsandassociatedcellsandthewaysthattheyareorganizedintofunctionalcircuitsthatprocessinformationandmediatebehavior)”。它是一门基础理论性和实验性均很强的综合性学科。我国1997年正式列入生物学下属的二级学科。Whatisneuroscience?Neuroscienceisafieldthatisdevotedtothescientificstudyofthenervoussystem.Suchstudiesmayincludethestructure,function,development,genetics,biochemistry,physiology,pharmacology,andpathologyofthenervoussystem.Traditionallyitisseenasabranchofbiologicalsciences.However,recentlytherehasbeenaconvergenceofinterestfrommanyallied

disciplines,includingpsychology,computerscience,statistics,physics,andmedicine.Whatisneuroscience?

Neuroscienceisatthefrontierofinvestigationofthebrainandmind.

Thestudyofthebrainisbecomingthecornerstoneinunderstandinghowweperceiveandinteractwiththeexternalworldand,inparticular,howhumanexperienceandhumanbiologyinfluenceeachother.神经生物学与神经科学有什么区别？神经生物学则偏重于生物学，而神经科学则不受传统专业学科的限制，它是一种多学科的、跨学科的基本理论研究，它除含神经生物学所包括的那些学科之外，还包括ClinicalNeurology、NeuralSurgery、NeuralToxicology、Psychiatry、Mathematics、Physics、ComputerScience等学科对神经系统所做的研究。心理神经免疫学：是医生、量子物理学家交流合作与对话的领域。你我好像都有增强和弱化我们自身免疫系统的能力。令人奇怪的是心理神经免疫与健康饮食和运动养生少有联系，而与我们生活的诚实程度有很大关系。1953年DNA分子双螺旋结构的测定，是生命科学发展史上的一个里程碑（landmarker）；而1990年开始的“脑的十年（theDecadeoftheBrain）”计划，被认为是生命科学发展的又一里程碑。Watson(1962年诺贝尔奖得主，分子生物学创始人)说：“20世纪是基因世纪，21世纪是脑的世纪”。Crick（1962年诺贝尔奖得主，分子生物学创始人）将他的兴趣从分子生物学转向脑研究，着手解决人脑的本质问题。1994年他经过长时间的构思后，出版了一本名为“TheAstonishingHypothesis—TheScientificSearchforTheSoul（惊人的假设—灵魂的科学探索）”的著作，其基本观点认为“人的精神活动完全由神经细胞和胶质细胞的行为和构成它们的原子、离子和分子的性质所决定”。他坚信，意识这个心理学的难题，可以用神经科学的方法来解决。

四、神经生物学的现状（一）神经活动的基本过程方面的研究……离子通道、受体类型间的家族关系、多通道的氨基酸顺序测定。克隆受体基因，弄清其分子结构，从原理上为设计良好的药物提供可能性。突触部位信息传递和调控、递质释放、递质分子与突触后膜上的受体分子相互作用、可塑性等依然是关注的焦点。神经调质（neuromodulator）尽管不直接改变膜离子通透性，而是间接地经由一系列的生物化学过程来调制突触后神经元的活动，其作用时间较慢，持续时间较长，可达数分钟、数小时、数天乃至更长时间。这方面的认识还很有限。（二）神经系统的发育和再生方面的研究神经系统的发育和再生是一个问题的两个方面。中枢神经系统的再生已成为研究的热点。这一领域中目前取得的进展主要是从低等动物的简单神经系统的研究来获得的。高等动物神经系统的发育、发生规律的认识还有漫长的路要走，无现成的方法，必须发展新的技术和方法。

1997年前仍然还认为鸟类以上动物的中枢神经系统在损伤后不能再生，而1998年英国研究发现大鼠的嗅球神经细胞的提取物加入到培养哺乳动物神经细胞的培养液内后，能促进其神经细胞分裂，该项研究显露出希望的曙光。

现在发现人和哺乳动物脑深部结构如海马等，终生保持新生神经细胞的能力。

（三）感觉和运动方面的研究

感觉的研究主要集中在两个方面，一是感觉换能，二是感觉信息处理。视觉、听觉研究今后仍然会在感觉研究领域中继续领头。我们国家已将视觉、听觉研究列为我国神经科学研究的重点。

…….研究的着眼点将不再是单个神经元的反应特性，而是把这些特性与知觉、脑的认知功能相关起来，感觉信息的串行等级处理和平行信息处理模式将在更深的层次统一起来。

…….感觉的计算理论将进一步发展。

…….在运动方面,研究将主要集中于不同层次上的运动和感觉信息如何被整合?运动程序如何被控制?行为如何通过运动系统来实现?（四）神经系统的疾患方面的研究

在应用分子遗传学的方法对遗传性神经疾病的研究方面，迄今为止，所考察过的基因不过是组成人类基因组（约30万个基因）中的百分之几，随着基因组研究的进展，发展步伐将会大大加快。

1997年8月舞蹈症致病基因导致脑细胞死亡的分子机理研究取得重大进展。

1998年田中启二和水野美邦发现并克隆出Parkinson’sDisease基因。2000年他们发现这种基因致病的原因：基因表达出一种酶—Parkin,一旦这种基因失去活性或异常，体内多余的蛋白质就无法被分解，因积累导致神经细胞破坏和死亡，即Parkinson’sDisease。这方面的研究给人们带来希望：对神经性和通讯性（言语和听觉性）所发生的神经系统变性，将能更早地作出诊断。新的外科技术和神经性修复术（助听器、助视器、人工肢体等）的发展将进一步减轻神经系统疾患的严重后果。神经营养因子将为神经退行性疾病治疗提供广阔前景。随着新的治疗方法的产生,因事故、中风、各种神经疾患所致的脑损伤可得到修复，甚至使脑移植成为可能。

Mongoloid,先头愚型患者；Patau’sSyndrome，帕陶综合征，三染色体13综合征，acongenitaldisorderinwhichtherearethreecopiesofchromosome13,14,or15insteadoftheusualtwo.Thisresultsinbrain,heart,andkidneydefectswhichareusuallyfatalsoonafterbirthLGB严重抑郁症或慢性压力能够导致脑容量减少，从而导致情感障碍和认知障碍。耶鲁大学科学家们研究发现其原因是：单个基因开关触发人大脑连接减少和模式动物产生抑郁。见2012年8月12日“NatureMedicine”。压力导致人大脑突触减少。“我们证实当该单个转录因子被激活时，正常条件下参与情感和认知的神经环路受到破坏。”论文第一作者HyoJungKang发现至少5个这样的基因能够受到被称作GATA1的单个转录因子的调控。脑发育的优化：PrunningandremovalofpolyneuronalinnervationthroughcompetitionafterbirthNeuralDarwinism(Edelman)（五）脑的高级功能方面的研究包括：感知、运动控制、学习记忆、情绪、语言、意识等。几十年来，研究偏向两个极端，要么是整体性的黑盒子式的研究，要么是把这些功能还原成局部的神经网络、或是在简单系统中还原成基本过程，如基本的细胞、分子事件。JeoZTsien1999年在《Nature》上报道，将NMDA受体复合物蛋白的组成部分NR2B亚单位的基因插入小鼠内，使之更多表达出NR2B蛋白亚单位，行为上表现出更聪明。WashingtonUniv的科学家用转基因聪明鼠和正常鼠做慢性疼痛试验，发现转基因鼠易患慢性疼痛。

感觉信息如何整合起来用于认知外部世界?意识如何被控制?意识的整体性又怎样被保持？突触可塑性与学习、记忆形成、记忆检索之间是怎样的关系？语言声如何在中枢内破译和解读，其表象是什么？对这些问题的了解才刚刚开始。脑高级功能研究中的问题是必须解释由大量神经元组装的复杂功能系统及其工作原理，需要创立全新的原理和方法，把离子通道、突触、神经元的兴奋和抑制等概念与脑高级功能沟通起来。现有脑成象技术（核磁共振（NMI）成象、计算机断层扫描（CT）成象、正电子发射（PET）成象等）的时间、空间分辨率将大幅度提高。清醒动物上多电极（微电极列阵，事件相关电位记录电极列阵，助视、听刺激电极列阵等）同时记录下不同脑区神经元的技术已露出突破性的希望之光。这些技术更紧密地把神经元群体的活动与高级功能相关起来。计算神经科学(ComputationalNeuroscience)的发展将进一步揭示脑执行各种高级功能的算法，具有透彻的数学和物理学上的分析的脑的高级功能有可能在脑科学研究中产生重大突破。

音乐对我们的影响：[1]“listeningtoMozartmakesyoucleverer”.LanguagessuchasMandarinChinesecanenhancethemusicalabilitiesofspeakers.Thisisnosurprise.Manysortsofmentaltrainingandlearningalterthebrain,justasphysicaltrainingaltersthebody,andlearning-relatedstructuraldifferencesbetweenthebrainsofmusiciansandnon-musiciansarewellestablished[4].(PhilipBall：Whymusicisgoodforyou.publishedonline20July2010|Nature|doi:10.1038/news.2010.362).[2]Playing,listeningtoandcreatingmusicinvolvespracticallyeverycognitivefunction.RobertZatorreexplainshowmusiccanteachusaboutspeech,brainplasticityandeventheoriginsofemotion.(RobertZatorre:Music,thefoodofneuroscience?

Nature434,312-315,2005)睡眠对我们的影响：[1]Nevertheless,convergingevidence,fromthemoleculartothephenomenological,leaveslittledoubtthatofflinememoryreprocessingduringsleepisanimportantcomponentofhowourmemo