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1、脑科学展望脑科学的定义脑科学的定义脑脑科科学学又又称称神神经经科科学学（Neuroscience)，其其作作为为一一门门独独立立学学科科仅仅有有四四十十余余年年的的历历史史，但但它它与与神神经经生生理理、神神经经解解剖剖、神神经经生生物物化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社会开放吸毒问题吸
2、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）EEGRIA(化学）化学）PETPCR(基因）基因）fMRIConfocal(形态）形态）行为变化行为变化一、认识脑一、认识脑神神经经生生物物学学：研研究究神神经经系系统统的的结结构构与与功功能能及及其其相相互互关关系系。是是在在分分子子、细细胞胞、神神经经网网络络或或回回路路、系系统统和和整整体体水水平平上上阐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.神经元学说创立神经元学说创立GolgiGolgi用用
3、镀镀银银法法染染色色，第第一一次次在在显显微微镜镜下下观观察察到到了了神神经经元元和和胶胶质质细细胞胞，为为研研究究神神经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在在掌掌握握了了Golgi的的方方法法后后，建建立立了了还还原原硝硝酸酸银银染染色色法法，可可以以显显示示出出神神经经元元树树突突，发发现现神神经经元元之之间间没没有有原原生生质质的的联联系系，认认为为神神经经元元是是整整个个神神经经活活动动的的最最基基本本单单位位，从从
4、而而使使复复杂杂的的神神经经系系统统有有了了进进一一步步研研究究的的切切入口入口。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
5、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）EdgarAdrian（1889-1977）EdgarAdrian在在单单根根神神经经纤纤维维上上记记录录到到电电活活动动，即即神神经冲动。经冲动。证证明明这这些些传传人人神神经经冲冲动动可可以以到到达达大大脑脑，引引起起脑脑电电变变化化，也也可可以以通通过过中中枢枢联联系系经经传传出出神神经经支支配配肌肌肉肉收收缩缩，从从而而把谢灵倾的反射学说具体化了。把谢灵倾的反射学说具
6、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）AlanHodgkin(1914-1998)赫胥利（英）赫胥利（英）AndrewHuxley(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
7、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Loewi1921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在在证证明明副副交交感感神神经经末末梢梢能能分分泌泌出出乙乙酰酰胆胆碱碱（Ach)，而而且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。把把神神经经化化学学研研究究方方法法与与神神经经生生理理研研究究结结合合起起来来，牢牢固固地地建建立立了
8、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AChAChAChAChNEM1-5N1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-）奥伊勒奥伊勒(瑞典瑞典)U.VonEuler（1905-1983）阿克塞尔罗德阿克塞尔罗德(美
9、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NEN1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阐阐明明了了儿儿茶茶酚酚胺胺类类神神经经递递质质的的代代谢谢过过程程，为为治治疗疗高高血血压压、帕帕金金森森氏氏病病药药物物的的研研制制开开创创了新途径。了新途径。19914
10、.离子通道和信号转导离子通道和信号转导Neher和和Sakmann发发现现了了细细胞胞中中单单离离子子通通道道的的活活动动态态。他他们们应应用用膜膜片片钳钳技技术术，记记录录到到了了细细胞胞膜膜上上单单个个离离子子通通道道的的电电流流量量，证证实实了了离离子子通通道道的的改改变变，可可影影响响细细胞胞内内、外外离离子子浓浓度度，从从而而调调节节细细胞胞的的功功能。能。内尔（德）内尔（德）E.Neher(1944)伯特伯特萨克曼萨克曼（德）（德）B.Sakmann（1942-）patch clamp recording technique他他们们的的研研究究首首次次表表明明气气体体NO分分子子可
11、可以以穿穿过过细细胞胞膜膜而而发发挥挥信信使使作作用用，提提出出了了生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，这种）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用，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用，缺失该递质会导致类似帕金森氏病的症状。缺失该递质会导致类似帕金森氏病的
12、症状。2000卡尔森卡尔森(瑞典瑞典)A.Carlsson(1922-)Kandel 发发现现细细胞胞内内蛋蛋白白质质的的磷磷酸酸化化可可以以加加强强突突触触传传递递效效率率，构构成成了了短期记忆的基础；短期记忆的基础；多多次次强强烈烈的的突突触触传传递递活活动动，可可影影响响神神经经元元内内的的蛋蛋白白质质合合成成代代谢谢，改改变变突突触触的的结结构构，形形成成长长时时程记忆的基础。程记忆的基础。坎德尔坎德尔(美）美）E.R.Kandel(1929-)5.感觉和知觉感觉和知觉Gullstrand通通过过眼眼屈屈光光度度的的研研究究，建建立立了了常常用用的的眼眼睛睛光光学学模模型型高高尔斯斯特
13、特兰简化眼。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从从事事视视觉觉升升华华的的研研究究，包包括括对对遗遗传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 ner
14、vesclerachoroidretinachoroida.Location of retinab.Micrograph of retinalight raysaxons ofganglion cellsblindspotopticnerveganglioncell layerbipolarcell layerrod celland conecell layerR.Barany对对前前庭庭器器官官进进行行了了生生理理与与病病理理学学的的研研究究，探探明明前前庭庭器器官官功功能能及及其其疾疾病病的的诊诊断断方法。方法。巴拉尼（奥地利）巴拉尼（奥地利）R.Barany（1876-1936)位置觉位
15、置觉1914贝凯希（美）贝凯希（美）G.V.Bakesy(1899-1972)V.Bakesy发发现现耳耳蜗蜗感感音音的的物物理理机机制制，外外界界声声波波使使内内耳耳基基底底膜膜振振动动，从从而而使使毛毛细细胞胞电电位位发发生生变变化化，激激发发耳耳蜗蜗神神经经产产生生冲冲动动，传传至至脑而产生听觉。脑而产生听觉。1961听觉听觉巴克（美）巴克（美）LindaB.Buck（1947-)阿克塞尔（美）阿克塞尔（美）RichardAxel（1946-）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人体体约约有有1000个个基基因因用用来来编编码码气气味味受受体体细细胞胞膜膜上
16、上的的不不同同气气味味受受体体，每每个个气气味味受受体体细细胞胞会会对对有有限限的的几几种种相相关关分分子子作作出出反反应应。尽尽管管气气味味受受体体只只有有约约1000种种，但但它它们们可可以以产产生生大大量量的的组组合合，形形成成大大量量的的气气味味模模式式，这这也也就就是是人人们们能能够够辨辨别别和和记记忆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年年进进行行了了分分裂裂脑脑的的研研究究，将将猫猫和和猴猴大大脑脑两两半半球球之之间间的的胼胼胝胝体体切切断断，发发现现两两半半球球各各自自保保留留自自身身的的学学
17、习习能能力力，但但两两半半球球之之间间不不再再能能进进行行信信息息传传递递。以以后后又又将将癫癫痫痫病病人人联联系系左左右右脑脑的的胼胼胝胝体体切切断断作作为为治治疗疗措措施施，并并进进行行细细致致研研究究，发发现现左左脑脑偏偏重重抽抽象思维，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、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
18、)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：空空间间形形象象记记忆忆、直直觉觉、情情感感、身身体体协协调调、视视知知觉觉、美美术术、音音乐节奏、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。右右脑脑又又称称作作“本本能能脑脑”、“潜潜意意识识脑脑”、“创创造造脑脑”、“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
19、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)大大脑脑不不同同部部位位有有职职能能分分工工，视视觉觉皮皮层层以以细细胞胞柱柱为为功功能能单单位位，分分别别有有方方位位优优势势柱柱和和左左眼眼或或右右眼眼作作为为优优势势眼眼)，对视觉信息进行加工对视觉信息进行加工;(2)出出生生早早期期视视觉觉皮皮层层的的发发育育受受环环境境影影响响，具具有有很很大大的的可可塑性。塑性。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
20、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JohnOKeefe（英国）May-BrittMoser（挪威）EdvardI.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-BrittMo
21、ser和EdvardMoser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。他他们们揭揭开开了了胚胚胎胎如如何何由由一一个个细细胞胞发发育育成成完完美美的的特特化化器器官官,如如脑脑和和腿腿的的遗遗传传秘秘密密，也也树树立立了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
22、胚胎发育的模式。神神经经发发育育生生物物学学的的内内容容广广泛泛，包包括括出出生生前前的的胚胚胎胎发发育育，出出生生后后的的生生长长、成成熟熟、老老化化、退退变变、凋凋亡亡和和损损伤伤后后的的再再生生修修复复等等，而而且且由由于于技技术术上上的的困困难难对对神神经经系系统统的的发发育育了了解解还还很很少少，所所以以该该研研究究是是近近年年来来研研究究进进展展最最为为缓缓慢慢的的领领域域，他他们们的的重重大大发发现现成成为为神神经经发发育育生生物物学学的的历史转折点。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）EdwardB.Lewis(1928-)尼斯莱因尼斯莱因-
23、福尔哈德（德）福尔哈德（德）ChristianeNusslein-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ActaPaediatr90:707-15.2001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
24、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RosalynYalow(1921-)（美）（美）沙利沙利 AndrewV.Schally(1926-)（美）（美）吉耶曼吉耶曼RogerGuillemin(1924-)（美）（美）19771941年的年的RosalynYalowGuillemin与与Schally同时证明了肾上腺皮质同时证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
25、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拓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；展到中枢神经系统，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
26、一类蛋白质因子李维李维-蒙塔西妮（意）蒙塔西妮（意）RitaLevi-Montalcini(1909-)斯坦利斯坦利高根（美）高根（美）StanleyCohen(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发展展了了阴阴极极射射线线示示波波器器，可可以以记记录录神神经经纤纤维维上上微微小小的的电电位位变变化化。证证明明神神经经纤纤维维越越粗粗，传传导导冲冲动动的的速速度度越越快快，并并因因此此将将神神经经纤纤维维分分为为A、B、C三三类类。这这一一方方法法学学的的进进步步，为为深深人人细致的电生理研究打下坚实基础细致的电生
27、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)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（LongtermPotentiation，长时程增强），长时程增强）脑功能成像脑功能成像TimBlissin1973在在高高等等动动
28、物物中中，1973年年，英英国国的的布布理理斯斯(Tim Bliss)和和挪挪威威的的洛洛默默(TerjeLmo)发发现现LTP，是是神神经经可可塑塑性性机机理理的的重重要要发发现现和和主主要要模模型型。其其后后二二十十多多年年内内，LTP已已在在脑脑内内多多个个部部位位观观察察到到，并有证据显示与一些学习记忆有关。并有证据显示与一些学习记忆有关。1.LTP研究研究MarcRaichle将将正正电电子子扫扫描描(PET)做活体人影像检测；做活体人影像检测；SeijiOgawa利利用用功功能能性性核核磁磁共共振振成成像像(fMRI)技技术术进进行行脑功能研究。脑功能研究。他他们们的的工工作作是是
29、生生物物医医学学影影像像的重要发展的重要发展2.PET和和fMRI研究研究SeijiOgawa(日本日本)MarcRaichle(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、治疗方神经系统有关的疾病，及其诊断、治疗方法、技术等。法、技术等。世世界界卫卫生生组组织织的的资资料料显显示示，全全球球现现有有约约4.54.5亿亿人人患患有有神神经经精精神神疾疾病病，包包括括抑抑郁郁症症、躁躁狂狂症症、精精神神分分裂裂症症、神神经经发发育育障障碍碍疾疾病病如如儿儿童童自自闭闭症症等等。据据预预测测
30、，在在未未来来2020年年中中，抑抑郁郁症症将将可可能能排排在在世世界界疾疾病病负负担担(疾疾病病所所致致的的经经济济负负担担)的的第第2 2位位。我我国国目目前前精精神神疾疾病病患患者者约约16001600万万人人，神神经经精精神神疾疾病病在在我我国国疾疾病病总总负负担担中中排排名名首首位位，约约占占疾疾病病总总负负担担的的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（Alzheimersdisease,AD）：）：65岁以上约岁以上
31、约5%,85岁以上岁以上20%正常脑AD脑帕金森病（帕金森病（Parkinsonsdisease,PD）：）：65岁以上患病率岁以上患病率1700/10万万(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AscendingpathwaysofpainLocationofbrainactivitycorrelatedwi
32、thbothinducedcocainecravingandanger.Cocainecraving(yellow)Anger(blue)Neural Activity Related to Drug Cravingin Cocaine Addiction（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ComputationalBraininterfac
33、e,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，PhillipKennedy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。http:/ Do 美国北卡罗来纳州日本京都Monkey ThinkNATURE|Vol453|19June2008“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，将数据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出动通过探
34、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。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 脑电波的应用机机器器鼠鼠的的主主要要功功能能是是搜搜寻寻：把把它它放放置置在在一一个个陌陌生生的的环环境境，它它能能够够象象真真实实的老鼠一样，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。胡胡须须能能够够探探测测洞洞口口大大小小，视视力力能能够够观观察察辨辨别别事事物物。不不过过老老鼠鼠的的嗅嗅觉觉系系统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
35、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。首首先先，取取出出鼠鼠脑脑，在在培培养养状状态态下下解解离离神神经经细细胞胞，然然后后进进行行神神经经细细胞胞培培养养。培培养养基基容容器器长长宽宽均均为为8厘厘米米，与与一一个个拥拥有有60个个电电极极的的电子矩阵相连接。电子矩阵相连接。“鼠脑鼠脑”机器人机器人 第二部分 当
36、代脑研究的状况 1970-20001970-2000年年的的3030年年间间，美美国国神神经经科科学学学学会会的的会会员员人人数数增增长长了了近近3030倍倍,2000,2000年年达达到到2800028000人人左左右右，年年会会的的论论文文摘摘要要增增长长了了近近100100倍倍，20002000年年已已达达到到巧巧1500015000篇篇左左右右，遍遍及及神神经经科科学学研研究究的各个领域。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).)
37、.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
38、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；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年年，中中国国提提出出了了“脑脑功功能能及及其其细细胞胞和和分分子子基基础础”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
39、技术计划。在在我我国国，认认知知神神经经科科学学近近年年来来也也得得到到了了高高度度重重视视。在在国国家家中中长长期期科科学学和和技技术术发发展展规规划划纲纲要要（20062020年年）中中，“脑脑科科学学与与认认知知科科学学”被被列列为为我我国国科科技技中中长长期期发发展规划的八大前沿科学领域之一。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
40、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）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。
41、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
42、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
43、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
44、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。神神经经系系统统的的发发育育，特特别别是是人人脑脑的的发发育育、脑脑的的移移植植和和再再生生；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
45、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（Synaptogenesisandrearrangement）神经元死亡（神经元死亡（NeuronDeath）髓鞘化（髓鞘化（Myelination）（Schuurmans,2002）室管下区室管下区（subventricula
46、rzone，SVZ）颗粒下层颗粒下层（subgranularzone，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 在在突突触触成成熟熟过过程程中中，胶胶质质细细胞胞释释放放的的可可溶溶性性接接触触依依赖赖因因子子影影响响突突触触后后致致密密物物质质的的成成分分。突突触触的的连连接接需需要要胶胶质质细细胞胞去去保保持持结结构构的的稳稳定定(Pfrieger,2002)。星星形形胶胶质质细细胞胞可可以以七七倍倍增增加加中中枢枢神神经
47、经系系统统神神经经元元之之间间成成熟熟的的有有功功能能的的突突触触数数目目(Ullianetal.,2004)。星星形形胶胶质质细细胞胞可可诱诱导导成成年年神神经经干干细细胞胞的的神神经经发发生生(Songetal.,2002)。胶胶质质细细胞胞也也被被认认为为是是突突触触的的伴伴侣侣，动动态态的的调调节节突突触触的的传传递递(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代代后后期期，创创立立分分子子生生物物学学的的先先驱驱中中有有一一批批认认为为分分子子生生物物学
48、学基基本本原原理理已已经经解解决决，而而决决定定转转向向神神经经生生物物学学。其其中中克克里里克克(FrancisCrick)研研究究大大脑脑高高级级功功能能、布布任任讷讷(SydneyBrenner)研研究究线线虫虫行行为为(他他的的学学生生用用线线虫虫在在发发育育和和细细胞胞凋凋亡亡等等领领域域有有重重要要发发现现)、而而加加州州理理工工学学院院的的本本泽泽(SeymourBenzer)开开始始用用果果蝇蝇研究行为。研究行为。1973年年Bliss和和Lmo发发现现LTP后后，一一直直认认为为是是神神经经可可塑塑性性机机理理的的重重要要发发现现和和主主要要模模型型。其其后后二二十十多多年年
49、内内，LTP已已在在脑脑内内多多个个部部位位观观察察到到，并并有有证证据据显显示示与与一一些些学学习习记记忆忆有有关关。日日本本的的依依藤藤发现长期性减弱作用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
50、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。免疫细胞可合成某些神经肽或激素。免疫细胞可合成某些神经肽或激素。神经细胞及内分泌细胞均可合成及分泌免疫分子神经细胞及内分泌细胞均可合成及分泌免疫分子(如细胞如细胞因子等因子等)，且细胞因子对内分泌影响亦极为广泛。，且细胞因子对内分泌影响亦极为广泛。神经内分泌及免疫系统间存在双向往返的反馈联系。神经内分泌及免疫系统间存在双向往返的反馈联系。许多临床疾病的发生和发展与神经免疫和内分泌系统间许多临床疾病的发生和发展与神经免疫和内分泌系统间的交互作用密切相关。的交互作用密切相关。（五）（五）人工智能型