课件：博士研究生动物生理学授课专题之四细胞和分子神经生物学.ppt

细胞和分子神经生物学,吉林大学畜牧兽医学院 柳巨雄,一、神经生物学的研究范畴 二、为什么要开设本课程 三、本课程的教学安排,绪 论,一、神经生物学的研究范畴,神经生物学是研究人和动物的神经系统的科学，它从分子水平、细胞水平到神经网络乃至整体系统水平上研究神经系统，特别是脑的结构与功能及其相互关系，研究神经系统的生长和发育，其最终目的是阐明脑神经活动的机制；同时为人类战胜各种与脑神经相关疾病提供科学原理和可能途径。,二、为什么要开设本课程,人和动物体生活在经常变化的环境中，环境的变化随时影响着体内的各种功能。为了使机体能够不断适应各种内外环境的变化, 有机体就必需要对各种生理功能作出迅速而完善的调节，而实现这一调节功能的就是神经、体液和自身调节三大调节系统，其中神经调节起着主导作用。,神经系统,脑的工作原理是人类面临的最大挑战!,1989年美国政府在第101届国会通过一个议案，命名1990年1月1日开始的十年为“脑的十年”。,目的：为了探索脑的奥秘，攻克各种疾病（与脑有关的），开发人工智能技术。,脑的十年,欧共体成立了“欧洲脑的十年委员会”及脑研究联盟。 日本推出了“脑科学时代”计划纲要。 中国提出了“脑功能及其细胞和分子基础”的研究项目，并列入了国家的“攀登计划”。,1995年夏，国际脑研究组织IBRO在日本京都举办的第四届世界神经科学大会上提议把下一世纪（21世纪）称为“脑的世纪”。,1 神经遗传学 1.1 亨廷顿氏病 1.2 进行性肌营养不良症 1.3 阿尔兹海默尔氏病(老年性痴呆) 1.4 脂贮积症高歇氏病 1.5 神经纤维瘤 1.6 耳硬化症 1.7 早期感觉失聪 2 神经功能的恢复 2.1 神经细胞的再生(神经元的再生) 2.2 神经修复物 2.3 神经肌肉功能刺激 2.4 耳蜗植入物 2.5 视觉修复物 2.6 神经移植物 3 记忆研究记忆减退及记忆障碍的研究 4 行为神经学 4.1 孤独症 4.2 注意力短缺障碍 4.3 失读症 4.4 图雷特氏综合征 4.5 智力缺陷 4.6 眨眼障碍 4.7 疼痛,5 神经免疫学 5.1 神经艾滋病 5.2 多发性硬化 5.3 重症肌无力 5.4 神经免疫调节障碍 6 由诊断和预防研究求答 6.1 中风 6.2 癫痫 6.3 眩晕 6.4 说话和语言 6.5 听力及耳鸣 6.6 脑成像术 7 由治疗研究求答案 7.1 阿尔兹海默尔氏病 7.2 高歇氏病和其它脂贮积症 7.3 中风 7.4 多发性硬化 7.5 中耳炎 7.6 帕金森氏病 7.7 癫痫 7.8 脑瘤 7.9 颅脑损伤 7.10 肌萎缩侧索硬化症 7.11 外周神经病,美国“脑的十年”研究计划中所提出的任务(1990年1999年),1.了解脑阐明脑功能 2.保护脑征服脑疾患 3.创造脑开发脑型计算机,日本在经过长时间的酝酿后，于1996年推出了“脑科学时代”（The Age of Brain Science）的庞大计划纲要，拟在20年内，以每年1000亿日元（约8亿美元）的力度推进脑科学研究。,10年过去了，人类花费了如此多的人力、物力和才力，究竟取得了哪些成果呢？是否达到了预期的目的？,卡尔松的研究让人们明白了对精神病和帕金森氏病治疗的原理。由于大脑内多巴胺过多，引起幻想，产生精神分裂，如果利用利血平治疗则会取得效果。利血平是一种天然生物碱，它能够减少储存于突触前膜中的多巴胺。 对病人服用左旋多巴则可以治疗帕金森氏病，因为左旋多巴是多巴胺的前体，在大脑中可以转化为多巴胺。,卡尔森 生于1923年 在瑞典哥德堡大学药理学系,格林加德的研究证明，慢突触传递是通过蛋白质的磷酸化和去磷酸化实现的（去磷酸化则是磷酸根从蛋白质分子上去掉）。磷酸化可以调节离子通道开关的大小和快慢，可以控制神经递质释放的快慢，可以改变细胞内某些酶和调控分子的活性，从而影响细胞的各种功能。,格林加德 生于1925年 在美国纽约洛克菲勒大学分子和细胞神经学实验室,坎德尔利用海洋生物海兔研究发现，短期记忆和长期记忆都与突触和神经递质有关。神经递质释放得越多，海兔的学习和记忆保护能力就越强。而突触释放较多递质的最重要的原因是由于离子通道的蛋白质磷酸化所致，这正与格林加德的研究不谋而合。,坎德尔 生于1929年 在美国纽约哥伦比亚大学神经生物学和行为学中心,卡尔森 生于1923年 在瑞典哥德堡大学药理学系,格林加德 生于1925年 在美国纽约洛克菲勒大学分子和细胞神经学实验室,坎德尔 生于1929年 在美国纽约哥伦比亚大学神经生物学和行为学中心,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2000,“脑的十年”悄悄地来， 静静地去,揭示大脑的奥秘仍然是新世纪人类面临的最大挑战！,我们虽已对脑部运作方式有了初步的了解，但还有一大片领域，是我们未曾碰触的 斯蒂克斯（Gary Stix）,2019/8/7,19,可编辑,人类脑计划 （Human Brain Project, HBP),人类脑计划（Human Brain Project, HBP)是继人类基因组计划之后，又一国际性科研大计划。人类脑计划包括神经科学和信息学相互结合的研究。其核心内容是神经信息学，这是一门新兴的边缘学科。 科学家们认为人类脑计划比基因组计划更大，囊括了更加广泛的内容，是一项更加伟大的工程。,脑科学正日益成为世界各国争相研究的重点科学领域之一，毫不夸张地说，世界上大多数伟大的科学家都在研究大脑。近年来，这一领域频传喜讯，下面是其中一些有趣的发现。 2001年1月 加拿大科学家发现了人解读声音的大脑部位。一见钟情已令人费解，但医学界发现，即使只闻其声而不见其人，也足以令人“一听倾情”。 2001年3月 研究发现数学天才用脑部位与常人不同。 2001年4月 科学家发现，从事脑力活动的人不易患老年痴呆症。,2001年5月 科学家首次发现70岁人大脑仍会长出新的神经元（脑细胞）。 2001年6月 世界上第一例成人神经干细胞自体移植手术在复旦大学附属华山医院完成。这标志着在国际生物高科技革命的竞争中，我国的神经干细胞基础研究和应用已经跨入了脑修复再生医学的新门槛。,2004年9月 发现左撇子与右撇子的幕后操纵者是基因,“左撇子”是否更聪明？,一本叫左撇子的神奇世界的新书指出，左撇子是一个盛产天才的群体。从拿破仑、克林顿到本拉登，从牛顿、爱因斯坦到比尔盖茨，从卓别林、玛丽莲梦露到赵本山，从马拉多纳 、罗纳尔多到蔡振华，都是左撇子。左撇子在当代政治经济文化生活中的作用其实远远高于他们在人口中的比例。左撇子之所以能成为天才的象征，是因为他们长于右脑思维。那么，长于右脑思维的左撇子是否真的比大多数右撇子的人更聪明一些呢？,左右脑功能的差异,人的脑部构造分为大脑与小脑，脑又分为左、右两半部，右半球就是“右脑”，左半球就是“左脑”。左脑与右脑形状相同，功能却大不一样。一般人的脑力的运用不到5%，剩下待开发的部分是脑力与潜能表现优劣与否的关键。左脑主要控制着知识、判断、思考等。右脑控制着自律神经与宇宙波动共振等。右脑是将收到的讯息以图像处理，瞬间即可处理完毕，因此能够把大量的资讯一并处理（心算、速读等即为右脑处理资讯的表现形式）。懂得活用右脑的人，听音就可以辩色，或者浮现图像、闻到味道等。心理学家称这种情形为共感，这就是右脑的潜能。如果让右脑大量记忆，右脑会对这些讯息自动加工处理，并衍生出创造性的讯息。右脑具有自主性，能够发挥独自的想象力、思考，把创造意图像化。如果是左脑的话，无论如何的绞尽脑汁，都有它的极限，但是右脑的记忆力只要和思考力一结合，就能够和不靠语言的前语言性纯粹思考、图像思考连结，而独创性的构想就会神奇般的被引发出来。,左右脑功能的差异,右脑（本能脑、潜意识脑）： 1、图像化机能（企划力、创造力、想像力），2、与宇宙共振共鸣机能（第六念力、透视力、直觉力、灵感梦境等），3、超高速自动演算机能（心算、数学），4、超高速大量记忆（速读、记忆力）,左脑（意识脑）： 知性、知识、理解、思考、判断、推理、语言、抑制、五感（视、听、嗅、触、味觉） 通常左脑被称为“语言脑”。它的工作性质是理性的、逻辑性的，右脑被称为“图像脑”，它的工作性质是感性的、直观的。,左右脑功能的差异,20世纪的最后一个10年被作为“脑的十年”载入脑科学史册，21世纪将作为“脑的世纪”而掀开新的一页。了解脑、保护脑、创造脑已成为当前世界范围内，脑科学（神经科学）研究的3大目标。目前，脑科学的研究热潮已经席卷全球，人类脑计划已成为继人类基因组计划之后，由世界各国科学家共同参与的又一项庞大的综合性国际研究计划。中国也于2001年加入到该项研究计划之中，成为参加此计划的第20个成员国。,人类脑计划（Human Brain Project, HBP）是继人类基因组计划之后，又一国际性科研大计划。人类脑计划包括神经科学和信息学相互结合的研究。其核心内容是神经信息学（Neuroinformatics），这是一门新兴的边缘学科。,脑是生物体内结构和功能最复杂的组织，神经细胞上千亿（1011），神经突触超过1014 ，是接受外界信号，产生感觉、形成意识，进行逻辑思维，发出指令产生行为的指挥部。人类之所以能够主宰世界，是因为人脑的高度发达，并随着人类的进化在不断发展和完善。,有关人脑研究包括神经解剖、神经生理、神经病理、神经生化、神经免疫、神经电生理等，已经获得了大量有关人脑的实验数据和研究结果。近年来分子神经生物学研究从基因水平来揭示人脑的奥秘。脑功能成像（fMRI和PET）的应用使我们能够从活体和整体水平来研究脑。有关脑的研究数据已成为目前人类科学实践产生数据量最大的领域之一。研究越来越深入，越来越专门化，几乎没有一个科学家或实验室能够精通脑科学的全部领域。致使学科之间的信息交流不够及时，成果不能共享，重复性研究经常出现。计算机数据处理方法的应用，为我们研究人脑的高级功能创造了条件。信息学的发展和电子网络的应用为我们实施全球性人类脑计划成为可能。科学家们正在呼吁，尽早启动全球性人类脑计划，建立国际神经信息电子网络。,人类脑计划的现状和未来 目前人类脑计划正在向着全球发展，世界许多国家已将脑的研究作为重点资助领域。欧洲和日本相继启动了脑研究计划，国际性的神经信息网络即将问世。象人类基因组计划一样，会有越来越多的国家和团体加入这一计划。神经信息资源会聚增，供成员国共享。肯定会产生很大的经济效益和社会效益。 目前人类脑计划正在进行的项目包括：神经元（突触、受体、离子通道等），神经网络模型，脑解剖图谱、功能图像等。受体和离子通道的数据库直接与人类基因和蛋白质序列库相链接，具有一致的数据格式，同时还提供可能的立体结构。在人类脑计划中项目组最多的要数脑功能图像方面，包括fMRI，PET，脑地形图等。美国人类脑计划包括在实验数据的基础上发展脑结构、功能、整合和分析的理论模型和仿真计算。这一