（精选）神经生物学-绪论.ppt

1、神经生物学 Neurobiology,曲阜师范大学生命科学学院 李 亚,1,绪 论,Introduction,2,神经生物学,概念：研究人和动物的神经系统的科学。 特别是脑的结构和功能及其相互关系。 从分子、细胞水平到神经网络乃至整体系统水平对神经系统进行研究。 神经科学 (Neuroscience) 脑科学 (Brain Science ),3,一、神经生物学发展史,19世纪以前 2000多年前，人们并不认为精神和思维是脑的产物，但哲学家们已开始思考精神的本质，以及精神、灵魂和肉体的关系。 18世纪末，人们认识到，脑可以区分为不同的部位，它们可能行使不同的功能。,19世纪 19世纪中叶：实验

2、心理学方法脑黑箱 利用脑损伤的疾病的病例行为上的明显缺陷脑功能。大脑的Broca和Wernicke区的阐明是其中突出的例子。 19世纪末：神经解剖学和神经生理学,4,20世纪前期 神经解剖学方面：神经元学说- 神经元是神经系统构建的基本单元和信号单位；神经元间突触的概念。 神经生理学方面：揭示了神经元传递信息的电信号和化学信号的双重信号系统。,20世纪50年代 神经解剖学和生理学的协同和交叉；神经化学和神经药理学等学科也逐渐介入了对神经系统的研究。人们对神经活动的了解逐渐进入到细胞和分子水平。,20世纪50年代 至今 神经系统的不同学科的交叉最终在60年代末导致一门统一的综合性学科神经生物学的

3、诞生。 美国神经科学会的成立，作为这门新学科诞生的标志。,5,脑活动的整合性 神经活动是多侧面的； 活动的研究必须是多层次的：神经系统的活动，不论是感觉、运动，还是脑的高级功能（如学习、记忆、情绪等）都有整体上的表现,脑的高级功能的研究 已深入到细胞和分子水平。 如记忆的分子基础；基因水平上的新技术。,6,二、神经生物学的研究概况,脑是神经系统中最重要的部分。 神经系统的产生是动物为了更有效地适应自然界、为了自身的生存和繁衍，在激烈的生存竞争中进化的结果。,7,神经活动机制-细胞和分子水平 微电极细胞内记录和染色技术在单个神经元上把结构和功能紧密地联系了起来。 免疫组织化学方法把神经元的功能与

4、其神经递质的分析熔为一体。 组织培养、细胞培养把复杂的神经元回路还原成简单的单元进行分析。 新的电生理技术和分子生物学方法（重组DNA技术等）神经信号发生、传递的基本单元-离子通道的结构、功能特性及运转方式；神经递质的合成、维持、释放及与受体的相互作用。,8,Neuroscience Today,分子神经科学 (Molecular Neuroscience ) 脑的物质组成中包含许多奇特的分子，而且有的只存在于神经 系统中。在不同的脑功能中，扮演着不同却又非常关键的角色。 信使 (messengers)神经元之间的通讯； 卫兵 (sentries)控制物质进出神经元； 向导 (conducto

5、rs)协调神经元生长； 档案保管员 (archivists)保管过去的经验等等。 细胞神经科学(Cellular Neuroscience) 不同类型神经元功能的差异；不同神经元之间的相互影响；胚胎发育中神经元如何形成网络；神经元的计算功能等等。 系统神经科学(Systems Neuroscience) 许多神经元构成复杂的神经环路，如何执行某一共同的功能。 如感觉、随意运动等。,9,行为神经科学(Behavioral Neuroscience) 神经系统如何工作，产生协调的行为。 不同形式的记忆是否对应于不同的系统； 脑内致幻药的作用位点，以及它们在正常情况下对情绪和 行为的调节作用； 支配

6、性别特异性行为的神经环路； 脑内梦起源的部位等等。 认知神经科学(Cognitive Neuroscience) 人类高级神经活动。（神经科学面临的最大挑战） 自我意识、思维联想、语言-神经机制。 （研究脑如何创造精神）,10,美国总统和国会定九十年代为“脑的十年”。 （美国国立健康研究院1997年度投入直接与神经 科学有关的经费为18亿美元，是其人类基因计划 的10倍多。） 欧洲推出“欧洲脑十年”。 日本有二十年“脑科学时代”等计划。,中国早期神经生理学家：林可胜、蔡翘、冯德培、张香桐等。,11,2012年6月，美国六位科学家 “人类大脑活动图谱”的计划 。 2013年4月，奥巴马会见科学家

7、时表示， “作为人类，我们能够确认数光年外的星系，我们能 研究比原子还小的粒子，但我们仍无法揭示两耳间 三磅重物质（指大脑） 的奥秘。” 从2014年，正式启动这一计划， （ 1亿美元） 。,2013年1月，欧盟委员会宣布 人脑工程成为欧盟“未来新兴旗舰技术项目”之一，并将在未来10年内获得10亿欧元的科研经费。,12,脑科学是科学界最难攻克的堡垒之一， 绘制人脑活动图是一项长期工程。,复旦大学脑科学研究院、中科院院士杨雄里： “人们不可能像基因组计划标识出每个基因一样给每个神经元打上标签”， 未来研究的困难之处不仅在于人脑的细胞数量太多，更在于大脑的活动是动态的、因环境而变化，而且在不同层次

8、上又有不同性质的问题。,脑科学研究热潮，正在全球兴起。,13,(一) 形态学方法,辣根过氧化物酶法（horseradish peroxdase, HRP）： HRP注射于神经末梢所在部位，通过非特异性胞饮方式摄入，逆向运至胞体，然后用组织化学方法显示。或经胞体摄入，顺向运送至末梢部位。,1.束路追踪法,三、神经生物学的研究方法,14,荧光染料法： 主要用作逆向追踪，其优点是可作双标或多标。如核黄标记胞核，固蓝或荧光金标记胞质。,生物素追踪法： 一般使用生物素的衍生物作追踪剂，如生物胞素（biocytin）电泳导入脑内被神经元摄取，主要用于顺向追踪。该法有效范围明确，无过路纤维吸收问题。神经生物

9、素（neurobiotin）用于顺行、逆行追踪，运送速度较快，灵敏度高。,15,2. 免疫组化法(immunohistochemistry) 用特异性抗体显示组织化学成分的一种方法。免疫组化法的基本步骤有固定、制片、反应三步。常用于显示各种神经肽。,3. 原位杂交法 ( in situ hybridization) 用于显示细胞内的mRNA，标记物分为同位素和非同位素，同位素有32P，35S，3H。非同位素有生物素(biotin)，地高辛等。,16,4. 激光共聚焦显微镜 (laser scanning confocal microscopy ) 用0.2 m的光束可透射厚0.51mm的细胞组

10、织，用于神经递质、受体和转运体的定位；神经元结构的三维重建；活的神经细胞的动态变化；也可对活细胞进行连续扫描，显示细胞内某种成分（如Ca 2+ ）的变化过程，线粒体、内质网、高尔基体、染色体等的探测和分析，DNA、RNA、酶的含量测定。,17,(二) 生理学方法,1. 行为学方法 行为学方法是建立在条件反射基础之上。条件反射是著名的俄国生理学家巴甫洛夫于20世纪初提出的。条件反射是动物个体生活过程中适应环境的变化，在非条件反射基础上逐渐形成的。,18,2. 神经递质释放量的测定,脑透析法： 可测定不同脑区的多巴胺及其代谢产物，氨基酸，乙酰胆碱，去甲肾上腺素，5HT等。神经肽的测定较难，主要由于

11、探头半透膜要求较高。,19,20,1. 电压钳 (voltage clamp),Hodgkin等，20世纪50年代 电压电极、电流电极 反馈放大器 (feedback amplifer) 结合药理学方法（TTX、TEA）,(三) 电生理学方法,21,2. 膜片钳 (patch clamp),Neher和Sakmann，1976（nAchR单离子通道电流，1991，Noble ） 可测量单通道离子电流 现在发现：通道的开放和关闭都是突然发生并似乎是全或无式的，开放的持续时间长短不一，但都有恒定的电导值。,22,3. 诱发电位 诱发电位是慢电位变化，不是单细胞放电，主要是由突触后电位的总和而成。诱

12、发放电是刺激引起的，所以它常常出现在自发放电的背景之上。 特点：(1) 诱发电位有一定的潜伏期； (2) 诱发电位有一定的类型，是由于诱发电极和记录 电极记录神经元群相对位置影响电位的波形。,23,(四)生物化学方法,1. 放射免疫法(radioimmunoassay, RIA) 用抗原抗体反应原理，将抗原标记上放射性同位素，用来测定与此抗原性质相同的物质。RIA包括以下基本步骤：样品采集、加样、反应、分离、测定抗原抗体复合物的放射性（cpm）, 与标准曲线对照计算待测物质含量。,24,2.高效液相层析 ( high performance liquid chromatography, HPL

13、C) 利用分子间特异性及可逆性的结合，将其一方固定于层析的固定相中，使流动相中能特异性结合于该分子的物质与其结合，然后再改变条件，使被分离物质洗脱，用一定波长紫外光检测。 HPLC是分离分析生物活性物质和受体的重要手段。,25,(五)分子生物学方法,1. 基因分子克隆及表达 人类染色体大约有3109碱基和5-10万个基因。基因克隆是特定基因从基因组中分离出来在细菌中扩增的过程。克隆基因目的是获得大量的纯DNA分子。 2. 聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction，PCR） PCR是一种酶促化学反应,可在含有多种核酸分子的混合液中选择性地大量扩增某一种核酸分子的特定序列

14、。该方法具有极高的灵敏度和特异性，在含有多种杂质的条件下，可选择性扩增细胞基因组中一个特定的DNA片段达数百万至数千万倍。,26,3. 转基因(Transfers gene) 根据遗传学原理,在体外合成含有突变序列的DNA片段,植入细胞染色体，通过制造定位定向转基因改变哺乳动物的基因型以产生转基因的动物。 4. 基因敲除(gene knockout) 基因敲除是80年代初出现的一项新的基因工程技术。 采用同源重组的方法,用体外合成的无效基因或突变基因取代相应正常基因,再应用转基因方法孵育出转基因动物,即为基因敲除动物。通过分析基因敲除动物单基因缺陷来研究基因调控、基因功能、建立疾病模型、药物作

15、用及基因治疗。,27,5. 生物芯片技术（biochip） 生物芯片技术是在1个平方厘米大小的薄型载体上，通过微加工技术获得微米级结构，并与生物化学处理等技术相结合而发展起来的一种新型技术。它可以把多至几十万个的生命信息集成在一块芯片上，进行各种与生命科学和医学相关的生物化学反应，对基因、蛋白、活体细胞及组织等进行分析和检测。,28,(六) 脑成像技术,计算机断层成像术 (computerized tomography, CT),正电子发射断层成像术 (positron emission tomography, PET),磁共振成像 (magnetic resonance imaging, M

16、RI),29,脑科学研究,认识脑,保护脑,开发脑,模拟脑,30,脑科学 (1990-2000 脑的十年) (2001-2100 脑的世纪),分子生物学 细胞生物学 ,认知科学,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） 脑地形图 RIA(化学） PET(化学） PCR(基因） fMRI (功能） Confocal CT(形态） (形态） 行为变化,31,Men ought

17、 to know that from nothing else but the brain come joys, delights, laughter and sports, and sorrows, griefs, despondency, and lamentations. And by this, in an especial manner, we acquire wisdom and knowledge, and see and hear and know what are foul and what are fair, what are bad and what are good, what are sweet and what are unsavory And by the same organ we becom