第一部分
主要内容
| 概述 | 信号处理 | 感觉系统 | 本能行为 | 运动系统 | 学习记忆 | 神经系统疾病 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 神经科学发展史 | 神经元的电学特征 | 视觉 | 节律 | 运动系统控制中枢 | 记忆存储 | 神经退行性疾病 |
| 神经系统构成 | 神经突触的信号传递 | 听觉 | 奖赏系统与成瘾 | 神经肌肉接头 | 学习机制 | 精神类疾病 |
| 神经细胞分类 | 神经环路 | 其他感觉 | 求偶繁殖 | 突触可塑性 |
第二部分
神经元组成部分
- 负责感受的部分：胞体、树突
- 传递的部分：轴突
- 发挥效应的部分：轴突末梢
Hebb定律
突触前神经元向突触后神经元的持续重复的刺激，可以导致突触传递效能的增加，赫布律基于三个基本假设:
- $\color{red}共同激活$的神经元成为联合
- 联合能发生在相邻的或疏远的神经元间，即整个皮层是$\color{red}联合存储$
- 如果神经元成为联合，它们将发展成为功能体，$\color{red}细胞集合$
第三部分
人脑的进化
人脑进化是由内而外进行的：
- 位置越低，越内的脑区进化上越保守
- 基本生存功能的控制，比如说呼吸，是在位置较低的脑干
- 较大的前额叶皮层是人类特有的后期进化产物
神经系统构成
@startuml
(神经系统) as (a)
(外周神经系统) as (b)
(中枢神经系统) as (c)
(自主神经系统) as (d)
(躯干神经系统) as (e)
(交感) as (f)
(副交感) as (g)
(a) --> (c)
(a) --> (b)
(b) --> (d)
(b) --> (e)
(d) --> (f)
(d) --> (g)
(c) --> ( 脑 )
(c) --> (脊髓)
note left of (d): 调节内脏活动\n腺体的激素分泌
note bottom of (e): 控制躯体的随意活动\n分布于体表、关节和肌肉
note bottom of (f): 分布广泛\n机体兴奋时激活
note bottom of (g): 分布局限，保护机体\n休整恢复，促消化解剖学术语
- 冠状面（Coronal or frontal plane）：前后
- 轴向面（Axial or transverse plane）：上下
- 矢状面（Sagittal or longitudinal plane）：左右
脑区及功能
- 海马：边缘系统的重要部分，是大脑进化过程中最古老的一部分
- 杏仁核：边缘系统的重要组成部分，负责情绪和恐惧记忆
- 丘脑：全身感觉（嗅觉除外)传导通路的中继站
- 下丘脑：只有全脑重量的0.3%，却掌握着全身最重要的激素分泌，也是自主神经高级中枢
- 小脑：小脑通过它与大脑、脑干和脊髓之间的双向连接，参与躯体平衡和肌肉张力的调节，随意运动的协调。小脑=方向盘+变速器
- 脑干：中脑与脑桥、延髓统称为脑干，负责收集、发送并整合来自外周神经，是植物性神经的控制区域，如心跳、呼吸、吞咽、消化等
- 外周神经：躯干神经系统:负责传输体表的感觉信号，下指令给肌肉信号
第四部分
神经组织的细胞构成为：神经细胞（神经元）、神经胶质细胞
@startuml
(神经组织) --> (神经元)
(神经组织) --> (神经胶质细胞)神经细胞
中心法则
@startuml
(复制DNA) as (a)
(复制RNA) as (b)
(蛋白质) as (c)
(a) -right-> (b): 转录
(a) <. (b) : 逆转录
(b) -right-> (c) : 翻译神经元的组成
- 胞体（cell body）
- 细胞膜、细胞质、细胞器
- 突起（process、neuritis）
- 轴突（axon）、树突（dendrites）
- 轴突（axon）、树突（dendrites）
神经元与其他细胞的不同之处
- 有特化的突起($\color{red}轴突和树突$，分别负责信息的传出和传入)
- 神经元之间的联系：$\color{red}电化学$过程
- 神经元的特化结构：$\color{red}突触，神经递质，尼氏体$
成年中枢神经元损伤$\color{red}不可修复$。
@startuml note "轴突： \n 1. 仅在神经细胞中存在的结构、信息传递作用\n 表面光滑，长短不一，粗细均匀\n2. 无粗面ER和核糖体，有线粒体和sER\n3. 不同细胞其轴突长度和直径不同分类,粗的轴突有髓鞘包裹\n4. 轴突有侧枝,轴突末梢与其它神经元的连接点是突触" as N1 (神经元) as (a) (胞体) as (b) (突起) as (c) (细胞膜) as (b1) (细胞质) as (b2) (细胞器) as (b3) (轴突) as (c1) (树突) as (c2) (a) --> (b) (a) --> (c) (b) --> (b1) (b) --> (b2) (b) --> (b3) (c) --> (c2) (c) --> [c1] note top of (b1) : 1. 脂质双分子层、疏水结构\n2. 具有电容特性\n3. 离子通道蛋白、受体蛋白 note right of (b1) #FFAAAA : 具有信息传递、神经冲动的发生和传导\n物质的跨膜转运以及细胞外物质的识别\n与结合等多种生理功能 note bottom of (b3) : 1. 内质网：蛋白的3D结构形成\n2. 高尔基体：对内质网的蛋白进行修饰、加工分类及包装\n3. 线粒体：为细胞提供能量 note bottom of (c2) : 1. 多而短，胞体向外越细\n2. 树突棘在学习记忆中具有重要作用
神经胶质细胞
神经胶质细胞的比例随脑大小增加，主要有星形胶质细胞、少突胶质细胞、小胶质细胞。
@startuml
left to right direction
(神经胶质细胞) as (A1)
(星形胶质细胞) as (B1)
(少突胶质细胞) as (B2)
(小胶质细胞) as (B3)
(A1) --> (B1)
(A1) --> (B2)
(A1) --> (B3)
note right of (B1) #FFB2CA : 1. 填充、支持、隔离作用\n2. 参与血脑屏障的形成，具有营养和保护作用\n3.稳定细胞外液浓度，特别是K＋浓度,摄取和灭活神经递质，参与递质的代谢\n4. 星形胶质细胞也表达一些受体，在突触传递过程中起调节作用
note right of (B2) #FFA12A : 1. 形成中枢神经系统的髓鞘;识别、粘附、缠绕三个阶段\n2. 分泌神经营养因子，促进神经元功能发挥和存活\n3. 表达抑制性蛋白，阻止神经纤维过度增长
note right of (B3) #FFA17A : 在正常情况下处于静息状态，可在炎症刺激下激活。第五部分
神经系统的信号传递分为细胞内部和细胞之间的信号传递。
细胞内部的信号传递
膜电位形成的两个条件：
- 细胞质和细胞外液
- 磷脂膜和离子通道
- 对离子有通透性： K:Na:CL=1:0.04:0.45
神经元被动电学特征—膜电位下的离子流动
- 电化学梯度=化学梯度+电位梯度
- 化学梯度：高浓度一侧移动到低浓度一侧
- 电位梯度：沿着膜两侧的电位差异从膜一侧移动到另一侧
- 当化学力和电场力达到平衡的时候，即因为化学梯度和电位梯度平衡而没有离子净流动，称为离子平衡电位（电场力=化学力时的膜电位）。
神经元被动电学特征—Goldman-Hodgkin-Katz方程
其中，R气体常数，Ⅰ绝对温度，F法拉第常数。$\color{red}离子驱动力$:任何单一离子的膜电位和平衡电位都不一样，因而会存在推动每种离子进出细胞的力
神经元被动电学特征—去极化和超极化
- 任何打破静息膜电位的事件成为极化:去极化+超极化
- 去极化：让细胞内更正
- 超极化：让细胞内更负
神经元被动电学特征—动作电位特性
- 全或无，刺激低于阈下，不产生动作电位，动作电位波形取决于胞内外离子浓度，生理情况下内外离子浓度非常稳定;
- 动作电位可以再生，在传播中毫无衰减，一个动作电位的上升期引起周围膜的去极化，达到阈值再产生一个动作电位，如此往复;
- 动作电位的传播是单向的(总是沿着轴突的方向)
神经元被动电学特征—动作电位的传播
- 动作电位的产生部位：轴丘、钠通道密集。感觉神经元：神经末梢
- 动作电位的传播：沿$\color{red}郎飞结$跳跃传播
细胞之间的信号传递
细胞之间的信号传递是依靠突触结构，也就是神经元之间传递地的基本单位。分为三个部分：突触前膜、突触间隙、突触后膜。
突触前膜
一般为轴突末梢膨大，轴膜增厚形成，突触前膜胞质内含有的突触小泡是其形态学依据。活性带（active zone）主要是介导神经递质的释放，主要由一些蛋白复合物组成（如SNARE，与突触囊泡的胞吐和胞吞相关的RIM蛋白等）。膜上有钙通道。
神经递质
神经肌肉接头是在运动神经元轴突末梢和骨骼肌之间形成的一种特殊突触连接;神经肌肉接头的突触后肌肉细胞（肌纤维）是一个巨大的细胞，可以轻易地用微电极穿透细胞膜，记录细胞内信号;一个运动神经元地轴突末梢会形成大量分支，突触信号很强（容易记录)。
乙酰胆碱是最早发现的神经递质。
终板电位
刺激运动神经元后，在几个毫秒之内肌纤维会发生短暂的去极化，这种短暂的去极化即为突触后肌纤维产生的突触电位，称为终板电位(EPP)。
神经递质释放特点
神经递质释放的量子假说:大部分神经递质的释放都有一个有限小的基本单位，为单个囊泡包含的神经递质的量，在神经肌肉接头中为最小终板电位，即mEPP; 包裹神经递质的突触囊泡大小相似，这保证了神经递质释放的最小单位剂量基本统一（青蛙神经肌肉接头的释放单位大约7000个乙酰胆碱分子)
神经递质的释放是通过突触囊泡与突触前膜融合胞吐产生。
神经递质释放Ca学说
钙通道集中在活性带，电压依赖性的钙离子通道在突触前膜释放神经递质之前开放，导致前膜钙离子浓度升高。
神经递质的释放是受胞外钙离子浓度影响，突触前膜的钙离子螫合剂导致神经递质释放失败
钙离子浓度的改变对单量子反应幅度无影响，但对所释放的量子数目有影响
神经递质释放过程
动作电位到来$\to$电压依赖性钙通道开放$\to$突触前膜内钙浓度升高$\to$突触小泡融合到突触前膜$\to$胞吐释放神经递质
释放递质后的囊泡膜从突触前膜经内吞形成新的囊泡，循环使用;突触间隙多余的神经递质被细胞膜神经递质转运蛋白回收，循环使用。
神经递质的三个条件
- 储存在突触前囊泡
- 能被释放的（钙依赖性的）
- 能激活突触后膜相应的受体
神经递质受体
- 离子型受体：由神经递质门控，引起突触后效应时间<10ms
- 兴奋性：谷氨酸是CNS主要兴奋性神经递质。兴奋性突触后电流（EPSC）：谷氨酸与其受体结合，产生的突触后膜内向电流，此电流引起突触后神经元短暂的去极化， 称为兴奋性突触后电位（EPSP）；
- 抑制性：甘氨酸（脊髓和脑干内的抑制性神经元）和GABA（大部分抑制神经元）; 抑制性突触后电流（IPSC）：刺激抑制性输入轴突会引起突触后神经元的外向膜电流（$Cl^{-}$内流），导致突触后膜电位超极化，该电位称为抑制性突触后电位（IPSP）；
- 代谢型受体：需要第二信使的介导来调节离子通道的导电性，引起突触后效应时间10ms-10s
- 都是G蛋白偶联受体（GPCR）
突出整合
- 空间整合：在不同位置，但几乎同时激活的突触EPSP在流向胞体的过程中合流，产生更大的EPSP
- 时间整合：在一个特定的时间段内被激活的突触（包括同一个突触被连续多次激活的情况）所产生的突触后电流也会整合，形成更大的EPSP
- 数字信号$\to$模拟信号$\to$数字信号
- 一个放电的神经元会将它所接受的数字信号转化为“是否触发动作电位”的模拟信号，然后变成数字信号往下游传递
- 一个放电的神经元会将它所接受的数字信号转化为“是否触发动作电位”的模拟信号，然后变成数字信号往下游传递
神经环路
- 两个以上功能独立的中枢神经区域（核团）通过突触连接的方式形成稳定的信号传导通路，以执行特定的脑功能
- 构成三步骤
- 选择路径、结构、细胞
- 突触的形成、修剪、重构、分离
第六部分
光线在眼球的传播
- 光穿过瞳孔，由晶状体聚焦在视网膜;投射到视网膜的影像是$\color{red}{倒立}$的;
- 视觉信号通过视神经传到大脑，在视神经的顶端形成一个$\color{red}{盲点}$;
- 视网膜的中心有$\color{red}{中央凹}$，最为密集的视锥细胞分布，这些视锥细胞负责高度敏锐的视觉和色觉。
- 视网膜: 紧贴脉络膜内面的一层柔软透明的膜状结构，由三层光敏感神经元组成，具有感光并将光信号传导给视神经的作用。
- 第一层由视杆细胞和视锥细胞组成
- 另外两层将视杆和视锥细胞的脉冲传递给视神经
- 视网膜细胞
- 脊椎动物的视网膜:$\color{red}{输入层}$为感光细胞（光信号$\to$电信号)，$\color{red}{输出层}$是节细胞;
- 输入层与输出层空间位置与光线进入的$\color{red}{顺序相反}$;
- $\color{blue}{感光细胞、双极与节细胞}$都是兴奋性的，$\color{blue}{水平与无长突}$细胞是抑制性的;
- 感光细胞有外段，根据其形状分为视杆和视锥细胞，外段由富含光敏分子的膜盘组成;
- 感光细胞：
- 视杆细胞：暗示、无色觉、含一种色素蛋白
- 外周区域更为密集
- 光敏感高、分辨率低
- 视锥细胞：明视、对不同光波长敏感、3种色素蛋白（$\color{red}{红}$ $\color{green}{绿}$ $\color{blue}{蓝}$）
- 光敏感低、响应快、拥有更高的时间分辨率
- 集中分布在灵长类视网膜中心的中央凹，能量消耗大都在此（处理信息）
- 视杆细胞（光激活引起$\color{red}{超极化}$）和视锥细胞的感光原理相似：光$\to$电，但视蛋白不一样
- 中央凹：
- 光传播无细胞和突触的阻挡
- 没有血管
视网膜的视觉信号处理
- 主要方式
- 光信号$\to$电信号
- 1亿个感光受体 VS 100万个视网膜神经节细胞
- $\color{red}{感受野}$:躯体感觉通路中的某个神经元会因为刺激身体某些部分而兴奋，所有能使该神经元兴奋的身体部位称作该神经元的感受野;
- 研究一个神经元的感受野就可以知道使它最大程度兴奋照射的光信号模式
- ON/OFF（中心、周边）
- 两种不同感受野的视网膜神经节细胞
- 视网膜神经元$\color{red}{中心-周边}$感受野的生理学意义：不仅可以对光做出反应、还可以进行小面积视网膜上的明暗对比，从而确定$\color{red}{空间信息}$。
- 双极细胞的双重标准
- CNS神经元信号传导大多是0/1的动作电位，在视网膜传递的是$\color{red}{分级电位}$
- OFF双极细胞与ON双极细胞会对光照作出相反的反应
- 水平细胞
- 从感光细胞接受谷氨酸递质（突触后）
- $\color{red}{逆向传递}$：将抑制性递质传回感光细胞
- $\color{red}{侧抑制}$：将抑制信号传给邻近的感光细胞
- 神经节细胞种类
- M型（大细胞，5%）、P型（小细胞，90%）、非MP型
- M型感受野大、P型小
- M型对低对比度刺激较敏感
- 神经节细胞颜色处理
- 对立颜色视网膜神经节细胞：蓝黄对立、红绿对立
- 对立颜色视网膜神经节细胞：蓝黄对立、红绿对立
中枢视觉信号的处理
中枢视觉环路
@startuml left to right direction (视网膜节细胞) as (a1) (视神经) as (a2) (视交叉) as (a3) (视交叉上核（节律）) as (a4) (前顶盖（控制瞳孔和反射）、上丘) as (a5) (LGN) as (a6) (视皮层) as (a7) (a1) --> (a2) (a2) --> (a3) (a3) --> (a4) (a3) --> (a5) (a3) --> (a6) (a6) --> (a7)双眼视觉、单眼视觉
- 单眼：眼部位于侧面，双眼视野没有重叠
- 双眼：左右眼视野有部分重叠，它有着更高的视觉敏感度和立体视觉，在视觉深度感知中起重要作用
- 位于鼻侧的视网膜节细胞轴突投射至对侧（跨过中线)，位于颞侧的轴突投射至同侧
外膝体（LGN）
- 灵长类LGN有6层细胞组成，1-2层为细胞层（腹侧），3-6层为小细胞（背侧），每一层之间的区域为K细胞层
- 左侧LGN收集来自左眼视网膜颞侧和右眼视网膜鼻侧投射，所以左侧LGN接收来自右半视野输入
- 1、4、6层接收对侧视网膜投射，2、3、5接收同侧视网膜投射
- LGN具有视网膜节细胞相同的感受野
视网膜拓扑映射
- 视觉通路中的细胞根据向它们传输信号的视网膜节细胞的相对位置所进行的拓扑学排列，称为$\color{red}视网膜拓扑映射(第一组织原则)$
V1感受野的形成
- $\color{red}前馈模型$：LGN神经元通过复杂的连接将它们的感受野线性排列组成了简单细胞的感受野，这种模型称为前馈模型
- 相邻区域同向排列的简单细胞感受野组合形成复杂细胞的感受野
- 视觉通路感受野层次:$\color{red}光强检测$(光受体)$\to$ $\color{red}对比度$检测(RGC、LGN)$\to$ $\color{red}线条和轮廓$检测(V1区简单细胞和复杂细胞)
功能柱
- 功能构架:在一个给定的视网膜拓扑映射区域内，具有相同特性的神经元排列在与皮层表面相垂直的轴上$\color{red}(第二级组织原则)$;
- 功能构架:在一个给定的视网膜拓扑映射区域内，具有相同特性的神经元排列在与皮层表面相垂直的轴上$\color{red}(第二级组织原则)$;
第七部分
听觉-传感器
听觉信息的传递：外耳$\to$鼓膜$\to$中耳(三块听小骨)$\to$耳蜗$\to$毛细胞$\to$螺旋神经节$\to$中枢，其中，毛细胞是声音的传感器，将声波转换为电信号。
听觉-静纤毛机械力转导通道
静纤毛处于高$K^{+}$液体中，机械力拉扯相邻纤毛间末梢连接$\to K^{+}$内流，细胞去极化，胞内钙升高，递质释放，螺旋神经节外周末梢兴奋。
听觉-频率调谐
每条听神经纤维对一个特征频率的声音最为敏感，这一性质称为频率调谐，频率强度曲线呈V形。沿耳蜗分布的位置不同毛细胞对不同的特定频率最为敏感，底端对高频敏感，顶端对低频敏感——音调拓扑映像，这是由于基底膜的特性形成，底端的地方窄、刚性，顶端的地方宽、韧性
嗅觉-外周嗅觉系统构成
气味分子通过空气扩散进入鼻腔，嗅觉受体神经元是气味传感器，通过嗅纤毛感受气味分子 ，嗅觉受体神经元轴突终止于第一级嗅觉处理中枢——嗅球，并在嗅球内形成嗅小球
嗅觉-中枢环路组成
嗅觉通路不经过丘脑，嗅皮层(梨状皮层)只与外部感觉隔了两个突触 ，嗅皮层缺乏空间组织结构，僧帽细胞对向梨状皮层广泛投射
第八部分
体感-类型
体感系统是最大的感觉器官包括本体感觉、触觉、温度感觉、痛觉、痒觉
体感-背根神经节
感觉神经元是假单极细胞;外周轴突端有独特的形态;中枢轴突端投射在脊髓特定层;触觉神经元低阈值，痛觉神经元高阈值;
中枢神经系统的输出系统
三大输出系统:运动系统、自主神经系统、神经内分泌系统; 运动系统第三级调控-小脑与基底核，小脑负责运动的精细控制，基底核参与运动程序的起始和选择。