脑科学进展及相关应用(2002)

济南教育学院学报 2002年第4期

脑科学进展及相关应用

邵洪琪　孙方霞

摘　要　综述中枢神经生理学研究的若干进展,分析了中枢神经生理学研究的某些成果在社会生活中的应用情况。

关键词　脑科学　进展　应用　素质教育

脑科学原本属于中枢神经生理学范畴,是研究中枢神经系统中包括大脑、丘脑、下丘脑、脑干、小脑等部位的功能原理的科学。但由于脑结构和功能的复杂性以及人脑对人类行为调控的广泛性,目前已经有多种学科渗透到脑科学的研究领域,如计算机科学、心理学、教育学、分子生物学、生物化学等,事实上脑科学已经成为多学科相互交叉的综合学科。

不久前,中国科学院科技政策局组织专家对未来生物学进行预测时认为:21世纪内,以脑科学为核心内容的神经生物学将取代传统的分子生物学成为未来生物学发展的下一个高峰。

脑科学之所以受到科学界的高度重视,这是因为其研究内容和成果与人类社会生活密切相关。脑科学所涉及到的很多问题,都成为当今的热点。例如,有关学习和记忆的本质过程;精神活动的物质基础;精神药物;吸毒与戒毒原理;疼痛与抗痛原理;促智药物;植物人与脑死;睡眠与梦;以及神经网络计算机、植入人脑的生物芯片、神经系统疾病的治疗性克隆等问题,都引起人们的高度关注。

尤其值得强调的是,近年来不少教育工作者把脑科学的研究成果应用在素质教育的实践中,遵循人脑的生理活动规律,改善教育方法,挖掘学生大脑潜力,以利于培养出大量的、适合社会各种不同需要特点的高素质人才。

本文简要综述以下问题:

一、长时记忆形成的物质基础

随着分子神经生物学的发展,近年对长时记忆形成的物质基础有了进一步的认识。通过实验发现,长时记忆的形成与细胞内转录因子(CRE B)有关。CRE B是细胞核内的一种小分子量蛋白质,由326个氨基酸残基组成。指导CRE B合成的DNA已克隆化,DNA序列为1023个核苷酸。CRE B被激活后,调节基因转录,形成长时记忆所需之特殊蛋白质分子。这一过程的生物化学环节是:当学习过程中神经信息传入时,兴奋性氨基酸通过N-甲基-天冬氨酸(NM DA)受体激活,在突触后引发环状磷酸腺苷(cAMP)的大量生成,由cAMP引起蛋白激酶A的激活,它的两个调节亚单位和两个催化亚单位分离,后者进入细胞核内激活转录因子CRE B,从而在细胞核内调节基因转录,形成参与记忆的蛋白质分子[1]。这个学说,在解释长时记忆形成原理方面前进了一大步。当然,要彻底明确长时记忆形成的问题,还有大量的工作要做。

二、参与记忆形成的脑结构

关于参与记忆形成的脑部位,除了以往明确的大脑皮层外,近年来认识到小脑、海马、杏仁体等部位均参与记忆痕迹的形成[2],其中尤其是海马的作用引人注目。无论是临床观察,以及

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损毁海马后对学习和记忆的影响,还是从学习和记忆时海马电图、单位神经元电活动和场电位(突触后电位总和)的学习相关性变化,以及海马参与学习和记忆的神经递质、神经肽的学习相关性变化来看,无不说明,海马在学习和记忆上具有重要作用[3]。

三、巴甫洛夫学说的新进展

巴甫洛夫是探索脑神经活动规律的伟大先驱者,但限于历史条件,巴氏的某些学说在当时不能被证明。近年,由于实验条件的进步,巴氏的某些学说有了长足的发展。例如,巴氏提出的有关神经接通的机制在当时只是一个框架式的设想,而现在完全能够从神经环路水平、细胞水平、突触水平乃至分子水平(包括基因水平)进行解释。大量实验资料表明,神经元树突和突触亚微结构参数都有经验依赖性的可塑性变化[4]。研究表明,大脑皮层和小脑皮层都是经验依赖性的敏感部位,当神经通路经常重复活动时,神经元内某些基因活动被启动,从而表达出新的蛋白质,而改变神经元突触的蛋白质组成,对突触微细结构起修饰作用,这样必然影响到突触传递功能。以上说明中枢神经元与突触结构的可塑性是神经接通机制的结构基础[5]。有人进一步发现,学习和经验积累可以激发特定的基因(如原癌基因c-fos),使其转录后的信使核糖核酸(mRNA)和翻译后的蛋白质产物快速增加[6]。当然,巴氏学说中仍有许多环节尚未阐明,有待进一步深入研究。

四、关于神经节苷脂

继“人类基因组计划”后,以神经信息学为核心的“人类脑计划”又成为国际间协作的一大科学研究计划。有关神经节苷脂的研究便是其中的重要课题之一。我国加入“人类脑计划”后,继美国、意大利之后,成为世界上第三个成功提取神经节苷脂的国家,使我国的脑科学研究达到国际领先水平[7]。

神经节苷脂是神经细胞膜的天然成分,中国科学院上海生理研究所从哺乳动物的大脑中成功提取了该物质。神经节苷脂在人的大脑中约占总重的011%左右,分子量平均1800,其含量的高低直接影响到神经生长、修复和再生。

神经节苷脂参与记忆的形成过程。其原理在于影响突触的可塑性变化[8]。当突触开始发生信息传递作用时,未稳定的突触膜上呈非组织化状态的神经节苷脂可发生分子构型的变化,引起一系列反应,如突触前后膜离子通道、受体分子的变化等。短时记忆的形成主要与活性依赖性神经节苷脂分子构象的变化及有关功能性突触蛋白(受体蛋白、离子通道、离子泵)的相应变化有关;而长时记忆的形成则是在接受反复刺激之后,形成突触膜的分子反馈,从而激活效应基因和调节基因,再合成某些化学物质,增强功能性蛋白(离子通道、受体蛋白)的功能,使不稳定突触转变为稳定的功能性突触。由此可见,神经节苷脂在突触的可塑性变化中起重要作用[9]。

神经节苷脂目前主要应用在以下方面:11促进神经细胞及大脑的发育;21修复损伤的神经组织,防治脑中风;31增强大脑记忆功能;41延缓神经细胞的衰老、防止老年痴呆、脑萎缩等[10]。

五、关于儿童多动症及学习困难

对于发生在儿童时期具有持续性的、明显的注意力不集中和活动过度的行为障碍,早在1962年世界小儿神经精神病学家牛津会议上,即将该情况定名为“脑功能轻微失调(M BD)”。但此后的实践提醒人们,不应过早地给这些孩子带上疾病的帽子,否则可能给其一生造成严重负面影响。为此,当前美国已决定对此加以修正,把这组症状诊断为“注意力缺损障碍(AD2 DH)”;而我国的有关专家则建议将此称为“学习困难综合症”或“注意力障碍”[11]。目前已证实该症状与下列因素有关[12]:11遗传:调查发现,单卵双生子同病率明显高于双卵双生子;21