认知的生物学基础脑

关于认知的生物学基础脑眼见为实？

a.桌子的大小形状是否一样?yesornot

b.右边的线条是螺旋形的吗?yesornot

第2页,共39页，星期六，2024年，5月为什么要来上课？1、兴趣。“知之者不如好知者，好知者不如乐知者”

——孔子2、知识。“知识就是力量”——培根3、思维。“学而不思则罔，思而不学则殆”

——孔子4、应用。“理论联系实际，具体问题具体分析”——马克思哲学5、学习方法。“循序渐进，持之以恒”——孟子第3页,共39页，星期六，2024年，5月引言“人类应该知道，因为有了脑，我们才有乐趣、欣喜、欢笑和运动，才有了悲痛、哀伤、绝望和无尽的忧思。因为有了脑，我们才以一种独特方式拥有了智慧、获得了知识；我才看得见、听得到；我们才懂得了美与丑、善与恶；我们才感受到甜美与无味……同样，因为有了脑，我们才会发狂和神智昏迷，才会被畏惧和恐惧所侵扰……我们之所以会经受这些折磨，是因为脑有了病恙……由于这样一切原因，我认为，脑在一个人的机体中行使了至高无上的权力。”

——希波克拉底《论神圣的疾病》第4页,共39页，星期六，2024年，5月脑的样子（侧面照）位于颅骨内，重约3斤。处理各种信息适应环境。我们的视觉、听觉、触觉等各种感觉最终都要传入脑中进行处理。脑(brain)成了信息中枢，对接受的各种信息作出适当的反应。人类所独有的更高级认知。我们的意识、思维、情感、和记忆都由它产生和保持。第5页,共39页，星期六，2024年，5月脑中有什么？人脑中有1000亿个这样的神经细胞（神经元,neuron1011

个）。神经元的独特之处在于有如此众多连接，以进行信息的传递（电信息和化学信息）。神经元与神经元之间的连接有一千千亿（1014

）个。处理信息的能力神经元不同于人体其它器官的独特功能，每个人的差异就在于连接的不同。令人惊奇的是，连接具有可塑性（plasticity），每天动态的信息变化就能改变这些连接。大脑是自然界最复杂和精密的器官。第6页,共39页，星期六，2024年，5月神经元连接形成通路——最简单神经反射（reflex)

信息从感觉sensory神经元（红线条表示）传递到脊髓spinalcord，一部分上传到脑，另一部分又通过运动motor神经元（绿线条表示）支配肌肉的收缩。踩到钉子有什么反应？如何发生的？第7页,共39页，星期六，2024年，5月神经通路上信息的流动被破坏

破伤风、蜘蛛和蛇使人中毒的共同之处

神经与神经细胞之间，以及神经与肌肉连接之间都需要特殊的化学物质（神经递质,neurotransmitter）的释放来达到信息传递的作用。破伤风、蜘蛛和蛇产生的神经毒素进入血液后，通过血液循环，到达神经与肌肉连接处（神经肌接头）。神经毒素通过抑制神经递质的释放，达到阻碍神经与肌肉的信息传递，达到呼吸肌麻痹，呼吸衰竭。神经与肌肉的连接处第8页,共39页，星期六，2024年，5月中风（stroke）：脑血管损害导致了脑功能的损伤。在美国，中风在致死性疾病中位居第三，每年约有10万中风患者存活下来，但他们却终身丧失劳动力。神经细胞需要血管供血以提供细胞所需的氧、葡萄糖、氨基酸等营养物质。脑只占体重2.5%，却占心脏输血的20%！脑对氧很敏感，缺氧三分钟，神经细胞便发生不可逆的死亡，而其它器官细胞还能耐受。脑功能不正常（abnormal)——脑有关的疾病第9页,共39页，星期六，2024年，5月脑外伤（cerebraltrauma）

头部外伤可造成脑内出血，血块压迫大脑，颅内高压（头痛、呕吐、视乳头水肿三主征），形成脑疝。若抢救不及时，压迫脑干（心跳和呼吸中枢），造成心脏呼吸停止。脑部CT

脑疝第10页,共39页，星期六，2024年，5月神经退行性疾病（degenerativedisease)

神经元不明原因的进行性死亡生活条件及医疗水平的改善，生命延长，人口老龄化带来新的问题。

神经退行疾病的发病率显著提高，如老年性痴呆(Alzheirmer’sdisease)，帕金森氏病(Parkinson’sdisease)，严重的影响了人类生活质量。老年性痴呆损害患者的记忆功能，（遗忘），而帕金森氏病则引运动麻痹（运动不能）。治疗中的老年痴呆患者第11页,共39页，星期六，2024年，5月青年人居多的脑疾病——精神分裂症、抑郁症两者均为思维和情绪的疾病。精神分裂症（schizophrenia）是一种严重的性格疾病，表现出妄想(delusion)，幻觉（hallucination，illusion）和异常行为。多在青春期和成年早期发病，而且缠病终身。抑郁症（depression）表现为强烈的情绪低落、自卑和负罪感。在美国大约有1500万人在他们一生中的某个阶段会患上此病。该疾病成为导致自杀的主要原因。第12页,共39页，星期六，2024年，5月药物滥用导致的脑功能紊乱日常生活中，大家都在接触对脑有作用的化学物质。抽烟（含烟碱），喝咖啡（咖啡因）来提神，或喝酒（酒精）来高兴或悲伤一下。前两者是属于兴奋剂，能引起神经系统功能增强。而后者是麻醉剂，抑制大脑的正常功能。也会用到一些对脑有作用的药品。如：头痛时吃点止痛药，睡不好觉时用安眠药，这些药物同样也可以暂时影响脑的功能，达到缓解症状的目的。但另一些精神药物如吗啡（morphine)、海洛因(Heroin)等，为中枢性镇痛药，我们却称之为毒品。可怕的是这类精神药物会引起严重的药物成瘾（addiction)，患者欲罢不能，导致理知丧失，人格的扭曲，为了能吸食毒品而不顾一切，违反法律道德，对社会的危害很大。第13页,共39页，星期六，2024年，5月神经科学导论—脑科学的历史及现状一、古代对脑的认识二、近代对脑的认识三、当今的神经科学第14页,共39页，星期六，2024年，5月古代：“心思”还是“脑思”?西方医学之父的希波克拉底（Hippocrates)认为:“脑不仅参与对环境的感知，而且是智慧的发源地”。柏拉图(Platon)曾提出：人的欲望、思想、智慧是从脑产生的。Platon的学生亚里士多德（Aristotle)却相信“心脏是智慧之源”，认为脑只是个散热器，用来平衡体温之用。无独有偶，这个观点在中国也得到认同。

“心之官则思”——《孟子》“心居中虚，以治五官”——《荀子》“心忧炭贱愿天寒”——唐·白居易《卖炭翁》“心乐之”——唐·柳宗元《至小丘西小石潭记》

心想、心理、心情、言为心声、心不在焉、心地善良、心烦意乱、心无二用等等第15页,共39页，星期六，2024年，5月最有力的证据在中国虽然主流观点是心派，但仍有少数人持正确的认识。如秦代医书《皇帝内经•素问》里说“头者，精神之府”。明代李时珍也指出：“脑为元神之府”。两种学说都有支持者，争论持续了一千多年，但谁都拿不出有力的证据。每个人都希望自已更聪明，根据“吃什么，补什么”的简单思维，狐狸(心）和猴子（脑）开始遭殃。这种混乱情况最终由古罗马的医生盖伦（Galen)用最为有力的实验所证实。他分别对动物的心脏和脑的进行夹捏刺激，发现夹捏心脏表现为呼吸急促，四肢挣扎等；而夹捏脑却出现感觉丧失，很快昏迷，进入无意识状态，失去了全身各种有意识的活动。因此，结论再简单不过了，感觉思维和随意运动都是由脑产生的！第16页,共39页，星期六，2024年，5月盖论观点：大脑是感觉接收装置，小脑则支配肌肉。

他是怎么得出这个结论的？希腊医师盖伦接受了Hippocrates的关于脑功能的观点，还对动物的脑进行了大量而细致的解剖。现象：大脑较为松软，而小脑较为坚硬结论：大脑很可能是感觉接收装置，小脑则一定是支配肌肉依据：“结构-功能相关性”形成记忆的关键是将感知“刻印”（imprint)于脑，这一过程自然只能发生在面团般松软的大脑上。错误的依据中得出正确的一般性结论。图片第17页,共39页，星期六，2024年，5月羊脑解剖图返回（大脑）（小脑）（侧面观）（顶面观）第18页,共39页，星期六，2024年，5月那么脑如何来感知环境并支配躯体运动的呢？Galen将羊脑切开，发现脑是空的，空心的腔室内有液体，这些腔室被称作脑室(类似于心脏的心室)在Galen看来,这一发现极好的吻合了当时流行的理论:机体的功能有赖于4种重要体液的平衡。“血气方刚者是由具有潮湿和温暖这种基本性质的血液控制着；在冷静沉着者的身上，是潮湿和寒冷的粘液控制着人体的灵魂特质；忧郁的人是处在干而冷的黑胆汁的影响之下；易怒者是受了干而热的黄胆汁的作用”。性情急躁、动作迅猛的胆汁质；性情活跃、动作灵敏的多血质；性情沉静、动作迟缓的粘液质；性情跪弱、动作迟纯的抑郁质；这四种性格直到现在也是人类性格的重要分类方法之一。感知被大脑所记录，运动被大脑所启动，都是由体液通过神经到达脑室和离开脑室流动而实现的，认为神经是一种类似于血管的中空管道。Galen有关脑的观点延续了将近1500年！

图片第19页,共39页，星期六，2024年，5月切开的羊脑并显示出脑室返回（脑室）第20页,共39页，星期六，2024年，5月神经系统已经可以完整的剥离出来，它的大体解剖也因此获得了更为细致的描述。一些科学家展开脑物质构成的更深入研究。一些观察表明脑组织分灰质（graymatter)和白质（whitematter)。由于白质是躯体神经的延续性结构，因此认为白质包含有纤维，这些纤维起到向灰质传递信息，以及传递灰质发出信息的作用。脑表面观察到广泛存在的隆起（称为脑回，gyri)以及一些凹槽（称为沟和裂，sulci和fissure)。这一结构使得大脑以叶（lobe)的形式组装起来，成为了不同脑功能定位于不同脑回上这一理论的基础。这一突破开创了脑功能定位研究的新时代。图片2图片1图片3返回18世纪的脑研究进展第21页,共39页，星期六，2024年，5月脑的白质和灰质（白质）（灰质）返回第22页,共39页，星期六，2024年，5月神经系统的基本结构神经系统（nervoussystem)

外周神经系统（Peripheralnervoussystem,PNS）

中枢神经系统

（Centralnervoussystem,CNS）脑(Brain)

脊髓(Spinalcord)

脑又由三部分组成

1.大脑（Cerebrum)2.小脑(Cerebellum)3.脑干(Brainstem)返回第23页,共39页，星期六，2024年，5月大脑的五叶

返回（额叶）（枕叶）（顶叶）（颞叶）（小脑）脑干第24页,共39页，星期六，2024年，5月近代对脑的认识

先总结一下，18世纪末人们对神经系统的认识脑的损伤可以引起感觉、运动和思维的丧失，甚至导致死亡脑通过神经与躯体的肌肉、皮肤、内脏相联脑具有可以明确划分的一些部位，这些不同的部位很可能执行了不同的功能脑像一台机器那样运作，并遵循自然界所有的规律第25页,共39页，星期六，2024年，5月

神经“电缆”论特定的功能在脑不同部位的定位神经系统的进化神经元：脑的基本功能单位返回接下来的100年里，人类对脑功能的了解超出了此前有记载的所有知识的总和，要点有以下四个方面。

第26页,共39页，星期六，2024年，5月神经“电缆”论意大利的LuigiGalvani证明神经受到电刺激时会引起肌肉的颤动，同时脑本身也能产生电流。这些发现最终取代了“神经通过液体的流动而与脑相联系”的观点。产生了新观点：神经是一些“电缆”，它们将电信号传入传出脑。那么引起肌肉运动的信号和来自皮肤的感觉信号是否经过同一根神经电缆进行传导？这个问题被苏格兰内科医生CharlesBell解决了。Bell推论：每根神经都是许多“电缆”的复合体，其中一些纤维将来自皮肤的信息传入脑和脊髓，而另一些则将脑和脊髓发出的信息传送到肌肉。但对于每一根感觉和运动纤维而言，信息传递则表现出严格的单向性。图片返回第27页,共39页，星期六，2024年，5月Bell的实验返回（脊髓）（腹根）（神经）（背根）（脊椎骨）神经纤维（轴突）第28页,共39页，星期六，2024年，5月特定的功能在脑不同部位的定位早在Galen时期，发现大脑与小脑的结构差异，推测小脑支配肌肉运动。

Bell发现不同功能定位于脊神经根的，推测不同的功能也很可能定位于脑的不同部位。他推测运动纤维起源于小脑，感觉纤维最终到达大脑。

问题是如何去证实呢？Gall的颅相学(phrenology)：奥地利的医学生Gall看到了脑表面的那些隆起，它们是具有不同的功能呢？他坚信颅骨上的隆起反映了脑表面的隆起，因而提出一个人的性格倾向，例如大度性、遮掩性、破坏性等都与脑的大小相关联。Gall搜集并仔细测量了数百个具有不同性格的人的头颅研究对象中既有天才，也有具有犯罪倾向的精神病人。中国的看相学（面相，手相）。“生得身长八尺，两耳垂肩，双手过膝，目能自顾其耳，面如冠玉，唇若涂脂….相者云：此家必出贵人”——罗贯中《三国演义》第一回图片第29页,共39页，星期六，2024年，5月颅相学图谱返回第30页,共39页，星期六，2024年，5月特定的功能在脑不同部位的定位法国神经科医生Broca的发现。曾遇到这样一个病人，该病人能够理解别人的言语，但自已却无法说话。当这个病人死后，Broca仔细的研究了他的脑子，结果在其左额叶上发现了损伤。根据这一病例以及其他几个类似的病例，Broca认为大脑的这一区域具体负责语言的形成。很快一些来自动物的实验为脑功能定位学说提供了可靠的支持，法国的生理学家Flourens通过系统的损毁脑的某一部位，进而决定其功能的方法(实验性切除法)，在多种动物上进行了研究，证实小脑确实在运动的协调方面起作用；德国生理学家Hermann采用类似的方法证明了大脑枕叶是视觉功能所必需的。而德国赫茨格用电刺激狗大脑皮质的方法，发现对侧肢体发生抽动，在大脑上勾画出运动皮质的粗略图。我们现在知道，大脑有非常明确的分部，而这些不同的部位的执行了彼此不同的功能。今天脑功能定位图谱，可以与颅相图谱相媲美。图片返回第31页,共39页，星期六，2024年，5月PaulBroca(1824-1880)研究脑损伤而失语的病人，确信不同功能可能是定位于不同的大脑区域失语的病人的脑返回第32页,共39页，星期六，2024年，5月神经系统的进化1859年，生物学家达尔文（darwin）出版了《物种起源》一书，明确的阐述了进化的理论：所有生命物种均起源于共同祖先，物种之间的差异源于“自然选择”的过程。不同物种的神经系统进化源于共同祖先，而且不同的物种的神经系统具有共同的作用机制，这一思想为将动物实验的结果用于人类提供了理论基础。

如研究枪乌贼巨大轴突上获得的神经电冲动传导的知识同样适用于人类。大鼠获得重复自我摄取可卡因时，就会表现出明确的成瘾症状，使用这种大鼠模型可以研究成瘾的机制及治疗药物。另一方面，物种间的差异是由于其生活环境差异造成的，某一物种的许多行为性状与该物种的局部生活环境有高度特异性。

枝头灵活攀援的猴子具有敏锐的视觉，而习惯在地洞中穿梭的老鼠却具有高度进化的触觉功能。每一物种的脑结构和功能均反应了对环境的适应。图片返回第33页,共39页，星期六，2024年，5月

恒河猴和大鼠不同的脑功能特化

返回视觉中枢嗅觉中枢第34页,共39页，星期六，2024年，5月神经元：脑的基本功能单位19世纪早期，伴随着显微镜的发明，科学家第一次有机会观察动物组织。1839年德国动物学家施旺提出了已广为人知的细胞理论：一切组织均有被称为细胞的显微单位所构成。神经系统自然也不例外，构成大脑中的细胞被称为神经细胞，又称神经