脑科学过去、现在和未来

脑科学展望,脑科学的定义,脑科学又称神经科学（Neuroscience)，其作为一门独立学科仅有四十余年的历史，但它与神经生理、神经解剖、神经生物化学和神经药理学却有很久的渊源。,第一部分脑研究历史,脑科学,开发脑开发人脑增强智能模拟人脑智能电脑,保护脑寿命延长PD,AD,中风高速交通颅脑,脊髓外伤生活节奏焦虑,抑郁,精神病生活质量镇痛祛痛社会开放吸毒问题,认识脑分子细胞网络全脑(离体研究)(无创在体研究)Patch（电）EEGRIA(化学）PETPCR(基因）fMRIConfocal(形态）行为变化,一、认识脑,神经生物学：研究神经系统的结构与功能及其相互关系。是在分子、细胞、神经网络或回路、系统和整体水平上阐明神经系统特别是脑的基本活动规律的科学。,百年诺贝尔奖回顾,1906,1.神经元学说创立,Golgi用镀银法染色，第一次在显微镜下观察到了神经元和胶质细胞，为研究神经科学提供了最基本的组织学方法。,Cajal在掌握了Golgi的方法后，建立了还原硝酸银染色法，可以显示出神经元树突，发现神经元之间没有原生质的联系，认为神经元是整个神经活动的最基本单位，从而使复杂的神经系统有了进一步研究的切入口。,神经元(neuron)与神经胶质细胞(neuroglia)是构成神经系统的主要细胞成分。,2.电信号变化,C.S.Sherrington分析研究膝跳反射，认为“反射”是神经系统基本的活动形式。首先提出“突触”的概念；并指出脊髓中管理伸肌的运动神经元发生兴奋时，管理屈肌的运动神经元必然发生抑制。由此，把神经系统的活动看作是有客观规律指导，而不是神秘不可测的。,1932,艾德里安（英）EdgarAdrian（1889-1977）,EdgarAdrian在单根神经纤维上记录到电活动，即神经冲动。证明这些传人神经冲动可以到达大脑，引起脑电变化，也可以通过中枢联系经传出神经支配肌肉收缩，从而把谢灵倾的反射学说具体化了。把谢灵顿的生理学概念用电生理方法加以证实,传入,传出,J.C.Eccles师从谢灵顿从事反射活动的研究。记录到神经与肌肉接头处的终板电位；证明突触部位不仅有兴奋性递质，还有抑制性递质，证实了谢灵顿晚年强调的抑制性突触的存在。,1963,动作电位的离子机制,1936,3.神经化学递质的发现,Loewi1921年证明迷走神经兴奋时释放递质Ach的双蛙心实验,Dale在证明副交感神经末梢能分泌出乙酰胆碱（Ach)，而且证明交感神经的节前纤维和运动神经的末梢也都能分泌Ach。把神经化学研究方法与神经生理研究结合起来，牢固地建立了突触的化学传递学说。,N1,N1,交感神经,副交感神经,躯体运动神经,ACh,ACh,ACh,ACh,NE,M1-5,N1,胆碱能纤维,少数节后纤维,胆碱能纤维,胆碱能纤维,大多数节后纤维,M1-5,ACh,N2,周围胆碱能纤维,1970,他们共同发现了神经递质及其储存、释放和激活的过程。,B.Katz主要研究神经和肌肉功能，在神经肌肉接头处发现了微终板电位，为“量子释放”理论打下基础.,N1,交感神经,NE,N1,少数节后纤维,胆碱能纤维,M1-5,Euler发现去甲肾上腺素（NE）是交感神经系统的神经传递介质,Axelrod阐明了儿茶酚胺类神经递质的代谢过程，为治疗高血压、帕金森氏病药物的研制开创了新途径。,ChemicalElectrical,1991,4.离子通道和信号转导,Neher和Sakmann发现了细胞中单离子通道的活动态。他们应用膜片钳技术，记录到了细胞膜上单个离子通道的电流量，证实了离子通道的改变，可影响细胞内、外离子浓度，从而调节细胞的功能。,patchclamprecordingtechnique,他们的研究首次表明气体NO分子可以穿过细胞膜而发挥信使作用，提出了生物信号传递的新理论。,1998,NO作为信号传递分子,Carlsson发现了多巴胺（DA）是脑内的一种神经递质，这种物质对于控制人类身体运动和精神活动具有非常重要的作用，缺失该递质会导致类似帕金森氏病的症状。,2000,卡尔森(瑞典)A.Carlsson(1922-),Kandel发现细胞内蛋白质的磷酸化可以加强突触传递效率，构成了短期记忆的基础；多次强烈的突触传递活动，可影响神经元内的蛋白质合成代谢，改变突触的结构，形成长时程记忆的基础。,坎德尔(美）E.R.Kandel(1929-),5.感觉和知觉,Gullstrand通过眼屈光度的研究，建立了常用的眼睛光学模型高尔斯特兰简化眼。,视觉,古尔斯特兰德(瑞典)A.Gullstrand(1862-1930),1911,Wald从事视觉升华的研究，包括对遗传性色盲的生化机制,1967,Granit从事视网膜电生理的研究,Hartline用电生理方法研究鱼复眼之间存在相互抑制的作用,R.Barany对前庭器官进行了生理与病理学的研究，探明前庭器官功能及其疾病的诊断方法。,巴拉尼（奥地利）R.Barany（1876-1936),位置觉,1914,贝凯希（美）G.V.Bakesy(1899-1972),V.Bakesy发现耳蜗感音的物理机制，外界声波使内耳基底膜振动，从而使毛细胞电位发生变化，激发耳蜗神经产生冲动，传至脑而产生听觉。,1961,听觉,2004,阐明了人类嗅觉系统的工作方式人体约有1000个基因用来编码气味受体细胞膜上的不同气味受体，每个气味受体细胞会对有限的几种相关分子作出反应。尽管气味受体只有约1000种，但它们可以产生大量的组合，形成大量的气味模式，这也就是人们能够辨别和记忆约万种不同气味的基础。,嗅觉,1981,脑功能侧化,Sperry1952年进行了分裂脑的研究，将猫和猴大脑两半球之间的胼胝体切断，发现两半球各自保留自身的学习能力，但两半球之间不再能进行信息传递。以后又将癫痫病人联系左右脑的胼胝体切断作为治疗措施，并进行细致研究，发现左脑偏重抽象思维，右脑偏重空间认知。,6.神经系统的高级功能,斯佩里(美)R.W.Sperry（1913-）,左半脑：逻辑理解、记忆、时间、语言、书写、判断、排列、分类、逻辑、分析、推理、抑制、五感(视、听、嗅、触、味觉)等。思维方式具有连续性、延续性和分析性。左脑可以称作“意识脑”、“学术脑”、“语言脑”。,右半脑：空间形象记忆、直觉、情感、身体协调、视知觉、美术、音乐节奏、想像、灵感、顿悟等。思维方式具有无序性、跳跃性、直觉性等。右脑又称作“本能脑”、“潜意识脑”、“创造脑”、“艺术脑”。,如果你看见这个舞女是顺时针转，说明你用的是右脑如果是逆时针转，说明你用的左脑,他们的研究表明:(1)大脑不同部位有职能分工，视觉皮层以细胞柱为功能单位，分别有方位优势柱和左眼或右眼作为优势眼)，对视觉信息进行加工;(2)出生早期视觉皮层的发育受环境影响，具有很大的可塑性。,大脑视觉信息加工和发育的可塑性,方位优势柱,他们揭开了胚胎如何由一个细胞发育成完美的特化器官,如脑和腿的遗传秘密，也树立了科学界对动物基因控制早期胚胎发育的模式。神经发育生物学的内容广泛，包括出生前的胚胎发育，出生后的生长、成熟、老化、退变、凋亡和损伤后的再生修复等，而且由于技术上的困难对神经系统的发育了解还很少，所以该研究是近年来研究进展最为缓慢的领域，他们的重大发现成为神经发育生物学的历史转折点。,7.发育神经生物学,1995,哺乳类神经系统的头尾和腹背发育受一些基因的控制,ActaPaediatr90:707-15.2001,他们不仅发现脑中可产生肽类激素和脑垂体激素，而且在研究蛋白质和各种肽类激素相互作用方面也取得显著成果，并创立了放射免疫分析学（RIA），在方法学上提供了依据。,8.神经内分泌调节,1977,1941年的RosalynYalow,Guillemin与Schally同时证明了肾上腺皮质素释放因子（CRF）的存在；Guillemin从30万头羊的下丘脑纯化出促性腺激素释放激素（LRH）,Yalow创立了放射免疫分析法,9.神经营养因子（NGF）,1953年Levi-Montalcini发现了NGF；1960年Cohen提取纯化NGF，证明其生物活性；1970年Cohen证明NGF是个复合蛋白；1984年NGF的研究重点从周围神经系统拓展到中枢神经系统，乃至非神经系统；90年代国内外多家制药公司和药物研究机构相继开始进行NGF开发研究。,1986,NGF：能够促进神经细胞存活、生长、分化的一类蛋白质因子,RitaLevi-Montalcini,1944,阴极射线示波器,10.方法学创新,发展了阴极射线示波器，可以记录神经纤维上微小的电位变化。证明神经纤维越粗，传导冲动的速度越快，并因此将神经纤维分为A、B、C三类。这一方法学的进步，为深人细致的电生理研究打下坚实基础。,发明了脑立体定位仪，可以根据三维座标将电极插人动物脑的特定核团进行刺激或损毁，从而开启了在自由活动的动物上进行脑深部(研究的大门。,脑立体定位仪,1949,应该获诺贝尔奖的研究：,LTP（LongtermPotentiation，长时程增强）脑功能成像,TimBlissin1973,在高等动物中，1973年，英国的布理斯(TimBliss)和挪威的洛默(TerjeLmo)发现LTP，是神经可塑性机理的重要发现和主要模型。其后二十多年内，LTP已在脑内多个部位观察到，并有证据显示与一些学习记忆有关。,1.LTP研究,MarcRaichle将正电子扫描(PET)做活体人影像检测；SeijiOgawa利用功能性核磁共振成像(fMRI)技术进行脑功能研究。他们的工作是生物医学影像的重要发展,2.PET和fMRI研究,SeijiOgawa(日本),MarcRaichle(美国),MRI设备,fMRI扫描,二、保护脑,临床神经科学：侧重医学临床应用研究与神经系统有关的疾病，及其诊断、治疗方法、技术等。,世界卫生组织的资料显示，全球现有约4.5亿人患有神经精神疾病，包括抑郁症、躁狂症、精神分裂症、神经发育障碍疾病如儿童自闭症等。据预测，在未来20年中，抑郁症将可能排在世界疾病负担(疾病所致的经济负担)的第2位。我国目前精神疾病患者约1600万人，神经精神疾病在我国疾病总负担中排名首位，约占疾病总负担的20%。,（一）精神疾病的机理与防治,神经症,抑郁症,精神分裂症的神经基础,精神分裂症,（二）神经病的机理与防治,阿尔茨海默病（Alzheimersdisease,AD）：65岁以上约5%,85岁以上20%,帕金森病（Parkinsonsdisease,PD）：65岁以上患病率1700/10万,(三)脊髓损伤的治疗,Sciencevol288:9,June2000,外侧痛觉系统：痛感觉：背角深层-外侧丘脑-初级与次级体感皮层内侧痛觉系统：痛情绪：背角浅层-内侧丘脑-岛叶-前扣带回,（四）痛觉,Ascendingpathwaysofpain,Locationofbrainactivitycorrelatedwithbothinducedcocainecravingandanger.Cocainecraving(yellow)Anger(blue),NeuralActivityRelatedtoDrugCravinginCocaineAddiction,（五）药物成瘾,PETstudy,计算神经科学：应用数学理论和计算机模拟方法来研究脑功能的学科。,三、开发脑,脑机交互ComputationalBraininterface,BCI,始于上世纪70年代；在90年代中期得到快速发展；1999年，PhillipKennedy第一次将电极植入猴子脑内进行脑机交互实验。,/wiki/Brain-computer_interface,有一天，你可以用意念遥控一台机器人，与你自己打乒乓球！,RobotDo,美国北卡罗来纳州,日本京都,MonkeyThink,NATURE|Vol453|19June2008,“意念”操纵机械臂抓取食物,通过微型探头深入到大脑运动皮层，搜集大脑皮层的神经元活动数据，将数据通过探头传到终端，计算机软件解读信号后，机械式手臂根据解读信号做出动作。,关键问题：电极安全植入人体大脑的办法,机器鼠的主要功能是搜寻：把它放置在一个陌生的环境，它能够象真实的老鼠一样，慢慢探测周围环境是否有人类威胁或是否有食物。胡须能够探测洞口大小，视力能够观察辨别事物。不过老鼠的嗅觉系统还没有设计到机器鼠身上。,法国机器鼠,Psikharpax,撞到墙时，它会从传感器得到电子刺激。再遇到类似情况时，它就会记住。,这一开创性研究旨在探索自然智能和人造智能的分界问题，可能有助人类弄清楚记忆和学习机能的根本构架。,首先，取出鼠脑，在培养状态下解离神经细胞，然后进行神经细胞培养。培养基容器长宽均为8厘米，与一个拥有60个电极的电子矩阵相连接。,“鼠脑”机器人,第二部分当代脑研究的状况,1970-2000年的30年间，美国神经科学学会的会员人数增长了近30倍,2000年达到28000人左右，年会的论文摘要增长了近100倍，2000年已达到巧15000篇左右，遍及神经科学研究的各个领域。,美国神经科学的发展,开创者:张锡钧(协和),冯德培(协和,上海生理所),张香桐(上海生理所,脑所).两大事件:1950:巴甫洛夫“条件反射”学说1966-1976:“文化革命”期间主要做“针刺麻醉”研究方向:痛与镇痛北大,中医研究院复旦大学、中科院神经科学研究所视觉复旦大学中科院生物物理研究所神经内分泌第四军医大学(垂体前叶)第四军医大学(甾体受体),北大(神经免疫)(4)脑网络北京师范大学（功能和结构网络）,中国神经科学的发展,1989年，美国政府以立法形式率先推出“脑的十年”计划，投入140亿美元；1991年，欧洲出台了“欧洲脑十年”计划；1992年，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”；1996年，日本也制定了为期20年的“脑科学时代”计划；1998年，韩国制定了为期10年的“21世纪脑技术计划。在我国，认知神经科学近年来也得到了高度重视。在国家中长期科学和技术发展规划纲要（20062020年）中，“脑科学与认知科学”被列为我国科技中长期发展规划的八大前沿科学领域之一。,世界各国脑科学研究计划,奥巴马在白宫东厅，宣布大脑研究计划,这项计划全称为“推进创新神经技术脑研究计划。2013年4月2日，美国总统奥巴马要求国会明年投入1亿美元用于此研究项目。,多家联邦公立机构将为此拨款，如美国国家卫生研究院将在财年为“脑计划”投入约万美元，该机构下属的个研究所和中心将参与其中。美国国家科学基金会将提供万美元，用于开发分子尺度的探测装置，力争能感知并记录神经网活动，并通过“大数据”技术增进对大脑思维、情感、记忆等活动的理解。美国军方也参与其中，国防部高级研究项目局计划投入万美元，着重开发一系列能捕捉、处理神经元和染色体活动状态的工具，建立相应的信息处理系统和修复机制，以期在士兵遭遇应激压力、脑损伤、记忆损失等问题时协助诊断和治疗。,2013年10月8日，瑞士科学家启动了一个被认为是雄心勃勃的计划，目的是开发新的技术，以发展可以模仿人类大脑的电脑。这项“人类大脑计划”为期10年，总值大约16亿美元。计划以瑞士洛桑的联邦技术学院为基地，并将包括130多家世界各地的学术研究机构。这些研究机构大部分在欧洲。这项计划得到欧洲联盟拨款资助。,当代脑科学新进展,1.分子和细胞水平的神经科学发展迅猛2.感觉信息加工的重大突破视觉的脑机制3.神经网络的研究进入新的高潮4.发育神经生物学的崛起5.神经和精神疾病的研究进展惊人6.整体和无创伤条件下的研究,第三部分未来脑的研究,脑科学的发展趋势,总的：在细胞和分子水平广泛开展脑研究从整合的观点研究脑具体以下几个方面：分子、细胞、突触、回路、系统、行为多水平结合；细胞、分子神经生物学与认知、临床神经科学整合；计算神经科学与脑生物学契合。,神经系统的发育，特别是人脑的发育、脑的移植和再生；神经胶质细胞的功能；从分子到行为各层次上，阐明学习与记忆的神经基础；神经系统与免疫系统的关系；精神病和神经系统疾病的机理与防治；脑神经回路网络特有的组织结构及其神经信息处理的机制；人工智能型计算机系统的开发和研制等。,未来神经科学可能的突破性：,（一）神经系统的发育、再生和移植,1.神经系统的发育,增殖（Proliferation）迁移（Migration）分化（Differentiation）聚集（Aggregation）突触形成和重排（Synaptogenesisandrearrangement）神经元死亡（NeuronDeath）髓鞘化（Myelination）,（Schuurmans,2002）,室管下区（subventricularzone，SVZ）颗粒下层（subgranularzone，SGZ）,2.成年脑内神经发生,3.神经再生,4.脑移植,脑组织移植治弱智,成人脑细胞被植入实验鼠大脑后可生长出新的神经细胞。这一发现有望为寻找阿尔兹海默氏症等神经退化性疾病的新疗法铺平道路,在突触成熟过程中，胶质细胞释放的可溶性接触依赖因子影响突触后致密物质的成分。突触的连接需要胶质细胞去保持结构的稳定(Pfrieger,2002)。星形胶质细胞可以七倍增加中枢神经系统神经元之间成熟的有功能的突触数目(Ullianetal.,2004)。星形胶质细胞可诱导成年神经