神经生物学(供基础临床预防口腔护理等医学类专业使用第2版普通高等教育医学类系列教材

神经生物学(供基础临床预防口腔护理等医学类专业使用第2版普通高等教育医学类系列教材
作者: 编者:熊鹰//陈鹏慧//周艺|责编:闵捷
出版社: 科学
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ISBN: 9787030687586

作者简介

内容简介

绪论
  神经生物学是当今生命科学最重要及发展最快的前沿学科之一,是一门覆盖面广,从分子、细胞、神经回路及整体水平上研究神经系统的结构、功能和相互关系的综合学科。自美国20世纪90年代实施“脑的十年”研究计划以来,神经科学的发展已引起全世界相关组织和科学家的极大重视,尤其是最近几年,美国、日本、欧洲的一些国家相继开展了脑科学的研究计划,宣告脑科学的研究已经进入一个前所未有的、激动人心的时代。中国脑计划尽管起步稍晚,但相关的布局、规划和细节已在逐步实施。可以说,包括中国在内的全世界各国的从事神经科学研究的科学家们正在全力投入揭开大脑奥秘和开发大脑功能这一伟大的科学工程中。
  在本书开篇的绪论部分,将对神经生物学的概念和研究内容、发展历史和展望、经典和前沿研究技术等进行简要的介绍。
  一、 神经生物学的概念和研究内容
  神经生物学(neurobiology)是从分子、细胞、神经回路及整体水平研究神经系统的结构、功能及相互关系等问题的综合性学科。如同免疫学脱胎于微生物学一样,神经生物学也是从传统的神经解剖学、神经生理学、神经药理学等学科分离出来的一门新兴学科。
  提到神经生物学,还有几个绕不开的名词,如神经科学(neuroscience)、脑科学(brain science)等。神经科学涵盖的范围更大,一般来说包括基础神经科学和临床神经科学两部分,前者侧重神经基础理论和技术,后者以研究神经系统相关疾病的机制为主。基础神经科学大体上包括神经生物学和计算神经科学两个方面。神经系统分为中枢和外周两个部分,前者包括脑和脊髓,脑的功能是神经科学关注的重点,因此,神经科学也被称为脑科学。
  在机体所有器官中,脑的功能是人类了解最少的,揭示脑的奥秘是我们面临的巨大挑战。神经生物学主要研究脑的基本结构、功能,因此是神经科学的核心分支,也是神经科学的研究重点。只有把神经系统的结构和功能弄清楚了,才能为临床上难治性的神经系统疾病的治疗及人工智能的发展提供坚实的基础。
  神经生物学的研究内容大体上可分为以下几个方面。
  (一) 分子神经生物学
  分子神经生物学(molecular neurobiology)是指在分子水平研究与神经细胞或神经活动有关的化学物质,着重研究神经系统内各种分子的结构、功能、种类、多样性和来源。
  (二) 细胞神经生物学
  细胞神经生物学(cellular neurobiology)是在细胞或亚细胞水平上研究神经系统及其组成成分,如神经细胞骨架成分、线粒体的结构和功能、细胞水平的各种信号调控、细胞内信号途径、神经递质及各种细胞因子在神经系统的分布和作用机制、神经细胞凋亡的机制等。
  (三) 系统神经生物学
  我们体内以功能为中心的各种系统如感觉系统、运动系统、内分泌系统、心血管系统等,以它们为研究对象,阐明相关的神经调控机制,属于系统神经生物学(system neurobiology)的范围。
  (四) 发育神经生物学
  发育神经生物学(developmental neurobiology)主要研究神经细胞的发育过程,包括神经元的发生、诱导、迁移、分化,轴突和树突的发育,突触的发生和神经网络的形成及神经系统的发育、成熟和退变等。
  (五) 比较神经生物学
  比较神经生物学(comparative neurobiology)是从种系发生上研究神经系统从低级到高级的进化进程及进化规律。通过研究低等动物的神经系统,帮助我们更深刻、更全面地了解高等动物和人类神经系统的功能和活动机制。某些低等动物如线虫、海兔等,其神经元数量很少、神经系统组成简单,是研究神经细胞迁移、突触形成、学习记忆等的良好实验动物。
  (六) 认知神经生物学
  脑的认知功能包括学习记忆、知觉、注意、语言与思维、自我意识等,认知神经生物学(cognitive neurobiology)就是研究这些脑高级功能的神经机制。
  上述这些分类只是从研究层面的角度来大致划分的,实际上各分类学科之间常有交叉和重叠。例如,神经系统发育的基因调控是包括发育神经生物学和分子神经生物学的多层次的研究,不能截然区分开。
  二、 神经生物学的发展历史和展望
  上古时代,人们认为“心之官则思”,即以为心是思维器官。古希腊时期,被称为西方医学之父的希波克拉底(Hippocrates)相信脑是产生智慧的地方,但这种观点并未被普遍接受。罗马帝国时代名医盖伦(Claudius Galenus)拥护希波克拉底的观点,但其认为脑功能依靠脑室液体流动。16世纪文艺复兴时期的解剖学家Andreas Vesalius精确描述了人体神经系统的大体结构。到18世纪,人们对神经系统已经有了细致的描述,将其分为由脑和脊髓组成的中枢部和由遍及全身的神经组成的周围部,并且对脑沟和脑回有了深刻的认识。18世纪末,意大利医学家Galvani在青蛙腿肌肉上观察到生物电现象,发现了神经活动的电学性质。到了19世纪,继自然科学三大发现(细胞学说、能量守恒定律、生物进化论)之后,人们开始从神经解剖学、神经生理学、神经化学、神经药理学及实验心理学等不同侧面探讨脑的奥秘,迅速奠定了神经生物学的发展基础,开始了神经生物学发展的光辉历程,迄今,已有20多位神经科学家获得诺贝尔生理学或医学奖。
  19世纪末,意大利解剖学家Golgi发明了选择性显示神经细胞的银染法,即Golgi镀银染色法,用当时的显微镜首次看到神经细胞的完整形态,其包括胞体和突起。西班牙的神经组织学家Cajal利用该方法对神经组织进行了大量的观察,于1891年确认神经系统是由独立的、边界清晰的细胞组成,这些细胞有不同类型并相互联系,但非胞质借突起相互连通形成一个大合体细胞,Cajal的工作极大地推进了人们对大脑的认识,初步确定了神经系统结构的神经元学说。神经元理论的建立取代了过去不是建立在细胞基础上的网络理论,为研究神经传导奠定了解剖基础。两位科学家共同获得1906年诺贝尔生理学或医学奖。
  英国生理学家Sherrington在1897年出版的教科书中首次把神经细胞之间的连接点命名为“突触”,这是继神经元学说之后,神经科学研究中又一个重要的里程碑,是研究神经传递的一个重要概念。1910年Sherrington提出,由于有突触存在,神经脉冲不是随机地在神经细胞间传入、传出,而是通过突触单向传导的。Sherrington因对神经元功能的发现于1932年获得诺贝尔生理学或医学奖。Loewi、Dale等相继确认了突触处进行化学传递的神经递质,即神经冲动的化学传递理论,并于1936年获得了诺贝尔生理学或医学奖。
  1791年意大利解剖学家Galvani发现生物电现象。20世纪初,德国物理学家Braun发明了示波器和电子放大器。20世纪30年代英国生理学家Young以枪乌贼大神经纤维为研究材料,对神经电传导的电阻、电位及其刺激前后的变化进行了测量。20世纪40年代开始,英国生理学家Hodgkin、Huxley和Katz研究了Na+、 K+与神经传导的关系,提出了可兴奋膜理论的离子学说。他们发现,神经纤维膜在静息状态时为“钾膜”,K+可以通透,趋于钾平衡电位;在活动时则为“钠膜”,对Na+有极大的通透性,趋于钠平衡电位。因此动作电位的产生,本质上是“钾膜”转变为“钠膜”,而且这种转变是可逆的。这些理论奠定了近代电生理学的基础。20世纪50年代开始,澳大利亚生理学家Eccles与上述英国生理学家一起通过微电极技术对中枢神经元和突触传递机制进行了深入研究。基于他们对神经元兴奋和抑制离子机制的发现,Hodgkin、 Huxley和Eccles 3位科学家于1963年获得诺贝尔生理学或医学奖。
  美国神经生理学家Hubel和Wiesel于1958年记录了猫视皮层单个神经元的电活动,他们给猫展示特定图案,观察到初级视皮层神经元对边缘的方向敏感,但对边缘的位置不敏感,发现了“方向选择性细胞”。并确定视皮层中有简单、复杂和超复杂3种类型的神经元。此项工作为视觉神经研究奠定了重要的基础,两人在1981年被授予诺贝尔生理学或医学奖,以表彰他们在视觉系统信息加工方面的重要贡献。
  神经营养因子是一类由神经支配的组织和星形胶质细胞产生的且为神经元生长与存活所必需的蛋白质分子。人类发现的第一个神经营养因子——神经生长因子由意大利神经科学家Montalcini和美国生物化学家Cohen于1956年分离成功,两人于1986年共同获得了诺贝尔生理学或医学奖。神经营养因子通常以受体介导入胞的方式进入神经末梢,再经逆向轴浆运输抵达胞体,促进胞体合成蛋白质,从而发挥促进神经元生长、发育和功能完整性的作用。后续的神经营养因子的其他成员,如脑源性神经营养因子(BDNF)、神经营养素3(neurotropin3, NT3)、神经营养素4(neurotropin4, NT4)等是治疗神经损伤的潜在药物靶标。
  1976年,德国马普生物物理研究所的Sakman和Neher首次在青蛙肌细胞上记录到由乙酰胆碱激活的单通道离子电流,从而产生了膜片钳技术。随后,内尔实验室对膜片钳技术继续改进,通过在电极内施加负压得到细胞膜与微电极之间高达10~100 GΩ的高阻封接,它大大降低了记录时的噪声水平,使小于1 pA的微小单通道电流得以记录。1983年由Sakmann和Neher编写的《单通道记录》(SingleChannel Recording)一书问世,这是膜片钳技术发展的里程碑事件。迄今,膜片钳记录技术也是大多研究神经元功能的最常用和最重要的电生理技术。Neher和Sakmann也于1991年获诺贝尔生理学或医学奖。
  20世纪60年代以后,神经科学研究中出现了大量的新技术和方法。例如,辣根过氧化物酶法、束路追踪、免疫组织化学、免疫电镜、放免测定、神经细胞培养等。70年代,又出现了原位杂交法、DNA重组技术、神经受体定位、膜片钳记录等,尤其是分子神经生物学的发展使神经系统的结构和功能的研究进入分子水平。
  20世纪90年代,神经生物学有了飞跃式的发展,许多传统的观念被更新。尤其是基因转移、基因敲除等技术的出现,使研究神经系统的发育、基因与行为、脑高级功能等领域进入分子时代,并且开始尝试神经系统疾病的基因治疗。1989年7月,美国总统布什签署决议,宣布20世纪90年代为“脑的十年”。这大大推动了全世界神经科学的研究。当时,神经科学经过过往几十年的发展,已经出现蓬勃向上的苗头,美国神经科学学会会员从1971年的250人增至1989年的12 000多人,全球已有15人因对神经科学的杰出贡献而荣获诺贝尔奖。有人把当时的神经科学比作20世纪初期的物理学和20世纪50年代的分子生物学。美国“脑的十年”研究计划包括从神经遗传学、神经功能的恢复、行为神经学、神经免疫学等多方面研究各种神经系统的常见病和难治性疾病的机制和治疗。随后,西方各国也相继跟进建立各种神经科学研究机构。
  进入21世纪,神经科学进入了引人瞩目的发展时期,全世界从事神经科学研究的科学家、研究机构大量增多,西方几乎所有著名大学与医学院所均设有神经生物学系,给本科生开设神经生物学课程,全美神经科学年会已成为美国最大的科学年会,每年与会代表超过3万人。神经科学被认为是21世纪生命科学研究中的两个最重要的支柱之一(另一个是分子生物学)。分子生物学的奠基人和诺贝尔生理学或医学奖获得者Watson认为,“20世纪是基因的世纪,21世纪是脑的世纪”,这表明在新的时代,神经生物学在生物医学中的重要地位和引领作用。进入21世纪初期,全世界各国展开了各种脑计划,美国2013年通过的“推进创新神经技术脑研究计划”可与人类基因组计划相媲美,计划每年投入3亿美金,共10年,目标是对大规模的神经元集成活动进行观察,并产生新技术,用于追踪人类大脑的功能连接活动,