神經(jīng)生物學(xué)緒論

1、神經(jīng)生物學(xué)緒論,NEUROBIOLOGYINTRODUCTION,劉 寧,,,,,,,5,1.1 概念與任務(wù) 　　 在分子、細(xì)胞、組織器官和整體等多個(gè)水平上研究神經(jīng)系統(tǒng)的形態(tài)和功能的學(xué)科。,6,任務(wù)：研究神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)分子水平、細(xì)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(xué)習(xí)、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(jī)制，為改善

2、人類感覺與運(yùn)動效率，提高對神經(jīng)系統(tǒng)疾病的防治水平以及增進(jìn)健康服務(wù),7,內(nèi)容: 神經(jīng)解剖、生理、藥理、病理、生物化學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)及分子生物學(xué)等跨學(xué)科的基本理論研究,特點(diǎn)：1、包羅了基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)的諸多學(xué)科2、并非若干傳統(tǒng)學(xué)科簡單和機(jī)械地組合3、在傳統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)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(xué)科,8,主要研究領(lǐng)域,神經(jīng)生物化學(xué)（neurobiochemistry）,神經(jīng)生理學(xué)（neurophysiology）,細(xì)胞神經(jīng)生

3、物學(xué)（cellular neurobiology）,分子神經(jīng)生物學(xué)（molecular neurobiology）,發(fā)育神經(jīng)生物學(xué)（developmental neurobiology）,比較神經(jīng)生物學(xué)（comparative neurobiology）,系統(tǒng)神經(jīng)生物學(xué)（systematic neurobiology）,,9,人類對自身學(xué)習(xí)記憶思維等能力的探索了解腦是怎樣工作對整個(gè)生物科學(xué)的激勵作用對唯心主義哲學(xué)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(xué)？,10,1.2 神經(jīng)生物學(xué)發(fā)展和展望,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,22,神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究19世紀(jì)80年代Cajal建立起神經(jīng)元理論 19世紀(jì)末和20世紀(jì)初，Sherrington關(guān)于 “反射”“突觸” 、“神經(jīng)傳遞”的概念20世紀(jì)20到50年代通過高倍電鏡對突觸結(jié)構(gòu)細(xì)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(jì)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(jì)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(xué)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(xì)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(xué)遞質(zhì)研究1905年Eliot發(fā)現(xiàn)電脈沖到達(dá)肌肉

8、連結(jié)點(diǎn)時(shí)釋放了腎上腺素 1921年Loewi的蛙心實(shí)驗(yàn)，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(xué)物質(zhì)1932年前后，Dale的系列的實(shí)驗(yàn)，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(jì)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(rèn)為抑制過程同興奮過程同等重要Pavlov在20世紀(jì)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(jì)有學(xué)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(jì)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(jì)40年代Sperry開始

10、用貓和猴子做實(shí)驗(yàn)，切斷大腦兩半球間的連接，進(jìn)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(xué)運(yùn)算及邏輯語言等各項(xiàng)重要機(jī)能外，還可以在關(guān)系很遠(yuǎn)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(shí)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(yùn)藏著很大的潛力。,38,19世紀(jì)70年代Caton對兔、貓以及猴的實(shí)驗(yàn)表明大腦普遍存在著電的變化 20世紀(jì)開始作腦電記錄，Berger發(fā)現(xiàn)有心理活動時(shí)（如注意等）腦電波發(fā)生變化20世紀(jì)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(biāo),39,5. 神經(jīng)系統(tǒng)感知研究 20世紀(jì)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(xué)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(xué)說”,,,,,,,,,形態(tài),1906,,,,,1952,1932,?“突觸”定名?“反射”概念?“交互

13、”抑制,,反射學(xué)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(yùn)動機(jī)制,,E.D.Adrian (英),,,,電生理,O.Loewi (德 英),1961,1873,,,,,,1936,,?蛙心灌流實(shí)驗(yàn)?“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(xué),,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(xué)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(xué)進(jìn)展2001，32：187,神經(jīng)藥理學(xué),分子藥理學(xué),,百年來與神經(jīng)科學(xué)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(xì)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(xué)說?數(shù)學(xué)方程表述,,,? NM終板電位?遞質(zhì)“量子釋放”,,1911,動作電位機(jī)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(xué),,,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(gè)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(xué)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(xué) 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(xué)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(xué)報(bào)》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(xué)雜志》 1998年創(chuàng)刊 (上海二軍大) 《中國疼痛醫(yī)學(xué)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(xué)綱要》 1993年 北醫(yī)大韓濟(jì)生主編 (156萬字) 《神經(jīng)科學(xué)原理》 1999年 北醫(yī)大韓濟(jì)生主編 (200萬字),1.3 特點(diǎn)：,（1）神經(jīng)生物學(xué)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(xué)科從不同側(cè)面介入其中，日益迅速地把

22、研究推向了細(xì)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(jī)制的分析，從現(xiàn)象深入到機(jī)制是現(xiàn)代自然科學(xué)發(fā)展的共同特點(diǎn)，神經(jīng)生物學(xué)可以說是其縮影。,,（2）作為一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，神經(jīng)生物學(xué)研究的進(jìn)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(jì)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(rèn)識出現(xiàn)了革命性的變化。免疫組織化

23、學(xué)方法的應(yīng)用，使對神經(jīng)遞質(zhì)的研究與形態(tài)學(xué)研究有機(jī)地結(jié)合起來。,,膜片鉗位技術(shù)在20世紀(jì)70年代末的發(fā)明和發(fā)展，大大促進(jìn)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)上。分子遺傳學(xué)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(rèn)識活體腦的活動及分析其機(jī)制，提供了前所

24、未有的有力工具。,,（3）從神經(jīng)生物學(xué)的發(fā)展史中，找到合適的實(shí)驗(yàn)標(biāo)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(biāo)本功不可沒；對突觸傳遞過程的了解，神經(jīng)-肌肉接頭標(biāo)本所提供的信息，則甚于其他任何標(biāo)本。近年來，對腦的高級功能—學(xué)習(xí)和記憶的基本機(jī)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(xué)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(yùn)至胞體，然后用組織化學(xué)方法顯示。或經(jīng)胞體攝入，順向運(yùn)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(diǎn)是可作雙標(biāo)或多標(biāo)。如核黃標(biāo)記胞核，固藍(lán)或熒光金標(biāo)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(yùn)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(xué)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(xì)胞內(nèi)的mRNA，標(biāo)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(xì)胞組織，用于神經(jīng)遞質(zhì)、受體和轉(zhuǎn)運(yùn)體的定位；神經(jīng)元結(jié)構(gòu)的三維重建；活的神經(jīng)細(xì)胞的動態(tài)變化；也可對活細(xì)胞進(jìn)行連續(xù)掃描，顯示細(xì)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(xué)方法,1. 行為學(xué)方法 行為學(xué)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(xué)家巴甫洛夫于20世紀(jì)初提出的。條件反射是動物個(gè)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(jì)50年代電壓電極、電流電極反饋放大器 (feedback amplifer)結(jié)合藥理學(xué)方法,(三) 電生理學(xué)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(shí)間長短不一，但都有恒定的電導(dǎo)值。,,,(四)生物化學(xué)方法,1. 放射免疫法(radioimmunoassay, RIA) 用抗原－抗體反應(yīng)原理，將抗原標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)曲線對照計(jì)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(xué)方法,1. 基因分子克隆及表達(dá) 人類染色體大約有3×109堿基和5-10萬個(gè)基因。基因克隆是特定基因從基因組中分離出來在

32、細(xì)菌中擴(kuò)增的過程?？寺』蚰康氖谦@得大量的純DNA分子。 2. PCR PCR是一種酶促化學(xué)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(kuò)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(kuò)增細(xì)胞基因組中一個(gè)特定的DNA片段達(dá)數(shù)百萬至數(shù)千萬倍。,3. 轉(zhuǎn)基因(Transfers gene) 根據(jù)遺傳學(xué)原理,在體外合成含有突變序列的DNA片段,植入細(xì)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(xiàng)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(gè)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(xué)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(gè)的生命信息集成在一塊芯片上，進(jìn)行各種與生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)相關(guān)的生物化學(xué)反應(yīng)，對基因、蛋白、活體細(xì)胞及組織等進(jìn)行分析和檢測。,(六) 腦成像技術(shù),計(jì)算機(jī)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(xué)（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(xué)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(yùn)動系統(tǒng) 第十四章 軀體運(yùn)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