腦科學(研究腦的結構和功能的科學)

腦科學，狹義的講就是神經科學，是為了了解神經系統內分子水平、細胞水平、細胞間的變化過程，以及這些過程在中樞功能控制系統內的整合作用而進行的研究。（美國神經科學學會）廣義的定義是研究腦的結構和功能的科學，還包括認知神經科學等。

基本介紹

• 中文名：腦科學
• 狹義的意義：神經科學
• 廣義的意義：研究腦的結構和功能的科學
• 概要：基礎神經科學、臨床神經科學

腦科學概要

1、基礎神經科學：側重基礎理論

– 神經生物學：研究人和動物的神經系統的結構與功能、及其相互關係的科學，是在分子水平上、細胞水平上、神經網路或迴路水平上乃至系統和整體水平上闡明神經系統特別是腦的物質的、能量的、信息的基本活動規律的科學。(認識腦)

由六個研究分支：分子神經生物學（化學物質）、細胞神經生物學（細胞、亞細胞）、系統神經生物學、行為神經生物學（學習記憶、情感、睡眠、覺醒等）、發育神經生物學、比較神經生物學

– 計算神經科學：套用數學理論和計算機模擬方法來研究腦功能的學科。(創造腦)

2、臨床神經科學：側重醫學臨床套用

研究與神經系統有關的疾病，及其診斷、治療方法、技術等(保護腦)

研究方向

認知神經科學的最終目的是在於闡明人類大腦的結構與功能，以及人類行為與心理活動的物質基礎，在各個水平（層次）上闡明其機制，增進人類神經活動的效率，提高對神經系統疾患的預防、診斷、治療服務水平。基本目標：

1、揭示神經元間各種不同的連線形式，為闡明行為的腦的機制奠定基礎。

2、在形態學和化學上鑑別神經元間的差異，了解神經元如何產生、傳導信號，以及這些信號如何改變靶細胞的活動。

3、闡明神經元特殊的細胞和分子生物學特性。

4、認識實現腦的各種功能（包括高級功能）的神經迴路基礎。

5、闡明神經系統疾患的病因、機制，探索治療的新手段。

當前研究情況

世界各國普遍重視腦科學研究， 美國101屆國會通過一個議案，“命名1990年1月1日開始的十年為腦的十年”。1995年夏，國際腦研究組織IBRO在日本京都舉辦的第四屆世界神經科學大會上提議把下一世紀（21世紀）稱為“腦的世紀”。歐共體成立了“歐洲腦的十年委員會”及腦研究聯盟。日本推出了“腦科學時代”計畫綱要。中國提出了“腦功能及其細胞和分子基礎”的研究項目，並列入了國家的“攀登計畫”。

日本在1996年制定為期二十年的“腦科學時代——腦科學研究推進計畫”

了解腦——闡明腦功能

– 闡明產生感知、情感和意識的腦區結構和功能（功能定位、認知、運動、情感、學習，思維、直覺、自我意識）

– 闡明腦通訊功能（語言信息在腦神經網路中表達的機制，人類獲得語言能力的過程、語言、思想和智力之間的關係）

保護腦——征服腦疾患

– 控制腦發育和衰老過程（識別與發育及腦分化相關的基因家族、發展調節腦發育和分化的技術手段，促進人類大腦健康發育和防止發育異常，控制人腦衰老）

– 神經性精神性疾病的康復和預防（藥物成癮性、修復受損腦組織、單內因性疾病的發病機制、神經組織移植和基因療法，老年性痴呆、帕金森氏病、精神分裂症的治療和預防的方法）

創造腦——開發腦型計算機

– 發展腦型器件和結構（具有學習和記憶能力的神經元晶片、智力認知功能，具有智力、情感和意識的腦型計算機）

– 腦型信息產生和處理系統的設計和開發（支持人類機能的機器人系統）

主要研究進展

分子和細胞水平的神經科學發展迅猛

· 每一神經元所進行的信息處理都是經過突觸實行細胞間的通訊而完成的。具體說，突觸前細胞產生的衝動，通過釋放神經遞質作用於突觸後細胞膜位點上的特異性受體，從而引起後一細胞興奮性的改變。

· 受體由蛋白質分子組成，與神經遞質分子結合後，控制神經細胞的離子通道開閉，（直接或經由第二信使間接），調製後一細胞的輸出，實現神經元整合作用。（空間和時間上的整合）

· 神經調質間接地經由一系列生物化學過程來調製突觸後神經元的活動，其作用起始時間較慢，持續時間較長。神經遞質和調質分布在特定的神經通路或核團里，因此神經系統同時依靠神經迴路和化學調製兩種形式進行信息處理。

· 遞質和調質有近百種，有待鑑定的可能性更多。可分為膽鹼類、單胺類（多巴胺、5-HT、NAD）、胺基酸（谷氨酸、甘氨酸、r-氨基丁酸）和神經肽。調質包括胺類、和許多神經肽。共存和共釋放，使化學信號的傳遞非常複雜。

· 神經肽，2-39個胺基酸殘基構成，在較低濃度下即能緩慢地改變附近神經元的膜的性質，從而興奮或抑制這些神經元。研究並確定種類繁多的神經肽的生物學作用，是一個重要任務之一。

· 受體是蛋白質或蛋白質與碳水化合物或脂類的結合體，主要部分在膜內，結合位點在膜外。功能有二：識別特異性的遞質或調質分子並與它們結合成複合體；改變細胞離子通道開閉狀態，實現神經細胞內化學——電信息的轉換。

· 受體分兩類：第一類是載離子受體，離子通道蛋白，n-Ach，GAGB，Gly受體，蛋白質構象變化，改變離子通道的開閉狀態，介導快速突觸傳遞過程（幾毫秒）分子有亞基組成。第二類受體都是單條肽鏈，結合後觸發一些列生化反應：激活G蛋白，激活AC，促進cAMP的合成， cAMP的擴散促成胞內白蛋白激酶K的活化，改變離子通道m-Ach、NAD、5-HT等。

· 神經信號的基本形式：分級的膜電位漲落、動作電位。

· 膜片鉗技術：研究神經膜離子通道，10-12A單個離子通道的離子電流變化。電壓門控通道、Na+，K+，Ca2+，化學門控通道nAch

· 重組DNA技術：研究膜上的微量蛋白分子——各類通道蛋白的分子結構。Na+通道是由1820個胺基酸組成的多肽鏈。

· 色覺三色學說的神經生理基礎，人的三種視網膜視錐細胞視色素基因獲得分離

· 學習記憶的細胞和分子水平的機制研究獲得重要進展——海馬結構與學習記憶密切相關，LTP反映了一種突觸效率的變化，即可塑性。

· 短期記憶不需要新蛋白質的合成，而長期記憶所需的基因產物必須是新合成的。

視覺的腦機制——重大突破

· 把研究感覺信息處理過程作為揭示腦的奧秘的突破口，其中以視覺系統的研究最為突出。

· 視網膜的光感受器水平：已克隆出視色素蛋白基因；光電換能過程的第二信使是cAMP（Ca2+），黑暗中， cAMP+Na+通道蛋白---〉Na通道開放，Na+持續內流（暗電流），光感受器細胞去極化；光照引起視色素分解，使視盤膜上的GTP結合蛋白分子火化，後者再激活PDE，迅速分解cAMP，引起Na+通道關閉，暗電流驟降，光感受器細胞膜超極化，這樣光能——〉神經電信號

· 視網膜，複雜的信息處理（外周腦），研究相當清楚。視網膜這個兩維的、多層次信息處理的最後結果，是經由視網膜神經節細胞以動作電位脈衝調頻的方式，傳遞給腦的。

· 感受野：視通路中任一神經元都在視網膜（或視野）上有一個代表區域。同心圓拮抗型感受野，包括給光—中心和撤光—中心兩類，為心理學馬赫帶現象提供生理學基礎

· 非同心圓的RF的細胞對快速運動、運動方向以及某些圖形特徵產生反應

· 初級視皮層（紋狀皮層），在整個大腦皮層研究最透徹的一部分，面積最大的區域。功能柱：具有相同感受野位置和生理功能的細胞按垂直於皮層表面的柱狀結構有序地排列起來。功能柱內細胞具有相同的最優方位、相同的眼優勢、相同的最優空間頻率。

神經網路的研究進入新的高潮

· 人工神經網路具有腦的一些基本性質，如能夠學習和記憶，神經元之間的連線強度具有“用進廢退”的可塑性、細胞的集合由連線強度達最大值的細胞組成，可以從事某一模式的學習和記憶，並形成交替集合從事概念的抽象、部分輸入就能激活整個細胞集合等。

· Aldan領導的研究組按照條件反射中發射中發生的學習過程所出現的神經細胞電學特性和分子特性的變化，研製了一種DYSTAL動態穩定聯想學習。該網路內沒有任何預先編過的輸入/輸出關係程式，它能學習、記憶、辨識模式。第一次使計算機人工網路以儲存記憶的內表象成為可能。

· 用900個“神經元”組成的Hopfield網路解決複雜的“推銷員應沿什麼最優路線出差許多城市才可使其旅途最短”的問題，只需百萬分之一秒便可求解300城市的問題，比微機快10萬倍，結構簡化1萬倍

· 由100個加工單位分三層排列的閱讀程式NETtalk問世，可以閱讀字母，發出語句聲音來

· 光學神經計算機，辨別人像

· 各種算法為闡明腦和神經系統的工作原理提供了啟示。

發育生物學的崛起

· 脊椎動物神經系統的發育起源於胚胎背中線的外胚層加厚，在其下方的脊索和中胚層的誘導下形成神經板，繼而其邊緣組織形成神經嵴。誘導作用機制？

· 中心問題：成熟的神經系統特有的高度特異性聯繫模式是如何產生的。包括神經元怎樣得知其本身在三維神經系統中的位置信息？當軸突生長時這種位置信息如何表達？細胞又如何識別其靶細胞或終止區域？基因如何知識腦的發育？

· 軸突末端由高度運動性的生長錐，錐上有絲狀的假足。生長錐在軸突生長時識別路徑和靶細胞方面可能起著關鍵作用。

· 識別靶細胞的原因是：生長著的軸突表面存在著某種細胞化學標記物，在其相對應的靶細胞中有對應的標記物使軸突識別並形成突觸。

· 過量神經元的死亡可能與靶區神經生長因子的有限有關。

· 早期發育主要由遺傳因素決定，框架建立後，環境因素影響增大。關鍵期、可塑性

神經和精神疾病的研究進展

· 老年性痴呆症：記憶和推理能力喪失，神經元喪失、神經纖維纏結。Ach選擇性減少，記憶進行性喪失。常染色體顯性遺傳病，第21號染色體接近中央區的地方。

· 亨廷頓舞蹈病：遺傳病。失去對運動系統的控制，基因定位在4號染色體短臂，紋狀體失去GAGB能神經元的抑制。

· 多巴胺以被確定與覺醒和快感有關。過量引起思維喪失、幻覺和某些精神分裂症狀，缺少引起帕金森症，病人四肢和頭震顫不已，面部無表情

· 先天性肌源性疾病，重症肌無力，後天的自身免疫病，異常抗體與神經—肌肉接頭處終板區Ach受體結合，致使不能產生足夠的肌肉收縮力。

· 多發性神經纖維瘤

· 視網膜神經膠質瘤

腦的意識功能

· 丘腦的功能：丘腦是產生意識的核心器官，丘腦能夠合成發放丘覺，當丘覺發放出來也就產生了意識。丘覺是先天遺傳在丘腦中，可以自由發放，也可以由樣本點亮。

· 樣腦的功能：丘腦之外的大部分腦結構都是樣腦，包括大腦皮質、基底核、下丘腦、杏仁核等。樣腦的主要功能就是交換產出樣本，樣本的作用就是點亮丘覺產生意識。

主要研究方法

解剖學方法

採用通常的組織染色方法可以在光學顯微鏡下觀察神經系統各種組織的細胞結構，即神經元的不同形態，以及它們間連線的一般情況。運用電子顯微鏡可以進一步了解神經元和突觸的精細結構。問題：神經系統是怎樣布線的，即個別的神經細胞的突起如何排列？伸展得多遠？那些突起和那些突起相連結，高爾基銀染法對神經機制的認識奠定了基礎，在廣泛使用。神經活性物質進行染色：螢光、放射性標記

生理學方法

①運用微電極細胞外記錄、細胞內記錄技術對單個神經元活動分析。片膜鉗技術對離子通道進行深入的研究。

②細胞外記錄：30年代後期發展起來的。用金屬絲電極1-5微米記錄幅度較大的瞬間性動作電位，對神經元的功能起了重要作用。

③細胞內記錄：0.1～0.5微米的玻璃電極，內充高濃度氯化鉀或醋酸鉀以導電。能記錄動作電位，小的分級電位，同時能監視膜電位的變化。此外，能注入物質，進行形態學分析。缺點是造成細胞損傷，記錄時間、小細胞受限。

④膜片鉗技術：70年代後期，Neher 和Sakmann 發展了一種新的紀錄方法，可以用來記錄單個離子通道的活動。

分子生物學方法

①重組DNA技術：分析離子通道蛋白的結構和功能、生理特性；

②套用單克隆抗體和遺傳突變體。

系統生物學方法

20世紀中頁貝塔朗菲創立了一般系統論，1993年Zieglgansberger W和Tolle TR發表神經系統疾病研究的系統生物學方法，隨著生物信息學的發展、基因組計畫的成功，以及神經系統的細胞信號傳導與基因表達調控的研究，系統生物學採用實驗、計算與工程的系統論方法，成為腦科學研究的發展現代趨勢。