《神经生物学概述》课件.ppt
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1、神经生物学概述神经生物学概述神经生物学概述神经生物学概述神经生物学的主要研究方法神经生物学的主要研究方法神经元结构和功能神经元结构和功能神经系统的发育和再生神经系统的发育和再生感觉系统感觉系统大脑的高级功能大脑的高级功能参考书参考书韩济生主编,神经科学纲要(原理)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韩太真等主编,学习记忆的神经生物学吕国蔚主编,神经生物学吕国蔚主编,神经生物学左明雪主编,神经生物学左明雪主编,神经生物学1、大脑是如何编制运动程序的?、大脑是如何编制运动程序的?2、记忆是如何形成的、记忆是如何形成的?3、情绪是如何产生的?、情绪是如何产生的?4、如何
2、解释、如何解释“闹鬼现象闹鬼现象”?5、如何解释人与人之间语言能力的差别?、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?、各种感觉的大脑机制如何?7、人脑真的会被硬盘取代吗?、人脑真的会被硬盘取代吗?一、神经生物学的形成和发展一、神经生物学的形成和发展二、二、神经生物学研究的方法和手段神经生物学研究的方法和手段三、神经生物学的基本内容三、神经生物学的基本内容四、目前神经生物学研究的新动向四、目前神经生物学研究的新动向五、神经生物学的研究前景五、神经生物学的研究前景一、神经生物学的形成和发展一、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神经生物学的概念和研究范畴l 概
3、念:概念:神经生物学是研究神经细胞的分子组神经生物学是研究神经细胞的分子组成和结构及神经细胞如何通过突触连接组成成和结构及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。功能回路以处理信息和介导行为的科学。它它是多种相关学科,如生物物理学、神经解剖是多种相关学科,如生物物理学、神经解剖学、神经生理学、神经药理学及分子生物学学、神经生理学、神经药理学及分子生物学等学科交叉渗透、相互融合而派生出来的新等学科交叉渗透、相互融合而派生出来的新兴的边缘和交叉学科。兴的边缘和交叉学科。研究的中心问题:阐明脑神经回路的组研究的中心问题:阐明脑神经回路的组织结构和神经信息的处理机制,即采用织结
4、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、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、细胞间的突触神经元回路的组成方式、细胞间的突触联结、神经细胞的组成及信息的传递方联结、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。过程中的作用机制和规律。神经生物学研究的方法:需要在分子水神经生物学研究的方法:需要在分子水平、亚细胞水平、细胞水平乃至整体行平、亚细胞水平、细胞水平乃至整体行为和心理水平上同时进行,此研究不受为和心理水平上同时进行,此研究不受传统学科的限制,也不等于传统学科的传统学科
5、的限制,也不等于传统学科的简单相加,而是一个多学科、跨学科、简单相加,而是一个多学科、跨学科、多水平的综合基本理论研究。多水平的综合基本理论研究。l 基本目标主要有:基本目标主要有:揭示神经系统内部神经元间各种不同的连接揭示神经系统内部神经元间各种不同的连接形式形式,为阐明行为的脑机制奠定基础为阐明行为的脑机制奠定基础在形态上和化学上鉴别神经元之间的差异,在形态上和化学上鉴别神经元之间的差异,了解神经元如何产生、传导信号,以及这些了解神经元如何产生、传导信号,以及这些信号如何改变靶细胞的活动信号如何改变靶细胞的活动阐明神经元特殊的细胞生物学特性阐明神经元特殊的细胞生物学特性认识实现各种功能(包
6、括高级功能)的神经认识实现各种功能(包括高级功能)的神经回路基础回路基础 n最终目的:了解人类脑的结构和功能,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,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、效率,提高神经系统疾患的预防、诊断、治疗水平而服务。治疗水平而服务。n“神经生物学神经生物学”与与“神经科学神经科学”的区别:的区别:“神经生物学神经生物学”在许多场合是作为在许多场合是作为“神神经科学经科学”的同义词使用的,但严格说来,的同义词使用的,但严格说来,还是有区别的,还是
7、有区别的,“神经科学神经科学”包括临床包括临床神经病学,而神经生物学则不包括。神经病学,而神经生物学则不包括。、学科的形成、学科的形成1)人类对脑认识的历史)人类对脑认识的历史人脑是宇宙中已知的最复杂的结构(人脑是宇宙中已知的最复杂的结构(1011神经细胞),今天应该到了完全揭开人神经细胞),今天应该到了完全揭开人脑奥秘的时候了,认识了人脑便是认识脑奥秘的时候了,认识了人脑便是认识了人类自己。了人类自己。2)神经科学的形成神经科学的形成:1962年美国麻省理工学院创立了神经科学研年美国麻省理工学院创立了神经科学研究规划组织(究规划组织(NeuroscienceResearchProgram,N
8、RP););1966年美国哈佛大学成立神经科学系;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(中最著名的是国际脑研究组织(IBRO 70年代欧美很多高等院校相继成立神经生物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。学专业或开设神经生物学课程。80年代初欧美许多高校尤其是绝大多数高等年代初欧美许多高校尤其是绝大多数高等医学院校均以不同形式大力发展神经生物医学院校均以不同形式大力发展神经生物学教学。学教学。我国到年代
9、中期,一些高等院校才开始我国到年代中期,一些高等院校才开始给研究生开设选修课,但近年由于许多知给研究生开设选修课,但近年由于许多知名学者的大力倡导和呼吁,有些高等院校名学者的大力倡导和呼吁,有些高等院校都陆续给本科生开设神经生物学,其中有都陆续给本科生开设神经生物学,其中有些学校还把神经生物学列为重点学课。些学校还把神经生物学列为重点学课。目前神经生物学领域排名前10位的美国学校Univ of California-San Diego,Yale University,Harvard University,Univ of California-San Francisco,Stanford Uni
10、versity,Columbia University,Johns Hopkins University,Washington University,University of California-Berkeley,California Institute Technology 3、神经生物学发展的几个特点、神经生物学发展的几个特点n多学科研究多学科研究n多层次研究多层次研究n实验材料的重要性实验材料的重要性n现代神经科学呈现方向的多样性现代神经科学呈现方向的多样性n知识更新很快知识更新很快1)、神经科学研究是多学科的综合研究)、神经科学研究是多学科的综合研究作为一名实验科学,对神经系统的研
11、究在很作为一名实验科学,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。大程度上有赖于研究手段的发展和完善。(1)没有)没有Golgi染色法,就不可能观察到神染色法,就不可能观察到神经细胞的形态;(经细胞的形态;(2)没有微电极的发明,)没有微电极的发明,就不可能进行神经系统的电生理学研究;就不可能进行神经系统的电生理学研究;(3)没有免疫组织化学方法的发展,就不)没有免疫组织化学方法的发展,就不可能把神经化学的研究与形态学研究有机可能把神经化学的研究与形态学研究有机地结合起来;(地结合起来;(4)没有膜片钳技术的发展,)没有膜片钳技术的发展,就不可能进行单通道电流的研究。就不可能进行
12、单通道电流的研究。2)、神经科学研究是综合研究:从分子到行)、神经科学研究是综合研究:从分子到行为的为的“一条龙一条龙”研究,是神经科学研究的研究,是神经科学研究的特点。特点。3)、神经科学的发展在一定程度上取决于能)、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否寻找到合适的实验材料来对某个特定的问题进行研究。如(问题进行研究。如(1)、海兔标本对于学)、海兔标本对于学习、记忆机制的阐述;(习、记忆机制的阐述;(2)、枪乌贼大神)、枪乌贼大神经对突触传递过程的了解;(经对突触传递过程的了解;(3)、鱼类的)、鱼类的电器官使我们对乙酰胆碱的作用有广泛的电器官使我们对乙
13、酰胆碱的作用有广泛的了解;(了解;(4)、神经分子遗传学的研究则大)、神经分子遗传学的研究则大大得益于线虫和果蝇所获得的资料。大得益于线虫和果蝇所获得的资料。4)、现代神经科学研究与)、现代神经科学研究与19世纪末和世纪末和20世纪世纪初的情势已完全不同了。在哪个时候,几初的情势已完全不同了。在哪个时候,几个人或几个实验室的工作会成为整个神经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,主导着它的发展方向。系统研究的原动力,主导着它的发展方向。如西班牙如西班牙Cajal关于神经元的理论关于神经元的理论;英国英国Sherrington的反射理论的反射理论;俄国巴甫洛夫的条俄国巴甫洛夫的条
14、件反射理论件反射理论;40年代研究的主流,有年代研究的主流,有Eccles,Katz,Hodgkin,Huxley的工作的工作;20世纪世纪50年年代后,上述情况则越来越少了,呈现出百代后,上述情况则越来越少了,呈现出百家争鸣的景象。家争鸣的景象。5)、)、20世纪神经生物学的另一个使人印象深世纪神经生物学的另一个使人印象深刻的特点是知识更新的速率越来越快,所刻的特点是知识更新的速率越来越快,所涉及的面越来越广。涉及的面越来越广。、学习和发展神经生物学的、学习和发展神经生物学的意义及目前的状况意义及目前的状况1 1)意义:认识脑、)意义:认识脑、保护脑保护脑 、创造脑、创造脑1 1、“认识脑认
15、识脑”的需要,认识脑就是要揭示脑功能的本质,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。脑的通讯功能。2 2、“保护脑保护脑”的需要,保护脑就是要控制脑发育和老化的需要,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。的进程及神经性和精神性疾病康复和预防。3 3、“创造脑创造脑”的需要,创造脑就是发挥人脑的潜在能力,的需要,创造脑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。开发具有人脑特点的高度智能化的计算机。4 4、从、从“生命第一、健康第一、创新第一生命第
16、一、健康第一、创新第一”的观点出发,的观点出发,应该研究脑。应该研究脑。2 2)目前的发展状况)目前的发展状况 国外:美国国外:美国“脑的十年脑的十年”“”“欧洲脑十年欧洲脑十年”日本日本“脑科学时代脑科学时代”美国于美国于1989年率先推出了全国性的脑研究计划,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并把本世纪最后十年命名为“脑的十年脑的十年”,此计划由国会通过立法,总统签署发布。此计划由国会通过立法,总统签署发布。两年后,欧洲出台了两年后,欧洲出台了“欧洲脑十年欧洲脑十年”计划。计划。1996年,日本也制订了为期二十年的年,日本也制订了为期二十年的“脑科学时脑科学时代计划代
17、计划”,计划每年投资,计划每年投资1000亿日元(约亿日元(约8亿亿美元)预计总投资将达到美元)预计总投资将达到2万亿日元,万亿日元,一百多年神经生物学领域诺贝尔一百多年神经生物学领域诺贝尔奖获得者及其成果奖获得者及其成果巴甫洛夫(巴甫洛夫(IvanPetrovichPavlov,18491936):):关于循环、消化和高级神经活动的研究。关于循环、消化和高级神经活动的研究。1904(神经生理)(神经生理)高尔基(高尔基(CamilloGolgi,1849-1936)和卡尔吉尔)和卡尔吉尔(SantiagoRamonCajal,18521934),在神),在神经结构方面的工作。经结构方面的工作
18、。1906(神经生理)(神经生理)AllvarGullstrand(18621930,瑞典瑞典),在眼屈光生,在眼屈光生理学方面的研究。理学方面的研究。1911(感觉生理)(感觉生理)RobertBarany(18761936,奥地利奥地利),在内耳前庭,在内耳前庭器官生理学的工作。器官生理学的工作。1914(感觉生理(感觉生理谢灵顿(谢灵顿(C.S,Sherrington,18571952,英国)和,英国)和EdgarDouglasAdrian(18891977,英国英国),关于神经元功能,关于神经元功能的研究,建立突触的概念。的研究,建立突触的概念。1932(神经生理)(神经生理)SirH
19、enryHallettDale(18751968,英国英国)和和OttoLoewi(18731961,奥地利奥地利),发现了神经冲动的化学传,发现了神经冲动的化学传递。递。1936(神经生理)(神经生理)CorneilleJeanFrancoisHeymans(18921968,比利时比利时),发现了颈动脉窦和主动脉弓在呼吸调节中的作用。发现了颈动脉窦和主动脉弓在呼吸调节中的作用。1938(呼吸生理)(呼吸生理)JosephErlanger(18741965,美国美国)、HerbertSpencerGasser(18881963,美国美国),发现单根神经纤维的绝然,发现单根神经纤维的绝然不同的
20、功能,不同的功能,1944(神经生理)(神经生理)WalterRudolfHess(18811973,瑞士瑞士)和和AntonioCaetanoDeAbreuFreireEgasMoniz(18741955,葡萄牙,葡萄牙)分分别发现间脑对内脏活动的机能,大脑皮层的额叶对情别发现间脑对内脏活动的机能,大脑皮层的额叶对情绪和精神的控制作用。绪和精神的控制作用。1949(神经生理)(神经生理)GeorgVonBekesy(18991972,美国美国)发现了耳蜗兴奋的生发现了耳蜗兴奋的生理机制。理机制。1961(感觉生理)感觉生理)SirJohnCarrewEccles(19031997,澳大利亚澳
21、大利亚)、SirAlanlloydHodgkin(1914,英国英国)、SirAndrlloydFieldingHuxley(1917,英国英国)发现细胞膜兴奋和抑制发现细胞膜兴奋和抑制有关的离子机制。有关的离子机制。1963(神经生理)(神经生理)RagnarGranit(19001991,瑞典瑞典)、HaldanKefferHartline(19031983,美国美国)、GeorgeWald(19061997,美国,美国)发现眼内视觉的主要生理和化学过程。发现眼内视觉的主要生理和化学过程。1967(感觉生(感觉生理)理)SirBernardKatz(1911,英国英国)、UlfVonEul
22、er(19051983,瑞典瑞典)、JuliusAxelrod(1912)发现神经末梢中体液性发现神经末梢中体液性递质及其贮存、释放和失活机制。递质及其贮存、释放和失活机制。1970(神经生理)(神经生理)KarlVonFrisch(18861982,德国德国)、KonradLorenz(19031989,奥地利,奥地利)和和NikolaasTinbergen(19071998,英国英国)对个体和社会行对个体和社会行为模式的建立和阐述。为模式的建立和阐述。1974(神经生理)(神经生理)RogerGuillemin(1924,美国,美国)、AndrewvSchally(1926,美国美国)发现
23、神经活性肽;发现神经活性肽;RosalynYalow(1921,美国美国)建立神经活性肽的放射免建立神经活性肽的放射免疫方法的测定。疫方法的测定。1977(神经生理)(神经生理)AllanMCormack(19241998,美国,美国)、SirGodfreyNHounsfield(1919,英国英国),发明了电,发明了电脑辅助脑辅助X线断层扫描(线断层扫描(CT)。)。1979(神经生(神经生理)理)RogerWSperry(19131994,美国)对大脑两半球功能,美国)对大脑两半球功能特异性的研究;特异性的研究;DavidHHubel(1926,美国美国)和和TorstenNWiesel(
24、1924,美国美国),对视觉系统信,对视觉系统信号处理的研究。号处理的研究。1981(神经生理)(神经生理)StanleyCohen(1922,美国美国)、RitaLevimontalcini(1909,意大利意大利),发现生长因子。,发现生长因子。1988(神经生理)(神经生理)BrwinNeher(1944,德国德国)、BertSakmann(1942,德国德国)发现细胞上单离子通道的功能。发现细胞上单离子通道的功能。1991(神经生理)(神经生理)ArvidCarlsson(1923,瑞典瑞典)、PaulGreengard(1925,美国美国)和和EricRKandel(1929,美国美
25、国)发现了神经系统中的信号发现了神经系统中的信号传递。传递。2000(神经生理)(神经生理)表表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(美国国立卫生研究所1989年统计资料)年统计资料)病种病种总病例数总病例数每年费用(美圆)每年费用(美圆)眼病眼病80000000160亿亿听力丧失听力丧失28000000560亿亿老年痴呆症老年痴呆症4000000800亿亿忧郁症忧郁症3500000160亿亿中风中风2000000250亿亿癫痫癫痫200000030亿亿精神分裂症精神分裂症1110000210亿亿头部创伤头部创伤10
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