生命的奥秘6 操控大脑

神经元膜内外存在不同离 子的浓度差异，它是由离 子泵建立和维持的。这一 过程需要消耗大量能量 （分解ATP）。静息时细 胞内高钾低钠钙，胞外则 相反。
用能斯特方程计算细胞内外电位势？
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细胞内的钾离 子浓度很高. 横跨 细胞膜的钾离子 通道可以自由地 让钾离子流出细 胞
这种钾离子流
会在很短的一 瞬间停下来, 为什么呢?
31来自百度文库
连结组学（connectomics）
试图去了解大脑的神经细胞 之间的突出联系。
了解回路上信息流，进而了 解大脑是如何感知和思考的。
如果每个神经元平均有1000 个突触小体，那么含有1000 个神经元的大脑回路将可能 达到1014
胞体
树突 轴索
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小鼠大脑皮层中4个独立 的视觉区域间的联系
一个标出了发源于小鼠 大脑皮层不同部位的联 结的小鼠大脑俯视图
树突
轴索
髓鞘 轴突
胞体
树突
突触小体
突触 小体
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静息膜电位
产生的基本因素： ①细胞内外离子分布的不平衡， ②膜上离子通道关闭和开放对离 子产生不同的通透性， ③生电性钠泵的作用，即钠钾泵。
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电压变化的测量
神经冲动是指沿神经
纤维传导着的兴奋。 是膜的去极化过程, 在神经纤维上的传播, 即动作电位的传导。
小鼠包含超过 1600个神经元 片段、大约 1700个突触。
1mm3大脑皮层
中切片，采用
扫描电子显微
镜成像。重建
组织片段，给
每一个细胞分
配一个特定的
颜色，并进行
跟踪。
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2.神经元回路
在细胞水平上描绘神经 细胞之间的联系
使用荧光蛋白 GFP：绿色荧光蛋白 YFP：黄色荧光蛋白
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神经元之间的联系
内锥体细胞层、多形细胞层。 7
大脑皮质六层结构
皮质结构
分子层 外颗粒层 外锥体细胞层 内颗粒层 内锥体细胞层 多形细胞层
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神经元的结构和种类
按神经元形态分5类： 1. 锥体细胞、 2. 普肯野神经元， 3. 双极中间神经元 4. 多级中间神经元 5. 感觉神经元
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重建小鼠大脑皮层
两个相邻神经元（绿色，蓝色）的高 分辨率图像。黄色：突触。
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钠/钾ATP酶(Na+/K+ -ATPase）
低亲和Na+ 结 高亲和K+ 结
合点
合点
高亲和Na+ 低亲和K+
结合点
结合点
ATP 对天冬氨 酸的磷酸化
构象变化， Na+外流
释放Na+ 结合K+
水解天冬 氨酰磷酸
构象变化， K+内流
K+释放
据估计钠钾泵消耗的能量约占大脑总ATP消耗量的70%。 16
延伸阅读: 窦性心律
巴西女医生维尔吉尼娅·苏亚雷 斯·德索萨谋杀300多名重症病 人
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加利福尼亚州圣金廷州立监狱的注射死刑执行室
无髓鞘的轴突动作电位
静息电位 去极化 复极化
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有髓鞘的轴突动作电位
请解释下图电位形 成和变化的原因？
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电压门控钠离子通道
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神经冲动的传递
树突 轴突
突触 间隙
横跨细胞膜的电场 阻止钾离子外流.
R=8.314 J/(K.mol),
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F=96485 J/(V.mol), 0K=-273.15℃
19
-40
20
21
注射死刑： 硫喷妥钠 中枢麻醉， 巴夫龙(泮库溴铵） 类似箭 毒阻断神经传递（结合 肌肉乙酰胆碱受体）， 氯化钾 心跳停止。
静息电位对于维持 神经元及心肌细胞 的电兴奋性的基础。
动作电位是指可兴奋细胞受到刺
激时在静息电位的基础上产生的可扩布
的电位变化过程。
离
子
离子 通道 关闭
离子 通道 开启
电压门控离子通道
膜电位 （毫伏）
动作 电位
静息 电位
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离子通道（ion channel)：打开时，只允许特定离子通过，如 钾通道(只允许钾离子通过）,钠通道（只允许钠离子通过），钙 通道等。打开时让离子从高浓度流向低浓度，不需能量。 静息时，只有K通道处于开放， 此时的电位为K离子平衡电位， 大约为-80mV。 实际静息电位为-65mV，原因是 还有少量的Na+持续漏入细胞。
通过1-10万个突 触/神经元，彼此联系。
细胞体：灰质 神经纤维：白质
神经元的结构图
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大脑皮质
大脑半球表面的灰质。 按系统进化发生分为三种： 1）旧皮质：嗅球 2）原皮质：包括海马和齿状回 二者发生上较古老，神经元排列成3层
3）新皮质：占据大脑皮质的绝大部分 新皮质分6层： 分子层、外颗粒层、外锥体细胞层、内颗粒层、
突触小体
髓鞘
含神经递质 的囊泡
神经递质
受体
突触后膜
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神经递质合成、运输和贮存 钙离子内流引起的胞吐
活性肽神 经递质
突触小泡
分泌颗粒
钙离 子通 道蛋 白
胞吐 作用 的膜 塌陷 坑
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化学突触传递动作电位
神经递质的合成，包装进入到囊泡。动作电位到达突触，电位势变化使突触前 膜钙离子通道开放，钙离子内流入突触。钙离子浓度变化诱发囊泡发生胞吐 作用，分泌神经递质到突触间隙。神经递质结合到突触后膜配体门控离子通 道，特异离子进入突触后膜，产生突触后膜电位。多个突触后电位进行整合 ，当电位突破阈值，形成动作电位。突触间隙多余神经递质被内吞或相关酶 降解，等待下一次信号传递。
配体门控离子通道
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突触整合的原理
1、兴奋性突触后电位（EPSP）的整合(summation) 空间整合， 树突上的不同突触处的叠加。 时间整合, 同一个突触上不同时间内的叠加。
时间整合
空间整合
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纯化结晶的肉毒毒素1mg能杀死2亿 只小鼠 ,人致死量1微克
肉毒素作用于胆碱能运动神经的末梢，以
纯1m化g能结杀晶死的2肉某碱亿毒种从只方运毒小式动素鼠拮神,抗经钙末离梢子的的释作放用，干扰乙酰胆 人致死量1微克
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1.人大脑解剖结构
人脑项目(Human Brain Project) 欧盟2013年1月,10年将 耗资10亿欧元,
“大脑活动图谱计 划”(Brain Activity Map Project，或称 Brain Initiative)美国 2013年4月, 38亿美元
脑的进化
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人大脑 神经元：1000亿
生命的奥秘
A Journey into Life
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操控大脑
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内容
一、解析大脑
1. 人大脑解剖结构 2. 神经元回路 3. 绝地武士的光剑
二、盗梦空间 1.心意的解读 2.心灵的捕手
三、 人工大脑 1.神经元的动作电位 2.神经网络 3.人脸和声音的识别
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一、解析大脑
1. 人大脑解剖结构 2. 神经元回路 3. 绝地武士的光剑