大脑的奥秘2011

基因与环境共同调控神经回路的发育
环境因素
神经元
遗传
神经突触
增殖、分化、迁移、突触形成
神经回路的构建
一、大脑的基本形态和结构
二、神经回路的构建和神经可塑性
三、脑高级功能障碍 四、神经生物学研究手段和方法
Psychiatric disorders
depression
autism
Attention deficit hyperactivity disorder
破伤风毒素
从而不可逆地抑制突触传递
神经肌肉接头
信息传导
神经回路是联结微观和宏观的关键环节
分子/细胞
分子 细胞
神经回路
回路
神经元之间的联系 特定功能区域之间的连接
脑的功能
ห้องสมุดไป่ตู้
一、大脑的基本形态和结构
二、神经回路的构建和神经可塑性
三、脑高级功能障碍 四、神经生物学研究手段和方法
基因规划神经回路构建
schizophrenia
addiction
Psychiatric disorders
精神疾病患者的脑结构和功能的改变
Depression Schizophrenia Addiction Autism
海马体积减小，脑室扩大，前额叶萎缩、
神经纤维连接异常、脑特定功能区域异常抑制/激活等
神经回路构建与脑高级功能障碍
古希腊哲人希波克拉底
大脑的奥秘
神经生物学回答的问题
• 行为和脑复杂功能的活动基础：神经细胞活动 • 神经元信号产生的细胞和分子机制 • 神经回路是如何发育而成的，如何为经验所修饰、 如何在损伤后修复自身
一、大脑的基本形态和结构
二、神经回路的构建和神经可塑性
三、脑高级功能障碍 四、神经生物学研究手段和方法
大脑是人体的指挥部
基本生命活动：呼吸、心跳、睡眠、感觉、运动等
高级功能：学习、记忆、思维、推理、情感等
大脑的形态结构及分区（功能定位）
E
大脑的形态结构及分区（功能定位）
大脑病理结合行为的研究方法：
电刺激研究方法： 小人图
电生理
无创脑功能成像 行为结合神经元活动
人脑是进化的产物
深浅不一的沟，沟之间的隆起为回
神经系统的基本功能之一：感知环境、作出反应
大脑的基本结构和组成单位
白质和灰质
神经元和神经胶质细胞
大脑的基本结构和组成单位
与妻子的“约法清单”如： 如果我不跟你说话，你不许跟我说话； 你把饭送进我的房间后，必须马上出去； 你要为我洗熨衣服，但不能据此要求我对你温柔，如此 等等。 自闭症？爱因斯坦从小话很少。但对音乐的兴趣却超乎寻常。 子女们也非常有成就，教授、物理学家、医生等，但是二儿子患有精神分裂症
Phineas P. Gage 是十九世纪中期美国 Cavendish 的一个铁路小工 头，1848 年 9 月 14 号的一次爆破事故改变了他的人生，也揭开了现代神经生物 学的篇章。
上帝的实验-Gage的人生悲剧
Phineas P. Gage ：铁路小工头，在爆炸事故中受伤
事故两小时后就清醒过来，意识清晰，没有感到很大的痛苦。 左眼视力损伤，没有瘫痪，没有丧失任何一种感觉能力，语言，思考能力都正常 个性却出现了严重的改变 机敏干练，头脑清晰，做事果决，受人尊重的人--个性剧变，完全没有社会观念， 不能对事情进行规划，情绪反应异常，也无法做出对自己有益的决定，并在十三 年后，在凄凉中去世
兴奋抵达轴突终末时钙离子通道开放ca内流神经递质释放snaresolublenethylmaleimidesensitiveattachmentproteinreceptor学说囊泡融合需要vsnare与tsnare相互识别和结合vampssyntaxinsnap25等破伤风毒素肉毒毒素金属蛋白酶可被特异性降解从而不可逆地抑制突触传递细胞神经回路是联结微观和宏观的关键环节神经回路是联结微观和宏观的关键环节分子分子细胞神经回路脑的功能神经元之间的联系特定功能区域之间的连接回路体轴决定与模式形成从出生到青春期神经回路在不断的调整之中shawetalnaturekimetal2002natrevneurosci
多巴胺能系统：精神、奖赏、药物成瘾、运动
乙酰胆碱能系统：唤醒、睡眠觉醒
Questions
智力高低是天生的吗？基因与环境相互作用 学习记忆的生物学基础？神经元再生和神经可塑性 人们的喜怒哀乐是纯粹的心理活动吗？神经递质
为什么有的精神疾病如孤独症患者具有某些特殊的天分？
神经回路异常？
科学问题
环境
基 因
认知
幻视、幻听
妄想
Decision-making
抉择是至关重要的生存能力之一，无论是高等动物如灵长类，还是低等至 昆虫甚至软体动物，每日的生活，以至于积累数百世代的进化，都是抉择的结果。
抉择行为同样可以分为许多层次，从蜜蜂对花朵的选择到我们对生活事业的取舍都
属于抉择
十字路口
左右为难
进退维谷
上帝的实验-Gage的人生悲剧
神经原纤维 神经细胞
胶质细胞核
树突 神经纤维
大脑的基本结构和组成单位
Cajal是20世纪初期最伟大的神经生物学家之一,在Cajal 的一生中,他不但建立了神经元学说,还提出了动态极化原理 和连接特异性原理,并且对神经中枢的组件式筑构学、形成 神经元形状的决定因素及神经胶质细胞、神经营养因子、间 质细胞的认识都作出了划时代的贡献.《人和脊椎动物的神 经系统解剖学》、《神经系统的损伤和再生》
颞叶、杏仁核、下丘脑与攻击行为、恐惧
杏仁核毁损：猴王
对恐惧的降低 口倾向
大鼠、猫、猴子、人
脑内弥散性调制系统与行为
Feeling、emotion
情绪理论：情绪体验和生理反应
生理理论、中枢神经系统理论、认知理论、多水平理论
去甲肾上腺素能系统： 学习记忆、焦虑情绪、唤醒和睡眠-觉醒 5-羟色胺能系统：睡眠-觉醒、情绪
生命的奥秘
之第四讲－大脑的奥秘
大脑的奥秘
智力高低是天生的吗？
学习记忆的生物学基础？
人们的喜怒哀乐是纯粹的心理活动吗？ 为什么有的精神疾病 如孤独症、精神分裂症患者具有某些 特殊的天分？
梵高
John Nash
文森特· 梵高
1853年3月30日生于荷兰津德尔特，1890年7月29日在法国瓦兹河畔 因患精神病自杀身亡。早年经商，后热衷于宗教，1880年以后开始 学习绘画。（10年绘画，过人的天分） 他最初的作品，情调常是低沉的，可是后来，他大量的作品即一变低 沉而为响亮和明朗，以表达他强烈的理想和希望。 梵高一生为人敏感而易怒，聪敏过人，在生前他在许多事情 上很少取得成功。其个人生活不幸而且艰辛 研究人员在对梵高的画作进行数学分析后发现，其中多幅作品中光与影的 模式，与流体力学中的漩涡，或喷气发动机喷出的气流，有着惊人的相似 之处。 在梵高的许多画作中，都能找到湍流经典 数学模型的影子。湍流问题曾被称为“经 典物理学最后的疑团”。他的多幅作品竟 然诠释了深奥的流体力学现象
神 经 回 路 的 异 常 特 征 及 其 机 理
遗传/表观遗传
神经生物学研究手段和方法
分子、细胞、组织、个体层次的研究 在体、离体研究 神经电生理、行为分析等
神经生物学研究手段和方法
基因工程小鼠
短耳：BMP5
矮小：pit1
多趾：gli3
短尾：t－box转录因子
裸鼠：Foxn1
小眼：pax6
神经回路发育
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神经回路异常
高 级 功 能 障 碍
神经回路的发育进程
一、大脑的基本形态和结构
二、神经回路的构建和神经可塑性
三、脑高级功能障碍 四、神经生物学研究手段和方法
疾病行为及药物疗效
神经回路发育/ 疾病生物学标志
环 境
突触发育/可塑性
基 因 与 环 境 调 控 神 经 回 路 的 构 建
在随后的 150 年里，总共有超过 500 页的科学论文报道了对 Gage 的研究
Phineas Gage 的脑损伤和行为异常
Gage 大脑的腹中侧额叶受到了损伤， 其部位包含了左右两侧的前额叶部分 Phineas P. Gage 遭受了无限的痛苦，但是他的幸存却为神经科学家们提供了 一个千载难逢的机会，来研究额叶对于塑造个性和提供计划执行能力的作用。这 个堪称“上帝的实验”推动了人们对于脑的高级功能的认识。 Gage 去世后第 6 年，其头骨和那根铁杵被 从坟墓中取出，安置到了哈佛医学院 Warren Medical Museum 中 Gage成为神经生物学上几个不朽的病例之一，吸引着人们关注神经心理学这个领域
体轴决定与模式形成
基因规划神经回路构建
基因规划神经回路构建
0岁 8岁 16 岁
P. Shaw et al, Nature , 2006
从出生到青春期，神经回路在不断的调整之中
环境影响神经回路构建/可塑性
应激影响海马可塑性进而改变神经回路
Kim et al 2002, Nat.Rev.Neurosci.
麦田上的乌鸦
《美丽心灵》A Beautiful Mind-天才纳什的故事
１９９４年度的诺贝尔经济学奖获得者，美国普林斯顿大学数学系教授 对博弈论作出奠基性贡献 纳什在三十岁之前就已经成为数学界响当当的人物，可是却在三十岁之后得上了严 重的精神分裂症。这时学界开始出现了一大堆以纳什命名的术语，纳什均衡、纳什程 序、纳什谈判解、纳什嵌入等，可是这时的纳什已经从学界消失，所以引用他文章的 青年数学家、经济学家都以为他已经死了。他当然没有死，他只是得了精神分裂，整 天在普林斯顿闲逛，在黑板上写一些奇怪的符号，偶尔也会露一露天才的本相，或者 发布他收到的外星智慧发给他的最新密码。 由于纳什夫人的爱心的呵护，他的病情终于逐渐好转，最后于1994年获得诺贝尔奖。
大脑的奥秘
“Mind”“心智”还是“神智”
伤心、痛心、失心疯、心旷神怡
伤脑筋、头痛、绞尽脑汁、思考
（器官移植） 神经科学的终极目标： “脑的高级功能”、神经精神疾病机制
大脑的奥秘
“人们应当认识到：我们的愉悦、欢乐、笑声和诙谐都来（源）自 脑，而且仅仅来自脑；还有我们的忧愁、痛苦、流涕和哭泣（情绪）。特 别是，我们用脑来思考，看和听，用脑来辨别丑陋和美丽，善和恶，欢乐 与不快。 `正是脑，它使我们变得疯疯癫癫，语无伦次，使得我们恐惧和担 惊受怕。脑使我们失眠，发生不合时宜的错误，无端的焦虑，神志恍惚， 使我们行动诡僪。当脑处于病态,并且变得特别热、潮湿或干燥时，或者 是它遭遇到不相适应的非自然影响时，许多病痛便发生了，它们都来自于 脑。发疯是因为脑变潮湿，当脑变得异常潮湿时，它不得不移动一下，它 一移动，听和视都不安稳了；所以我们有时会听到或看到什么东西，而另 一些时候却听到或看到另一些东西，我们的舌头就讲出了听到和看到的东 西。当脑平静时，人又可正常地思维了。 从这个意义上我认为，脑在人体内具有最大的力量。”
Caspi et al, Science , 2003
抑郁症和精神分裂症首次发病平均年龄集中在20－25岁
从出生后到青春期 生活应激事件与成年后抑郁症发病率呈正相关
研究显示高级功能障碍与神经回路发育异常相关
Hatten et al. (2002). Science 297, 1660–1663 Kamiya et al. (2005). Nat. Cell Biol. 7, 1167–1178 Tsai et al. (2005). Neuron 46, 383–388 Nestler et al. (2002).Neuron 34, 13–25
神经胶质细胞比例较常人大？普林斯顿医院一名叫Thomas Stoltz Harvey的病理医生，私自取 下爱因斯坦的大脑保存，他希望未来神经科学界能够研究爱因斯坦的大脑，能发现是什么使得 爱因斯坦这么聪明。
大脑的基本结构和组成单位
Cajal用Golgi染色法染出了大量分离的、着 色完全的细胞，提出了神经元学说，这是cajal 作出的一个伟大贡献。
神经元的结构、分类和功能
接收信息、分析信息、感知信息并做出决定
神经突触
神经突触
神经递质：兴奋性、抑制型
离子通道
药物、毒素作用位点
神经递质释放的量子学说
• 神经递质并非以单个递质分子的形式释放的，而 是以“量子”的多分子包裹（囊泡）的形式释放 的
钙离子学说：兴奋抵达轴突终末时，钙离子通道开放，ca++内流，神经递质释放 SNARE（soluble N-ethylmaleimide-sensitive attachment protein receptor)学说 囊泡融合需要v-SNARE 与T-SNARE 相互识别和结合 VAMPs 可被 特异性降解 syntaxin/, SNAp-25等 肉毒毒素 金属蛋白酶