神經(jīng)科學(xué)基礎(chǔ)

神經(jīng)科學(xué)基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)是21世紀(jì)發(fā)展最快的科學(xué)領(lǐng)域之一。研究范圍從分子到系統(tǒng)級(jí)，跨越多學(xué)科。全球研究投入已超過(guò)250億美元，顯示其重要戰(zhàn)略地位。作者：神經(jīng)科學(xué)概述研究范圍從分子水平研究到系統(tǒng)級(jí)分析，覆蓋微觀與宏觀領(lǐng)域?？鐚W(xué)科性質(zhì)融合生物學(xué)、心理學(xué)、醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域知識(shí)。主要方向?qū)Ｗ⒂谏窠?jīng)元、神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、認(rèn)知功能及相關(guān)疾病研究。神經(jīng)科學(xué)的歷史發(fā)展1古代起源公元前3500年，古埃及人首次記錄腦部描述。早期學(xué)者開(kāi)始關(guān)注腦與行為關(guān)系。2神經(jīng)元學(xué)說(shuō)卡哈爾的神經(jīng)元學(xué)說(shuō)獲1906年諾貝爾獎(jiǎng)，奠定現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)基礎(chǔ)。3現(xiàn)代技術(shù)1970年代至今，神經(jīng)影像技術(shù)快速發(fā)展，使無(wú)創(chuàng)腦研究成為可能。4大型項(xiàng)目2009年啟動(dòng)人腦連接組計(jì)劃，投資超過(guò)40億美元，全球合作研究。神經(jīng)系統(tǒng)基本組成中樞神經(jīng)系統(tǒng)包括腦和脊髓，負(fù)責(zé)信息處理和指令發(fā)出。周?chē)窠?jīng)系統(tǒng)包含軀體和自主神經(jīng)系統(tǒng)，連接中樞與身體各部位。神經(jīng)元神經(jīng)系統(tǒng)基本單位，全腦約860億個(gè)，負(fù)責(zé)信息傳遞。膠質(zhì)細(xì)胞支持性細(xì)胞，數(shù)量是神經(jīng)元的10倍，維持神經(jīng)環(huán)境。神經(jīng)元結(jié)構(gòu)細(xì)胞體神經(jīng)元的控制中心，包含細(xì)胞核和重要細(xì)胞器。負(fù)責(zé)神經(jīng)元的代謝活動(dòng)。樹(shù)突接收信號(hào)的分支結(jié)構(gòu)。平均每個(gè)神經(jīng)元有7000個(gè)突觸連接，形成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。軸突傳導(dǎo)信號(hào)的長(zhǎng)突起。被髓鞘包裹的軸突可加速信號(hào)傳導(dǎo)速度。突觸連接神經(jīng)元間信息傳遞的接口。人腦約有100萬(wàn)億個(gè)突觸，形成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)元通信基礎(chǔ)靜息電位神經(jīng)元不活動(dòng)時(shí)維持約-70mV的膜電位。主要由鈉鉀泵和離子通道維持。動(dòng)作電位電信號(hào)沿軸突傳播。遵循"全或無(wú)"規(guī)律，強(qiáng)度不變但頻率可變。傳導(dǎo)速度根據(jù)軸突直徑和髓鞘化程度，速度從0.5米/秒到120米/秒不等。突觸傳遞電突觸直接傳遞電流，化學(xué)突觸通過(guò)神經(jīng)遞質(zhì)傳遞信息。神經(jīng)遞質(zhì)系統(tǒng)神經(jīng)遞質(zhì)類(lèi)型主要功能相關(guān)疾病谷氨酸興奮性傳遞(占腦內(nèi)75%突觸)癲癇、中風(fēng)GABA抑制性傳遞焦慮癥、失眠多巴胺獎(jiǎng)賞、動(dòng)機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制帕金森病、精神分裂癥5-羥色胺情緒、睡眠調(diào)節(jié)抑郁癥、強(qiáng)迫癥乙酰膽堿學(xué)習(xí)、記憶、肌肉收縮阿爾茨海默病、重癥肌無(wú)力腦的宏觀結(jié)構(gòu)大腦皮層分區(qū)額葉負(fù)責(zé)決策和計(jì)劃，頂葉處理感覺(jué)信息，顳葉管理聽(tīng)覺(jué)和記憶，枕葉處理視覺(jué)。邊緣系統(tǒng)包括杏仁核、海馬等結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)情緒處理、記憶形成和動(dòng)機(jī)控制。腦干控制基本生命功能如呼吸、心跳，是意識(shí)和警覺(jué)的調(diào)節(jié)中心。小腦含人腦中60%的神經(jīng)元，協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)、平衡和學(xué)習(xí)復(fù)雜動(dòng)作技能。大腦皮層組織六層結(jié)構(gòu)從表面到深部分為六層，不同層執(zhí)行不同功能。皮層柱垂直排列的神經(jīng)元群，是大腦信息處理的基本功能單位。皮層特性厚度僅2-4毫米，表面積約2500平方厘米，相當(dāng)于一個(gè)大比薩餅。腦功能定位語(yǔ)言中樞布羅卡區(qū)負(fù)責(zé)語(yǔ)言表達(dá)，韋尼克區(qū)負(fù)責(zé)語(yǔ)言理解。大多數(shù)人這些區(qū)域位于左半球。運(yùn)動(dòng)感覺(jué)區(qū)初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層控制隨意運(yùn)動(dòng)，初級(jí)感覺(jué)皮層接收軀體感覺(jué)信息。前額葉負(fù)責(zé)高級(jí)認(rèn)知功能，包括決策、計(jì)劃、社交行為和人格特質(zhì)。功能可塑性腦區(qū)功能有重疊性，損傷后可通過(guò)可塑性機(jī)制重組功能網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)通路與系統(tǒng)感覺(jué)通路從感受器到大腦皮層的信息傳遞路徑。例如視覺(jué)通路從視網(wǎng)膜經(jīng)視交叉至視皮層。運(yùn)動(dòng)通路錐體系統(tǒng)控制精細(xì)運(yùn)動(dòng)，錐體外系統(tǒng)調(diào)節(jié)姿勢(shì)和協(xié)調(diào)性。兩系統(tǒng)相互配合完成復(fù)雜動(dòng)作。獎(jiǎng)賞通路多巴胺神經(jīng)元從中腦腹側(cè)被蓋區(qū)投射至伏隔核和前額葉，形成關(guān)鍵獎(jiǎng)賞回路。疼痛通路從傷害感受器經(jīng)脊髓傳至丘腦和皮層?？杀幌滦幸种葡到y(tǒng)調(diào)節(jié)。神經(jīng)發(fā)育基礎(chǔ)神經(jīng)管形成胚胎發(fā)育早期，神經(jīng)外胚層折疊形成神經(jīng)管，進(jìn)而分化為腦和脊髓。神經(jīng)元遷移新生神經(jīng)元沿膠質(zhì)纖維遷移至目標(biāo)位置，每天可移動(dòng)數(shù)百微米。軸突導(dǎo)向生長(zhǎng)錐引導(dǎo)軸突延伸，受化學(xué)因子吸引或排斥，尋找正確目標(biāo)。關(guān)鍵期神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的特定時(shí)間窗口，環(huán)境經(jīng)驗(yàn)可塑造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。突觸可塑性經(jīng)驗(yàn)依賴(lài)性可塑性大腦通過(guò)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，形成學(xué)習(xí)基礎(chǔ)突觸修剪青春期可減少50%的突觸，優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)赫布理論"一起放電，一起連接"，細(xì)胞協(xié)同活動(dòng)增強(qiáng)連接長(zhǎng)時(shí)程突觸可塑性LTP增強(qiáng)突觸傳遞，LTD減弱突觸連接腦成像技術(shù)功能磁共振成像測(cè)量血氧水平依賴(lài)信號(hào)，間接反映神經(jīng)活動(dòng)?？臻g分辨率高，時(shí)間分辨率約2秒。腦電圖記錄數(shù)百萬(wàn)神經(jīng)元的電活動(dòng)。時(shí)間分辨率優(yōu)秀，可達(dá)毫秒級(jí)，但空間定位不精確。光遺傳學(xué)使用光敏蛋白精確控制特定神經(jīng)元。革命性技術(shù)，可研究特定細(xì)胞在行為中的作用。感覺(jué)系統(tǒng)視覺(jué)系統(tǒng)從視網(wǎng)膜到視覺(jué)皮層的復(fù)雜處理通路聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)聲波轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號(hào)，編碼頻率與空間信息軀體感覺(jué)處理觸覺(jué)、溫度、疼痛等體表感覺(jué)化學(xué)感覺(jué)嗅覺(jué)與味覺(jué)通過(guò)特異性受體識(shí)別分子運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制需多個(gè)系統(tǒng)配合:基底神經(jīng)節(jié)選擇適當(dāng)動(dòng)作；小腦每秒處理超過(guò)4000萬(wàn)信息，確保動(dòng)作精準(zhǔn)；脊髓反射提供快速反應(yīng)；運(yùn)動(dòng)皮層發(fā)出隨意運(yùn)動(dòng)指令。神經(jīng)科學(xué)與記憶短時(shí)記憶容量有限(約7±2項(xiàng))，持續(xù)時(shí)間短。依賴(lài)前額葉皮層的神經(jīng)活動(dòng)維持。沒(méi)有鞏固則迅速消失。長(zhǎng)時(shí)記憶分為陳述性(事實(shí)和事件)和非陳述性(技能和習(xí)慣)。陳述性記憶需海馬體參與形成，而后存儲(chǔ)于大腦皮層。海馬體作用記憶形成的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。損傷會(huì)導(dǎo)致無(wú)法形成新記憶，但不影響已存在的長(zhǎng)時(shí)記憶。幫助整合信息并加強(qiáng)皮層間連接。記憶鞏固新記憶從不穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)。睡眠在記憶鞏固中起關(guān)鍵作用。提取后記憶可重新變得不穩(wěn)定，需要重構(gòu)。學(xué)習(xí)的神經(jīng)基礎(chǔ)2個(gè)海馬體記憶系統(tǒng)左右兩側(cè)海馬體形成空間和情景記憶的主要系統(tǒng)。100萬(wàn)新突觸/小時(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程中，大腦可形成大量新突觸連接。4種主要學(xué)習(xí)系統(tǒng)包括條件反射、技能學(xué)習(xí)、認(rèn)知學(xué)習(xí)和社會(huì)學(xué)習(xí)。20%突觸強(qiáng)化有效學(xué)習(xí)可使突觸傳遞效率提高約20%。情緒的神經(jīng)基礎(chǔ)杏仁核情緒處理的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，特別是恐懼和威脅檢測(cè)。體積僅杏仁大小但功能至關(guān)重要。杏仁核損傷會(huì)導(dǎo)致恐懼反應(yīng)缺失，無(wú)法識(shí)別面部表情。前額葉負(fù)責(zé)情緒調(diào)節(jié)和控制?？梢种菩尤屎诉^(guò)度激活，調(diào)節(jié)不適當(dāng)?shù)那榫w反應(yīng)。前額葉損傷會(huì)導(dǎo)致情緒調(diào)節(jié)障礙和沖動(dòng)控制問(wèn)題。壓力反應(yīng)下丘腦-垂體-腎上腺軸激活，釋放糖皮質(zhì)激素。短期有益，長(zhǎng)期過(guò)度激活會(huì)損傷海馬體神經(jīng)元，影響記憶和認(rèn)知功能。覺(jué)醒與睡眠睡眠由視交叉上核(SCN)控制，這一生物鐘每天重置。成人睡眠分為五個(gè)階段，每晚循環(huán)4-5次。REM期與做夢(mèng)和記憶鞏固密切相關(guān)。語(yǔ)言與大腦1語(yǔ)言的左半球優(yōu)勢(shì)超過(guò)95%人群的語(yǔ)言處理主要在左半球進(jìn)行。布羅卡區(qū)負(fù)責(zé)語(yǔ)言產(chǎn)生，韋尼克區(qū)負(fù)責(zé)語(yǔ)言理解。2語(yǔ)言處理網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)言處理涉及廣泛的腦區(qū)網(wǎng)絡(luò)。包括額葉、顳葉和頂葉的多個(gè)區(qū)域相互協(xié)作。3雙語(yǔ)者的大腦雙語(yǔ)者的語(yǔ)言控制網(wǎng)絡(luò)更發(fā)達(dá)。早期學(xué)習(xí)第二語(yǔ)言的人兩種語(yǔ)言共享更多腦區(qū)。4語(yǔ)言障礙不同腦區(qū)損傷導(dǎo)致不同類(lèi)型的失語(yǔ)癥。布羅卡失語(yǔ)影響語(yǔ)言產(chǎn)生，韋尼克失語(yǔ)影響語(yǔ)言理解。意識(shí)與注意力警覺(jué)系統(tǒng)維持基本覺(jué)醒狀態(tài)，由腦干網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)激活系統(tǒng)控制。定向注意選擇性關(guān)注特定信息，由頂葉皮層控制。執(zhí)行控制前額葉皮層管理高級(jí)注意力分配和任務(wù)切換能力。默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)休息狀態(tài)活躍，消耗腦能量20%，與自我意識(shí)相關(guān)。社會(huì)神經(jīng)科學(xué)鏡像神經(jīng)元觀察他人行為時(shí)激活的特殊神經(jīng)元。是模仿學(xué)習(xí)和理解他人意圖的神經(jīng)基礎(chǔ)。社會(huì)認(rèn)知前額葉在社交互動(dòng)和決策中起關(guān)鍵作用。社交能力依賴(lài)多個(gè)腦區(qū)協(xié)同工作。理論心智理解他人心理狀態(tài)的能力。顳頂聯(lián)合區(qū)在推斷他人想法中扮演重要角色。共情神經(jīng)環(huán)路包括前扣帶皮層和島葉。情感共情和認(rèn)知共情由不同腦區(qū)負(fù)責(zé)。發(fā)展神經(jīng)科學(xué)突觸密度髓鞘化大腦發(fā)育具有關(guān)鍵期，如語(yǔ)言習(xí)得和視覺(jué)系統(tǒng)發(fā)展。環(huán)境豐富度極大影響腦發(fā)育質(zhì)量。前額葉直到25歲才完全成熟，解釋了青少年決策特點(diǎn)。神經(jīng)退行性疾病阿爾茨海默病特征是β-淀粉樣蛋白斑塊和tau蛋白纏結(jié)。起始于海馬體，逐漸擴(kuò)散至整個(gè)大腦。全球超6000萬(wàn)患者，預(yù)計(jì)2050年將達(dá)1.4億。帕金森病黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元退化，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)控制障礙。一半以上患者出現(xiàn)前驅(qū)癥狀，如嗅覺(jué)喪失和REM睡眠行為障礙。治療進(jìn)展神經(jīng)干細(xì)胞治療全球有超200項(xiàng)臨床試驗(yàn)。神經(jīng)保護(hù)策略和靶向藥物開(kāi)發(fā)成為研究熱點(diǎn)。精神疾病的神經(jīng)基礎(chǔ)抑郁癥與單胺類(lèi)神經(jīng)遞質(zhì)失衡相關(guān)。前額葉活動(dòng)降低，杏仁核活動(dòng)增強(qiáng)?，F(xiàn)代理論強(qiáng)調(diào)神經(jīng)可塑性和神經(jīng)生長(zhǎng)因子。精神分裂癥多巴胺調(diào)節(jié)異常，皮質(zhì)和海馬體結(jié)構(gòu)改變。前額葉功能下降，導(dǎo)致執(zhí)行功能和工作記憶障礙。焦慮障礙杏仁核過(guò)度激活，前額葉對(duì)情緒反應(yīng)的控制減弱?？謶窒司W(wǎng)絡(luò)功能異常。遺傳與環(huán)境多數(shù)精神疾病涉及基因和環(huán)境交互作用。早期壓力可通過(guò)表觀遺傳機(jī)制影響基因表達(dá)。神經(jīng)修復(fù)與康復(fù)神經(jīng)干細(xì)胞具有分化為神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞的潛力。全球超過(guò)200項(xiàng)臨床試驗(yàn)正在探索其治療應(yīng)用。腦機(jī)接口通過(guò)解碼腦信號(hào)控制外部設(shè)備?？蓭椭刂虬c瘓患者恢復(fù)部分功能。康復(fù)訓(xùn)練基于神經(jīng)可塑性原理設(shè)計(jì)。強(qiáng)調(diào)高強(qiáng)度、任務(wù)特異性和早期干預(yù)。計(jì)算神經(jīng)科學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模模擬大腦信息處理機(jī)制，啟發(fā)人工智能發(fā)展連接組研究繪制并分析神經(jīng)元間復(fù)雜連接模式神經(jīng)解碼從腦信號(hào)中提取信息，建立腦-機(jī)交互系統(tǒng)腦模擬項(xiàng)目利用超算模擬大腦功能，面臨規(guī)模與復(fù)雜性挑戰(zhàn)神經(jīng)倫理學(xué)腦成像與隱私神經(jīng)成像技術(shù)可能泄露個(gè)人思想和傾向。需建立嚴(yán)格的數(shù)據(jù)保護(hù)協(xié)議和倫理指南。如何保護(hù)腦數(shù)據(jù)隱私成為新挑戰(zhàn)。神經(jīng)增強(qiáng)認(rèn)知增強(qiáng)藥物和設(shè)備引發(fā)公平性問(wèn)題。是否允許非醫(yī)療用途的腦功能增強(qiáng)？可能加劇社會(huì)不平等和帶來(lái)意外后果。