《神經(jīng)科學(xué)課件探索》探索人類最復(fù)雜器官的奧秘課程概述課程目標(biāo)掌握神經(jīng)系統(tǒng)基本原理學(xué)習(xí)內(nèi)容從分子到認(rèn)知的全面探索重要性神經(jīng)科學(xué)簡介1古代時(shí)期腦與心臟功能之爭219世紀(jì)神經(jīng)元學(xué)說建立320世紀(jì)電生理學(xué)技術(shù)發(fā)展4現(xiàn)代分子生物學(xué)與成像技術(shù)革命神經(jīng)科學(xué)的分支認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究高級腦功能系統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)研究神經(jīng)回路與行為細(xì)胞神經(jīng)科學(xué)研究神經(jīng)元特性分子神經(jīng)科學(xué)研究分子機(jī)制神經(jīng)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)中樞神經(jīng)系統(tǒng)大腦：高級認(rèn)知功能腦干：基本生命功能小腦：運(yùn)動協(xié)調(diào)脊髓：反射與傳導(dǎo)外周神經(jīng)系統(tǒng)軀體神經(jīng)：隨意運(yùn)動自主神經(jīng)：內(nèi)臟功能感覺神經(jīng)：信息輸入運(yùn)動神經(jīng)：肌肉控制神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)樹突接收信號細(xì)胞體整合信息軸突傳導(dǎo)信號軸突終末釋放神經(jīng)遞質(zhì)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞星形膠質(zhì)細(xì)胞提供營養(yǎng)支持維持離子平衡參與血腦屏障形成少突膠質(zhì)細(xì)胞形成髓鞘加速信號傳導(dǎo)保護(hù)軸突小膠質(zhì)細(xì)胞腦內(nèi)免疫功能吞噬廢物和病原體參與突觸修剪神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育1神經(jīng)管形成胚胎早期神經(jīng)外胚層凹陷2初級腦泡形成前腦、中腦和后腦3神經(jīng)元產(chǎn)生神經(jīng)祖細(xì)胞分裂分化4神經(jīng)元遷移沿放射狀膠質(zhì)細(xì)胞移動5突觸形成建立神經(jīng)元間連接神經(jīng)元的電生理特性靜息電位約-70mV由離子梯度維持1去極化電位升高鈉離子內(nèi)流2復(fù)極化電位恢復(fù)鉀離子外流3超極化電位短暫低于靜息值不應(yīng)期形成4離子通道通道開放響應(yīng)刺激改變構(gòu)象離子選擇性特定離子通過離子流動沿濃度梯度方向通道關(guān)閉隨刺激消失自動關(guān)閉突觸結(jié)構(gòu)與功能化學(xué)突觸突觸前膜釋放遞質(zhì)突觸間隙20-40nm突觸后膜受體結(jié)合信號放大或抑制單向傳導(dǎo)電突觸縫隙連接蛋白形成突觸間隙2-4nm離子直接傳遞快速同步傳導(dǎo)雙向傳導(dǎo)神經(jīng)遞質(zhì)類型代表遞質(zhì)主要功能氨基酸類谷氨酸、GABA興奮/抑制傳遞單胺類多巴胺、5-羥色胺情緒調(diào)節(jié)、獎賞膽堿類乙酰膽堿運(yùn)動控制、記憶肽類內(nèi)啡肽、腦啡肽疼痛調(diào)節(jié)、情緒突觸可塑性長時(shí)程增強(qiáng)(LTP)高頻刺激誘導(dǎo)突觸傳遞效率增強(qiáng)NMDA受體依賴新蛋白質(zhì)合成記憶形成基礎(chǔ)長時(shí)程抑制(LTD)低頻刺激誘導(dǎo)突觸傳遞效率降低鈣離子依賴過程AMPA受體內(nèi)吞信息篩選機(jī)制感覺系統(tǒng)概述感受器將刺激轉(zhuǎn)化為電信號傳導(dǎo)通路信號沿特定通路傳播初級處理在丘腦或其他中繼站篩選皮層分析在感覺皮層進(jìn)行高級處理視覺系統(tǒng)視網(wǎng)膜光電轉(zhuǎn)換外側(cè)膝狀核信息中繼初級視覺皮層基本特征處理高級視覺區(qū)復(fù)雜視覺分析聽覺系統(tǒng)外耳收集聲波中耳放大聲波震動耳蝸將聲波轉(zhuǎn)換為電信號聽神經(jīng)傳導(dǎo)信號至腦干中繼站下丘和內(nèi)側(cè)膝狀核處理聽覺皮層聲音特征分析嗅覺系統(tǒng)嗅上皮嗅覺受體→嗅球處理→直接投射至嗅皮層唯一不經(jīng)丘腦中轉(zhuǎn)的感覺系統(tǒng)與情緒和記憶密切相關(guān)軀體感覺系統(tǒng)觸覺壓力溫度痛覺本體感覺運(yùn)動系統(tǒng)概述高級計(jì)劃前額葉和前運(yùn)動區(qū)運(yùn)動調(diào)節(jié)小腦和基底神經(jīng)節(jié)初級執(zhí)行初級運(yùn)動皮層脊髓調(diào)控脊髓運(yùn)動環(huán)路脊髓運(yùn)動環(huán)路膝跳反射肌腱被拉伸→感受器激活→脊髓運(yùn)動神經(jīng)元→肌肉收縮屈肌反射躲避有害刺激的保護(hù)性反射中樞模式發(fā)生器產(chǎn)生節(jié)律性運(yùn)動的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)腦干運(yùn)動中樞前庭核維持平衡和眼球運(yùn)動網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)肌張力和姿勢上丘控制眼球和頭部轉(zhuǎn)向反應(yīng)延髓調(diào)控基本生命體征小腦的功能運(yùn)動協(xié)調(diào)精確控制動作時(shí)間和力度平衡控制整合前庭信息維持平衡運(yùn)動學(xué)習(xí)存儲動作程序和技能記憶時(shí)間計(jì)算協(xié)調(diào)復(fù)雜動作序列基底神經(jīng)節(jié)紋狀體接收皮層輸入1蒼白球主要輸出結(jié)構(gòu)2黑質(zhì)多巴胺調(diào)節(jié)3丘腦下核運(yùn)動控制中繼站4直接通路：促進(jìn)運(yùn)動間接通路：抑制運(yùn)動大腦皮層運(yùn)動區(qū)200,000每平方毫米神經(jīng)元數(shù)量初級運(yùn)動皮層密度100ms反應(yīng)時(shí)間從決策到運(yùn)動啟動30%皮質(zhì)脊髓束纖維來自初級運(yùn)動皮層比例6運(yùn)動區(qū)數(shù)量包括初級區(qū)和輔助區(qū)自主神經(jīng)系統(tǒng)交感神經(jīng)系統(tǒng)"戰(zhàn)或逃"反應(yīng)瞳孔擴(kuò)大心率加快支氣管擴(kuò)張消化減慢腎上腺素釋放副交感神經(jīng)系統(tǒng)"休息與消化"狀態(tài)瞳孔縮小心率減慢支氣管收縮消化加強(qiáng)乙酰膽堿作為遞質(zhì)神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)下丘腦釋放激素和抑制素垂體產(chǎn)生多種激素靶腺體甲狀腺、腎上腺等靶組織對激素產(chǎn)生響應(yīng)通過負(fù)反饋調(diào)節(jié)激素水平睡眠與覺醒睡眠-覺醒由下丘腦和腦干調(diào)控褪黑素和生物鐘影響睡眠周期情緒的神經(jīng)基礎(chǔ)杏仁核恐懼與焦慮處理中心情緒記憶形成威脅快速檢測前扣帶皮層情緒調(diào)節(jié)注意力分配疼痛情緒加工伏隔核獎賞感受快樂體驗(yàn)成癮行為基礎(chǔ)學(xué)習(xí)與記憶感覺記憶短暫保持感覺信息短時(shí)記憶工作記憶，容量有限長時(shí)記憶持久存儲，容量巨大海馬負(fù)責(zé)新記憶形成與鞏固不同類型記憶依賴不同腦區(qū)語言的神經(jīng)基礎(chǔ)布洛卡區(qū)負(fù)責(zé)語言產(chǎn)生和發(fā)音韋尼克區(qū)負(fù)責(zé)語言理解和語義處理弓狀束連接兩大語言中樞的神經(jīng)通路注意力機(jī)制警覺系統(tǒng)維持基本覺醒狀態(tài)定向系統(tǒng)選擇感覺信息執(zhí)行系統(tǒng)解決沖突和任務(wù)切換頂葉：空間注意力額葉：目標(biāo)導(dǎo)向注意力丘腦：注意力門控決策與執(zhí)行功能信息收集整合感覺輸入評估價(jià)值預(yù)測利弊選擇行動抑制沖動反應(yīng)結(jié)果評價(jià)學(xué)習(xí)調(diào)整策略社會認(rèn)知鏡像神經(jīng)元系統(tǒng)運(yùn)動和情感模仿共情的神經(jīng)基礎(chǔ)社會學(xué)習(xí)機(jī)制心理理論理解他人意圖預(yù)測他人行為社交互動基礎(chǔ)社會決策考慮社會規(guī)范評估公平與合作集體行為基礎(chǔ)意識的神經(jīng)相關(guān)物全局工作空間理論：意識信息全腦廣播整合信息理論：意識是高度整合信息腦島和前扣帶：自我意識關(guān)鍵區(qū)域神經(jīng)可塑性發(fā)育期可塑性關(guān)鍵期突觸過度生成經(jīng)驗(yàn)依賴性修剪神經(jīng)環(huán)路精細(xì)化功能特異性形成成年期可塑性突觸權(quán)重變化長時(shí)程增強(qiáng)/抑制軸突側(cè)枝發(fā)芽成人神經(jīng)發(fā)生神經(jīng)干細(xì)胞神經(jīng)干細(xì)胞自我更新能力神經(jīng)祖細(xì)胞有限分裂能力前體細(xì)胞特定類型分化分化細(xì)胞成熟神經(jīng)元或膠質(zhì)細(xì)胞來源：胚胎神經(jīng)板、成人海馬和側(cè)腦室下區(qū)應(yīng)用：神經(jīng)退行性疾病和腦損傷修復(fù)神經(jīng)退行性疾病疾病病理特征主要癥狀阿爾茨海默病淀粉樣蛋白斑塊，tau纏結(jié)記憶喪失，認(rèn)知障礙帕金森病路易體沉積，黑質(zhì)變性震顫，運(yùn)動障礙亨廷頓病CAG重復(fù)擴(kuò)增舞蹈癥，認(rèn)知下降肌萎縮側(cè)索硬化癥運(yùn)動神經(jīng)元變性漸進(jìn)性肌無力和萎縮精神疾病抑郁癥單胺類神經(jīng)遞質(zhì)失衡精神分裂癥多巴胺系統(tǒng)異常焦慮障礙杏仁核過度活躍雙相情感障礙情緒調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)失調(diào)癲癇時(shí)間(秒)腦電活動病因：神經(jīng)元異常同步放電治療：抗癲癇藥物，離子通道調(diào)節(jié)中風(fēng)缺血性中風(fēng)血管堵塞占比85%治療：溶栓，血管內(nèi)治療時(shí)間窗口：黃金3小時(shí)出血性中風(fēng)血管破裂占比15%治療：降壓，止血，手術(shù)預(yù)后往往更差康復(fù)：神經(jīng)可塑性是恢復(fù)基礎(chǔ)疼痛的神經(jīng)機(jī)制傷害感受器檢測有害刺激脊髓背角初步整合與調(diào)制丘腦感覺信息中繼大腦皮層疼痛感知與解釋急性疼痛：保護(hù)性警告信號慢性疼痛：中樞敏化和神經(jīng)病理變化成癮的神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)物質(zhì)攝入激活獎賞通路多巴胺釋放產(chǎn)生愉悅感獎賞回路強(qiáng)化形成渴求行為前額葉功能受損自控能力下降4神經(jīng)免疫學(xué)小膠質(zhì)細(xì)胞大腦駐留免疫細(xì)胞血腦屏障選擇性允許物質(zhì)進(jìn)入大腦炎癥因子調(diào)節(jié)神經(jīng)元功能和行為神經(jīng)營養(yǎng)因子神經(jīng)生長因子(NGF)感覺和交感神經(jīng)元生存必需腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)促進(jìn)突觸可塑性和記憶形成膠質(zhì)細(xì)胞源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(GDNF)保護(hù)多巴胺能神經(jīng)元睫狀神經(jīng)營養(yǎng)因子(CNTF)促進(jìn)神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞生存神經(jīng)科學(xué)研究方法：電生理學(xué)膜片鉗技術(shù)單離子通道記錄測量微小電流研究通道特性細(xì)胞級分辨率腦電圖(EEG)記錄大量神經(jīng)元活動無創(chuàng)，時(shí)間分辨率高識別腦波模式臨床診斷工具神經(jīng)科學(xué)研究方法：腦成像技術(shù)測量原理優(yōu)點(diǎn)局限性功能磁共振(fMRI)血氧水平依賴信號空間分辨率高，無創(chuàng)時(shí)間分辨率低正電子斷層掃描(PET)放射性示蹤劑分布特異性分子成像輻射暴露，成本高神經(jīng)科學(xué)研究方法：光遺傳學(xué)基因?qū)牍饷舻鞍谆蜣D(zhuǎn)入特定神經(jīng)元光激活特定波長光照射刺激神經(jīng)元響應(yīng)毫秒級精確控制神經(jīng)元活動行為觀察記錄動物相應(yīng)行為改變神經(jīng)科學(xué)研究方法：單細(xì)胞測序識別新細(xì)胞類型揭示發(fā)育軌跡探索疾病機(jī)制計(jì)算神經(jīng)科學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型模擬神經(jīng)元集體動力學(xué)連接組學(xué)繪制全腦連接圖譜神經(jīng)編碼模型破譯神經(jīng)信息表示貝葉斯腦大腦作為預(yù)測機(jī)器人工智能與神經(jīng)科學(xué)深度學(xué)習(xí)啟發(fā)多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)源自大腦皮層卷積網(wǎng)絡(luò)模仿視覺系統(tǒng)強(qiáng)化學(xué)習(xí)類似獎賞學(xué)習(xí)類腦計(jì)算神經(jīng)形態(tài)芯片脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)低能耗人工智能腦機(jī)接口思想控制設(shè)備直接意念操作神經(jīng)信號解碼轉(zhuǎn)換大腦活動為指令信號采集系統(tǒng)植入或非植入設(shè)備應(yīng)用：癱瘓患者輔助，神經(jīng)康復(fù)，增強(qiáng)人類能力神經(jīng)倫理學(xué)腦增強(qiáng)技術(shù)認(rèn)知增強(qiáng)藥物經(jīng)顱刺激神經(jīng)植入物倫理問題公平獲取認(rèn)知自由身份與真實(shí)性法律應(yīng)用神經(jīng)成像證據(jù)責(zé)任能力評估謊言檢測發(fā)展神經(jīng)科學(xué)年齡(歲)灰質(zhì)體積白質(zhì)體積衰老的神經(jīng)生物學(xué)0.5%年腦容量減少率40歲后平均值40%突觸密度下降從青年期到老年期15-20%腦血流量減少導(dǎo)致營養(yǎng)供應(yīng)下降60認(rèn)知儲備可延緩年數(shù)終身學(xué)習(xí)與社交活動神經(jīng)科學(xué)與教育1學(xué)習(xí)原理突觸可塑性基礎(chǔ)2教育實(shí)踐分散學(xué)習(xí)優(yōu)于集中個體差異尊重大腦發(fā)展多樣性情緒影響學(xué)習(xí)效果睡眠對記憶鞏固至關(guān)重要多感官輸入增強(qiáng)學(xué)習(xí)神經(jīng)經(jīng)濟(jì)學(xué)1234效用最大化非總是人類行為驅(qū)動力情緒在決策中扮演關(guān)鍵角色價(jià)值計(jì)算前額葉皮層與伏隔核風(fēng)險(xiǎn)評估杏仁核與島葉選擇執(zhí)行背外側(cè)前額葉后果評價(jià)前扣帶回神經(jīng)營銷學(xué)品牌偏好強(qiáng)品牌激活獎賞與自我相關(guān)腦區(qū)注意力捕捉新奇與情緒刺激更易獲得注意情緒連接情感營銷建立長期記憶與忠誠度神經(jīng)科學(xué)的未來發(fā)展方向