《神經(jīng)元構(gòu)造與功能》課件：探索人腦的信息傳遞機制

《神經(jīng)元構(gòu)造與功能》：探索人腦的信息傳遞機制探索大腦奧秘，揭示神經(jīng)信息傳遞機制課程概述課程目標掌握神經(jīng)元基本結(jié)構(gòu)與功能學(xué)習(xí)重點神經(jīng)元信息處理與傳遞機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)起源從簡單反射到復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)2系統(tǒng)分類中樞與周圍神經(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)雜認知功能周圍神經(jīng)系統(tǒng)腦神經(jīng)與脊神經(jīng)體感與運動神經(jīng)大腦的主要結(jié)構(gòu)1大腦皮層高級認知功能區(qū)域2小腦運動協(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)生電信號的特化細胞重要性構(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)分析分子機制分子水平功能探索神經(jīng)元的基本結(jié)構(gòu)細胞體細胞核所在樹突信息接收軸突信息傳導(dǎo)細胞體（胞體）功能神經(jīng)元代謝中心蛋白質(zhì)合成場所特征含有細胞核與細胞器整合樹突信號重要性決定神經(jīng)元存活控制基因表達樹突結(jié)構(gòu)特點分支復(fù)雜程度高信息接收功能接收突觸信號樹突棘增加接觸面積信號整合處理多個輸入信號軸突結(jié)構(gòu)特點單一長突起長度可達一米信息傳遞功能傳導(dǎo)動作電位單向信號流動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)細胞形成脂質(zhì)包裹軸突功能提高信號傳導(dǎo)速度隔離電信號郎飛結(jié)髓鞘間的間隙允許跳躍式傳導(dǎo)突觸定義神經(jīng)元間連接點化學(xué)突觸通過神經(jīng)遞質(zhì)傳遞電突觸通過離子直接流動功能信息傳遞關(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結(jié)構(gòu)細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功能差異信號傳遞速度快雙向傳導(dǎo)可能同步化神經(jīng)元活動第三部分：神經(jīng)元的功能信息傳遞向其他神經(jīng)元傳輸信號信息整合綜合多個輸入信號信息接收感知其他神經(jīng)元信號神經(jīng)元的基本功能信息接收樹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毫伏形成機制離子濃度梯度膜通透性差異維持系統(tǒng)鈉鉀泵主動運輸能量依賴過程離子通道離子通道類型：電壓門控、配體門控、機械門控、漏電通道功能：控制離子選擇性通過細胞膜，調(diào)節(jié)膜電位動作電位-70mV靜息電位膜電位穩(wěn)定狀態(tài)-55mV閾值觸發(fā)動作電位臨界點+30mV峰值去極化最大值1ms持續(xù)時間整個過程極短動作電位的傳導(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)無髓鞘軸突點對點傳播傳導(dǎo)速度慢能量消耗高突觸傳遞動作電位到達抵達軸突末端鈣離子內(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多個突觸輸入信號整合時空加和處理閾值判斷決定是否放電信號輸出產(chǎn)生動作電位時間加和1定義同一突觸短時多次刺激累加2時間窗口數(shù)毫秒內(nèi)連續(xù)輸入3生理意義增強單一輸入通路信號強度4特點前一刺激效應(yīng)未消失新刺激到達空間加和定義多個突觸同時興奮效應(yīng)累加機制不同位置輸入同時到達生理意義整合多路輸入信號神經(jīng)元的整合功能神經(jīng)元整合多路輸入，興奮與抑制信號共同決定最終輸出神經(jīng)元的編碼方式頻率編碼通過放電頻率變化編碼信號強度常見于感覺系統(tǒng)時間編碼通過放電精確時間點編碼復(fù)雜信息高時間精度要求神經(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)功能變化能力機制突觸強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)分鐘級不需蛋白質(zhì)合成長期可塑性突觸結(jié)構(gòu)持久改變持續(xù)數(shù)小時至數(shù)月依賴基因表達長期增強作用（LTP）定義突觸傳遞效能持久增強誘導(dǎo)條件高頻刺激引發(fā)機制NMDA受體活化結(jié)果突觸后密度增大長期抑制作用（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)路增強記憶形成經(jīng)驗依賴突觸改變神經(jīng)結(jié)構(gòu)重塑突觸數(shù)量密度變化第六部分：人腦的信息傳遞機制感覺輸入外界信息獲取中樞處理信息整合分析運動輸出行為指令生成認知加工高級思維過程感覺信息的傳遞感受器轉(zhuǎn)換物理刺激為電信號傳導(dǎo)通路特定神經(jīng)束傳遞初級感覺皮層信息初步處理高級聯(lián)合區(qū)復(fù)雜特征提取視覺信息處理視網(wǎng)膜光信號轉(zhuǎn)換外側(cè)膝狀體中繼站初級視皮層特征檢測高級視皮層整體識別聽覺信息處理耳蝸聲波轉(zhuǎn)電信號頻率編碼聽神經(jīng)傳導(dǎo)聲音信息保持頻率編碼聽覺皮層音調(diào)音色分析語音聲音識別觸覺信息處理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動信息的傳遞1運動決策前額葉計劃2運動皮層初級運動指令3錐體系統(tǒng)精細運動控制4肌肉執(zhí)行收縮產(chǎn)生動作認知功能的神經(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)回路語言處理布洛卡區(qū)位于額葉語言表達功能語法處理語言運動協(xié)調(diào)威爾尼克區(qū)位于顳葉語言理解功能語義處理聽覺語言分析情緒調(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)元萎縮死亡記憶認知障礙進行性惡化帕金森病多巴胺神經(jīng)元退化基底節(jié)功能障礙運動控制問題靜止性震顫精神障礙抑郁癥神經(jīng)遞質(zhì)失衡前額葉活動降低杏仁核過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)元異常放電過度同步化活動異常傳播局灶性或全面性擴散臨床表現(xiàn)發(fā)作類型多樣中風(fēng)類型缺血性：血管堵塞出血性：血管破裂神經(jīng)元損傷機制缺氧導(dǎo)致能量耗竭興奮毒性損傷自由基產(chǎn)生細胞凋亡級聯(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)電活動顯微成像觀察細胞結(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)細胞內(nèi)記錄微電極刺入單個神經(jīng)元記錄膜電位變化分辨靜息電位與動作電位高精度單細胞研究細胞外記錄電極放置細胞附近記錄局部場電位可同時監(jiān)測多個神經(jīng)元長時間穩(wěn)定記錄神經(jīng)影像技術(shù)功能性磁共振成像（fMRI）基于血氧水平依賴信號空間分辨率高時間分辨率低腦電圖（EEG）記錄神經(jīng)元電活動時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)原理光敏蛋白表達于特定神經(jīng)元方法特定波長光照精準激活應(yīng)用特定神經(jīng)環(huán)路功能解析優(yōu)勢毫秒級時間分辨率神經(jīng)追蹤技術(shù)順行追蹤示蹤劑沿軸突方向運輸神經(jīng)元到目標區(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、腦機接口、神經(jīng)修復(fù)、認知增強人工智能與神經(jīng)科學(xué)類腦計算模擬神經(jīng)系統(tǒng)架構(gòu)神經(jīng)形態(tài)計算硬件實現(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)新雙向知識遷移腦機接口信號采集記錄腦電活動信號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)效果干細胞療法潛力5年研發(fā)