《神經(jīng)元構(gòu)造與功能》課件：探索人腦的信息傳遞機(jī)制

《神經(jīng)元構(gòu)造與功能》：探索人腦的信息傳遞機(jī)制探索大腦奧秘，揭示神經(jīng)信息傳遞機(jī)制課程概述課程目標(biāo)掌握神經(jīng)元基本結(jié)構(gòu)與功能學(xué)習(xí)重點(diǎn)神經(jīng)元信息處理與傳遞機(jī)制考核方式第一部分：神經(jīng)系統(tǒng)基礎(chǔ)1神經(jīng)系統(tǒng)起源從簡(jiǎn)單反射到復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)2系統(tǒng)分類(lèi)中樞與周?chē)窠?jīng)系統(tǒng)3基本功能神經(jīng)系統(tǒng)的組成中樞神經(jīng)系統(tǒng)大腦與脊髓信息處理中心復(fù)雜認(rèn)知功能周?chē)窠?jīng)系統(tǒng)腦神經(jīng)與脊神經(jīng)體感與運(yùn)動(dòng)神經(jīng)大腦的主要結(jié)構(gòu)1大腦皮層高級(jí)認(rèn)知功能區(qū)域2小腦運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)與平衡3腦干神經(jīng)元：神經(jīng)系統(tǒng)的基本單位定義能夠產(chǎn)生電信號(hào)的特化細(xì)胞重要性構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本單元數(shù)量規(guī)模第二部分：神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)微觀解剖細(xì)胞結(jié)構(gòu)層面研究組織學(xué)研究神經(jīng)組織形態(tài)分析分子機(jī)制分子水平功能探索神經(jīng)元的基本結(jié)構(gòu)細(xì)胞體細(xì)胞核所在樹(shù)突信息接收軸突信息傳導(dǎo)細(xì)胞體（胞體）功能神經(jīng)元代謝中心蛋白質(zhì)合成場(chǎng)所特征含有細(xì)胞核與細(xì)胞器整合樹(shù)突信號(hào)重要性決定神經(jīng)元存活控制基因表達(dá)樹(shù)突結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分支復(fù)雜程度高信息接收功能接收突觸信號(hào)樹(shù)突棘增加接觸面積信號(hào)整合處理多個(gè)輸入信號(hào)軸突結(jié)構(gòu)特點(diǎn)單一長(zhǎng)突起長(zhǎng)度可達(dá)一米信息傳遞功能傳導(dǎo)動(dòng)作電位單向信號(hào)流動(dòng)軸突末端形成突觸結(jié)構(gòu)釋放神經(jīng)遞質(zhì)髓鞘結(jié)構(gòu)由少突膠質(zhì)細(xì)胞形成脂質(zhì)包裹軸突功能提高信號(hào)傳導(dǎo)速度隔離電信號(hào)郎飛結(jié)髓鞘間的間隙允許跳躍式傳導(dǎo)突觸定義神經(jīng)元間連接點(diǎn)化學(xué)突觸通過(guò)神經(jīng)遞質(zhì)傳遞電突觸通過(guò)離子直接流動(dòng)功能信息傳遞關(guān)鍵結(jié)構(gòu)化學(xué)突觸的結(jié)構(gòu)1突觸前膜含突觸小泡2突觸間隙寬約20納米3突觸后膜含受體蛋白電突觸的特點(diǎn)結(jié)構(gòu)細(xì)胞間連接蛋白形成通道縫隙連接直徑2納米允許小分子通過(guò)功能差異信號(hào)傳遞速度快雙向傳導(dǎo)可能同步化神經(jīng)元活動(dòng)第三部分：神經(jīng)元的功能信息傳遞向其他神經(jīng)元傳輸信號(hào)信息整合綜合多個(gè)輸入信號(hào)信息接收感知其他神經(jīng)元信號(hào)神經(jīng)元的基本功能信息接收樹(shù)突感知輸入信息整合胞體匯總處理信息傳遞軸突傳導(dǎo)輸出靜息電位定義靜息狀態(tài)下的膜電位約為-70毫伏形成機(jī)制離子濃度梯度膜通透性差異維持系統(tǒng)鈉鉀泵主動(dòng)運(yùn)輸能量依賴(lài)過(guò)程離子通道離子通道類(lèi)型：電壓門(mén)控、配體門(mén)控、機(jī)械門(mén)控、漏電通道功能：控制離子選擇性通過(guò)細(xì)胞膜，調(diào)節(jié)膜電位動(dòng)作電位-70mV靜息電位膜電位穩(wěn)定狀態(tài)-55mV閾值觸發(fā)動(dòng)作電位臨界點(diǎn)+30mV峰值去極化最大值1ms持續(xù)時(shí)間整個(gè)過(guò)程極短動(dòng)作電位的傳導(dǎo)跳躍式傳導(dǎo)有髓鞘軸突郎飛結(jié)間跳躍傳導(dǎo)速度快能量消耗低連續(xù)傳導(dǎo)無(wú)髓鞘軸突點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳播傳導(dǎo)速度慢能量消耗高突觸傳遞動(dòng)作電位到達(dá)抵達(dá)軸突末端鈣離子內(nèi)流觸發(fā)遞質(zhì)釋放神經(jīng)遞質(zhì)釋放突觸小泡融合受體結(jié)合激活突觸后膜神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸GABA多巴胺乙酰膽堿5-羥色胺其他突觸后電位興奮性突觸后電位（EPSP）使膜電位去極化增加放電可能性谷氨酸常誘發(fā)抑制性突觸后電位（IPSP）使膜電位超極化降低放電可能性GABA常誘發(fā)第四部分：神經(jīng)元的信息處理接收信號(hào)多個(gè)突觸輸入信號(hào)整合時(shí)空加和處理閾值判斷決定是否放電信號(hào)輸出產(chǎn)生動(dòng)作電位時(shí)間加和1定義同一突觸短時(shí)多次刺激累加2時(shí)間窗口數(shù)毫秒內(nèi)連續(xù)輸入3生理意義增強(qiáng)單一輸入通路信號(hào)強(qiáng)度4特點(diǎn)前一刺激效應(yīng)未消失新刺激到達(dá)空間加和定義多個(gè)突觸同時(shí)興奮效應(yīng)累加機(jī)制不同位置輸入同時(shí)到達(dá)生理意義整合多路輸入信號(hào)神經(jīng)元的整合功能神經(jīng)元整合多路輸入，興奮與抑制信號(hào)共同決定最終輸出神經(jīng)元的編碼方式頻率編碼通過(guò)放電頻率變化編碼信號(hào)強(qiáng)度常見(jiàn)于感覺(jué)系統(tǒng)時(shí)間編碼通過(guò)放電精確時(shí)間點(diǎn)編碼復(fù)雜信息高時(shí)間精度要求神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)功能連接高度特異突觸模式回路組織特定功能神經(jīng)環(huán)路信息處理分布式并行計(jì)算涌現(xiàn)特性集體行為產(chǎn)生新功能第五部分：神經(jīng)可塑性定義神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能變化能力機(jī)制突觸強(qiáng)度與連接修飾意義學(xué)習(xí)記憶與適應(yīng)基礎(chǔ)突觸可塑性短期可塑性突觸后膜敏感性短暫變化持續(xù)分鐘級(jí)不需蛋白質(zhì)合成長(zhǎng)期可塑性突觸結(jié)構(gòu)持久改變持續(xù)數(shù)小時(shí)至數(shù)月依賴(lài)基因表達(dá)長(zhǎng)期增強(qiáng)作用（LTP）定義突觸傳遞效能持久增強(qiáng)誘導(dǎo)條件高頻刺激引發(fā)機(jī)制NMDA受體活化結(jié)果突觸后密度增大長(zhǎng)期抑制作用（LTD）定義突觸傳遞效能持久減弱誘導(dǎo)條件低頻刺激引發(fā)機(jī)制突觸后鈣離子調(diào)節(jié)結(jié)果受體內(nèi)吞減少神經(jīng)可塑性與學(xué)習(xí)記憶新技能學(xué)習(xí)特定環(huán)路增強(qiáng)記憶形成經(jīng)驗(yàn)依賴(lài)突觸改變神經(jīng)結(jié)構(gòu)重塑突觸數(shù)量密度變化第六部分：人腦的信息傳遞機(jī)制感覺(jué)輸入外界信息獲取中樞處理信息整合分析運(yùn)動(dòng)輸出行為指令生成認(rèn)知加工高級(jí)思維過(guò)程感覺(jué)信息的傳遞感受器轉(zhuǎn)換物理刺激為電信號(hào)傳導(dǎo)通路特定神經(jīng)束傳遞初級(jí)感覺(jué)皮層信息初步處理高級(jí)聯(lián)合區(qū)復(fù)雜特征提取視覺(jué)信息處理視網(wǎng)膜光信號(hào)轉(zhuǎn)換外側(cè)膝狀體中繼站初級(jí)視皮層特征檢測(cè)高級(jí)視皮層整體識(shí)別聽(tīng)覺(jué)信息處理耳蝸聲波轉(zhuǎn)電信號(hào)頻率編碼聽(tīng)神經(jīng)傳導(dǎo)聲音信息保持頻率編碼聽(tīng)覺(jué)皮層音調(diào)音色分析語(yǔ)音聲音識(shí)別觸覺(jué)信息處理1皮膚感受器觸壓溫痛轉(zhuǎn)換2脊髓傳導(dǎo)上行通路傳遞3丘腦中繼信息整合篩選4體感皮層身體表面映射運(yùn)動(dòng)信息的傳遞1運(yùn)動(dòng)決策前額葉計(jì)劃2運(yùn)動(dòng)皮層初級(jí)運(yùn)動(dòng)指令3錐體系統(tǒng)精細(xì)運(yùn)動(dòng)控制4肌肉執(zhí)行收縮產(chǎn)生動(dòng)作認(rèn)知功能的神經(jīng)基礎(chǔ)注意力前額葉-頂葉網(wǎng)絡(luò)記憶海馬體-皮層環(huán)路決策前額葉-基底節(jié)回路語(yǔ)言處理布洛卡區(qū)位于額葉語(yǔ)言表達(dá)功能語(yǔ)法處理語(yǔ)言運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)威爾尼克區(qū)位于顳葉語(yǔ)言理解功能語(yǔ)義處理聽(tīng)覺(jué)語(yǔ)言分析情緒調(diào)節(jié)情緒產(chǎn)生杏仁核激活情緒調(diào)節(jié)前額葉控制情緒記憶海馬體編碼身體反應(yīng)下丘腦調(diào)控第七部分：神經(jīng)系統(tǒng)疾病神經(jīng)系統(tǒng)疾病多樣：神經(jīng)退行性、精神障礙、癲癇、中風(fēng)神經(jīng)退行性疾病阿爾茨海默病淀粉樣蛋白沉積神經(jīng)元萎縮死亡記憶認(rèn)知障礙進(jìn)行性惡化帕金森病多巴胺神經(jīng)元退化基底節(jié)功能障礙運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題靜止性震顫精神障礙抑郁癥神經(jīng)遞質(zhì)失衡前額葉活動(dòng)降低杏仁核過(guò)度活躍精神分裂癥多巴胺系統(tǒng)異常前額葉功能障礙神經(jīng)連接異常雙相情感障礙情緒穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)紊亂神經(jīng)遞質(zhì)波動(dòng)皮層下結(jié)構(gòu)異常癲癇病因腦損傷、基因、代謝異常神經(jīng)元異常放電過(guò)度同步化活動(dòng)異常傳播局灶性或全面性擴(kuò)散臨床表現(xiàn)發(fā)作類(lèi)型多樣中風(fēng)類(lèi)型缺血性：血管堵塞出血性：血管破裂神經(jīng)元損傷機(jī)制缺氧導(dǎo)致能量耗竭興奮毒性損傷自由基產(chǎn)生細(xì)胞凋亡級(jí)聯(lián)反應(yīng)第八部分：神經(jīng)科學(xué)研究方法電生理技術(shù)記錄神經(jīng)電活動(dòng)顯微成像觀察細(xì)胞結(jié)構(gòu)腦成像活體功能觀察分子生物學(xué)基因蛋白研究4電生理技術(shù)細(xì)胞內(nèi)記錄微電極刺入單個(gè)神經(jīng)元記錄膜電位變化分辨靜息電位與動(dòng)作電位高精度單細(xì)胞研究細(xì)胞外記錄電極放置細(xì)胞附近記錄局部場(chǎng)電位可同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)神經(jīng)元長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定記錄神經(jīng)影像技術(shù)功能性磁共振成像（fMRI）基于血氧水平依賴(lài)信號(hào)空間分辨率高時(shí)間分辨率低腦電圖（EEG）記錄神經(jīng)元電活動(dòng)時(shí)間分辨率高空間分辨率低正電子發(fā)射斷層掃描（PET）追蹤代謝活動(dòng)神經(jīng)遞質(zhì)研究需使用放射性示蹤劑光遺傳學(xué)原理光敏蛋白表達(dá)于特定神經(jīng)元方法特定波長(zhǎng)光照精準(zhǔn)激活應(yīng)用特定神經(jīng)環(huán)路功能解析優(yōu)勢(shì)毫秒級(jí)時(shí)間分辨率神經(jīng)追蹤技術(shù)順行追蹤示蹤劑沿軸突方向運(yùn)輸神經(jīng)元到目標(biāo)區(qū)域連接常用示蹤劑：BDA、PHA-L逆行追蹤示蹤劑反向傳遞至胞體確定神經(jīng)元輸入來(lái)源常用示蹤劑：熒光金、CTB第九部分：神經(jīng)科學(xué)前沿神經(jīng)科學(xué)前沿：人工智能應(yīng)用、腦機(jī)接口、神經(jīng)修復(fù)、認(rèn)知增強(qiáng)人工智能與神經(jīng)科學(xué)類(lèi)腦計(jì)算模擬神經(jīng)系統(tǒng)架構(gòu)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算硬件實(shí)現(xiàn)腦功能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型大腦功能數(shù)學(xué)模擬交叉創(chuàng)新雙向知識(shí)遷移腦機(jī)接口信號(hào)采集記錄腦電活動(dòng)信號(hào)處理提取意圖特征設(shè)備控制轉(zhuǎn)換為控制命令反饋學(xué)習(xí)系統(tǒng)適應(yīng)優(yōu)化神經(jīng)修復(fù)與再生100B神經(jīng)元數(shù)量人腦神經(jīng)細(xì)胞總數(shù)0.1%再生率成人每年自然更新20%干預(yù)效果干細(xì)胞療法潛力5年研發(fā)