神經(jīng)生物學緒論

1、神經(jīng)生物學緒論,NEUROBIOLOGYINTRODUCTION,劉 寧,,,,,,,5,1.1 概念與任務(wù) 　　 在分子、細胞、組織器官和整體等多個水平上研究神經(jīng)系統(tǒng)的形態(tài)和功能的學科。,6,任務(wù)：研究神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)分子水平、細胞水平和系統(tǒng)水平的變化過程，以及這些過程的整合作用，直至最復(fù)雜的高級功能，如學習、記憶等,目的：了解人類神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，以及行為與心理活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，闡明行為和心理活動的神經(jīng)機制，為改善

2、人類感覺與運動效率，提高對神經(jīng)系統(tǒng)疾病的防治水平以及增進健康服務(wù),7,內(nèi)容: 神經(jīng)解剖、生理、藥理、病理、生物化學和細胞生物學及分子生物學等跨學科的基本理論研究,特點：1、包羅了基礎(chǔ)神經(jīng)科學的諸多學科2、并非若干傳統(tǒng)學科簡單和機械地組合3、在傳統(tǒng)神經(jīng)科學的基礎(chǔ)之上成長和發(fā)展起來的一門新興的綜合性的邊緣學科,8,主要研究領(lǐng)域,神經(jīng)生物化學（neurobiochemistry）,神經(jīng)生理學（neurophysiology）,細胞神經(jīng)生

3、物學（cellular neurobiology）,分子神經(jīng)生物學（molecular neurobiology）,發(fā)育神經(jīng)生物學（developmental neurobiology）,比較神經(jīng)生物學（comparative neurobiology）,系統(tǒng)神經(jīng)生物學（systematic neurobiology）,,9,人類對自身學習記憶思維等能力的探索了解腦是怎樣工作對整個生物科學的激勵作用對唯心主義哲學的挑戰(zhàn)更清楚的了解

4、人類自身，提高人的素質(zhì)，緩解人類矛盾,為什么要重視神經(jīng)生物學？,10,1.2 神經(jīng)生物學發(fā)展和展望,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,22,神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究19世紀80年代Cajal建立起神經(jīng)元理論 19世紀末和20世紀初，Sherrington關(guān)于 “反射”“突觸” 、“神經(jīng)傳遞”的概念20世紀20到50年代通過高倍電鏡對突觸結(jié)構(gòu)細節(jié)的觀察,Pictures of Spanish anatomist Ramon y

5、 Cajal,26,First page of Sherrington’s famous book, The Integrative Action of the Nervous System (1906); this is the 5th edition of 1947,,,28,2. 神經(jīng)興奮的電傳導(dǎo)1791年Galvani就發(fā)現(xiàn)了生物電現(xiàn)象19世紀電生理方法測定神經(jīng)電傳導(dǎo)的速度，發(fā)現(xiàn)“全或無”定律等20世紀30年代Young以

6、烏賊大神經(jīng)纖維作為研究材料，定量的測量神經(jīng)電傳導(dǎo)的電阻、電位及其在刺激前后的變化等 40年代Hodgkin、Huxley和Katz等研究Na+、K+與神經(jīng)傳導(dǎo)的關(guān)系，測定靜息電位、動作電位等,29,意大利科學家伽伐尼（Luigi Galvani, 1737～1798),Diagram of Galvani 's frog legs (~1770s),1937Young 推測可以使用巨大烏賊的軸突來了解神經(jīng)細胞,John Zac

7、hary Young (1907-1997),31,A.L Hodgkin,A.F. Huxley,,They shared the 1963 Nobel Prize in Physiology or Medicine for work on the transmission of signals from nerve cells.,John Carew Eccles,32,3. 神經(jīng)化學遞質(zhì)研究1905年Eliot發(fā)現(xiàn)電脈沖到達肌肉

8、連結(jié)點時釋放了腎上腺素 1921年Loewi的蛙心實驗，直接證明在心肌上的交感和副交感神經(jīng)末梢分別釋放出兩種不同的化學物質(zhì)1932年前后，Dale的系列的實驗，取得了乙酰膽堿存在于內(nèi)臟器官神經(jīng)末梢的直接證據(jù)1934～1935年Cannon等提取交感神經(jīng)末梢遞質(zhì)，1946年Eule闡明其為去甲腎上腺素1960年以來，對腦內(nèi)遞質(zhì)開展了不少研究，發(fā)現(xiàn)了約30種不同的遞質(zhì)20世紀70年代發(fā)現(xiàn)腦啡肽等,,33,,4. 腦功能研究 18

9、93年起Sherrington研究反射弧，提出抑制的概念，并認為抑制過程同興奮過程同等重要Pavlov在20世紀初建立起“條件反射”的概念，證明條件反射是大腦活動的結(jié)果,19世紀有學者提出關(guān)于腦功能區(qū)的定位，部分切除狗腦皮層手術(shù)成功，并通過對尸體解剖的觀察開始研究人大腦皮層功能區(qū),34,20世紀30年代Foerster和Penfield在利用外科手術(shù)在清醒的病人身上，用電刺激大腦的不同部位引起不同反應(yīng)20世紀40年代Sperry開始

10、用貓和猴子做實驗，切斷大腦兩半球間的連接，進行觀察。60年代，對癲癇病人作兩半球割裂治療的觀察,,,36,80年代，Sperry闡明人腦的左半球除具有抽象思維、數(shù)學運算及邏輯語言等各項重要機能外，還可以在關(guān)系很遠的資料間建立想象聯(lián)系，在控制神經(jīng)系統(tǒng)方面人腦的左半球也很積極，起著主要作用。還發(fā)現(xiàn)人腦右半球也同樣具有許多高級功能，如對復(fù)雜關(guān)系的理解能力、整體的綜合能力、直覺能力、想象能力等；此外，它還被證實是音樂、美術(shù)及空間知覺的辨識系

11、統(tǒng)，因此人的右腦蘊藏著很大的潛力。,38,19世紀70年代Caton對兔、貓以及猴的實驗表明大腦普遍存在著電的變化 20世紀開始作腦電記錄，Berger發(fā)現(xiàn)有心理活動時（如注意等）腦電波發(fā)生變化20世紀50年代開始，腦電的研究向探索與特定知覺有關(guān)的信號方向發(fā)展，開始了誘發(fā)電位的研究工作 60年代，引入傅里葉分析儀 70年代對人的視覺、聽覺、甚至嬰兒的感覺，都有了靈敏的檢查指標,39,5. 神經(jīng)系統(tǒng)感知研究 20世紀發(fā)展

12、最快的是中樞神經(jīng)系統(tǒng)對外界感覺的加工、識別信號、形成感知,測謊儀,百年來與神經(jīng)科學有關(guān)的諾貝爾獎獲得者選介(I),,C.S.Sherrington (英),1857,,,1850,,1900,,1950,2000,,C.Golgi (意),1926,1934,神經(jīng)元染色方法,1843,1852,R.Cajal (西班牙),“神經(jīng)元學說”,,,,,,,,,形態(tài),1906,,,,,1952,1932,?“突觸”定名?“反射”概念?“交互

13、”抑制,,反射學說,1889,1977,?感覺神經(jīng)纖維電活動?傳入沖動大腦誘發(fā)電位?神經(jīng)控制骨骼肌運動機制,,E.D.Adrian (英),,,,電生理,O.Loewi (德 英),1961,1873,,,,,,1936,,?蛙心灌流實驗?“迷走物質(zhì)”,1968,1875,H.Dale (英),,,?神經(jīng)末梢分泌?乙酰膽堿ACh,,神經(jīng)化學,,1874,1965,1944,1963,1888,J.Erlanger (美)

14、,H.S.Gasser (美),?陰極射線示波器?神經(jīng)纖維的分類ABC,1973,1881,W.R.Hess (瑞士),?腦立體定位儀 hypothalamus,,,,,,,,,,方法學創(chuàng)新,,,,1949,,,電生理,Oxf,Cambridge,徒手切腦片銀染神經(jīng)元,,染出神經(jīng)末梢，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元之間無原生質(zhì)聯(lián)系,,,生理科學進展2001，32：187,神經(jīng)藥理學,分子藥理學,,百年來與神經(jīng)科學有關(guān)的諾貝爾獎獲得者選介(II),,,

15、1850,,1900,,1950,2000,J.C. Eccles (澳大利亞),1914,1903,,,,,,1963,A.L.Hodgkin (英),,,,B.Katz (德 英),1917,,,,A.F.Huxley (英),?細胞內(nèi)微電極?突觸后電位?抑制性遞質(zhì),,突觸,?電壓鉗技術(shù)?動作電位的離子學說?數(shù)學方程表述,,,? NM終板電位?遞質(zhì)“量子釋放”,,1911,動作電位機制,,,,1905,1983,,

16、U.Von Euler (瑞典…),?交感神經(jīng)遞質(zhì)?去甲腎上腺素,,,,1970,?兒茶酚胺代謝?影響CAs的藥物,電生理,,1912,J.Axelrod (美),,（兒茶酚胺）,神經(jīng)化學,,,1913,(左右腦),,,,,,R.W.Sperry (美),1981,“腦功能側(cè)化”,,,D.Hubel (加 美),,1926,1924,T.Wiesel (瑞典 美),,,信息加工,視皮層,,,,,E.Neher (德),

17、1991,B.Sakmann (德),,?大腦視覺信息加工?視覺系統(tǒng)發(fā)育的可塑性,,,?膜片鉗技術(shù)?單個離子通道電流記錄,,,1999,英，澳,Cambridge,Cambridge,Levi Montalcini 1986 Nerve growth Factor (NGF) (Italy),,百年來與神經(jīng)科學有關(guān)的諾貝爾獎獲得者選介(3),,,1850,,1900,,1950,2000,1926,1923,,,,,,2000,P.

18、Greengard (美),,1930,E.Kandel (美),,A.Carlsson (瑞典),,,神經(jīng)系統(tǒng)中的信號轉(zhuǎn)導(dǎo),蛋白磷酸化慢突觸傳遞多巴胺,,,,,,,,,,,,,,中 國 神 經(jīng) 科 學 的 發(fā) 展 開 創(chuàng) 者: 張錫鈞(協(xié)和), 馮德培(協(xié)和,上海生理所),張香桐(上海生 理所,腦所).兩大事件: · 1950: 巴甫洛夫“條件反射”學說

19、· 1966-1976: “文化革命”期間主要做“針刺麻醉”研究方向: · 痛與鎮(zhèn)痛: 北京: 北醫(yī),中醫(yī)研究院 上海: 上醫(yī)大,中科院生理所, 腦所，神科所 · 視 覺: 上海: 生理所 北京: 生物物理所 · 神經(jīng)內(nèi)分泌: 西安: 四軍大

20、 (垂體前葉) 上海: 二軍大 (甾體受體), 北醫(yī)大(神經(jīng)免疫) 其它（發(fā)育，再生，…）,,,雜 志:《生理學報》70%論文屬神經(jīng)生理 1927年創(chuàng)刊 (上海生理所) 《中國神經(jīng)科學雜志》 1998年創(chuàng)刊 (上海二軍大) 《中國疼痛醫(yī)學雜志》 1995年創(chuàng)刊 (北醫(yī)大) 《中國神經(jīng)解

21、剖雜志》 1985年創(chuàng)刊 (四軍大解剖系）大型專著: 《神經(jīng)科學綱要》 1993年 北醫(yī)大韓濟生主編 (156萬字) 《神經(jīng)科學原理》 1999年 北醫(yī)大韓濟生主編 (200萬字),1.3 特點：,（1）神經(jīng)生物學具有清晰的發(fā)展脈絡(luò)起初是對腦和神經(jīng)系統(tǒng)的形態(tài)和總體功能的描述和分析；之后有更多的學科從不同側(cè)面介入其中，日益迅速地把

22、研究推向了細胞和分子水平。人們已經(jīng)不再停留在現(xiàn)象的描述，而是更著眼于在不同層次上的機制的分析，從現(xiàn)象深入到機制是現(xiàn)代自然科學發(fā)展的共同特點，神經(jīng)生物學可以說是其縮影。,,（2）作為一門實驗科學，神經(jīng)生物學研究的進展在很大程度上有賴于研究技術(shù)和手段的發(fā)展和完善在20世紀初，Cajal對神經(jīng)元形態(tài)的清晰描述，幾乎完全仰仗于Golgi銀染法的應(yīng)用。40年代末，微電極記錄和染色技術(shù)的發(fā)展使人們對神經(jīng)活動的認識出現(xiàn)了革命性的變化。免疫組織化

23、學方法的應(yīng)用，使對神經(jīng)遞質(zhì)的研究與形態(tài)學研究有機地結(jié)合起來。,,膜片鉗位技術(shù)在20世紀70年代末的發(fā)明和發(fā)展，大大促進了對離子通道的研究，從而使人們對神經(jīng)活動基本過程——信號發(fā)生、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、突觸傳遞等的了解奠定在更堅實的基礎(chǔ)上。分子遺傳學方法的不斷更新，不僅使不少遺傳性神經(jīng)、精神疾患的缺損基因的定位得以成功，對了解特定基因在神經(jīng)系統(tǒng)中的功能也起了重要的推動作用。無創(chuàng)傷腦成象技術(shù)的建立和完善，為認識活體腦的活動及分析其機制，提供了前所

24、未有的有力工具。,,（3）從神經(jīng)生物學的發(fā)展史中，找到合適的實驗標本很重要早期對神經(jīng)興奮和動作電位傳導(dǎo)規(guī)律的闡明，槍烏賊大神經(jīng)標本功不可沒；對突觸傳遞過程的了解，神經(jīng)-肌肉接頭標本所提供的信息，則甚于其他任何標本。近年來，對腦的高級功能—學習和記憶的基本機制的了解，在許多方面，依賴對一種低等的無脊椎動物—海兔的簡單的神經(jīng)系統(tǒng)的研究。,(一) 形態(tài)學方法,辣根過氧化物酶法（horseradish peroxdase, HRP）：

25、 HRP注射于神經(jīng)末梢所在部位，通過非特異性胞飲方式攝入，逆向運至胞體，然后用組織化學方法顯示?；蚪?jīng)胞體攝入，順向運送至末梢部位。,1.束路追蹤法,1.4 研究方法：,熒光染料法： 主要用作逆向追蹤，其優(yōu)點是可作雙標或多標。如核黃標記胞核，固藍或熒光金標記胞質(zhì)。,生物素追蹤法： 一般使用生物素的衍生物作追蹤劑，如生物胞素（biocytin）電泳導(dǎo)入腦內(nèi)被神經(jīng)元攝取，主要用于順向追蹤。該法有效范圍明確，

26、無過路纖維吸收問題。神經(jīng)生物素（neurobiotin）用于順行、逆行追蹤，運送速度較快，靈敏度高。,2. 免疫組化法(immunohistochemistry) 用特異性抗體顯示組織化學成分的一種方法。免疫組化法的基本步驟有固定、制片、反應(yīng)三步。常用于顯示各種神經(jīng)肽。,3. 原位雜交法 ( in situ hybridization) 用于顯示細胞內(nèi)的mRNA，標記物分為同位素和非同位素，同位素有32

27、P，35S，3H。非同位素有生物素(biotin)，地高辛等。,4. 激光共聚焦顯微鏡 (laser scanning confocal microscopy ) 用0.2 ?m的光束可透射厚0.5~1mm的細胞組織，用于神經(jīng)遞質(zhì)、受體和轉(zhuǎn)運體的定位；神經(jīng)元結(jié)構(gòu)的三維重建；活的神經(jīng)細胞的動態(tài)變化；也可對活細胞進行連續(xù)掃描，顯示細胞內(nèi)某種成分（如Ca 2+ ）的變化過程，線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、染色體等的

28、探測和分析，DNA、RNA、酶的含量測定。,(二) 生理學方法,1. 行為學方法 行為學方法是建立在條件反射基礎(chǔ)之上。條件反射是著名的俄國生理學家巴甫洛夫于20世紀初提出的。條件反射是動物個體生活過程中適應(yīng)環(huán)境的變化，在非條件反射基礎(chǔ)上逐漸形成的。,,,,,,,2. 神經(jīng)遞質(zhì)釋放量的測定,腦透析法： 可測定不同腦區(qū)的多巴胺及其代謝產(chǎn)物，氨基酸，乙酰膽堿，去甲腎上腺素，5－HT等。神經(jīng)肽的測

29、定較難，主要由于探頭半透膜要求較高。,1. 電壓鉗 (voltage clamp),Hodgkin等，20世紀50年代電壓電極、電流電極反饋放大器 (feedback amplifer)結(jié)合藥理學方法,(三) 電生理學方法,2. 膜片鉗 (patch clamp),Neher和Sakmann，1976（nAchR單離子通道電流，1991，Noble ）可測量單通道離子電流現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)：通道的開放和關(guān)閉都是突然發(fā)生并似乎是全或無式的

30、，開放的持續(xù)時間長短不一，但都有恒定的電導(dǎo)值。,,,(四)生物化學方法,1. 放射免疫法(radioimmunoassay, RIA) 用抗原－抗體反應(yīng)原理，將抗原標記上放射性同位素，用來測定與此抗原性質(zhì)相同的物質(zhì)。RIA包括以下基本步驟：樣品采集、加樣、反應(yīng)、分離、測定抗原－抗體復(fù)合物的放射性（cpm）, 與標準曲線對照計算待測物質(zhì)含量。,2.高效液相層析 ( high performance liq

31、uid chromatography, HPLC) 利用分子間特異性及可逆性的結(jié)合，將其一方固定于層析的固定相中，使流動相中能特異性結(jié)合于該分子的物質(zhì)與其結(jié)合，然后再改變條件，使被分離物質(zhì)洗脫，用一定波長紫外光檢測。 HPLC是分離分析生物活性物質(zhì)和受體的重要手段。,(五)分子生物學方法,1. 基因分子克隆及表達 人類染色體大約有3×109堿基和5-10萬個基因。基因克隆是特定基因從基因組中分離出來在

32、細菌中擴增的過程。克隆基因目的是獲得大量的純DNA分子。 2. PCR PCR是一種酶促化學反應(yīng),可在含有多種核酸分子的混合液中選擇性地大量擴增某一種核酸分子的特定序列。該方法具有極高的靈敏度和特異性，在含有多種雜質(zhì)的條件下，可選擇性擴增細胞基因組中一個特定的DNA片段達數(shù)百萬至數(shù)千萬倍。,3. 轉(zhuǎn)基因(Transfers gene) 根據(jù)遺傳學原理,在體外合成含有突變序列的DNA片段,植入細胞染色體，通

33、過制造定位定向轉(zhuǎn)基因改變哺乳動物的基因型以產(chǎn)生轉(zhuǎn)基因的動物。4. 基因敲除(gene knockout) 基因敲除是80年代初出現(xiàn)的一項新的基因工程技術(shù)。 采用同源重組的方法,用體外合成的無效基因或突變基因取代相應(yīng)正常基因,再應(yīng)用轉(zhuǎn)基因方法孵育出轉(zhuǎn)基因動物,即為基因敲除動物。通過分析基因敲除動物單基因缺陷來研究基因調(diào)控、基因功能、建立疾病模型、藥物作用及基因治療。,5. 生物芯片技術(shù)（biochip）

34、 生物芯片技術(shù)是在1個平方厘米大小的薄型載體上，通過微加工技術(shù)獲得微米級結(jié)構(gòu)，并與生物化學處理等技術(shù)相結(jié)合而發(fā)展起來的一種新型技術(shù)。它可以把多至幾十萬個的生命信息集成在一塊芯片上，進行各種與生命科學和醫(yī)學相關(guān)的生物化學反應(yīng)，對基因、蛋白、活體細胞及組織等進行分析和檢測。,(六) 腦成像技術(shù),計算機斷層成像術(shù) (computerized tomography, CT),正電子發(fā)射斷層成像術(shù)

35、(positron emission tomography, PET),磁共振成像 (magnetic resonance imaging, MRI),神經(jīng)生物學（高等教育出版社第二版）,全書分6篇， 24章第一篇 神經(jīng)活動的基本過程 : 第一章 神經(jīng)元和突觸 第二章 神經(jīng)元膜 的電學特性和靜息電位 第三章 神經(jīng)電信 號和動作電位 第四章 神經(jīng)電信號的傳遞 第五章 神經(jīng)遞質(zhì)和神

36、經(jīng)肽 第六章 離子通 道與胞內(nèi)鈣離子平衡 第七章 受體與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)第二篇 神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育 : 第八章 神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育第三篇 感覺系統(tǒng) : 第九章 視覺 第十章 聽覺 第十一章 味覺與嗅覺 第十二章 軀體感覺 第十三章 平衡覺和本體感覺,第四篇 運動系統(tǒng) 第十四章 軀體運動及其中樞控制 第十五章 自主神經(jīng)系統(tǒng)第五篇 腦的高級功能 第十六章 彌散性調(diào)制系統(tǒng)與行為 第