大腦信息處理PPT文檔

1、lifescience一、視覺信息處理機制一、視覺信息處理機制1、視覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)(視網(wǎng)膜、外膝體、視皮層)2、視覺系統(tǒng)各部分的信息處理lifesciencelifescience關(guān)于視知覺的三條基本的評論關(guān)于視知覺的三條基本的評論1欺騙性2模棱兩可3建構(gòu)過程lifescience視網(wǎng)膜外膝體視皮層視皮層上丘丘腦枕人類視覺通路示意圖lifescience基本的視覺信息基本的視覺信息1、亮度：380780nm,是一種外界輻射的物理量在我們視覺中反映出來的心理物理量。2、形狀：由物體在視覺空間上的亮度分布、顏色分布或運動狀態(tài)不同而顯示出來。對比度、方位3、運動（運動方向和速度）:4、顏色：主觀感覺。

2、5、立體（或深度）視覺：lifescience感受野（感受野（receptor field）視通路中任一神經(jīng)元都有其各自的視野或在視網(wǎng)膜上有一個代表區(qū)域，這個對應區(qū)域就是該細胞的視覺感受野。視覺感受野的研究是單細胞視覺功能的鑰匙。lifesciencelifescience視網(wǎng)膜細胞lifescience視網(wǎng)膜細胞視網(wǎng)膜細胞感受器細胞（感光細胞）：視錐細胞，視桿細胞 ，給出分級的超極化電位，不產(chǎn)生動作電位 雙極細胞 ：只能給出分級電位，不產(chǎn)生動作電位 ，同心圓拮抗方式 神經(jīng)節(jié)細胞(ganglion cell, gc) ：同心圓拮抗式感受野 lifescience光信號轉(zhuǎn)換成神經(jīng)沖動（感光細胞的

3、作用）光信號轉(zhuǎn)換成神經(jīng)沖動（感光細胞的作用）視色素:視蛋白+順式視黃醛光照，順式視黃醛全反式視黃醛 激活轉(zhuǎn)導蛋白 激活磷酸二酯酶(pde) cgmpgmp cgmp含量的下降，造成了na+不能再流入細胞內(nèi)，引起超極化。lifescience神經(jīng)節(jié)細胞lifesciencelifesciencemach band現(xiàn)象的神經(jīng)生物學解釋lifescience外膝體（外膝體（lateral geniculate nucleus）中繼細胞（投射細胞，p細胞）中間神經(jīng)元，（i細胞，25%）lifescience視皮層視皮層視皮層，現(xiàn)知與視覺有關(guān)的大腦皮層多達35個（猴），自皮層表面到白質(zhì)分成6層，外膝狀體

4、核處理后的視覺信息首先傳到皮層17區(qū)，（i區(qū)或紋狀體區(qū)）。外膝狀體細胞軸突末梢終止于第4層內(nèi)，然而再與2，3層細胞，第5，6層細胞建立突觸聯(lián)系。 星形細胞（stellate cell）和錐體細胞（pyramidal cell）lifescience簡單細胞的感受野及其特點lifesciencelifescience超柱lifescience既平行又分級串行的信息處理機制lifescience腦工作原理腦工作原理1、“主教細胞”假說：(1) 組合爆炸 (2) 信息的集成問題 2、細胞群假設(shè) ：由一群細胞的時空發(fā)放模式來反映刺激的類型 (1) 重疊災難 (2) 難以表達“等級結(jié)構(gòu)”(3)特征捆綁問

5、題 3、時空編碼理論 ：動態(tài)細胞群lifescience根本問題：根本問題：1、 腦的各部分越來越趨向于分工處理各種各樣的視覺特征，然后我們的視覺卻把各種視覺特征綜合成一個完整的視覺實體？2、 視覺圖像如何在腦中貯存和利用？lifescience二、學習與記憶機制二、學習與記憶機制1、學習與記憶的類型2、學習與記憶機制（1）海馬（2）ltplifescience腦的學習和記憶腦的學習和記憶學習：指人或動物通過神經(jīng)系統(tǒng)接受外界信息而影響自身行為的過程行為學：引起個體對特殊環(huán)境條件所產(chǎn)生的適應性行為的全部過程記憶：獲得的信息或經(jīng)驗在腦內(nèi)儲存和提?。ㄔ佻F(xiàn)）的神經(jīng)活動過程心理學：記憶是一種心理過程，由

6、識記、保持、再認或回憶所組成學習和記憶的基本過程：獲得，鞏固，再現(xiàn)獲得：是感知外界事物或接受外界信息（外界信息）的階段，也就是通過感覺系統(tǒng)向腦內(nèi)輸入訊號的階段。學習階段。識記或登錄。注意力對獲得的信息影響很大。鞏固：獲得的信息在腦內(nèi)編碼貯存和保持的階段。保存時間的長短和鞏固程度的強弱與該信息對個體的意義以及是否反復應用有關(guān)。再現(xiàn)：將貯存于腦內(nèi)的信息提取出來使之再現(xiàn)于意識中的過程。回憶。lifescience學習的類型學習的類型1、簡單學習：某種刺激重復作用的結(jié)果（1）習慣化：在反復刺激的過程中，因刺激而引起的行為反應減弱。海兔的縮鰓反射（2）敏感化：在某種刺激（通常是強刺激）后，對該種刺激反應

7、明顯增強。2、聯(lián)合型學習：（1）經(jīng)典的條件反射：指一個條件刺激和一個非條件刺激所分別引起的兩種行為反應之間可建立起聯(lián)系（2）操作式條件反射：包含著反應與刺激聯(lián)系的形成。讓動物操作物體來學習解決問題，并得到獎賞或避開懲罰lifescience習慣化lifescience海兔縮腮反射敏感化的突觸前易化機制lifesciencelifescience經(jīng)典條件反射過程中突觸傳遞變化的示意圖lifescience記憶記憶瞬時記憶：當外界的刺激作用于人們的感覺系統(tǒng)，其信息會保持很短的時間短期記憶（幾分鐘）長期記憶（數(shù)分鐘，幾年）心理學：形象記憶以事物形象為內(nèi)容的記憶邏輯記憶關(guān)于事物的意義、性質(zhì)、變化規(guī)律等

8、內(nèi)容情感記憶涉及某些情感體驗及情緒變化為內(nèi)容的記憶運動記憶技巧和技能性的操作和運動或習慣化動作等方面。lifescience多重記憶系統(tǒng)多重記憶系統(tǒng)1、陳述性記憶,外顯性記憶 （explicit memory）進入意識系統(tǒng)，比較具體，可以清楚的描述涉及邊緣系統(tǒng)的腦結(jié)構(gòu)，依賴于大腦皮層和某些特異性腦區(qū)需要hebb突觸模式，即突觸前神經(jīng)元與突觸后神經(jīng)元同時興奮的聯(lián)合機制2、程序性記憶,內(nèi)隱式記憶（implicit memory）沒有意識成分參與，只涉及刺激順序的相互關(guān)系，貯存各個事物之間相關(guān)聯(lián)的信息，只有通過順序性的操作過程才體現(xiàn)出來。運動技巧?；咨窠?jīng)節(jié)為主要環(huán)節(jié)只需即或與該項學習記憶有關(guān)的感覺

9、系統(tǒng)和運動系統(tǒng)只需突觸前易化作用機制，即突觸前神經(jīng)元和有關(guān)的調(diào)制神經(jīng)元的聯(lián)合機制lifescience大腦皮層v1v2，v3，v4邊緣系統(tǒng)內(nèi)側(cè)顳葉、內(nèi)側(cè)丘腦、腹內(nèi)側(cè)額葉基底前腦膽堿能系統(tǒng)視覺陳述性記憶學習和記憶神經(jīng)回路示意圖lifescience大 腦 皮 層尾 核蒼白球運動系統(tǒng)丘 腦邊 緣 系 統(tǒng)vtp伏隔核dagaba習得性行為神經(jīng)調(diào)控的框圖lifescience工作記憶（工作記憶（working memory）屬程序性記憶、短時記憶依賴于大腦前額葉皮層神經(jīng)環(huán)路的功能，尤其是谷氨酸神經(jīng)元與多巴胺神經(jīng)元之間的平衡。是一短暫時刻的知覺，是一系列操作過程中的前后連接關(guān)系，后一項活動需要前項活動為

10、參照。對腦高級功能的意義，通常是在過去的經(jīng)歷與當前的行動之間提供時間和空間的連續(xù)性，對于思維運算、下棋、彈鋼琴以及無準備的即席演講等都是十分重要的。lifescience腦是怎樣進行記憶的？記憶的物質(zhì)基礎(chǔ)是什么？信息是通過什么方式寫入，又以什么方式回憶和重現(xiàn)？海馬齒狀回是大腦皮質(zhì)中唯一的只與大腦皮質(zhì)內(nèi)部發(fā)生聯(lián)系，而不與皮質(zhì)下中樞發(fā)生聯(lián)系的結(jié)構(gòu)，它接受來自內(nèi)嗅區(qū)的穿通纖維，發(fā)出的軸索，形成苔狀纖維，止于ca3區(qū)錐體細胞主干樹突基部。苔狀纖維的突觸結(jié)構(gòu)比較特殊，內(nèi)含密集的圓形透明囊泡和少量實心的囊泡，且與好幾個樹突棘形成突觸復合體苔狀纖維突觸集群，這一結(jié)構(gòu)只在海馬和小腦中才有，它被認為可能是腦信息

11、的存儲載體。lifescience海馬ltp可能是學習記憶的分子基礎(chǔ)1973年bliss及其合作者，電刺激麻醉兔的內(nèi)嗅皮層，使海馬表層的穿通纖維興奮，可在齒狀回記錄到場電位。先用高頻電刺激幾秒鐘后，再用單個電刺激，記錄到的部分場電位幅度大大超過原先記錄的對照值，并可持續(xù)幾小時，幾天。這一現(xiàn)象稱為長時程增強效應（ltp）。1983年發(fā)現(xiàn)nmda（n甲基d門冬氨酸）受體通道復合體在ltp過程中起重要作用，進一步深化了對ltp在大腦學習記憶中作用的理解。lifesciencelifescienceltp定義：給突觸前纖維一個短暫的高頻刺激后，突觸傳遞效率和強度增加幾倍且能持續(xù)數(shù)小時至幾天保持這種增強

12、的現(xiàn)象。ltp和學習、記憶的聯(lián)系吸引子假說ltp有三個基本特征：協(xié)同性（cooperativity）：誘導ltp需要很多纖維同時被激活聯(lián)合性（associativity）：有關(guān)的纖維和突觸后神經(jīng)元需要以聯(lián)合的形式一起活動特異性（input-specificity）：所誘導的ltp對被激活的通路是特異的，在其他通路上不產(chǎn)生ltp。lifescienceltp的時程和分類：時程：ptp強直后增強，一般5分鐘后衰減stp短時程增強，持續(xù)半小時左右。ltp長時程增強，持續(xù)一小時以上lifesciencelifesciencelifescience學習和記憶過程的調(diào)制 膽堿能受體阻斷劑：阻斷學習膽堿酯酶

13、抑制劑：增強學習腎上腺素：增強記憶加壓素全身注射腎上腺素受體激動劑或阿片受體拮抗劑和gaba受體拮抗劑均能增強記憶保持。lifescience促智藥物（促智藥物（nootropic drugs）促智藥對實驗動物和人體具有行為促進效應和某些生理生化效應而沒有其他精神藥物（如安眠藥、鎮(zhèn)靜藥）的副作用。包括膽堿能藥物、鈣拮抗劑、神經(jīng)肽、神經(jīng)營養(yǎng)因子等。lifescienceca2+起著多功能信使的作用，水平過高和過低都會影響動物的記憶保持能力。小鼠實驗證明海馬內(nèi)合適的ca2+濃度是維持記憶功能的必要條件。各主要腦取得細胞內(nèi)ca2+濃度升高是腦老化的重要特征之一，鈣通道拮抗劑能有效的阻斷細胞外ca2+

14、內(nèi)流及抑制細胞內(nèi)鈣的釋放，從而減輕細胞內(nèi)鈣負載，起著保護神經(jīng)細胞的作用。尼莫地平：是迄今在動物實驗中改善記憶作用最強的藥物。lifescience記憶的神經(jīng)基礎(chǔ)是突觸可塑性的改變和新的神經(jīng)回路的形成。一個良好的學習功能狀態(tài)應該是，既能不斷的學習新的東西，又能記住已經(jīng)學會的東西，也就是既要不斷建立新的聯(lián)系，又要保持原來已形成的，對適應生存有用的記憶。不斷強化要有輸入，還要有輸出。lifescience三、腦科學簡介三、腦科學簡介1、基礎(chǔ)神經(jīng)科學：側(cè)重基礎(chǔ)理論神經(jīng)生物學：研究人和動物的神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能、及其相互關(guān)系的科學，是在分子水平上、細胞水平上、神經(jīng)網(wǎng)絡或回路水平上乃至系統(tǒng)和整體水平上闡明

15、神經(jīng)系統(tǒng)特別是腦的物質(zhì)的、能量的、信息的基本活動規(guī)律的科學。(認識腦) 由六個研究分支：分子神經(jīng)生物學（化學物質(zhì)）、細胞神經(jīng)生物學（細胞、亞細胞）、系統(tǒng)神經(jīng)生物學、行為神經(jīng)生物學（學習記憶、情感、睡眠、覺醒等）、發(fā)育神經(jīng)生物學、比較神經(jīng)生物學計算神經(jīng)科學：應用數(shù)學理論和計算機模擬方法來研究腦功能的學科。(創(chuàng)造腦)2、臨床神經(jīng)科學：側(cè)重醫(yī)學臨床應用研究與神經(jīng)系統(tǒng)有關(guān)的疾病，及其診斷、治療方法、技術(shù)等(保護腦)lifescience腦科學的任務腦科學的任務最終目的：在于闡明人類大腦的結(jié)構(gòu)與功能，以及人類行為與心理活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，增進人類神經(jīng)活動的效率，提高對神經(jīng)系統(tǒng)疾患的預防、診斷、治療服務水平。

16、基本目標：1、揭示神經(jīng)元間各種不同的連接形式，為闡明行為的腦的機制奠定基礎(chǔ)。突觸（1014）2、在形態(tài)學和化學上鑒別神經(jīng)元間的差異，了解神經(jīng)元如何產(chǎn)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(jīng)元特殊的細胞和分子生物學特性。4、認識實現(xiàn)腦的各種功能（包括高級功能）的神經(jīng)回路基礎(chǔ)。5、闡明神經(jīng)系統(tǒng)疾患的病因、機制，探索治療的新手段。lifescience神經(jīng)生物學處于生命科學發(fā)展前沿神經(jīng)生物學處于生命科學發(fā)展前沿著名學者高度評價神經(jīng)生物學的研究著名學者高度評價神經(jīng)生物學的研究神經(jīng)生理學家，諾貝爾醫(yī)學生理學獎獲得者eccles預言：“在30年內(nèi)，世界上大多數(shù)最偉大的科學家將都是在研究

17、腦”諾貝爾醫(yī)學獎獲得者crick指出：“對于人類來說，沒有任何一種科學研究比研究人腦更重要。人約有十萬多結(jié)構(gòu)基因，包括密碼結(jié)構(gòu)蛋白，密碼運動蛋白和密碼酶，其中60%以上在神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)。其中目前已知的才幾十種”其他不是因研究神經(jīng)系統(tǒng)領(lǐng)域而獲諾貝爾獎的人，如waston、crick、nirenberg等，也已經(jīng)轉(zhuǎn)入神經(jīng)生物學研究領(lǐng)域。lifescience世界各國普遍重視神經(jīng)生物學研究美國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(jīng)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

18、年委員會”及腦研究聯(lián)盟日本推出了“腦科學時代”計劃綱要中國提出了“腦功能及其細胞和分子基礎(chǔ)”的研究項目，并列入了國家的“攀登計劃”1969年美國神經(jīng)科學學會成，當時僅數(shù)百名會員，1989年會員已達18000多名，成為生命科學方面最大的學會，1995年增加到24000多名。lifescience腦科學新進展腦科學新進展1、分子和細胞水平的神經(jīng)科學發(fā)展迅猛2、感覺信息加工的重大突破視覺的腦機制3、神經(jīng)網(wǎng)絡的研究進入新的高潮4、發(fā)育神經(jīng)生物學的崛起5、神經(jīng)和精神疾病的研究進展驚人6、整體的和無創(chuàng)傷條件下的研究lifescience日本腦科學研究中的一些熱點日本腦科學研究中的一些熱點神經(jīng)元功能的分子生

19、物學研究研究控制產(chǎn)生特異性功能的分子和細胞機制，以及神經(jīng)回路中突觸聯(lián)系的可塑性變化的分子和細胞機制分子神經(jīng)病力學研究導致某些腦功能紊亂的神經(jīng)性疾病基因，alzheimer腦功能成象無損傷的腦功能成象技術(shù)fmri、meg，研究人的心智問題人的信息處理機制和智能化人機界面的研究視覺信息處理、語音處理以及信息整合和產(chǎn)生。多模態(tài)通訊、腦通訊、發(fā)生和感知之間的相互作用類腦機器和腦型計算機的研究大規(guī)模立體多層次神經(jīng)芯片的研制，智能機器人的研制動態(tài)腦的研究腦活動的動態(tài)過程以及研究它的動力學性質(zhì)lifescience日本的腦科學發(fā)展戰(zhàn)略日本的腦科學發(fā)展戰(zhàn)略1996年制定為期二十年的“腦科學時代腦科學研究推進計

20、劃”1、了解腦闡明腦功能闡明產(chǎn)生感知、情感和意識的腦區(qū)結(jié)構(gòu)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(jīng)網(wǎng)絡中表達的機制，人類獲得語言能力的過程、語言、思想和智力之間的關(guān)系）2、保護腦征服腦疾患控制腦發(fā)育和衰老過程（識別與發(fā)育及腦分化相關(guān)的基因家族、發(fā)展調(diào)節(jié)腦發(fā)育和分化的技術(shù)手段，促進人類大腦健康發(fā)育和防止發(fā)育異常，控制人腦衰老）神經(jīng)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(nèi)因性疾病的發(fā)病機制、神經(jīng)組織移植和基因療法，老年性癡呆、帕金森氏病、精神分裂癥的治療和預防的方法）3、創(chuàng)造腦開發(fā)腦型計算機發(fā)展腦型器件和結(jié)構(gòu)（具有學習和記憶

21、能力的神經(jīng)元芯片、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(chǎn)生和處理系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)（支持人類機能的機器人系統(tǒng)）lifescience腦功能及其細胞和分子基礎(chǔ)項目簡介腦功能及其細胞和分子基礎(chǔ)項目簡介神經(jīng)系統(tǒng)功能的一般細胞和分子基礎(chǔ)突觸傳遞及其調(diào)控、信號跨膜轉(zhuǎn)導、神經(jīng)免疫調(diào)節(jié)的細胞與分子基礎(chǔ)視覺信息加工視皮質(zhì)神經(jīng)元感受野外整合和皮質(zhì)內(nèi)視覺信息通道的研究、視網(wǎng)膜信息處理的細胞和分子基礎(chǔ)、外膝狀體的突觸傳遞及其調(diào)控痛覺和鎮(zhèn)痛阿片肽與抗阿片肽在受體、受體后和基因水平的相互作用、p物質(zhì)和谷氨酸在脊髓傷害性信息傳遞和調(diào)制中的作用感覺信息加工的神經(jīng)計算原理和神經(jīng)網(wǎng)絡原理視覺感知的神經(jīng)計算和自

22、組織原理（靈長類視覺系統(tǒng)與復眼視覺系統(tǒng)對于視覺運動模式信息的加工與表達、高等哺乳動物視皮質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的自組織原理、感覺感知過程中的模式生成與模式識別的神經(jīng)動力學）感覺信息加工的數(shù)字模型和計算機模擬（設(shè)計和編制具有不同類型神經(jīng)元時空性質(zhì)和可隨意設(shè)置聯(lián)系方式的計算機軟件包、從理論上研究神經(jīng)系統(tǒng)功能單位和組織結(jié)構(gòu)形成的規(guī)律、提出基于神經(jīng)信息波的具有自學習能力的識別系統(tǒng)模型、發(fā)展感覺系統(tǒng)信息的編碼假設(shè)和理論）lifescience神經(jīng)科學的主要研究方法解剖學方法：采用通常的組織染色方法可以在光學顯微鏡下觀察神經(jīng)系統(tǒng)各種組織的細胞結(jié)構(gòu)，即神經(jīng)元的不同形態(tài)，以及它們間連接的一般情況。運用電子顯微鏡可以進

23、一步了解神經(jīng)元和突觸的精細結(jié)構(gòu)。問題：神經(jīng)系統(tǒng)是怎樣布線的，即個別的神經(jīng)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(jié)，高爾基銀染法對神經(jīng)機制的認識奠定了基礎(chǔ)，目前仍在廣泛使用。神經(jīng)活性物質(zhì)進行染色：熒光、放射性標記生理學方法運用微電極細胞外記錄、細胞內(nèi)記錄技術(shù)對單個神經(jīng)元活動分析。近年來，片膜鉗技術(shù)對離子通道進行深入的研究。細胞外記錄：30年代后期發(fā)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(jīng)元的功能起了重要作用。細胞內(nèi)記錄：0.10.5微米的玻璃電極，內(nèi)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(jiān)視膜電位的變化。此外，能注入物質(zhì)，進行形態(tài)學分析。缺點是造成細胞損傷，記錄時間、小細胞受限。片膜鉗技術(shù)：70年代后期，neher 和sakmann 發(fā)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