医学生物学神经医学

医学生物学,第十三章 神 经 医 学,现代生物学与现代医学,追溯人类对于神经系统疾病的认识过程，在20世纪中期以前基本上是描述性的，称为神经病学(neurology)。,神经医学,临床医生根据患者的自觉症状并运用物理学检查所获得的体征，将疾病分为若干系统（运动、感觉、自主神经）、类型（先天发育、遗传、感染、外伤、肿瘤、血循环障碍、代谢、营养缺乏、衰老和变性性疾病等）和多种症状和体征的综合征。在此基础上，根据客观表象的不同，制定出疾病诊断和治疗的规则。,神经医学,20世纪后期开始，由于基础神经科学的迅速发展，于是不少从事基础研究的科学家和从事临床工作的医学家合作，应用组织学、细胞生物学、生物化学、免疫学以及分子生物学等手段，多学科、多视角地对神经系统疾病的发病原因、发生机制进行研究，并由此指导疾病在临床上的诊断与治疗。,神经医学,在科学家的倡议下，美国于1989年率先推出了全国性的脑科学计划，并把20世纪的最后十年称为“脑的十年”。这一举动立即得到国际脑研究组织(IBRO)和许多国家相应学术组织的响应，使“脑的十年”成为世界性的行动。,神经医学,两年后，欧洲出台“欧洲脑十年”计划。1996年，日本也制定了为期二十年的“脑科学时代”计划。各国脑科学计划所投入的经费也是惊人的，以日本的“脑科学时代”为例，计划每年投资1000亿日元，预计总投资将达到2万亿日元，是该国“超级钢材科开发计划”的10倍。,神经医学,“脑的十年”试图利用现代的科学技术揭示脑功能的本质、预防和治疗脑的疾病，并在此基础上最大限度地发挥人脑的潜在能力，从而实现“认识脑(understanding the brain)”，“保护脑(protecting the brain)”及“创造脑(creating the brain)”的目标。,神经医学,“脑的十年”最终形成了与神经病学不完全相同的新兴学科：神经医学(neurological medicine)，试图从更广的范畴、更深的层次去探讨神经系统疾病发生的结构、功能基础，研究神经系统疾病发生的原因，阐明神经系统疾病的细胞生物学和分子生物学机制，从而达到认识脑、应用脑，并预防和治疗神经系统疾病的目的。,神经医学,一、神经医学的结构基础,神经医学,1神经元及其所处的环境（1）神经元,组成神经系统的基本结构和功能单位称为神经细胞(nerve cell)，也称神经元(neuron)。神经元由细胞体、树突、轴突和轴突末梢组成。,神经医学,1神经元及其所处的环境（1）神经元,神经元由细胞体(soma)、树突(dentrites)、轴突(axon)和轴突末梢(axonal terminals)组成。神经元的主要功能为接受来自其他细胞或其它神经元的信息，整合和传导这些信息，然后再将这些信息传到其它神经元或其它细胞，从而在机体信息传递活动中起着重要作用，实现对机体生理功能的调节。,神经医学,细胞体,树突,轴突,髓鞘,突触,朗飞氏结,轴丘,1神经元及其所处的环境（1）神经元,神经医学,1神经元及其所处的环境（1）神经元,神经元传递信息的基础是其独特的细胞结构。神经细胞的结构，在许多方面与其它细胞的结构相似，由细胞膜、细胞核、细胞质等构成。它的主要特征是从细胞体发出两种突起：树突和轴突，这两种突起是神经元与其它细胞在结构上的主要区别，决定了神经元的极性和功能，是神经系统形成网络样结构的重要基础。,神经医学,1神经元及其所处的环境（1）神经元细胞体,神经元的细胞体有多种形状(锥体形，卵园形，纺锤形和星形等)和不同大小(直径约为5100 m)。它从外向内由细胞膜、细胞质和细胞核构成。,神经医学,神经医学,二级神经元 单级神经元 多极神经元 锥形细胞(连接神经元) (感觉神经元) (运动神经元),1神经元及其所处的环境（1）神经元细胞体,细胞膜接受很多来自其它神经元轴突末梢的支配，形成突触(synapse)，使它与树突膜一起构成神经元对传入信息的接受区域。,神经医学,1神经元及其所处的环境（1）神经元细胞体,细胞质与其它细胞一样有高尔基复合体、线粒体、溶酶体、核糖体等细胞器，还含有丰富的细胞骨架成份以维持细胞形态。,神经医学,1神经元及其所处的环境（1）神经元细胞体,由于神经元不能进行分裂再生，它在一生中必需要不断合成蛋白质等大分子物质，以修补它们的损耗。因此，神经元大分子合成功能活跃是神经元的特点之一，而合成生物大分子的部位主要在细胞体。,神经医学,1神经元及其所处的环境（1）神经元细胞体,神经元树突是从细胞体发出的呈树枝状的突起。树突刚从细胞体发出时仅是细胞体的延伸，这些树突称为初级树突。,神经医学,1神经元及其所处的环境（1）神经元树突,初级树突的数目在不同的神经元不同，而随后经反复分枝形成的树状结构特点(分枝的数目，分布范围等)更是不同神经元的重要形态特征之一。树突也是神经元对传入信息的接受区域，这是树突的主要功能。,神经医学,1神经元及其所处的环境（1）神经元树突,神经医学,1神经元及其所处的环境（1）神经元树突,1神经元及其所处的环境（1）神经元轴突,神经医学,每个神经细胞有一条轴突。 大多数神经细胞的轴突从细胞体发出，少数神经细胞的轴突从树突的起始部发出。轴突在离开细胞体的地方呈园锥状，称为轴丘。,神经医学,轴突的初始段后的轴突表面常覆盖由施万细胞形成的髓鞘，每隔0.52m有一段没有髓鞘的朗飞结。,有髓纤维,1神经元及其所处的环境（1）神经元轴突,神经医学,表面几乎没有髓鞘的轴突。,无髓纤维,1神经元及其所处的环境（1）神经元轴突,神经医学,1神经元及其所处的环境（1）神经元轴突,神经医学,轴浆内进行的功能活动主要是轴浆运输活动，而轴膜上进行的功能活动则主要是动作电位沿着轴突的走向将神经细胞的信息传到轴突末梢并在此转化为化学递质释放，以将信息传递到其他神经细胞。,1神经元及其所处的环境（1）神经元轴突,神经医学,对于神经细胞的信息传出来说，轴突的走向和轴突末梢与靶细胞形成的突触是决定神经细胞作用靶位和作用性质的重要因素。,1神经元及其所处的环境（1）神经元轴突,神经医学,神经细胞的轴突较短，它与靶细胞都在同一神经结构内。,中间神经细胞,1神经元及其所处的环境（1）神经元轴突,神经医学,神经细胞的轴突较长，它与靶细胞分别处于不同的神经结构。投射神经细胞可仅投射到一个神经结构，也可同时投射到多个神经结构。,投射神经细胞,1神经元及其所处的环境（1）神经元轴突,神经医学,轴突在到达靶细胞附近形成分枝状的神经末梢，每个分枝末端有钮扣状的膨大与靶细胞形成突触，以进行细胞间的信息传递。,1神经元及其所处的环境（1）神经元轴突,神经医学,轴突的长度比细胞体的直径约长数千倍，轴突所需的蛋白质是由细胞体供应并维持的。这就意味着不可避免地要将大量的物质从细胞体运输到远离细胞体的部分。,1神经元及其所处的环境（1）神经元轴突,1神经元及其所处的环境（2）神经元所处的环境,神经医学,神经元被胶质细胞(glia cells)所包围。胶质细胞不直接参与神经信息的传递，但它通过建立屏障，参与物质交换、修复、吞噬及支持等功能，保证神经细胞行驶正常的功能。,1神经元及其所处的环境（2）神经元所处的环境,神经医学,神经胶质细胞的数量约为神经细胞的10倍(按细胞核计数)，而按体积计算，神经胶质细胞与神经细胞所占比例近似相等(神经胶质细胞占50%，神经细胞占45%，细胞间隙占5%) 。,2中枢神经系统的构筑,神经医学,脊椎动物或无脊椎动物的神经元及胶质细胞经过精细的组构，成为具有三维结构的神经系统。神经系统的组构反映了功能的需要。,2中枢神经系统的构筑,神经医学,中间神经元,把感觉信息分析、加工并储存，最后把指令传给运动神经元。,感觉神经元,检测机体内、外环境中所发生的变化，并把信息传递到中间神经元。,运动神经元,负责指挥神经系统的效应器，即肌细胞或腺细胞。,2中枢神经系统的构筑（1）神经元的聚集,神经医学,中枢神经系统的神经元按其功能不同而聚集。在小脑及大脑皮层，神经元按照组织学构筑的不同层次，每层所含细胞各有其特异的连接关系及功能意义；在神经系统其他部分，凡神经元比较集中的部位称为神经核。,2中枢神经系统的构筑（1）神经元的聚集,神经医学,灰质白质网状结构,2中枢神经系统的构筑（2）神经元回路和信息加工,神经医学,中枢神经活动的多样性，主要由神经回路的多样性所决定。就完整机体而论，其接收端为感觉传入端，其传出端为作用端。但是同样的传入可经不同的途径到达传出，中间又可接受各种调制。,2中枢神经系统的构筑（2）神经元回路和信息加工,神经医学,包括含多个神经结构的回路局限于某一神经结构内的回路,2中枢神经系统的构筑（2）神经元回路和信息加工,神经医学,串行原则,信息由低到高（感觉传入系统）或由高到低（运动）逐级上传或下传的组构方式。每一个串行系统中，一般都或多或少地保持其定位原则。这也要求逐级的连接也要保持定位原则。,2中枢神经系统的构筑（2）神经元回路和信息加工,神经医学,并行加工原则,是指同类的功能活动常常有平行的两套或两套以上的串行系统来实现的组构方式或工作原则。,2中枢神经系统的构筑（3）神经元的分化,神经医学,大脑的神经元在出生时就是已经分化的细胞，不大可能再进行分裂繁殖（对此目前也还有争论）。因此人在出生后，神经元的数量只会减少，很少增加；大脑神经元生命力很强，可以和人的寿命同时起步，同时终止。,2中枢神经系统的构筑（3）神经元的分化,神经医学,神经元容易受到内、外环境中各种有害因素不断积累所起的损害作用；大脑和身体的其他器官相比，在结构上和功能上的复杂性都大大提高，要应付不断变化的环境，大脑各结构与各层次的信息传递环节比较多，随着年龄的增长难免容易发生差错，导致疾病的发生。,2中枢神经系统的构筑（3）神经元的分化,神经医学,神经胶质细胞是可以分裂繁殖的。神经胶质细胞的数量为神经细胞的10倍，对维持神经元的良好外环境起着主要的作用。,二、神经、行为的功能基础,神经医学,人被誉为“万物之灵”，是因为人具有高度发达的大脑。我们为什么能看到色彩缤纷、千姿百态的世界？为什么能听到悦耳动听、扣人心弦的音乐旋律？人为什么有智力、能思维？为什么又有喜怒哀乐？,神经医学,脑的高级功能都是神经元及其由神经元所构成的回路对外界的刺激所作出的综合性反应。人类的脑具有11011的神经元，加上彼此间联系的突触，总数达到11014。科学家们就是试图通过研究神经系统的工作原理，最终揭开脑的奥秘 。,神经医学,神经医学,神经解剖：结构神经生理：功能,神经化学和药理学,细胞生物学和分子生物学,三、神经医学简述,神经医学,1人类传染性海绵状脑病,朊粒蛋白(prion protein，PrP)是一种能在动物和人类中引起多种中枢神经系统变性疾病的传染性蛋白颗粒。,神经医学,1人类传染性海绵状脑病,PrP的错误折叠或通过使其他蛋白质的错误折叠进而引起脑组织的海绵状病变，最终导致脑功能紊乱。这些疾病具有遗传性、传染性等双重特点，临床上表现为潜伏期长、病情进展迅速、具有致命性等特点。,神经医学,1人类传染性海绵状脑病人类朊蛋白疾病的临床特点,神经医学,遗传的、传染的或自行发生的都可能存在潜伏期相对较长，从数周到数年不等临床上以神经系统损害为主病情进展迅速，可很快导致死亡,2帕金森病,神经医学,帕金森病(Parkinson disease，PD)是一种多发生于中、老年期、病情进展缓慢的神经系统退行性疾病。数据表明，在65岁以上的中国人群中，帕金森患病率为1.75%，且发病率和患病率都随着年龄的增加而上升。,神经医学,PD的发病机制尚不明确，一般认为PD是多因素导致的复杂性疾病；环境毒素、氧化应激、线粒体功能异常、蛋白质异常积聚、遗传等因素各自或交互作用都能导致PD的发病。,2帕金森病,神经医学,神经毒素 1-甲基-4-苯基-1,2,3,6四羟吡啶(MPTP)在脑胶质细胞单胺氧化酶B的作用下转化为对多巴胺能神经元有毒性的1-甲基-4-苯基吡啶离子(MPP+)，并抑制线粒体复合物I的功能，导致异常的氧化应激和线粒体功能障碍，导致典型的帕金森病症状出现。,2帕金森病,神经医学,目前已发现13个基因连锁位点与家族性帕金森病的发病相关，Parkin、PINK1、DJ-1等基因突变与常染色体隐性的家族性PD有关，而-synuclein、UCH-L1、LRRK2 等与常染色体显性遗传的家族性PD有关。,2帕金森病,神经医学,3阿尔茨海默病,在所有诊断为痴呆的病例中，超过2/3的病例被认为是由阿尔茨海默病(Alzheimer disease，AD)引起的，包括早老性痴呆(65岁以前起病)和老年性痴呆(65岁以后起病)。,神经医学,3阿尔茨海默病,AD发病的机制目前尚不完全肯定，有关的有：中枢神经系统的神经递质异常，从而引起神经传导速度减慢，神经元功能减退或变性；有人认为铝在脑内蓄积而导致神经细胞核代谢障碍，细胞内蛋白合成受阻，但尚未有足够的证据加以支持；遗传因素：研究表明人体内的一些基因与AD病有关。,神经医学,与AD有关的部分基因,3阿尔茨海默病,4脑卒中,神经医学,脑卒中是人类三大致死性疾病之一，是由脑血流循环障碍所引起的急性缺血性或出血性脑病。无论是缺血或出血，引起神经元直接损伤的原因是缺血性损伤。,4脑卒中,神经医学,局灶性脑卒中引起缺血中心部位脑梗死，表现为水肿和细胞坏死，称为梗死区。,4脑卒中,神经医学,梗死区边缘为半影区，这部分神经元的病理生理反应相当复杂，其最终的命运取决于细胞内部复杂的分子间作用。在缺血和缺氧的应激下，该区域的神经元一方面启动凋亡程序，介导神经元的凋亡，与此同时，神经元内也启动一系列基因的表达。,4脑卒中,神经医学,所有这些基因的表达产物与应激对细胞的直接效应一起交互作用，最终决定神经元的未来命运，或启动细胞的凋亡机制，使神经元变性进而“自杀”死亡，或恢复到正常结构与功能。从临床医学角度，若能及时通过药物促进神经元中保护性基因的表达，抑制对神经元有害基因的表达，就能够达到保护神经元、预防和减少神经元的损伤和死亡的治疗，进而实现保护脑功能作用。,5神经损伤的修复,神经医学,由于神经损伤导致的神经功能障碍、“植物人”、肢体瘫痪或肢体活动受限等在临床上极为多见，这类疾病或并发症给患者带来了巨大的痛苦并给患者家庭及社会带来了巨大的负担。随着现代生物科学技术的发展，尤其是神经组织中干细胞的发现并证实其具有再生神经组织功能后，探讨神经损伤再生或修复的实验和临床研究是神经医学的热点之一。,5神经损伤的修复,神经医学,体内细胞的生长与分化受到所在微环境的严格调控。其中包括细胞与细胞、细胞与细胞外基质、细胞与各种调控因子的交互作用和协调统一。,5神经损伤的修复,神经医学,神经元是高度分化、高度特化