神经生物物理

2017/11/16,1,第三章 神经生物物理学,2017/11/16,2,2013诺贝尔医学奖揭晓 美德两国3名科学家共享,2013年诺贝尔奖生理学或医学奖获奖者：（从左至右）美国科学家詹姆斯.罗斯曼和兰迪.谢克曼、德国科学家托马斯-C.苏德霍夫因,2017/11/16,3,2013诺贝尔医学奖揭晓 美德两国3名科学家共享,据外媒消息，10月7日，2013年诺贝尔奖生理学或医学奖在瑞典卡罗琳医学院揭晓，获奖者为三人，他们分别是：美国科学家詹姆斯.罗斯曼和兰迪.舒克曼、德国科学家托马斯-C.苏德霍夫因，他们的研究成果是细胞运输系统的膜融合。据介绍，膜融合的发现表明蛋白质和其他物质可以在细胞内和细胞间进行传递，细胞可以用这一过程来阻止它们的活动并且避免混乱。这一突破性发现解释了为什么胰岛素释入血液时会有变化、神经细胞之间的信息传达，以及病毒感染细胞的方式。,2017/11/16,4,英比学者分享诺贝尔物理奖,比利时理论物理学家弗朗索瓦恩格勒、英国理论物理学家彼得希格斯因成功预测希格斯玻色子（又称“上帝粒子”）而获得2013年诺贝尔物理学奖。恩格勒今年81岁，希格斯因84岁。希格斯玻色子又称“上帝粒子”，从理论提出到现在已经经历了半个世纪。科学界普遍认为比利时科学家弗朗索瓦恩勒特率先提出了希格斯玻色子的设想。而彼得希格斯因等6名科学家于1964年发表了相关理论，并以他的名字“希格斯”命名了这种粒子。,2017/11/16,5,3.1 神经科学发展简史3.2 现代神经科学的研究目标和发展趋势3.3 神经元电生理模型和神经元间的通讯方式3.4 噪声作用下两个FitzHugh-Nagumo神经元的同步活动,第三章 神经生物物理学,2017/11/16,6,8.1 神经科学发展简史,3.1.1 “从心到脑”西方人对脑的认识3.1.2 分子生物物理学简史“从髓到脑”中国人对脑的认识3.1.3 细胞的认识现代神经科学的发展,汉诺威国际神经科学研究所,2017/11/16,7,3.2 神经科学的研究目标和发展趋势,3.2.1 神经科学的研究目标3.2.2 神经科学发展的趋势3.2.3 神经科学展望,汉诺威国际神经科学研究所,2017/11/16,8,3.2.1 神经科学的研究目标,了解脑 从分子、细胞、网络、神经回路和全脑水平进行研究，分析神经系统的结构和功能，揭示各种神经活动的基本规律，阐明脑的基本工作原理。保护脑 阐明神经系统疾患的病因、机制，预防和治疗神经系统疾病。开发脑 进一步开发人脑的潜力，增强智能，模拟脑的工作原理，设计制造新型的智能电脑。,2017/11/16,9,3.2.2 神经科学发展的趋势,在细胞和分子水平研究脑 细胞生物学的发展和分子生物学的崛起 基因水平上的新技术的发展从整合的观点研究脑 整合多学科、多方面实验的研究结果 整合多层次的研究结果,在细胞和分子水平研究脑,2017/11/16,10,3.2.3 神经科学展望,神经活动的基本过程神经系统的发育神经系统疾患脑的高级功能,2017/11/16,11,3.3 神经元电生理模型和 神经元间的通讯方式,3.3.1 神经元及其电生理特性3.3.2 神经元的动力学模型3.3.3 神经元间的通讯方式突触,2017/11/16,12,3.3.1 神经元及其电生理特性,神经元静息电位动作电位,2017/11/16,13,1 神经元,神经细胞，大脑有1012个神经元组成,与其他细胞的相同点,神经元被细胞膜包围； 神经元有包含基因的细胞核； 神经元包含细胞质、线粒体和其它细胞器；,与其他细胞的不同点,神经元有特殊的发射部位：树突和轴突 神经元之间的信息传递通过电化学过程 神经元形成特殊的连接部位突触,2017/11/16,14,1 神经元,神经元的分类,1、按神经元突起的数目分类,单极神经元双极神经元多极神经元,双极神经元细胞本体展延出两个突起,单极神经元细胞有两个轴突，一个轴突向脊椎中心延伸，其它的轴突则向肌肉或皮肤延伸。,多极神经元有许多源于细胞本体的突起。其中只有一个是轴突.,2017/11/16,15,1 神经元,2、按照传递信息的方向分为,感觉神经元中间神经元运动神经元,3、按照神经元的作用分为,兴奋性神经元抑制性神经元,2017/11/16,16,2 静息电位,2017/11/16,17,3 动作电位,2017/11/16,18,3.3.2 神经元的动力学模型,霍奇金-赫胥黎 ( Hodgkin Huxley) 神经元模型 霍奇金（英国生理学家、生物物理学家， 曾获1963年诺贝尔生理学-医学奖）； 霍奇金（英国女化学家， 曾获1964年诺贝尔化学奖） 赫胥黎（生物学家 菲茨赫-南云忠一(FitzHugh-Nagumo)神经元模型,2017/11/16,19,1 Hodgkin Huxley 神经元模型,膜电位,某种粒子或过程处于正确位置时才能打开钾通道的概率,钠通道活化过程参数，,钠通道失活化过程参数,2017/11/16,20,1 Hodgkin Huxley 神经元模型,膜电位,某种粒子或过程处于正确位置时才能打开钾通道的概率,钠通道活化过程参数，,钠通道失活化过程参数,2017/11/16,21,1 Hodgkin Huxley 神经元模型,Hodgkin Huxley神经元模型可以成功地描述神经元的动力学特征，理论计算结果与实验结果非常地吻合,理论计算的膜电流和试验结果吻合。,2017/11/16,22,1 Hodgkin Huxley 神经元模型,Hodgkin Huxley 神经元模型能够定量地描述动作电位的特征。,2017/11/16,23,1 Hodgkin Huxley 神经元模型,Hodgkin Huxley 神经元模型还可以反映神经元的其他兴奋性特点：阈下响应、动作电位期间膜电导的变化、温度对动作电位波形的影响、动作电位的传播、离子流、绝对和相对不应期以及易化现象等。,2017/11/16,24,2 FitzHugh-Nagumo神经元模型,兴奋性变量，描述兴奋态的产生；,恢复变量，使系统回到稳定态；,2017/11/16,25,3.3.3 神经元间的通讯方式突触,电突触化学突触神经递质和神经调质电突触和化学突触的不同,2017/11/16,26,1 电突触,2017/11/16,27,2 化学突触,化学突触的方向性和极性在接触部位的附近常有一群突触小泡；并列膜,突触前膜化学突触 突触后膜 突触间隙,2017/11/16,28,2 化学突触,化学突触的主要分子机制,代谢机构突触前释放突触前恢复突触前的调制间隙机制突触后受体突触后的调制突触的淘汰机制,2017/11/16,29,2 化学突触,2017/11/16,30,3 神经递质和神经调质,乙酰胆碱生物胺类氨基酸类嘌呤类神经肽其他一些可能的神经递质,2017/11/16,31,4 电突触和化学突触的不同,化学突触传递信号是单方向的，而电突触传递信号是双方向的。电突触对信号的传递是非常迅速的，而化学突触对信号的传递往往需要一段时间的延迟，化学突触既可以是兴奋的，也可以是抑制的。一般来说，电突触都是兴奋性的，电突触结构的简单性限制了突触传递的可塑性程度，化学传递的可塑性是建立和储存记忆的基础,2017/11/16,32,一、生物体内的噪声源,（1）、 热噪声,（2）、 来自离子通道的噪声,（3）、 由信号传递和网络效应引起的噪声。,噪声从不同的方面来影响神经元的动力学活动。,3.4 噪声作用下两个FitzHugh-Nagumo神经元的同步活动,2017/11/16,33,二、随机的FN神经元模型,表示高斯白噪声，其关联为：,表示噪声强度,2017/11/16,34,2017/11/16,35,2017/11/16,36,三、两个耦合FN神经元的基本方程,表示电突触耦合强度,2017/11/16,37,触发动作电位的平均频率,触发动作电位的平均频率和噪声强度的关系,2017/11/16,38,一定耦合强度作用下，触发动作电位的平均频率和噪声强度的关系,两个耦合神经元的同步活动图（图中数据表示振荡的频率之比）,201