第三講 認(rèn)知的生物學(xué)基礎(chǔ)-腦公開課一等獎省優(yōu)質(zhì)課大賽獲獎?wù)n件

腦奧秘

眼見為實(shí)？

a.桌子大小形狀是否一樣?yesornot

b.右邊線條是螺旋形嗎?yesornot

為何要來上課？1、興趣。“知之者不如好知者，好知者不如樂知者”

——孔子2、知識?！爸R就是力量”——培根3、思維?！皩W(xué)而不思則罔，思而不學(xué)則殆”

——孔子4、應(yīng)用?！袄碚撀?lián)絡(luò)實(shí)際，詳細(xì)問題詳細(xì)分析”——馬克思哲學(xué)5、學(xué)習(xí)方法。“循序漸進(jìn)，持之以恒”——孟子引言“人類應(yīng)該知道，因?yàn)橛辛四X，我們才有樂趣、欣喜、歡笑和運(yùn)動，才有了悲痛、哀傷、絕望和無盡憂思。因?yàn)橛辛四X，我們才以一個(gè)獨(dú)特方式擁有了智慧、取得了知識；我才看得見、聽得到；我們才知道了美與丑、善與惡；我們才感受到甜美與無味……一樣，因?yàn)橛辛四X，我們才會發(fā)狂和神智昏迷，才會被畏懼和恐懼所侵?jǐn)_……我們之所以會經(jīng)受這些折磨，是因?yàn)槟X有了病恙……因?yàn)檫@么一切原因，我認(rèn)為，腦在一個(gè)人機(jī)體中行使了至高無上權(quán)力?！薄２死住墩撋袷ゼ膊　纺X樣子（側(cè)面照）位于顱骨內(nèi)，重約3斤。處理各種信息適應(yīng)環(huán)境。我們視覺、聽覺、觸覺等各種感覺最終都要傳入腦中進(jìn)行處理。腦(brain)成了信息中樞，對接收各種信息作出適當(dāng)反應(yīng)。人類所獨(dú)有更高級認(rèn)知。我們意識、思維、情感、和記憶都由它產(chǎn)生和保持。腦中有什么？人腦中有1000億個(gè)這么神經(jīng)細(xì)胞（神經(jīng)元,neuron1011個(gè)）。神經(jīng)元獨(dú)特之處于于有如此眾多連接，以進(jìn)行信息傳遞（電信息和化學(xué)信息）。神經(jīng)元與神經(jīng)元之間連接有一千千億（1014）個(gè)。處理信息能力神經(jīng)元不一樣于人體其它器官獨(dú)特功效，每個(gè)人差異就在于連接不一樣。令人驚奇是，連接含有可塑性（plasticity），天天動態(tài)信息改變就能改變這些連接。大腦是自然界最復(fù)雜和精密器官。神經(jīng)元連接形成通路——最簡單神經(jīng)反射（reflex)信息從感覺sensory神經(jīng)元（紅線條表示）傳遞到脊髓spinalcord，一部分上傳到腦，另一部分又經(jīng)過運(yùn)動motor神經(jīng)元（綠線條表示）支配肌肉收縮。踩到釘子有什么反應(yīng)？怎樣發(fā)生？神經(jīng)通路上信息流動被破壞

破傷風(fēng)、蜘蛛和蛇使人中毒共同之處

神經(jīng)與神經(jīng)細(xì)胞之間，以及神經(jīng)與肌肉連接之間都需要特殊化學(xué)物質(zhì)（神經(jīng)遞質(zhì),neurotransmitter）釋放來抵達(dá)信息傳遞作用。破傷風(fēng)、蜘蛛和蛇產(chǎn)生神經(jīng)毒素進(jìn)入血液后，經(jīng)過血液循環(huán)，抵達(dá)神經(jīng)與肌肉連接處（神經(jīng)肌接頭）。神經(jīng)毒素經(jīng)過抑制神經(jīng)遞質(zhì)釋放，抵達(dá)妨礙神經(jīng)與肌肉信息傳遞，抵達(dá)呼吸肌麻痹，呼吸衰竭。神經(jīng)與肌肉連接處中風(fēng)（stroke）：腦血管損害造成了腦功效損傷。在美國，中風(fēng)在致死性疾病中位居第三，每年約有10萬中風(fēng)患者存活下來，但他們卻終生喪失勞動力。神經(jīng)細(xì)胞需要血管供血以提供細(xì)胞所需氧、葡萄糖、氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)。腦只占體重2.5%，卻占心臟輸血20%！腦對氧很敏感，缺氧三分鐘，神經(jīng)細(xì)胞便發(fā)生不可逆死亡，而其它器官細(xì)胞還能耐受。腦功效不正常（abnormal)——腦相關(guān)疾病腦外傷（cerebraltrauma）

頭部外傷可造成腦內(nèi)出血，血塊壓迫大腦，顱內(nèi)高壓（頭痛、嘔吐、視乳頭水腫三主征），形成腦疝。若搶救不及時(shí)，壓迫腦干（心跳和呼吸中樞），造成心臟呼吸停頓。腦部CT腦疝神經(jīng)退行性疾病（degenerativedisease)

神經(jīng)元不明原因進(jìn)行性死亡生活條件及醫(yī)療水平改進(jìn)，生命延長，人口老齡化帶來新問題。

神經(jīng)退行疾病發(fā)病率顯著提升，如老年性癡呆(Alzheirmer’sdisease)，帕金森氏病(Parkinson’sdisease)，嚴(yán)重影響了人類生活質(zhì)量。老年性癡呆損害患者記憶功效，（遺忘），而帕金森氏病則引運(yùn)動麻痹（運(yùn)動不能）。治療中老年癡呆患者青年人居多腦疾病——精神分裂癥、抑郁癥二者均為思維和情緒疾病。精神分裂癥（schizophrenia）是一個(gè)嚴(yán)重性格疾病，表現(xiàn)出妄想(delusion)，幻覺（hallucination，illusion）和異常行為。多在青春期和成年早期發(fā)病，而且纏病終生。抑郁癥（depression）表現(xiàn)為強(qiáng)烈情緒低落、自卑和負(fù)罪感。在美國大約有1500萬人在他們一生中某個(gè)階段會患上此病。該疾病成為造成自殺主要原因。藥品濫用造成腦功效紊亂日常生活中，大家都在接觸對腦有作用化學(xué)物質(zhì)。抽煙（含煙堿），喝咖啡（咖啡因）來提神，或喝酒（酒精）來高興或悲傷一下。前二者是屬于興奮劑，能引發(fā)神經(jīng)系統(tǒng)功效增強(qiáng)。而后者是麻醉劑，抑制大腦正常功效。也會用到一些對腦有作用藥品。如：頭痛時(shí)吃點(diǎn)止痛藥，睡不好覺時(shí)用安眠藥，這些藥品一樣也能夠暫時(shí)影響腦功效，到達(dá)緩解癥狀目標(biāo)。但另一些精神藥品如嗎啡（morphine)、海洛因(Heroin)等，為中樞性鎮(zhèn)痛藥，我們卻稱之為毒品。可怕是這類精神藥品會引發(fā)嚴(yán)重藥品成癮（addiction)，患者欲罷不能，造成理知喪失，人格扭曲，為了能吸食毒品而不顧一切，違反法律道德，對社會危害很大。神經(jīng)科學(xué)導(dǎo)論—腦科學(xué)歷史及現(xiàn)實(shí)狀況一、古代對腦認(rèn)識二、近代對腦認(rèn)識三、當(dāng)今神經(jīng)科學(xué)古代：“心思”還是“腦思”?西方醫(yī)學(xué)之父希波克拉底（Hippocrates)認(rèn)為:“腦不但參加對環(huán)境感知，而且是智慧發(fā)源地”。柏拉圖(Platon)曾提出：人欲望、思想、智慧是從腦產(chǎn)生。Platon學(xué)生亞里士多德（Aristotle)卻相信“心臟是智慧之源”，認(rèn)為腦只是個(gè)散熱器，用來平衡體溫之用。無獨(dú)有偶，這個(gè)觀點(diǎn)在中國也得到認(rèn)同。

“心之官則思”——《孟子》“心居中虛，以治五官”——《荀子》“心憂炭賤愿天寒”——唐·白居易《賣炭翁》“心樂之”——唐·柳宗元《至小丘西小石潭記》心想、心理、心情、言為心聲、心不在焉、心地善良、心煩意亂、心無二用等等最有力證據(jù)在中國即使主流觀點(diǎn)是心派，但仍有少數(shù)人持正確認(rèn)識。如秦代醫(yī)書《皇帝內(nèi)經(jīng)?素問》里說“頭者，精神之府”。明代李時(shí)珍也指出：“腦為元神之府”。兩種學(xué)說都有支持者，爭論連續(xù)了一千多年，但誰都拿不出有力證據(jù)。每個(gè)人都希望自已更聰明，依據(jù)“吃什么，補(bǔ)什么”簡單思維，狐貍(心）和猴子（腦）開始遭殃。這種混亂情況最終由古羅馬醫(yī)生蓋倫（Galen)用最為有力試驗(yàn)所證實(shí)。他分別對動物心臟和腦進(jìn)行夾捏刺激，發(fā)覺夾捏心臟表現(xiàn)為呼吸急促，四肢掙扎等；而夾捏腦卻出現(xiàn)感覺喪失，很快昏迷，進(jìn)入無意識狀態(tài)，失去了全身各種有意識活動。所以，結(jié)論再簡單不過了，感覺思維和隨意運(yùn)動都是由腦產(chǎn)生！蓋論觀點(diǎn)：大腦是感覺接收裝置，小腦則支配肌肉。

他是怎么得出這個(gè)結(jié)論？希臘醫(yī)師蓋倫接收了Hippocrates關(guān)于腦功效觀點(diǎn)，還對動物腦進(jìn)行了大量而細(xì)致解剖?，F(xiàn)象：大腦較為松軟，而小腦較為堅(jiān)硬結(jié)論：大腦很可能是感覺接收裝置，小腦則一定是支配肌肉依據(jù)：“結(jié)構(gòu)-功效相關(guān)性”形成記憶關(guān)鍵是將感知“刻印”（imprint)于腦，這一過程自然只能發(fā)生在面團(tuán)般松軟大腦上。錯(cuò)誤依據(jù)中得出正確普通性結(jié)論。圖片羊腦解剖圖返回（大腦）（小腦）（側(cè)面觀）（頂面觀）那么腦怎樣來感知環(huán)境并支配軀體運(yùn)動呢？Galen將羊腦切開，發(fā)覺腦是空，空心腔室內(nèi)有液體，這些腔室被稱作腦室(類似于心臟心室)在Galen看來,這一發(fā)覺極好吻合了當(dāng)初流行理論:機(jī)體功效有賴于4種主要體液平衡?！把?dú)夥絼傉呤怯珊谐睗窈蜏嘏@種基本性質(zhì)血液控制著；在冷靜從容者身上，是潮濕和嚴(yán)寒粘液控制著人體靈魂特質(zhì)；憂郁人是處于干而冷黑膽汁影響之下；易怒者是受了干而熱黃膽汁作用”。性情急躁、動作迅猛膽汁質(zhì)；性情活躍、動作靈敏多血質(zhì)；性情沉靜、動作遲緩粘液質(zhì)；性情跪弱、動作遲純抑郁質(zhì)；這四種性格直到現(xiàn)在也是人類性格主要分類方法之一。感知被大腦所統(tǒng)計(jì)，運(yùn)動被大腦所開啟，都是由體液經(jīng)過神經(jīng)抵達(dá)腦室和離開腦室流動而實(shí)現(xiàn)，認(rèn)為神經(jīng)是一個(gè)類似于血管中空管道。Galen相關(guān)腦觀點(diǎn)延續(xù)了快要15！

圖片切開羊腦并顯示出腦室返回（腦室）神經(jīng)系統(tǒng)已經(jīng)能夠完整剝離出來，它大致解剖也所以取得了更為細(xì)致描述。一些科學(xué)家展開腦物質(zhì)組成更深入研究。一些觀察表明腦組織分灰質(zhì)（graymatter)和白質(zhì)（whitematter)。因?yàn)榘踪|(zhì)是軀體神經(jīng)延續(xù)性結(jié)構(gòu)，所以認(rèn)為白質(zhì)包含有纖維，這些纖維起到向灰質(zhì)傳遞信息，以及傳遞灰質(zhì)發(fā)出信息作用。腦表面觀察到廣泛存在隆起（稱為腦回，gyri)以及一些凹槽（稱為溝和裂，sulci和fissure)。這一結(jié)構(gòu)使得大腦以葉（lobe)形式組裝起來，成為了不一樣腦功效定位于不一樣腦回上這一理論基礎(chǔ)。這一突破開創(chuàng)了腦功效定位研究新時(shí)代。圖片2圖片1圖片3返回18世紀(jì)腦研究進(jìn)展腦白質(zhì)和灰質(zhì)（白質(zhì)）（灰質(zhì)）返回神經(jīng)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)神經(jīng)系統(tǒng)（nervoussystem)

外周神經(jīng)系統(tǒng)（Peripheralnervoussystem,PNS）

中樞神經(jīng)系統(tǒng)

（Centralnervoussystem,CNS）腦(Brain)脊髓(Spinalcord)腦又由三部分組成1.大腦（Cerebrum)2.小腦(Cerebellum)3.腦干(Brainstem)返回大腦五葉

返回（額葉）（枕葉）（頂葉）（顳葉）（小腦）腦干近代對腦認(rèn)識

先總結(jié)一下，18世紀(jì)末人們對神經(jīng)系統(tǒng)認(rèn)識腦損傷能夠引發(fā)感覺、運(yùn)動和思維喪失，甚至造成死亡腦經(jīng)過神經(jīng)與軀體肌肉、皮膚、內(nèi)臟相聯(lián)腦含有能夠明確劃分一些部位，這些不一樣部位很可能執(zhí)行了不一樣功效腦像一臺機(jī)器那樣運(yùn)作，并遵照自然界全部規(guī)律

神經(jīng)“電纜”論特定功效在腦不一樣部位定位神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)化神經(jīng)元：腦基本功效單位返回接下來1里，人類對腦功效了解超出了以前有記載全部知識總和，關(guān)鍵點(diǎn)有以下四個(gè)方面。神經(jīng)“電纜”論意大利LuigiGalvani證實(shí)神經(jīng)受到電刺激時(shí)會引發(fā)肌肉顫動，同時(shí)腦本身也能產(chǎn)生電流。這些發(fā)覺最終取代了“神經(jīng)經(jīng)過液體流動而與腦相聯(lián)絡(luò)”觀點(diǎn)。產(chǎn)生了新觀點(diǎn)：神經(jīng)是一些“電纜”，它們將電信號傳入傳出腦。那么引發(fā)肌肉運(yùn)動信號和來自皮膚感覺信號是否經(jīng)過同一根神經(jīng)電纜進(jìn)行傳導(dǎo)？這個(gè)問題被蘇格蘭內(nèi)科醫(yī)生CharlesBell處理了。Bell推論：每根神經(jīng)都是許多“電纜”復(fù)合體，其中一些纖維未來自皮膚信息傳入腦和脊髓，而另一些則將腦和脊髓發(fā)出信息傳送到肌肉。但對于每一根感覺和運(yùn)動纖維而言，信息傳遞則表現(xiàn)出嚴(yán)格單向性。圖片返回Bell試驗(yàn)返回（脊髓）（腹根）（神經(jīng)）（背根）（脊椎骨）神經(jīng)纖維（軸突）特定功效在腦不一樣部位定位早在Galen時(shí)期，發(fā)覺大腦與小腦結(jié)構(gòu)差異，推測小腦支配肌肉運(yùn)動。Bell發(fā)覺不一樣功效定位于脊神經(jīng)根，推測不一樣功效也很可能定位于腦不一樣部位。他推測運(yùn)動纖維起源于小腦，感覺纖維最終抵達(dá)大腦。

問題是怎樣去證實(shí)呢？Gall顱相學(xué)(phrenology)：奧地利醫(yī)學(xué)生Gall看到了腦表面那些隆起，它們是含有不一樣功效呢？他堅(jiān)信顱骨上隆起反應(yīng)了腦表面隆起，因而提出一個(gè)人性格傾向，比如大度性、遮掩性、破壞性等都與腦大小相關(guān)聯(lián)。Gall搜集并仔細(xì)測量了數(shù)百個(gè)含有不一樣性格人頭顱研究對象中現(xiàn)有天才，也有含有犯罪傾向精神病人。中國看相學(xué)（面相，手相）?！吧蒙黹L八尺，兩耳垂肩，雙手過膝，目能自顧其耳，面如冠玉，唇若涂脂….相者云：此家必出貴人”——羅貫中《三國演義》第一回圖片顱相學(xué)圖譜返回特定功效在腦不一樣部位定位法國神經(jīng)科醫(yī)生Broca發(fā)覺。曾碰到這么一個(gè)病人，該病人能夠了解他人言語，但自已卻無法說話。當(dāng)這個(gè)病人死后，Broca仔細(xì)研究了他腦子，結(jié)果在其左額葉上發(fā)覺了損傷。依據(jù)這一病例以及其它幾個(gè)類似病例，Broca認(rèn)為大腦這一區(qū)域詳細(xì)負(fù)責(zé)語言形成。很快一些來自動物試驗(yàn)為腦功效定位學(xué)說提供了可靠支持，法國生理學(xué)家Flourens經(jīng)過系統(tǒng)損毀腦某一部位，進(jìn)而決定其功效方法(試驗(yàn)性切除法)，在各種動物上進(jìn)行了研究，證實(shí)小腦確實(shí)在運(yùn)動協(xié)調(diào)方面起作用；德國生理學(xué)家Hermann采取類似方法證實(shí)了大腦枕葉是視覺功效所必需。而德國赫茨格用電刺激狗大腦皮質(zhì)方法，發(fā)覺對側(cè)肢體發(fā)生抽動，在大腦上勾畫出運(yùn)動皮質(zhì)粗略圖。我們現(xiàn)在知道，大腦有非常明確分部，而這些不一樣部位執(zhí)行了彼此不一樣功效。今天腦功效定位圖譜，能夠與顱相圖譜相媲美。圖片返回PaulBroca(1824-1880)研究腦損傷而失語病人，確信不一樣功效可能是定位于不一樣大腦區(qū)域失語病人腦返回神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)化1859年，生物學(xué)家達(dá)爾文（darwin）出版了《物種起源》一書，明確闡述了進(jìn)化理論：全部生命物種均起源于共同祖先，物種之間差異源于“自然選擇”過程。不一樣物種神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)化源于共同祖先，而且不一樣物種神經(jīng)系統(tǒng)具有共同作用機(jī)制，這一思想為將動物實(shí)驗(yàn)結(jié)果用于人類提供了理論基礎(chǔ)。如研究槍烏賊巨大軸突上獲得神經(jīng)電沖動傳導(dǎo)知識一樣適用于人類。大鼠獲得重復(fù)自我攝取可卡因時(shí)，就會表現(xiàn)出明確成癮癥狀，使用這種大鼠模型可以研究成癮機(jī)制及治療藥物。其次，物種間差異是由于其生活環(huán)境差異造成，某一物種許多行為性狀與該物種局部生活環(huán)境有高度特異性。枝頭靈活攀援猴子具有敏銳視覺，而習(xí)慣在地洞中穿梭老鼠卻具有高度進(jìn)化觸覺功能。每一物種腦結(jié)構(gòu)和功能均反應(yīng)了對環(huán)境適應(yīng)。圖片返回

恒河猴和大鼠不一樣腦功效特化

返回視覺中樞嗅覺中樞神經(jīng)元：腦基本功效單位19世紀(jì)早期，伴伴隨顯微鏡創(chuàng)造，科學(xué)家第一次有機(jī)會觀察動物組織。1839年德國動物學(xué)家施旺提出了已廣為人知細(xì)胞理論：一切組織都有被稱為細(xì)胞顯微