脑科学综述

脑科学综述2008-03-03 12:1920世际，神经科学和信息科学相结合在脑研究方面取得了举世注目的重大成就，有人称为脑研究的世际。100年来脑研究的内容十分丰富，但概括起来主要阐明了2大学说，10大成果。

一、 二大学说

1、神经元学说（Neuron docrine） 20世纪初，科学家Cajal首先提出了神经元学说，认为神经元是神经系统最基本的结构和功能单位。经过大量的研究充分证实了神经元学说的正确性，为神经科学的研究和发展奠定了结构基础。这是20世际脑研究成果中最重要的成就之一。

2、膜离子通道学说（Ion channel） 50年代初,Hodgkin 和Huxley用电压箝技术首次发现神经元的兴奋在延神经干传导过程中，存在着明显的电活动现象，从而提出了离子通道理论。1984年,Nodgkin克隆出钠离子通道的分子结构,并用膜片钳技术测到了离子通道的电流,从而证实了离子通道的正确性,为神经科学发展奠定了生理学基础。

二、 十大成果

1、 神经活性物质与受体 1921年Lowewi通过蛙心离体灌流发现第一个神经递质是乙酰胆碱。此后递质、调质和受体研究取得了迅速的发展。吗啡类受体为脑啡呔、内啡呔和强啡呔等及其相应的受体，单胺类递质有肾上腺素、多巴胺、5-羟色胺等及相应受体，氨基酸类递质有谷氨酸、甘氨酸、门冬氨酸和羟基丁酸钠等及相应受体，其中有一些受体还具有许多亚型。神经递质与受体的研究明显的促进了神经药理学的研究进展，一批激动剂和抑制剂已成为重要的治疗药物。并已确定一些神经递质在脑内有特定的神经核团及其纤维投射系统。其中神经系统逆信使一氧化氮（NO）的发现获1998年诺贝尔医学生理学奖。
2、 电生理学 1929年Berger首次在人头皮上记录到脑电活动，Braxier用叠加法记录到体感诱发电位,以及脑电图等,为研究不同功能状态下脑电活动规律奠定了基础。此外微电极和膜片钳技术被用于研究以来, Eccles先次发现兴奋性和抑制性突触后电位,此后单神经细胞单离子通道的应用在神经生理学中得到了广泛的应用，这对阐明神经系统兴奋的本质有重要意义。
3、 神经营养因子 1951年Lei-Montacin发现神经生长因子（NGF），此后相继发现各类神经营养因子，如脑源性神经营养因子（BDNF）、胶质细胞源性神经营养因子（GDNF）和神经营养因子3（NT-3）等及其相应的作用机理。这些因子对在神经元存活、再生及发育方面有重要作用。
4、 脑超微结构 1955年，Palay应用电子显微镜和脑超薄片技术，获得了突触超微结构图像，为神经元学说和神经合胞体网假说的争论提供了有力的证据，从此开拓了脑超微结构的视野。然后

Gray 根据突触膜和囊泡的形态，将突触分为兴奋性突触（EP）和抑制性突触（IP）二大类，为EPSP和IPSP提供了形态学依据。Nauta发明的神经末梢溃变染色法和辣根过氧化酶（HRP）染色法和荧光染色法，为阐明各核团神经元之间的复杂的纤维联和调控通路产生了重要的作用。
5、 神经网络 40年代初，Pitts首先用数学模型模似神经元突触权重整合及神经元的阈值特征拉开了人工神经网络研究的序幕。40年代末，Hebb研究表明学习可以改变突触的联接权重，提出了神经网络学习定律。60 年代用分层人工神经网络模拟人的认知与学习功能。70年代并行分布式人工神经网络及误差回传算法。80年代研究成功全联结式的联想记忆神经网络。90年代在全世界大多数国家定为"脑的十年"，有些国家如美国、日本提供大量的研究经费支持神经科学的研究。近年来神经科学家、信息学家和计算机科学家相结合，为揭开脑思维的本质开拓了新途径。
6、信号传导理论 60年代中期，Sutherland首先发现了cAMP，提出了第二信使的概念。随后cGMP、G蛋白和Ca2+相继被发现及其在信息传过程中的作用。之后又发现早期即刻反应基因（c-fos,c-jun等）和相应的表达蛋白与其它迟效应基因的起始位点相结合，进一步引发瀑布样效应基因的表达。从而形成了完整的信号传导系统理论，所谓信号转导系统是指将神经细胞膜上受体与配基相结合，经过胞浆中系列传递分析过程，将信息转导到细胞核并启动早期即刻反应基因表达，从而产生不同的生理
学效应。这一理论对阐明神经元内部的对胞外信传递、分析和加工，最终生产生理学效应有重要作用。
7、神经系统发育调控基因 Gehring于1987年发现果蝇神经系统发育基因同源盒(Homeoboxes)基因以来,许多重要的神经系统发育基因陆续被发现。现已证实,动物神经系统的发育过程是一个级联式基因调控过程。在不同阶段,某些基因决定脑不同部位的形态形成与发育。神经系统发育基因的发现使神经系统发育方面的研究从细胞学水平提高到分子生物水平。
8、视觉生理学 Hartline首先证实了脊椎动物视网膜感光细胞超极化机理。特别是Huber和Wiesel发现了视觉皮层功能柱，阐明了色觉的化学机制和不同信息通道。视觉生理是脑科学中研究得比较清楚的部分，尤其是证实了大脑皮层的功能构筑不是以层划分而是以垂直方式的功能柱来划分的，为研究大脑机能的组织定位开辟了基础。
9、学习记忆 巴甫洛夫于本20世际初，首先发现和证实了条件反射。Kaada发现海马的记忆功能。Kliss于70年代初发现并证实通过学习可以改变突触联系

的强度，且维持较长的时间，并记录到海马突触的长时程增强效应（LTP）。目前普遍认为LTP是突触可塑性的表现，是长时程记忆的生理学基础，证实cAMP 、PKC、环-磷酸腺甘反应原件结合蛋白（CREB）信号通路对LTP的形成的重要作用。近年来，应用PET和fMRI测定学习记忆和语言思维过程中的脑功能定位成像，发现了运动视觉、短期记忆、词义记忆、恐惧以及与注意功能等有关的脑区，为进一步阐明脑功能活动奠定了基础。
10、神经系统疾病基因 在人类基因组计划实施中，许多神经系统疾病基因的定位也取得了很大的进展。其中舞蹈病的基因定位于4号染色体短臂上，病人CAG三核苷酸重复系列比正常人明显延长；脊髓小脑共济失调症、Machado病、强直性肌营养不良症和齿状核红核脑桥丘脑底核萎缩症等都是在一些特定致病位点上CAG重复序列延长。正常中国人CAG得复序列长度为14-40，而Machado病人可增大至72-86。这一成果为单基因神经遗传的分子生物学诊断与治疗开辟了新治疗途径。