神经生物学

基本简介

神经科学是专门研究神经系统的结构、功能、发育、遗传学、生物化学、生理学、药理学及病理学的一门科学。对行为及学习的研究都是神经科学的分支。

对人脑研究是个跨领域的范畴，当中涉及分子层面、细胞层面、神经小组、大型神经系统，如视觉神经系统、脑干、脑皮层。

最高层次的研究就是结合认知科学成为认知神经科学，其专家被称为认知心理学家。一些研究人员相信认知神经科学提供对思维及知觉的全面了解，甚至可以代替心理学。

神经科学致力于科学地研究神经系统。尽管神经科学学会成立于1969年，但是对于大脑的研究很早就已经开始。其研究范围包括对神经系统的结构，功能，进化史，发育，遗传，生物化学，生理学，药理学，生物信息学，计算神经生物学和病理学研究。传统的神经科学是生物科学的一个分支。然而，神经科学开始与其他学科有了越来越多的交叉与融合，如认知和神经心理学，计算机科学，统计学，物理学，哲学和医学科学。

大脑的结构和功能是自然科学研究中最具有挑战性的课题。近代自然科学发展的趋势表明，21世纪的自

然科学重心将在生命科学，而神经生物学和分子生物学将是21世纪生命科学研究中的两个最重要的领域，必将飞速发展。分子生物学的奠基人之一，诺贝尔奖获得者沃森宣称：“20世纪是基因的世纪，21世纪是脑的世纪。”

在医学这个大的学科内，神经生物学是一门在各个水平，研究人体神经系统的结构、功能、发生、发育、衰老、遗传等规律，以及疾病状态下神经系统的变化过程和机制的科学。它涉及神经解剖学、神经生理学、发育神经生物学、分子神经生物学、神经药理学、神经内科学、神经外科学、精神病学等等。神经生物学的内容非常丰富，研究进展很快，作为医学生不仅要全面掌握，还要及时了解新的研究进展。

这些研究工作虽然至今为止并没有在神经生物学领域取得重大进展，没有解开智力形成之谜，没有解开毒品上瘾之谜，没有解开老年痴呆症治疗之谜，但却在潜移默化中推动了神经科学的发展，为本世纪神经生物学的腾飞打好了基础。

研究对象

由于研究对象是异常复杂、异常精贵的，神经生物学虽然没有方法上的突破带来的重大研究成果，但还是吸引了全世界最优秀的科学工作者的目光。这从神经生物学的几个主打杂志的影响因子上可以看出：《自然神经科学》的影响因子是15,《神经元》的影响因子是14,《神经科学杂志》的影响因子是8，此外，《科学》期刊上还有专门的神经生物学专题，其中的文章数量在生物学领域几乎是最多的。

为什么神经生物学的研究难度很大，但仍然吸引了许许多多科学工作者投入她的怀抱呢？

原因是与社会现实有关的。神经生物学有许多人们非常感兴趣的话题，我在这里例举一二：

智力形成之谜

如果说农耕社会讲求的是人口与土地，我可以这么说，资本主义社会及更高层的社会讲求的是智力。因为资本主义社会及更高层的社会形态，它形成发展的原动力在于创造新的经济增长点，而这一切都要通过新的创意与将这些创意付诸实施的好的头脑。所以不仅家长们重视孩子的智力提高，甚至国家的决策层也同样重视与智力提高密切相关的教育。

毒品上瘾之谜

毒品上瘾这不仅是一个国家的社会安定层面的问题，还与一个国家的经济发展、良好道德观树立、甚至国家安全密切相关。我们国家正是被毒品打开大门的。如果我说，我了解毒品为何成瘾，我可以消除毒品成瘾，那我们的社会会作如何反应呢？

各种神经疾病之谜

这当中尤其重要的是老年痴呆，这种神经疾病在发达国家的死亡率已经排在了第三位。人类的文明是建立在物质冗余的基础上的，那么人类文明越是高，物质越是冗余，像老年痴呆这类的病就越是会引起重视。所以各类神经疾病的研究会越来越受人重视。

研究的器官

然而，需要特点强调的是，神经生物学的研究光靠生物学工作者的努力是不够的。因为神经生物学所要研究的器官——脑，是生物界中最复杂、最精贵的器官，尤其是人的大脑，更是与众不同，更加发达，而人是不可以直接用来作为研究对象的。所以神经生物学的发展对于方法学的要求是很高的，他必然要求各个相关学科的交叉。这也是神经生物学很多研究至今仍处于初级阶段的原因。

但可以肯定的是神经生物学在本世纪必将取得很大的进展。人类的求知欲需要神经生物学的进步，人类的发展同样需要神经生物学的进步。

特殊性

作为生命科学的一个分支学科，神经生物学是比较特殊的。首先，它的研究离不开生命科学的一些基本研究材料与方法。神经生物学的材料与生物学的其它学科一样，是动物，从低等的果蝇到高等的小鼠、人。神经生物学的研究方法同样离不开核酸的分析与蛋白质的分析，分子生物学的PCR、免疫组化、western blot也是神经生物学的主要研究方法。但除此之外，神经生物学有它自身的特点，那就是神经科学所要重点研究器官——脑是高等生物最复杂的，同时神经元几乎是最难培养的细胞，所以神经生物学研究更需要一些特殊的研究方法。电生理是用电刺激的方法来研究神经回路、神经元在特殊生理条件下的反应。膜片钳是用于测量离子通道活动的精密检测方法。神经细胞、神经网络的遗传与发育研究，自1993年Zieglgansberger W和Tolle TR提出系统生物学方法研究神经疼痛（pain）的疾病机理以来，细胞信号传导网络与基因表达调控的系统生物学已经成为神经生物学研究的重要内容。

发展趋势

作为神经生物学近几十年发展的目击者，在细胞和分子水平的许多重大的研究成果给我留下的印象是深刻的。对脑的不少重要部位神经回路信号传递及其化学基础已形成相当清楚的图景。组织培养、细胞培养，以及组织薄片方法，使人们能把复杂的神经回路还原成简单的单元进行分析。膜片钳位技术和重组DNA技术等，使我们对神经信号发生、传递的基本单元——离子通道的结构、功能特性及运转方式的认识完全改观。对突触部位发生的细胞和分子事件，如神经递质的合成、维持、释放，以及与相应受体的相互作用的研究进展令人瞩目。对神经元、神经系统发展的细胞、分子机制的认识已大大拓展。在脑的高级功能方面，我们已经可以开始谈论记忆的分子基础。对困扰人们已久的若干神经系统疾病的基固定位已经成功，在分子水平对致病原因已进行了细致的分析。如此等等，不胜枚举。

对神经活动的细胞、分子机制的研究，在本质上，是一种还原论（reductionism）的分析，其合理性的基础是：神经活动可最终归结为细胞和分子水平所发生的事件。这样的分析是完全必需的，并且已经取得了巨大的成功。但是，必须清醒地认识到，困于纯粹的还原论分析，对于认识脑和神经系统这样一种高度复杂的系统无疑是跛足的。这是因为，当把复杂的系统“还原”成基本的单元后，不可避免会失去许多信息，而当把基本的单元和过程组织成复杂的系统时，又必然会产生全新的工作特点。试图从基本组分（如基因、离子通道、神经元、突触）的性质来外推脑和神经系统的活动，有其本质上的局限性；进行这种跨越组构层次的推论，必须慎之又慎，并必然有许多保留。

正是考虑到上述这些问题，人们开始强调用整合的观点来研究脑，并形成了神经生物学另一个重要的发展趋势。在我来看，整合的涵义是多方面的。首先，神经活动的多侧面性，要求多学科的研究途径，关于这一点，我已在前面谈到了。整合观点的另一层更重要的涵义是，对神经系统活动的研究必须是多层次的，这是由这门学科的研究内涵所决定的。不论是感觉、运动，还是脑的高级功能，都既有整体上的表现，而其机制的分析则又肯定涉及各种层次。在低层次（细胞、分子水平）上的工作为较高的层次的观察提供分析的基础，而较高层次的观察，又有助于引导低层次工作的推进方向及体现后者的功能意义。重要的是，把这多层次的信息“整合”起来，形成完整的认识。

在较高层次上的研究，包括对大群神经元组合成神经网络的工作原理，以及对不同脑区神经元活动如何协同以实现复杂的功能的探索。新的无创伤脑成象技术（PET，fMRI等）的开发，多导程脑电图技术的发展，以及行为与神经元活动相关研究的推进，反映了科学家在这方面作出的努力。

神经生物学的这些发展趋势，促成了这一领域的繁荣局面，并将在今后相当长时期内主导其发展进程。

在细胞和分子水平的研究将不断拓展和推进，对神经活动的基本过程的研究将进一步深入，并逐渐形成更完整的认识。随着更多的新离子通道（或亚型）的发现及其氨基酸序列的确定，有可能形成更准确的通道分类模式，揭示不同通道的家族关系。对神经递质的存贮、释放、调节的一系列精细过程将得以清楚的阐明。对神经递质与受体结合后的信号转导及其功能作用，将无疑会有更深入的了解，同时将会发现许多新的神经调制方式。在神经系统的发育方面，对神经元整合各种分子信号形成突触和组织特定的神经回路的研究，将取得重大进展；将有更多的神经营养因子被鉴定，相应的受体被发现，它们在发育和成熟的神经系统中的作用将被阐明。这些研究将使人们了解在发育过程中遗传突变的表述如何引起神经系统的缺损。鉴于进展主要是在低等动物的简单神经系统上取得的，人们必须去发展新的技术和方法，在分子水平上去探索高等动物复杂神经系统的发生、发育规律。

在感觉研究方面，研究层次的跨度更大。感觉技能发生在细胞和分子水平上，其过程的阐明将揭示感觉极高敏感度（一个光量子可使先感受器兴奋，毛细胞纤毛运动0.3nm即可达到听阈）的奥秘。在感觉信息加工领域中，既有细胞和分子层次上的研究（如信号的化学传送机制），也包括信号的串行、平行处理最终形成感知觉的更高层次的探索。而对运动的研究，同样具有跨层次的特点，人们将最终了解运动程序如何编制，行为如何实现。

遗传性神经系统疾患的研究无疑将有长足的进展。从研究步伐来看，在未来几十年内，将能预测大部分疾病在个体的未来表达或定位其缺损基因，并对这些基因致病的分子机制有深入的了解。

以上所谈的大致可以从发展态势加以预测。在脑的高级功能方面，我们从眼下的研究进展，当然也可以作一点预测。例如，对于学习、记忆分子机制将会有更深入的了解；利用脑成象技术对神经元活动和精神现象间的关联的认识将不断有所进展等等。但是，我们必须清醒地意识到，在真正意义上对脑的高级功能，特别是复杂高级功能（语言、智力、思维、意识等）的认识还刚刚开始，还存在着巨大的知识上的鸿沟。这种鸿沟产生的根本原因，在于对精神现象变幻莫测的多样性，还缺乏有力的研究工具。精神现象固然有其物质基础，但物质的东西一旦升华为精神，就会产生许多不同的性质和特点。这就是说，人们必须创立一系列新方法，包括若干新原理的方法，跨越不同的组构层次，把神经活动的基本过程与脑高级功能关联起来。如果说，在新世纪中神经生物学要出现重大的突破，在我看来，可能是在脑的高级功能的研究上，这是一个亟待开拓的新领域。（选自《生物化学与生物物理进展》原文标题做了修改）

神经系统

脑、脊髓和全身的周围神经共同构成神经系统。神经系统又可分成中枢神经系统和周围神经系统两个部分。前者包括脑和脊髓，后者由遍布全身的神经网络组成，具有联系脑、脊髓和身体各部的作用。

脑

脑的功能既重要，又神秘。人的思想、信仰、记忆、行为、情感都与大脑密不可分。脑是思维的场所，控制机体的中枢，还具有协调人体躯体感觉、视觉、听觉、嗅觉、运动功能的能力。正是由于有了大脑，人们才得以讲话、计数、作曲、欣赏音乐、识别几何图形、相互理解和彼此交流。大脑还具有制定计划和进行想象的能力。

脑对来自身体表面或内部器官，以及眼、耳、鼻的各种刺激进行整合，然后通过调整体位、四肢运动以及脏器的活动对上述刺激作出反应，并参与情感和觉醒程度的调节。

有人把计算机比作大脑，但到目前为止，还没有任何计算机的能力可以和大脑相比。大脑并非永动机，脑需要连续不断的血液、氧气和营养供应。一般而言，心脏输出的血液约1/5供给了脑。如果血供中断超过10秒钟，就可能引起意识丧失。血氧、血糖水平过低或血中含有有毒有害物质，可在数秒钟内引起大脑功能异常。机体的自身调节机制保护着大脑免遭损害。

在解剖上，脑可以分成大脑、小脑和脑干。

大脑包括左、右两个大脑半球，并由称为胼胝体的神经纤维连接起来。大脑半球可进一步分成额叶、顶叶、枕叶、颞叶等。

额叶主管人们的言语、情感、思想、计划，并控制机体的技巧性运动。大多数人的言语中枢位于左侧优势半球的额叶。

顶叶主管感觉，也与躯体运动有关。

枕叶主管视觉。

颞叶主管记忆、情感，它使得人们得以辨认他人或物品，进行交流和行动。

基底节位于大脑底部，是数群聚集在一起的神经元，能够协调躯体的运动。丘脑下部与人体睡眠、觉醒、体温调节和水盐平衡有关。

脑干的自动调节功能亦非常重要。脑干有助于调节机体的姿势、呼吸、吞咽、心跳，控制代谢速率，增加警觉性。脑干遭受严重损伤时，自动调节功能停止，死亡也就随之而至了。

小脑位于大脑之下，脑干之上，主要调节机体运动。小脑接受大脑的指令以及有关四肢位置、肌肉紧张度的信息，使机体能进行平稳，准确的运动。

脑和脊髓都被三层组织所包裹，它们是：

软脑膜：紧贴脑和脊髓，居最内层；

蛛网膜：为一透明、蜘蛛网样的脉络膜，位于中层，充当脑脊液流通的管道；

硬脑膜：呈皮革样，是最外和最坚韧的一层。

脑和脑膜位于颅腔内。颅腔由颅骨构成，对脑和脑膜具有保护作用。脑脊液在脑的表面、脑膜之间、脑室之间流动，能缓冲脑受到的冲击，减轻脑的损伤，对脑和脑膜也有保护作用。

脊髓

脊髓起源于脑干末端，向下沿脊柱长轴延伸，其功能为连结脑和身体各部并传递信息。像脑被颅骨保护一样，脊髓被椎骨保护着。脑通过脊髓内的上下行神经纤维与身体各部发生联系。每个脊椎都和其上、下椎体形成开口，即椎间孔。脊神经从椎间孔发出。脊髓腹侧发出的脊神经为运动支，传递从脑到肌肉的信息。脊髓背侧发出的神经，称为感觉支，把机体远端的信息传递到大脑。周围神经由单根神经纤维构成，某些周围神经很小（直径小于0.4mm），某些则很大（直径大于6.5mm）。

周围神经也包括沟通脑干和内脏、血管的神经，即所谓植物神经系统。它们调节机体的非意识活动，如心跳、呼吸、胃酸分泌、食物通过消化道的速度等等。

神经

神经系统拥有1000多亿个神经元，这些神经元遍布全身，呈线索样连结大脑和身体各部，或彼此间相互连结。神经元又叫神经细胞，由大的胞体和其延伸部分轴突构成。神经元有许多接受信息的分支--树突。通常，神经以电传导的方式朝某个方向传递信息，从一个神经元的轴突到下一个神经元的树突。在两个神经元的连接点（突触），传递信息的轴突释放微量的，称为神经递质的化学物质，这些物质与下一个神经元树突上的受体结合并产生新的电流。不同类型的神经释放不同种类的神经递质并通过突触来传递信息。

较大的神经轴突被一种起绝缘作用的髓鞘所包裹，这种髓鞘的功能非常类似于电线绝缘层。当该绝缘层遭到破坏或不完全时，神经传递速度就减慢甚至停止。多发性硬化和吉-巴综合征就是上述原因引起的疾病。

神经系统是一个非常复杂，可以接受或传递大量信息的通讯系统，这个系统易于受损和患病。神经变性可以引起阿尔茨海默病或帕金森病，脑和脊髓感染可以引起脑炎或脑膜炎，脑供血中断可以引起脑卒中，外伤或肿瘤可以引起脑和脊髓结构受损。

书籍

书 名: 神经生物学

作　者：丁斐

出版社： 科学出版社

出版时间： 2007

ISBN: 9787030198662

开本： 16

定价: 58.00 元

内容简介

本书较全面、系统地介绍了基础神经科学的主干学科——神经生物学的基本理论，包括神经元和胶质细胞的结构与功能、神经解剖学基础、神经生理学基础、神经化学与神经药理学基础、神经系统发育、神经免疫内分泌调节、神经系统的高级功能、周围神经损伤与再生及中枢神经系统损伤与修复，并对疼痛、脱髓鞘性疾病、癫痫、药物依赖、阿尔茨海默病及帕金森病等神经系统常见病症的研究进行了介绍。在本书最后，还简要介绍了神经生物学常用的研究手段，可为读者从事相关研究提供有益的参考。另外，本书附录的中英文名词索引将有助于读者学习和掌握常见神经生物学名词。

本书内容循序渐进，信息量大，可作为基础医学、临床医学、药学及相关专业本科生及研究生的必修课、选修课教材，也可供从事神经生物学研究的科技工作者参考。

目录

前言

第1章绪论

第2章神经元与胶质细胞

第3章神经解剖学基础

第4章神经生理学基础

第5章神经化学与神经药理学基础

……

编辑推荐

《神经生物学》内容丰富，重点突出。可供高等院校神经生物学和牛物物理专业本科生或研究生教材，也可供生物学、医学和药学专业学生或临床医生参考。

文摘

插图：

作者简介

阮迪云，男，教授，博士生导师。1942年3月生，湖南邵阳人。1965年毕业于中国科学技术大学生物物理系，留校工作至今。1985.6—1988.9年在美国休斯顿大学从事铅的神经毒理学研究。1993.6—1994.9，1998， 2000，2001年在加拿大蒙特利尔大学从事神经生理学的合作研究和学术交流。

中国科技大学生命科学学院神经毒理学实验室主任。中国微量元素铅研究会副主任，中国国情调查研究中心铅防治专家指导委员会副主任，安徽铅防治研究中心主任，中国生物物理学会辐射与环境生物物理专业委员会委员，中国毒理学会生化与分子毒理专业委员会委员，安徽省环境诱变剂学会副理事长，安徽省神经科学学会理事长，美国和加拿大神经科学学会会员，国际脑研究会会员，国际毒理学会会员，“中国药理学和毒理学杂志”编委。

序言

2008年是中国科学技术大学建校五十周年。为了反映五十年来办学理念和特色，集中展示教材建设的成果，学校决定组织编写出版代表中国科学技术大学教学水平的精品教材系列。在各方的共同努力下，共组织选题281种，经过多轮、严格的评审，最后确定50种入选精品教材系列。

1958年学校成立之时，教员大部分都来自中国科学院的各个研究所。作为各个研究所的科研人员，他们到学校后保持了教学的同时又作研究的传统。同时，根据“全院办校，所系结合”的原则，科学院各个研究所在科研第一线工作的杰出科学家也参与学校的教学，为本科生授课，将最新的科研成果融入到教学中。五十年来，外界环境和内在条件都发生了很大变化，但学校以教学为主、教学与科研相结合的方针没有变。正因为坚持了科学与技术相结合、理论与实践相结合、教学与科研相结合的方针，并形成了优良的传统，才培养出了一批又一批高质量的人才。

学校非常重视基础课和专业基础课教学的传统，也是她特别成功的原因之一。当今社会，科技发展突飞猛进、科技成果日新月异，没有扎实的基础知识，很难在科学技术研究中作出重大贡献。建校之初，华罗庚、吴有训、严济慈等老一辈科学家、教育家就身体力行，亲自为本科生讲授基础课。他们以渊博的学识、精湛的讲课艺术、高尚的师德，带出一批又一批杰出的年轻教员，培养了一届又一届优秀学生。这次入选校庆精品教材的绝大部分是本科生基础课或专业基础课的教材，其作者大多直接或间接受到过这些老一辈科学家、教育家的教诲和影响，因此在教材中也贯穿着这些先辈的教育教学理念与科学探索精神。