1、脑科学展望脑科学的定义脑科学的定义 脑科学又称神经科学（脑科学又称神经科学（Neuroscience)，其，其作为一门独立学科仅有作为一门独立学科仅有四十余四十余年的历史，年的历史，但它与但它与神经生理神经生理、神经解剖神经解剖、神经生物化神经生物化学学和和神经药理学神经药理学却有很久的渊源。却有很久的渊源。第一部分 脑研究历史脑科学开发脑开发脑开发人脑开发人脑 增强智能增强智能模拟人脑模拟人脑 机器人机器人保护脑保护脑寿命延长寿命延长 PD,AD,中风中风高速交通高速交通 颅脑颅脑,脊髓外伤脊髓外伤生活节奏生活节奏 焦虑焦虑,抑郁抑郁,精神病精神病生活质量生活质量 镇痛镇痛 祛痛祛痛社会开放
2、社会开放 吸毒问题吸毒问题认识脑认识脑分子分子 细胞细胞 网络网络 全脑全脑(离体研究离体研究)(无创在体研究无创在体研究)Patch（电）（电）EEG RIA(化学）化学）PET PCR(基因）基因）fMRI Confocal(形态）形态）行为变化行为变化一、认识脑一、认识脑神经生物学神经生物学：研究神经系统的结构与功能及其相互关系。：研究神经系统的结构与功能及其相互关系。是在分子、细胞、神经网络或回路、系统和整体水平上阐是在分子、细胞、神经网络或回路、系统和整体水平上阐明神经系统特别是脑的基本活动规律的科学。明神经系统特别是脑的基本活动规律的科学。百年诺贝尔奖回顾19061.1.神经元学说
3、创立神经元学说创立GolgiGolgi用镀银法染色，第一次在显微镜下用镀银法染色，第一次在显微镜下观察到了神经元和胶质细胞，观察到了神经元和胶质细胞，为研究神经为研究神经科学提供了最基本的组织学方法科学提供了最基本的组织学方法。卡哈尔卡哈尔(西班牙西班牙)R.Cajal(1852-1934)高尔基（意）高尔基（意）Golgi,Camillo(1843-1926)Cajal在掌握了在掌握了Golgi的方法后，建立了还的方法后，建立了还原硝酸银染色法，可以显示出神经元树原硝酸银染色法，可以显示出神经元树突，发现神经元之间没有原生质的联系，突，发现神经元之间没有原生质的联系，认为神经元是整个神经活动
4、的最基本单认为神经元是整个神经活动的最基本单位，位，从而使复杂的神经系统有了进一步从而使复杂的神经系统有了进一步研究的切入口研究的切入口。神经元神经元(neuron)与神经胶质细胞与神经胶质细胞(neuroglia)是构成神经系统的主要细是构成神经系统的主要细胞成分。胞成分。2.2.电信号变化电信号变化C.S.Sherrington 分析研究膝跳反射，认为分析研究膝跳反射，认为“反射反射”是神经系统基本的活动形式。是神经系统基本的活动形式。首先提出首先提出“突触突触”的概念；的概念；并指出脊髓中管理伸肌的运动神经元发生兴奋时，管并指出脊髓中管理伸肌的运动神经元发生兴奋时，管理屈肌的运动神经元必
5、然发生抑制。理屈肌的运动神经元必然发生抑制。由此，把神经系统的活动看作是有客观规律指导，而由此，把神经系统的活动看作是有客观规律指导，而不是神秘不可测的。不是神秘不可测的。谢灵顿（谢灵顿（英）英）.Sherrington（1857-1952）1932 艾德里安（英）艾德里安（英）Edgar Adrian（1889-1977）Edgar Adrian在单根神经纤维上记录到电活动，即神在单根神经纤维上记录到电活动，即神经冲动。经冲动。证明这些传人神经冲动可以到达大脑，引起脑电变化，证明这些传人神经冲动可以到达大脑，引起脑电变化，也可以通过中枢联系经传出神经支配肌肉收缩，从而也可以通过中枢联系经传出
6、神经支配肌肉收缩，从而把谢灵倾的反射学说具体化了。把谢灵倾的反射学说具体化了。把谢灵顿的生理学概念用电生理方法加以证实把谢灵顿的生理学概念用电生理方法加以证实霍奇金（英）霍奇金（英）Alan Hodgkin(1914-1998)赫胥利（英）赫胥利（英）Andrew Huxley(1917-2012)埃克尔斯（澳）埃克尔斯（澳）J.C.Eccles(1903-1997)J.C.Eccles师从谢灵顿从事反射活动的研究。师从谢灵顿从事反射活动的研究。记录到神经与肌肉接头处的记录到神经与肌肉接头处的终板电位终板电位；证明突触部位不仅有兴奋性递质，还有抑制性递质，证明突触部位不仅有兴奋性递质，还有抑制
7、性递质，证实了谢灵顿晚年强调的抑制性突触的存在。证实了谢灵顿晚年强调的抑制性突触的存在。196319363.3.神经化学递质的发现神经化学递质的发现Loewi 1921年年证明迷走神经兴奋时释放递质证明迷走神经兴奋时释放递质Ach的双蛙心实验的双蛙心实验 勒韦（德）勒韦（德）O.Loewi（1873-1961）戴尔（英）戴尔（英）H.H.Dale（1875-1968）Dale在证明副交感神经末梢能分泌出乙酰胆碱（在证明副交感神经末梢能分泌出乙酰胆碱（Ach)，而且，而且证明交感神经的节前纤维和运动神经的末梢也都能分泌证明交感神经的节前纤维和运动神经的末梢也都能分泌Ach。把神经化学研究方法与神
8、经生理研究结合起来，牢固地建立把神经化学研究方法与神经生理研究结合起来，牢固地建立了突触的化学传递学说。了突触的化学传递学说。前神经元前神经元后神经元后神经元神经末梢神经末梢N1N1交感交感神经神经副交感副交感 神经神经躯体运躯体运动神经动神经AChAChACh AChNE M1-5 N1胆碱能纤维胆碱能纤维少数节后纤维少数节后纤维胆碱能纤维胆碱能纤维胆碱能纤维胆碱能纤维大多数节后纤维大多数节后纤维 M1-5AChN2周围胆碱能纤维周围胆碱能纤维1970他们共同发现了神经递质及其储存、释放和激他们共同发现了神经递质及其储存、释放和激活的过程。活的过程。卡茨卡茨(英英)B.Katz（1911-）
9、奥伊勒奥伊勒(瑞典瑞典)U.Von Euler（1905-1983）阿克塞尔罗德阿克塞尔罗德(美美)J.Axelrod（1912-2004）B.Katz主要研究神经和肌肉功能，在神经肌肉主要研究神经和肌肉功能，在神经肌肉接头处发现了微终板电位，为接头处发现了微终板电位，为“量子释放量子释放”理理论打下基础论打下基础.N1交感交感神经神经NE N1少数节后纤维少数节后纤维胆碱能纤维胆碱能纤维 M1-5Euler发现去甲肾上腺素（发现去甲肾上腺素（NE）是交感神经系统的神经传递介质）是交感神经系统的神经传递介质Axelrod阐明了儿茶阐明了儿茶酚胺类神经递质的酚胺类神经递质的代谢过程，为治疗代谢过
10、程，为治疗高血压、帕金森氏高血压、帕金森氏病药物的研制开创病药物的研制开创了新途径。了新途径。19914.离子通道和信号转导离子通道和信号转导Neher和和Sakmann发现了细胞中单离子通道的活发现了细胞中单离子通道的活动态。动态。他们应用膜片钳技术，记录到了细胞膜上他们应用膜片钳技术，记录到了细胞膜上单个离子通道的电流量，证实了离子通道的改变，单个离子通道的电流量，证实了离子通道的改变，可影响细胞内、外离子浓度，从而调节细胞的功可影响细胞内、外离子浓度，从而调节细胞的功能。能。内尔（德）内尔（德）E.Neher(1944)伯特伯特萨克曼（德）萨克曼（德）B.Sakmann（1942-）pa
11、tch clamp recording technique 他们的研究首次表明气体他们的研究首次表明气体NO分子可以分子可以穿过细胞膜而发挥信使作用，穿过细胞膜而发挥信使作用，提出了生提出了生物信号传递的新理论物信号传递的新理论。1998NO作为信号传递分子作为信号传递分子伊格纳罗伊格纳罗(美美)L.J.Ignrro(1941)穆拉德穆拉德(美美)F.Murad(1936)弗奇戈特弗奇戈特(美美)R.F.Furchgott(1916)Carlsson发现了多巴胺（发现了多巴胺（DA）是脑内的一种神经递质，这）是脑内的一种神经递质，这种物质对于控制人类身体运动和精神活动具有非常重要的作种物质对于
12、控制人类身体运动和精神活动具有非常重要的作用，缺失该递质会导致类似帕金森氏病的症状。用，缺失该递质会导致类似帕金森氏病的症状。2000卡尔森卡尔森(瑞典瑞典)A.Carlsson(1922-)Kandel 发现细胞内蛋发现细胞内蛋白质的磷酸化可以加强白质的磷酸化可以加强突触传递效率突触传递效率，构成了，构成了短期记忆的基础；短期记忆的基础；多次强烈的突触传递活多次强烈的突触传递活动，可影响神经元内的动，可影响神经元内的蛋白质合成代谢，改变蛋白质合成代谢，改变突触的结构，形成长时突触的结构，形成长时程记忆的基础。程记忆的基础。坎德尔坎德尔(美）美）E.R.Kandel(1929-)5.感觉和知觉
13、感觉和知觉Gullstrand通过眼屈光度的研究，建立通过眼屈光度的研究，建立了了常用的眼睛光学模型常用的眼睛光学模型高尔斯特兰高尔斯特兰简化眼。简化眼。视觉视觉古尔斯特兰德古尔斯特兰德(瑞典瑞典)A.Gullstrand(1862-1930)1911Wald从事视觉升华的研究，包括对遗传从事视觉升华的研究，包括对遗传性色盲的生化机制性色盲的生化机制哈特兰哈特兰(美）美）H.K.Hartline（1903-1983）沃尔德沃尔德(美美)G.Wald（1906-1997）格兰尼特（瑞典格兰尼特（瑞典)R.A.Granit（1900-1991）1967Granit从事视网膜电生理的研究从事视网膜电
14、生理的研究Hartline用电生理方法研究鱼复眼之间用电生理方法研究鱼复眼之间存在相互抑制的作用存在相互抑制的作用to optic nervesclerachoroidretinachoroida.Location of retinab.Micrograph of retinalight raysaxons ofganglion cellsblindspotopticnerveganglioncell layerbipolarcell layerrod celland conecell layerR.Barany对前庭器官进行了生理与病理学对前庭器官进行了生理与病理学的研究，探明前庭器官功能及
15、其疾病的诊断的研究，探明前庭器官功能及其疾病的诊断方法。方法。巴拉尼（奥地利）巴拉尼（奥地利）R.Barany（1876-1936)位置觉位置觉1914贝凯希（美）贝凯希（美）G.V.Bakesy(1899-1972)V.Bakesy发现耳蜗感音的发现耳蜗感音的物理机制，外界声波使内物理机制，外界声波使内耳基底膜振动，从而使毛耳基底膜振动，从而使毛细胞电位发生变化，激发细胞电位发生变化，激发耳蜗神经产生冲动，传至耳蜗神经产生冲动，传至脑而产生听觉。脑而产生听觉。1961听觉听觉巴克（美）巴克（美）Linda B.Buck（1947-)阿克塞尔（美）阿克塞尔（美）Richard Axel（194
16、6-）2004阐明了人类嗅觉系统的工作方式阐明了人类嗅觉系统的工作方式人体约有人体约有1000个基因用来编码气味受体个基因用来编码气味受体细胞膜上的不同气味受体，每个气味受细胞膜上的不同气味受体，每个气味受体细胞会对有限的几种相关分子作出反体细胞会对有限的几种相关分子作出反应。尽管气味受体只有约应。尽管气味受体只有约1000种，但它种，但它们可以产生大量的组合，形成大量的气们可以产生大量的组合，形成大量的气味模式，这也就是人们能够辨别和记忆味模式，这也就是人们能够辨别和记忆约万种不同气味的基础。约万种不同气味的基础。嗅觉嗅觉1981脑功能侧化脑功能侧化SperrySperry19521952年
17、进行了分裂脑的研究，将猫年进行了分裂脑的研究，将猫和猴大脑两半球之间的胼胝体切断，发现和猴大脑两半球之间的胼胝体切断，发现两半球各自保留自身的学习能力，但两半两半球各自保留自身的学习能力，但两半球之间不再能进行信息传递。以后又将癫球之间不再能进行信息传递。以后又将癫痫病人联系左右脑的胼胝体切断作为治疗痫病人联系左右脑的胼胝体切断作为治疗措施，并进行细致研究，措施，并进行细致研究，发现左脑偏重抽发现左脑偏重抽象思维，右脑偏重空间认知象思维，右脑偏重空间认知。6.6.神经系统的高级功能神经系统的高级功能斯佩里斯佩里(美美)R.W.Sperry（1913-）左半脑左半脑：逻辑理解、记忆、时间、语言、
18、书写、判断、排列、分类、逻辑理解、记忆、时间、语言、书写、判断、排列、分类、逻辑、分析、推理、抑制、五感逻辑、分析、推理、抑制、五感(视、听、嗅、触、味觉视、听、嗅、触、味觉)等。等。思维方式具有连续性、延续性和分析性。思维方式具有连续性、延续性和分析性。左脑可以称作左脑可以称作“意识脑意识脑”、“学术脑学术脑”、“语言脑语言脑”。右半脑右半脑：空间形象记忆、直觉、情感、身体协调、视知觉、美术、音空间形象记忆、直觉、情感、身体协调、视知觉、美术、音乐节奏、想像、灵感、顿悟等。乐节奏、想像、灵感、顿悟等。思维方式具有无序性、跳跃性、直觉性等。思维方式具有无序性、跳跃性、直觉性等。右脑又称作右脑又
19、称作“本能脑本能脑”、“潜意识脑潜意识脑”、“创造脑创造脑”、“艺术脑艺术脑”。如果你看见这个舞女是顺时针转，说明你用的是右脑如果你看见这个舞女是顺时针转，说明你用的是右脑 如果是逆时针转，说明你用的左脑如果是逆时针转，说明你用的左脑 他们的研究表明他们的研究表明:(1)大脑不同部位有职能分工，视觉皮层以细胞柱为功大脑不同部位有职能分工，视觉皮层以细胞柱为功能单位，分别有方位优势柱和左眼或右眼作为优势眼能单位，分别有方位优势柱和左眼或右眼作为优势眼)，对视觉信息进行加工对视觉信息进行加工;(2)出生早期视觉皮层的发育受环境影响，具有很大的出生早期视觉皮层的发育受环境影响，具有很大的可塑性。可塑
20、性。大脑视觉信息加工和发育的可塑性大脑视觉信息加工和发育的可塑性威塞尔威塞尔(瑞典瑞典)T.Wiesel(1924-)休伯尔休伯尔(美美)D.Hubel(1926-2013)方位优势柱方位优势柱1981年与年与 SperrySperry共享共享构成大脑定位系统的细胞构成大脑定位系统的细胞John OKeefe（英国）May-Britt Moser（挪威）Edvard I.Moser（挪威）他们发现人类大脑内存在着一种定位系统，就像是一个“内部GPS”，为我们确定空间方向；他们也从细胞水平上阐释了这种高级认知功能的原理。1971年John OKeefe首发现当大鼠处于室内的特定位置时，大鼠的大脑
21、海马体区域中的一种神经细胞就会持续处于激活状态；当将大鼠置于其它位置时，其它的神经细胞也会被激活，因此John OKeefe认为这些“位置细胞”可以构成一幅空间地图。2005年May-Britt Moser和Edvard Moser在大脑定位系统中发现了另外的关键组分，他们发现了一种“网格细胞”，这些神经细胞可以产生一种空间坐标系并且可以帮助进行精确地定位及目标的寻找，随后的研究揭示了网格细胞如何实现位置的确定和导航。内嗅皮层网格细胞可以和内嗅皮层中的其它细胞识别动物头部的方向以及房间的边界，从而在大脑海马体中形成空间细胞的网络系统，这些细胞网络回路就会形成一种复杂深入的定位系统。他们揭开了胚
22、胎如何由一个细胞发育成完美他们揭开了胚胎如何由一个细胞发育成完美的特化器官的特化器官,如脑和腿的遗传秘密，也树立了如脑和腿的遗传秘密，也树立了科学界对动物基因控制早期胚胎发育的模式科学界对动物基因控制早期胚胎发育的模式。神经发育生物学的内容广泛，包括出生前的神经发育生物学的内容广泛，包括出生前的胚胎发育，出生后的生长、成熟、老化、退胚胎发育，出生后的生长、成熟、老化、退变、凋亡和损伤后的再生修复等，而且由于变、凋亡和损伤后的再生修复等，而且由于技术上的困难对神经系统的发育了解还很少，技术上的困难对神经系统的发育了解还很少，所以该研究是近年来研究进展最为缓慢的领所以该研究是近年来研究进展最为缓慢
23、的领域，他们的重大发现成为神经发育生物学的域，他们的重大发现成为神经发育生物学的历史转折点。历史转折点。7.7.发育神经生物学发育神经生物学刘易斯（美）刘易斯（美）Edward B.Lewis(1928-)尼斯莱因尼斯莱因-福尔哈德（德）福尔哈德（德）Christiane Nusslein-Volhard（1942-)威斯乔斯（美）威斯乔斯（美）C.Nusslein(1942-)1995哺乳类神经系统的头尾和腹背发育受一哺乳类神经系统的头尾和腹背发育受一些基因的控制些基因的控制Acta Paediatr 90:707-15.2001他们不仅发现脑中可产生肽类激素和脑垂体他们不仅发现脑中可产生肽
24、类激素和脑垂体激素，而且在研究蛋白质和各种肽类激素相激素，而且在研究蛋白质和各种肽类激素相互作用方面也取得显著成果，并创立了放射互作用方面也取得显著成果，并创立了放射免疫分析学（免疫分析学（RIARIA），在方法学上提供了依），在方法学上提供了依据。据。8.8.神经内分泌调节神经内分泌调节耶洛耶洛 Rosalyn Yalow(1921-)（美）（美）沙利沙利 Andrew V.Schally(1926-)（美）（美）吉耶曼吉耶曼Roger Guillemin(1924-)（美）（美）19771941年的年的Rosalyn YalowGuillemin与与Schally同时证明了肾上腺皮质同时证
25、明了肾上腺皮质素释放因子（素释放因子（CRF）的存在；）的存在；Guillemin从从30万头羊的下丘脑纯化出促性万头羊的下丘脑纯化出促性腺激素释放激素（腺激素释放激素（LRH）Yalow创立了放射免疫分析法创立了放射免疫分析法 9.神经营养因子（神经营养因子（NGF）1953年年 Levi-Montalcini发现了发现了NGF；1960年年 Cohen提取纯化提取纯化NGF，证明其生物，证明其生物活性；活性；1970年年 Cohen证明证明NGF是个复合蛋白；是个复合蛋白；1984年年 NGF的研究重点从周围神经系统的研究重点从周围神经系统拓展到中枢神经系统，乃至非神经系统；拓展到中枢神经
26、系统，乃至非神经系统；90年代年代 国内外多家制药公司和药物研究机国内外多家制药公司和药物研究机构相继开始进行构相继开始进行NGF开发研究。开发研究。1986 NGF：能够促进神经细胞存活、生长、：能够促进神经细胞存活、生长、分化的一类蛋白质因子分化的一类蛋白质因子 李维李维-蒙塔西妮（意）蒙塔西妮（意）Rita Levi-Montalcini(1909-)斯坦利斯坦利高根（美）高根（美）Stanley Cohen(1922-)Rita Levi-Montalcini1944阴极射线示波器阴极射线示波器10.方法学创新方法学创新发展了阴极射线示波器，可以记录神经纤维发展了阴极射线示波器，可以记
27、录神经纤维上微小的电位变化。证明神经纤维越粗，传上微小的电位变化。证明神经纤维越粗，传导冲动的速度越快，并因此将神经纤维分为导冲动的速度越快，并因此将神经纤维分为A、B、C三类。三类。这一方法学的进步，为深人这一方法学的进步，为深人细致的电生理研究打下坚实基础细致的电生理研究打下坚实基础。厄兰格厄兰格(美美)J.Erlanger(1874-1965)盖塞盖塞(美美)H.S.Gasser(1888-1963)发明了脑立体定位仪，可以根据三维座标将电极插人动物脑的特定核团进行刺激或损毁，从而开启了在自由活动的动物上进行脑深部(研究的大门。赫斯（瑞士）赫斯（瑞士）W.R.Hess(1881-1973
28、)A.C.Moniz(1874-1955)葡萄牙葡萄牙脑立体定位仪脑立体定位仪1949应该获诺贝尔奖的研究：应该获诺贝尔奖的研究：LTP（Long term Potentiation，长时程增强），长时程增强）脑功能成像脑功能成像Tim Bliss in 1973 在高等动物中，在高等动物中，1973年，英国的布理年，英国的布理斯斯(Tim Bliss)和挪威的洛默和挪威的洛默(Terje Lmo)发现发现LTP，是神经可塑性机理，是神经可塑性机理的重要发现和主要模型。其后二十多的重要发现和主要模型。其后二十多年内，年内，LTP已在脑内多个部位观察到，已在脑内多个部位观察到，并有证据显示与一些
29、学习记忆有关。并有证据显示与一些学习记忆有关。1.LTP研究研究Marc Raichle 将正电子扫描将正电子扫描(PET)做活体人影像检测；做活体人影像检测；Seiji Ogawa利用功能性核磁利用功能性核磁共振成像共振成像(fMRI)技术进行技术进行脑功能研究。脑功能研究。他们的工作是生物医学影像他们的工作是生物医学影像的重要发展的重要发展 2.PET和和fMRI研究研究Seiji Ogawa(日本日本)Marc Raichle(美国美国)MRI设备设备fMRI扫描扫描二、保护脑临床神经科学临床神经科学：侧重医学临床应用研究与：侧重医学临床应用研究与神经系统有关的疾病，及其诊断、治疗方神经
30、系统有关的疾病，及其诊断、治疗方法、技术等。法、技术等。世界卫生组织的资料显示，全球现有约世界卫生组织的资料显示，全球现有约4.54.5亿人患有神亿人患有神经精神疾病，包括经精神疾病，包括抑郁症抑郁症、躁狂症躁狂症、精神分裂症精神分裂症、神经神经发育障碍疾病发育障碍疾病如儿童自闭症等。据预测，在未来如儿童自闭症等。据预测，在未来2020年中，年中，抑郁症将可能排在世界疾病负担抑郁症将可能排在世界疾病负担(疾病所致的经济负担疾病所致的经济负担)的第的第2 2位。我国目前精神疾病患者约位。我国目前精神疾病患者约16001600万人，神经精万人，神经精神疾病在我国疾病总负担中排名首位，约占疾病总负担
31、神疾病在我国疾病总负担中排名首位，约占疾病总负担的的20%20%。（一）精神疾病的机理与防治（一）精神疾病的机理与防治神经症神经症抑郁症抑郁症精神分裂症的神经基础精神分裂症精神分裂症（二）神经病的机理与防治（二）神经病的机理与防治阿尔茨海默病（阿尔茨海默病（Alzheimers disease,AD）：）：65岁以上约岁以上约5%,85岁以上岁以上20%正常脑AD脑帕金森病（帕金森病（Parkinsons disease,PD）：）：65岁以上患病率岁以上患病率1 700/10万万(三三)脊髓损伤的治疗脊髓损伤的治疗Science vol 288:9,June 2000外侧痛觉系统：外侧痛觉系
32、统：痛感觉痛感觉：背角深层背角深层-外侧丘脑外侧丘脑-初级初级与次级体感皮层与次级体感皮层内侧痛觉系统：内侧痛觉系统：痛情绪痛情绪：背角浅层背角浅层-内侧丘脑内侧丘脑-岛叶岛叶-前扣带回前扣带回（四）痛觉（四）痛觉Ascending pathways of painLocation of brain activity correlated with both induced cocaine craving and anger.Cocaine craving(yellow)Anger(blue)Neural Activity Related to Drug Cravingin Cocaine A
33、ddiction（五）药物成瘾（五）药物成瘾PET study扣带前回扣带前回前额叶前额叶眶回眶回海马海马伏隔核腹侧背盖区腹侧背盖区 伏隔核伏隔核前额叶前额叶计算神经科学计算神经科学：应用：应用数学理论和计算机模数学理论和计算机模拟方法来研究脑功能拟方法来研究脑功能的学科。的学科。三、开发脑脑机交互脑机交互Computational Brain interface,BCI 始于上世纪始于上世纪70年代；年代；在在90年代中期得到快速发展；年代中期得到快速发展；1999年，年，Phillip Kennedy第一次将电极植入猴子脑内进第一次将电极植入猴子脑内进行脑机交互实验。行脑机交互实验。htt
34、p:/ Do 美国北卡罗来纳州 日本京都 Monkey ThinkNATURE|Vol 453|19 June 2008“意念意念”操纵机械臂抓取食物操纵机械臂抓取食物通过微型探头深入到大脑运动皮层，搜集大脑皮层的神经元活动数据，将数通过微型探头深入到大脑运动皮层，搜集大脑皮层的神经元活动数据，将数据通过探头传到终端，计算机软件解读信号后，机械式手臂根据解读信号做据通过探头传到终端，计算机软件解读信号后，机械式手臂根据解读信号做出动作。出动作。关键问题关键问题：电极安全植入人体大脑的办法：电极安全植入人体大脑的办法 脑电波的应用机器鼠的主要功能是搜寻：把它放置在一个陌生的环境，它能够象真实机器
35、鼠的主要功能是搜寻：把它放置在一个陌生的环境，它能够象真实的老鼠一样，慢慢探测周围环境是否有人类威胁或是否有食物。的老鼠一样，慢慢探测周围环境是否有人类威胁或是否有食物。胡须能够探测洞口大小，视力能够观察辨别事物。不过老鼠的嗅觉系统胡须能够探测洞口大小，视力能够观察辨别事物。不过老鼠的嗅觉系统还没有设计到机器鼠身上。还没有设计到机器鼠身上。法国机器鼠法国机器鼠 Psikharpax 撞到墙时，它会从传感器得到电子刺激。再遇到类似情况时，它就会记住。撞到墙时，它会从传感器得到电子刺激。再遇到类似情况时，它就会记住。这一开创性研究旨在探索自然智能和人造智能的分界问这一开创性研究旨在探索自然智能和人
36、造智能的分界问题，可能有助人类弄清楚记忆和学习机能的根本构架。题，可能有助人类弄清楚记忆和学习机能的根本构架。首先，取出鼠脑，在首先，取出鼠脑，在培养状态下解离神经培养状态下解离神经细胞，然后进行神经细胞，然后进行神经细胞培养。培养基容细胞培养。培养基容器长宽均为器长宽均为8厘米，与厘米，与一个拥有一个拥有60个电极的个电极的电子矩阵相连接。电子矩阵相连接。“鼠脑鼠脑”机器人机器人 第二部分 当代脑研究的状况 1970-2000 1970-2000年的年的3030年间，美国神经科学学会的年间，美国神经科学学会的会员人数增长了近会员人数增长了近3030倍倍,2000,2000年达到年达到2800
37、028000人人左右，年会的论文摘要增长了近左右，年会的论文摘要增长了近100100倍，倍，20002000年已达到巧年已达到巧1500015000篇左右，遍及神经科学研究篇左右，遍及神经科学研究的各个领域。的各个领域。美国神经科学的发展美国神经科学的发展开开 创创 者者:张锡钧张锡钧(协和协和),),冯德培冯德培(协和协和,上海生理所上海生理所),),张香桐张香桐(上海生上海生 理所理所,脑所脑所).).两大事件两大事件:1950:1950:巴甫洛夫巴甫洛夫“条件反射条件反射”学说学说 1966-1976:“1966-1976:“文化革命文化革命”期间主要做期间主要做“针刺麻醉针刺麻醉”研究
38、方向研究方向:痛与镇痛痛与镇痛 北大北大,中医研究院中医研究院 复旦大学、中科院神经科学研究所复旦大学、中科院神经科学研究所 视视 觉觉 复旦大学复旦大学 中科院生物物理研究所中科院生物物理研究所 神经内分泌神经内分泌 第四军医大学第四军医大学 (垂体前叶垂体前叶)第四军医大学第四军医大学 (甾体受体甾体受体),),北大北大(神经免疫神经免疫)(4)(4)脑网络脑网络 北京师范大学（功能和结构网络）北京师范大学（功能和结构网络）中国神经科学的发展中国神经科学的发展 1989年，美国政府以立法形式率先推出年，美国政府以立法形式率先推出“脑的十年脑的十年”计计 划，投入划，投入140亿美元；亿美元
39、；1991年，欧洲出台了年，欧洲出台了“欧洲脑十年欧洲脑十年”计划；计划；1992年，中国提出了年，中国提出了“脑功能及其细胞和分子基础脑功能及其细胞和分子基础”的的研研 究项目，并列入了国家的究项目，并列入了国家的“攀登计划攀登计划”；1996年，日本也制定了为期年，日本也制定了为期20年的年的“脑科学时代脑科学时代”计划；计划；1998年，韩国制定了为期年，韩国制定了为期10年的年的“21世纪脑技术计划。世纪脑技术计划。在我国，认知神经科学近年来也得到了高度重视。在在我国，认知神经科学近年来也得到了高度重视。在国家中长期科学和技术发展规划纲要（国家中长期科学和技术发展规划纲要（200620
40、20年）年）中，中，“脑科学与认知科学脑科学与认知科学”被列为我国科技中长被列为我国科技中长期发展规划的八大前沿科学领域之一。期发展规划的八大前沿科学领域之一。世界各国脑科学研究计划世界各国脑科学研究计划奥巴马在白宫东厅，宣布大脑研究计划 这项计划全称为“推进创新神经技术脑研究计划。2013年4月2日，美国总统奥巴马要求国会明年投入1亿美元用于此研究项目。2014年10月日本制定了“脑科学时代”计划，主要利用狨猴这种更接近人类的灵长类动物（可在一定程度上弥补因为鼠类和人类脑结构不同所造成的研究结论的缺陷），深入研究老年性痴呆和精神分裂症等神经精神类疾病。2015年11月4日欧洲人脑计划（HBP
41、）获得欧盟委员会认可，可以获得至少延续至2019年的经费支持。耗资10亿欧元，为期10年的欧盟人类脑计划将聚焦神经科学和计算机科学交叉研究。时至今日，“中国脑计划”还没有正式启动，但是脑研究计划已经被列入“十三五”规划，上海、北京等地也已先后启动脑研究计划，力图在竞争日益激烈的脑科学研究中占据一席之地。目前，中国脑计划已逐步形成以脑认知原理的基础研究、脑重大疾病、类脑人工智能这三方面紧密交织的研究为“一体”“两翼”的研究格局。2011年以来，GoogleX实验室实施了“谷歌大脑”工程，构建一个庞大的系统用于模拟人类的大脑神经网络，通过深度学习等神经网络技术和观看YouTube视频等方式，不断学
42、习识别人脸、猫脸以及其他事物。Facebook建立了多个人工智能研究中心，以求建造能够理解海量数据的人工智能机器。2014年5月，百度开始实施“百度大脑”计划，希望能融合“深度学习”算法、数据建模、大规模图形处理器并行化平台等技术实现让更加“智能”的搜索。科大讯飞在2014年8月宣布启动“讯飞超脑”计划，目标就是要实现一个真正的中文的认知智能计算引擎。2014年6月，爱奇艺在全球范围内率先建立起首个基于视频数据理解人类行为的视频大脑爱奇艺大脑，希望机器能够理解视频的内容，帮助人们制作、生产、运营和消费视频。神经科学神经科学+”的时代的时代脑研究计划的主要研究内容1、新的研究技术的开发美国的脑计
43、划主要关注该类研究。2、脑疾病的认识和治疗策略日本和中国的脑计划主要关注该类问题。3、脑的精细结构研究多个国家的脑计划均涉及该类问题。4、脑的高级功能的认识该类研究是中国脑计划的重点研究内容。5、人工智能该类研究是大型企业的研究重点，力图从计算机、大数据等非生物学角度，认识人工智能，从而间接推进对于人脑的高级功能的认知。当代脑科学新进展当代脑科学新进展1.分子和细胞水平的神经科学发展迅猛分子和细胞水平的神经科学发展迅猛2.感觉信息加工的重大突破感觉信息加工的重大突破视觉的脑机制视觉的脑机制3.神经网络的研究进入新的高潮神经网络的研究进入新的高潮4.发育神经生物学的崛起发育神经生物学的崛起5.神
44、经和精神疾病的研究进展惊人神经和精神疾病的研究进展惊人6.整体和无创伤条件下的研究整体和无创伤条件下的研究第三部分 未来脑的研究脑科学的发展趋势脑科学的发展趋势总的：总的：在细胞和分子水平广泛开展脑研究在细胞和分子水平广泛开展脑研究 从整合的观点研究脑从整合的观点研究脑具体以下几个方面：具体以下几个方面：分子、细胞、突触、回路、系统、行为多水平结合；分子、细胞、突触、回路、系统、行为多水平结合；细胞、分子神经生物学与认知、临床神经科学整合；细胞、分子神经生物学与认知、临床神经科学整合；计算神经科学与脑生物学契合。计算神经科学与脑生物学契合。神经系统的发育，特别是人脑的发育、脑的移植和再生；神经
45、系统的发育，特别是人脑的发育、脑的移植和再生；神经胶质细胞的功能；神经胶质细胞的功能；从分子到行为各层次上，阐明学习与记忆的神经基础；从分子到行为各层次上，阐明学习与记忆的神经基础；神经系统与免疫系统的关系；神经系统与免疫系统的关系；精神病和神经系统疾病的机理与防治；精神病和神经系统疾病的机理与防治；脑神经回路网络特有的组织结构及其神经信息处理的机制；脑神经回路网络特有的组织结构及其神经信息处理的机制；人工智能型计算机系统的开发和研制等。人工智能型计算机系统的开发和研制等。未来神经科学可能的突破性：未来神经科学可能的突破性：（一）神经系统的发育、再生和移植（一）神经系统的发育、再生和移植1.神
46、经系统的发育神经系统的发育 增殖（增殖（Proliferation）迁移（迁移（Migration）分化（分化（Differentiation）聚集（聚集（Aggregation）突触形成和重排（突触形成和重排（Synaptogenesis and rearrangement）神经元死亡（神经元死亡（Neuron Death）髓鞘化（髓鞘化（Myelination）（Schuurmans,2002）室管下区室管下区（subventricular zone，SVZ）颗粒下层颗粒下层（subgranular zone，SGZ）2.成年脑内神经发生成年脑内神经发生3.神经再生神经再生4.脑移植脑移植
47、脑组织移植治弱智 成人脑细胞被植入实验鼠大脑后可生长出新的神经细胞。这一发现有望为寻找阿尔兹海默氏症等神经退化性疾病的新疗法铺平道路 在在突触成熟过程突触成熟过程中，胶质细胞释中，胶质细胞释放的可溶性接触依赖因子影响突放的可溶性接触依赖因子影响突触后致密物质的成分。突触的连触后致密物质的成分。突触的连接需要胶质细胞去保持结构的稳接需要胶质细胞去保持结构的稳定定(Pfrieger,2002)。星形胶质细。星形胶质细胞可以七倍增加中枢神经系统神胞可以七倍增加中枢神经系统神经元之间成熟的有功能的突触数经元之间成熟的有功能的突触数目目(Ullian et al.,2004)。星形胶质。星形胶质细胞可诱
48、导成年神经干细胞的神细胞可诱导成年神经干细胞的神经发生经发生(Song et al.,2002)。胶质。胶质细胞也被认为是突触的伴侣，动细胞也被认为是突触的伴侣，动态的调节突触的传递态的调节突触的传递(Newman,2003)（二）胶质细胞的功能（二）胶质细胞的功能（三）（三）从分子到行为各层次上，阐明学习与记忆的神从分子到行为各层次上，阐明学习与记忆的神 经基础经基础60代后期，创立分子生物学的先驱中有一批认为分子生物学代后期，创立分子生物学的先驱中有一批认为分子生物学基本原理已经解决，而决定转向神经生物学。其中克里克基本原理已经解决，而决定转向神经生物学。其中克里克(Francis Cri
49、ck)研究大脑高级功能、布任讷研究大脑高级功能、布任讷(Sydney Brenner)研究线虫行为研究线虫行为(他的学生用线虫在发育和细胞凋亡等领域有重他的学生用线虫在发育和细胞凋亡等领域有重要发现要发现)、而加州理工学院的本泽、而加州理工学院的本泽(Seymour Benzer)开始用果开始用果蝇研究行为。蝇研究行为。1973年年 Bliss和和Lmo发现发现LTP后，一直认为是神经可塑性机理后，一直认为是神经可塑性机理的重要发现和主要模型。其后二十多年内，的重要发现和主要模型。其后二十多年内，LTP已在脑内多个已在脑内多个部位观察到，并有证据显示与一些学习记忆有关。日本的依部位观察到，并有
50、证据显示与一些学习记忆有关。日本的依藤发现长期性减弱作用藤发现长期性减弱作用(LTD)，也是学习记忆的重要基础。，也是学习记忆的重要基础。（四）（四）神经系统与免疫系统的关系神经系统与免疫系统的关系进入八十年代后，神经免疫内分泌学渐趋成形，这主要基于进入八十年代后，神经免疫内分泌学渐趋成形，这主要基于下述事实：下述事实：众多的神经递质、神经肽及激素于在体和离体条件下可众多的神经递质、神经肽及激素于在体和离体条件下可影响免疫细胞及免疫应答的各环节。影响免疫细胞及免疫应答的各环节。免疫细胞膜上及胞内有多种神经递质、神经肽或激素的免疫细胞膜上及胞内有多种神经递质、神经肽或激素的受体的表达。受体的表达
