脑科学专题知识名师优质课赛课一等奖市公开课获奖课件

第10章脑科学中山大学生命科学学院项辉第1页目录第一节脑结构

第二节睡眠与觉醒

第三节情绪与动机

第四节语言和思维

第五节学习与记忆

第六节脑疾病与脑功效退化

第七节脑功效研究技术

第八节人类脑计划和神经信息学

第2页神经科学(neuroscience)，因为主要研究脑，而称为脑科学(brainscience)。神经科学分为基础神经科学和临床神经科学神经生物学(neurobiology)是基础神经科学主干，计算神经科学(computationalneuroscience)，与神经生物学有亲密关系，但其独立方法和内容多超出了生物医学范围，而和电脑、人工智能及信息科学关系亲密，应用范围甚至更为广泛。神经科学或称脑科学主要目标是：认识脑、保护脑和创造脑。认识脑复杂结构和功效，为脑疾病和改进人类服务，在数学、物理学和计算科学帮助下，设计神经网络，模拟其动态相互作用，设计、开发仿脑计算机和信息处理系统。第3页第一节脑结构一．保护脑环境既然脑是最主要器官，在进化过程中，自然界也给了脑最严密保护。这种慎密结构既保护脑、又能营养脑以及排出脑代谢产物。人大脑位于颅腔内，大脑分为左右两半球。脑实质外颅骨、脑膜、血管和血-脑屏障等组成了脑物理、化学环境，正是这些理化环境相对稳定才确保了脑正常生理功效第4页1．脑膜(meninges)：硬膜(或称韧膜)、蛛网膜和软膜3层组成。第5页2．脑脊液

脑脊液是一个比重低而清楚液体，含有较多电解质(氯化纳、氯化钾、氯化钙等)，及少许蛋白质和葡萄糖。3．脑屏障血—脑屏障(bloodbrainbarrier)

血—脑脊液屏障(bloodcerebrospinalfluidbarrier)

脑脊液—脑屏障(braincerebrospinalfluidbarrier)

第6页第7页二．大脑结构

人大脑(Brain)包含左、右两个半球及连接两个半球部分。大脑半球被覆灰质，称大脑皮质，其深部为白质，或称为髓质。大脑两半球间由巨束纤维（胼胝体，corpuscallosum）相连。脑主要包含大脑、间脑、小脑、中脑、脑桥及延髓等六个部分。第8页第9页1．脑表面结构第10页2．大脑皮层功效分区第11页第12页3．大脑深部结构第13页第二节睡眠与觉醒

睡眠和觉醒是人类和较高等动物生命活动必需两个相互转化生命过程。正常充分睡眠是觉醒时各种活动和工作确保。睡眠与觉醒相互交替节律活动不是完全由环境昼夜交替引发被动反应,而是身体内部振荡机制进行调整和维持结果。第14页一睡眠分期

成年人正常睡眠是由慢波睡眠与快波睡眠两个时相周期交替形成，每夜大约重复转变4－5次。开始入睡时首先进入慢波睡眠（slowwavesleep,SWS），或称非快速眼动睡眠(non-rapid-eye-movementsleep,NREM)；再转为快波睡眠，或称异相睡眠（paradoxicalsleep,PS），这个阶段发生在慢波睡眠之后，常伴有间断性眼球快速运动，又称快速动眼睡眠(rapid-eye-movementsleep,REM)。第15页脑电图(Electroencephalography，EEG)统计技术发展及应用有力地推进了睡眠试验性研究。依据脑电图描记特征性改变，睡眠周期可细分五期。其中Ⅰ—Ⅳ期为慢波睡眠，第V期为快波睡眠。图7睡眠时EEG波形特征及睡眠分期第16页二睡眠生理意义

睡眠主要生理意义是恢复脑力和体力。慢波睡眠对儿童少年时期生长发育尤其有利。快波睡眠时蛋白质合成及脑代谢率都比慢波睡眠增强,这显然对促进生长、恢复脑力与体力、促进记忆也是很有利。睡眠缺乏或睡眠不足会影响注意力和记忆保持。剥夺睡眠与脑力活动过分担心一样,都会引发脑疲劳,经典表现是注意力不集中、记忆减退、情绪波动、思维反应不灵敏等等。第17页三睡眠神经机制

睡眠与觉醒是生物节律最为主要外在表现，睡眠实施由褪黑素、视交叉上核节律性活动，以及脑干上行激活系统、脑干上行抑制系统，以及大脑皮层、海马边缘系统等神经结构相互作用、相互影响而得以共同实现。第18页表1睡眠和觉醒神经机制区分清醒熟睡Ach系统活跃Ach系统不活跃感觉丘脑被易化感觉丘脑被抑制网状核被抑制网状核被激活丘脑皮质神经元活跃丘脑皮质神经元低节律EEG去同时化EEG同时化第19页第20页四睡眠体液调整

19法国生理学家（H.Pieron）证实，把疲劳了狗脑脊液注入休息过后狗血内，能够使休息过狗再睡眠，说明在动物脑脊液和血液内，确实存在着这么一些睡原物质，能够诱导动物睡眠。80多年来研究者们已经发觉了许多对睡眠有影响作用物质,比较确定有细胞因子如白细胞介素1(IL-1)和肿瘤坏死因子(TNF)、生长激素、催乳素(PRL)和血管活性肠肽(VIP)、褪黑素等。第21页五觉醒

当经过一定时间睡眠，大脑神经元细胞内环境趋于平衡，因为生物分子钟反馈机制，此时脑内分泌褪黑素逐步降低，视交叉上核诱导睡眠脉冲电作用逐步减弱。二者作用改变结果，一是皮层神经元兴奋性逐步增强，二是脑干上行抑制系统作用逐步地减弱，睡眠逐步地由IV、III时相进入第II时相、REM时相。假如此时大脑额叶和其它未兴奋脑区抑制被它们本身电活动所翻转，个体就会从睡眠状态转为清醒。第22页六睡眠疾病

常见睡眠疾病有失眠症、梦游症、磨牙症、嗜睡症、呼吸暂停综合征、睡眠不足综合征、时差综合症、睡眠遗尿症、夜间吃喝综合症、催眠药依赖性睡眠疾患等等，其病因与年纪、体重、精神、遗传、生活方式、内在疾病等原因有着亲密关系。第23页第三节情绪与动机

人对客观事物是否符合自己需要而产生态度体验，称为情绪或情感。与生理需要相联络态度体验，称为情绪，这是人和动物都有；与精神需要和社会需要相联络态度体验，称为情感，这是人类特有，是一个高级、复杂体验。情绪和情感反应客观现实与人需要之间关系。第24页一情绪与情感

人类最基本、最原始情绪反应有高兴悲伤、愤恨和恐惧。正常情绪改变主要是客观事物诱发产生，一旦情境改变,某种情绪就会消失或由另一个情绪代替。情绪通常是不稳定。情感与情绪都有两极性以及不一样程度表现,比如高兴与悲伤、热爱与憎恨、轻松与沉重、激动与平静,以及不一样程度高兴、不一样程度悲痛,等等。第25页1情绪或情感反应情绪触发应该存在着两种不一样模式。第一个模式也称为脑内情绪通路，是指外界传入刺激经丘脑接替核直接传导到情绪反应中枢如杏仁核，再由杏仁核发出神经电脉冲到自主神经系统、边缘系统及大脑皮层相关区域，影响他们神经电活动及功效状态。第26页第二种模式是当代心理学普遍认为，在信息处理过程中，先是对刺激进行认识，再生成情绪。这种情绪反应与外界刺激相关系，也与个体情感类型、个性特征相关系。个体必须先知道刺激详细内容，然后才决定对该刺激生成何种类型情绪反应，可能是喜欢，或者是愤恨、厌恶等等。人们在日常生活中常见情绪反应，普通是在人类身上得到进化发展情绪，如妒忌、得意、自信、好奇、怜悯、羡慕、反感、惭愧、失望、后悔等等，都属于这种触发模式情绪反应类型。第27页2情绪与意识

3情绪脑机制第28页三层系统理论：大脑能够被视为一个三层结构系统，每一层都经过主要进化发展。最老和位置最深第一层是从低等动物鱼类留传下来脑干，只维持生命相关活动及简单神经反射。深入发展形成了第二层，包在脑干外面，主要是边缘系统，其中包含Papez环。边缘系统除了负责记忆转化外，其生成情感机制使动物能够更加好地适应外界复杂环境。最终一层是第三层，又包在第二层外面，是组织结构尤其复杂大脑皮层，它出现为智慧行为提供了神经结构基础。第29页第30页（1）在边缘系统、下丘脑和大脑皮层确实存在着不一样种类情绪中枢，他们兴奋能够引发对应情绪体验。（2）在人类，一些基本情感由边缘系统一些结构如杏仁核、隔核等兴奋生成，并经过Papez环路作用于额叶内嗅皮层及海马，深入作用于大脑皮层广大区域。（3）有些反射如条件化恐惧反射形成以后，外界一些对应刺激信息可经皮层下通路如丘脑杏仁核通路，直接作用于边缘系统情绪中枢，触发自主神经系统和边缘系统应急反应，有利于更加快地在大脑皮层统合作用下做出有效行为反应。（4）电刺激大脑皮层没有生成过情绪体验和自我刺激行为。（5）在情绪活动过程中，除了有大脑皮层和边缘系统参加外，自主神经系统活动也影响情绪体验及情绪对行为激励或抑制作用。第31页二动机动机是意向、驱动聚合，它最终造成行为出现。“动机”强调与行为开启关系，它指行为开启前，神经系统高级部位那种与造成该行为发生相关思维活动。动机与意动（或作动念）不一样，动念是指意图、意愿或是愿望，但不一定造成发生行为。在动物形成含有目标行为学习过程中，杏仁核群起着关键作用。第32页第四节语言和思维

一语言是人脑高级神经活动

人类语言文字是客观世界中详细信号(如铃声、灯光等,为第一信号)抽象信号,称为第二信号,凡是以词语作为信号而建立大脑神经联络就是第二信号系统。语言活动不但是单纯信息交流工具，而是一个含有主动作用认知功效，因为语言功效单元――词汇本身已是对客观事物抽象和概括，含有概念性质，它已经是抽象思维和认识事物本质开端。第33页语言和思维脑机制研究一是研究语言和思维活动脑功效一侧化问题，二是探讨语言和思维双脑协同机制。Broca证实左脑额下回损伤与运动失语相关(后该区命名Broca区)。Wernicke等人观察到左脑颜上回(Wernicke区)损伤时，患者无法了解语言，左脑纵行弓状束破坏时，患者会产生传导性失语等等第34页1.运动性失语症（motoraphasia）：Broca区受损2.失写症（agraphia）：额中回后部3.感觉性失语症（sensoryaphasia）：颞上回后部4.失读症（alexia）：角回5.流畅失语症（fluentaphasia）第35页右半球对空间进行综合，左半球对时间进行分析；右半球着重视觉相同性，左半球着重概念相同性；右半球对知觉形象轮廓进行加工，左半球则对精细部分进行加工；右半球把感觉信息纳入印象，左半球则把感觉信息纳入语言描述；右半球善于做完整性综合，左半球则善于对语音进行分析。第36页二思维及脑机制

人含有形象(直感)思维、抽象(逻辑)思维和灵感(顿悟)思维3种思维方式。形象思维是一个以客观现象为思维对象、以感性形象认识为思维材料、以意象为主要思维工具、以指导创造物化形象实践为主要目标思维活动，是一个并行处理，并含有协同性、动态性、总体性、容错性、无法预测性和不确定性、难以直接表示等特点。第37页抽象思维是以概念、判断、推理等形式进行理性思维，它反应了人们以抽象、间接、概括方式认识客观世界。从认识次序性说，总是在概念基础上形成判断，在判断基础上进行推理；不过在思维实际过程中，判断组成推理，又在推理中形成新判断，从而创造和形成新概念，所以，概念、判断、推理不是孤立，而是相互联络，抽象思维整个过程表现为一维、串行，并含有局部、准确、简练、易于表示等特点，但某一个局部错误可能造成整体完全错误。第38页灵感思维是在显意识下，经潜意识加工后，再通向显意识，是显意识和潜意识相互作用结晶。它含有非同期突发性、非线性独到性、非神秘含糊性等特点，穿插在抽象思维和形象思维之中，起着突破、升华作用，它比形象思维更复杂。第39页前额叶功效主要有四方面:①对注意力控制,②含有短时记忆功效,③对情绪和动机有调控作用,④含有预见性和组织规划方面功效。能够说,前额叶是人体有目标、有计划行为活动发动者与组织者。第40页第五节学习与记忆

学习主要是指神经系统接收外界环境信息而影响本身行为过程。记忆包涵两个方面含义：一是记，指是大脑从外界纷繁复杂信息中，提取部分有用信息形成感受印记，再从感受印记中选择部分信息形成短时记忆，又一样从短时记忆中选定部分信息形成长时记忆这么一个过程；二是忆，指是大脑依据当前外界传入信息情况，快速提取大脑贮存相关信息经验，结合外界传入信息，生成某种心理行为反应或应答过程。第41页一学习类型

学习可分为简单学习、联合学习和复合学习三类简单学习如习惯化、敏感化等联合学习如经典条件反射、操作式条件反射等复合学习如潜伏学习、替换学习、铭记学习等第42页二记忆类型

记忆分类方法也有各种,最惯用分类方法是按照记忆时程长短来划分,分为瞬时记忆、短时记忆、长时记忆和永久记忆。长时记忆和永久记忆一个特点是,全部记忆内容不因脑活动状态改变而消失,睡眠、麻醉、昏迷能使意识暂时丧失,一旦恢复意识,长时记忆也随之恢复。前三种记忆依次又称为感觉记忆、初级记忆和次级记忆,各类记忆脑内神经机制不一样。记忆形成多阶段理论已得到许多动物试验结果支持。第43页①形象记忆――以事物外部形象为内容记忆;②逻辑记忆一一关于事物意义、性质、改变规律等方面或抽象概念、判断推理等方面记忆;③情感记忆――包括情感体验及情绪改变方面记忆;④运动记忆――技巧和技能性操作或运动以及习惯性动作等方面记忆。第44页陈说性记忆(declarativememory)进入意识系统,比较详细,能够清楚地进行描述;依赖于边缘系统脑结构以及大脑皮质等,程序性记忆(proceduralmemory)。又称非陈说性记忆,没有意识成份参加,只是刺激次序相互关系,脑内贮存各事件或各个步骤之间相关联信息,只有经过次序性回想或次序性操作过程才表达出来。只需激活与该项学习记忆相关感觉系统与运动系统。外显性记忆和内隐性记忆工作记忆(workingmemory)包含空间工作记忆和非空间工作记忆两种。第45页三记忆机制

1、学习记忆突触理论和神经回路理论。认为记忆信息贮存在中枢突触结构和神经回路中。2、学习记忆生化理论。因为学习过程中伴伴随细胞内RNA分子量改变，认为遗传信息贮存在基因DNA分子中，记忆信息贮存在细胞RNA分子中。3、学习记忆蛋白质理论。第46页1学习和记忆结构基础短时记忆回路：普通认为，海马、杏仁核、间脑、前额叶皮质共同组成一个统一整体，形成了短时记忆回路，其反馈为正反馈。(1)海马与杏仁核(2)间脑腹内侧(3)前额叶皮质第47页长时记忆保留：在大脑中，没有一个特定长时记忆中枢存在。如对视觉感知事物方位、形状等其感觉整合中枢是额叶下部皮质部位，而事物空间位置感觉整合中枢则是顶叶后部皮质部。另外，大脑皮层下层一些结构也与长时记忆再现相关。杏仁核除了参加组成短时记忆回路外，还是不一样感觉记忆结合部位。假如杏仁核被损毁，则学习、情绪、动机以及其它感觉信息就不能整合在一起。第48页2学习与记忆细胞学基础神经细胞间突触传递改变是学习和记忆基础。环境刺激等原因能够引发脑内不一样区域突触后膜致密物质(PostsynapticDensity,PSD)改变。如一次性电击可使大鼠海马ＣＡ3区ＰＳＤ显著增厚。易化记忆药品脱苷氨酰胺精白氨酸加压素能引发小鼠脑内大脑皮层躯体感觉运动区和海马ＣＡ3区突触ＰＳＤ增厚。可见突触膜致密物质增加或降低，可能是学习和记忆细胞形态学基础。第49页四体液原因对学习记忆影响

1神经递质对学习和记忆作用儿茶酚胺，包含去甲肾上腺素、肾上腺素、多巴胺等，这类物质对学习和记忆有促进作用，可促使脑兴奋水平增强，躯体运动能力增强。谷氨酸是一个兴奋型神经递质，其特点是它受体Ｎ－甲基－Ｄ－天门冬氨酸受体ＮＭＤＡ只在学习和记忆过程中才开放，是学习和记忆关键物质之一，它开放与学习过程相关，保持与记忆过程相关。第50页2核酸、蛋白质与学习记忆关系3脑肽与学习记忆关系4Ca2+化学性突触传递第51页五学习障碍与遗忘

“学习障碍”或叫“学习无能”,是学习能力对立面。学习障碍是普遍存在现象,不论是人或动物都有。学习障碍是指脑内神经机制还未查明一个学习能力低下,这种人感官正常,智商能够属于中等甚至中等偏上,也查不出显著脑损伤。

遗忘（amnesia）是记忆对立面。第52页第六节脑疾病与脑功效退化出生前胎儿神经系统形成和发育是正常脑功效决定性基础；儿童脑可塑性发育是人才智力和健康心理形成关键；成年人脑有效工作取决于神经网络中信息高效传递和加工；老年人健康生活依赖于有没有病理性衰变和神经损伤。第53页一、阿尔茨海默病临床表现为进行性记忆力减退、智能障碍以及人格改变；主要病理学改变为大脑皮层或一些皮层下结构中老年斑和神经纤维缠结形成以及各种神经元尤其是胆碱能神经元原发性变性。一定数量老年斑和神经纤维缠结是ＡＤ病理形态诊疗关键点。第54页二帕金森病(parkinsondisease,PD)

ＰＤ病理改变主要位于黑质、苍白球、纹状体(尾状核及壳核)和蓝斑内。不论是原发型或脑炎型，黑质几乎都必受侵。肉眼可见黑质有显著色素消失，脑室有轻度扩大。在显微镜下可见最显著改变为神经细胞消失。黑质色素细胞中黑色素消失，黑色素颗粒往往游离散布在组织内及巨噬细胞内，常伴有不一样程度神经胶质增生。第55页三、亨廷顿病是一个病变包括纹状体、大脑皮层为主中枢神经系统退行性变性疾病。临床主要表现有舞蹈样不自主动作和进行性痴呆。早期症状包含身体和四肢不随意运动、显著人