7 ，突触连接及其类型

神经元之间的连接部位称为突触，广义的突触还包括神经元与效应细胞 ( 如肌肉 ) 之间以及感受细胞与神经元之间的连接。

每个神经元都与其他神经元产生大量的突触连接。神经元表面积 ( 包括胞体、树突及轴突 ) 的 60%-80 ％被突触占领。

• 电突触以电耦合方式在神经元之间传递神经信息，即电信号直接传递过去；

化学突触。通过化学物质 ( 信使分子、神经递质 ) 在细胞之间传递神经信息

8 ． 反射活动与反射弧

( 一 ) 、一般概念
神经系统的基本活动是反射活动，它必须由若干神经元按一定形式连接、配合才能完成。

• 两个神经元形成的反射称为单突触反射，只经过一个突触连接如膝跳反射。
• 在 3 个或更多神经元形成的反射中，感觉 ( 传入 ) 神经元与运动 ( 传出 ) 神经元之间有一个或多个中间神经元介入，如针刺脚底引起屈肌反射为双突触反射。其反射通路的结构基础称为反射弧，包括感受器、传入神经元、神经中枢 ( 中间神经元及突触连接 ) 、传出神经元、效应器 5 个环节。

• 反射弧
  ( 二 ) 、反射活动的类型

  • 非条件反射 ( 无条件反射 ) ：先天性反射活动，是动物种系进化过程形成的
  • 条件反射：个体经过后天学习训练或经验积累形成

  
  ( 三 ) 、兴奋与抑制

  神经系统的两种调节方式

  • 兴奋：机体受到刺激后由静止态转为活动态或由弱活动转为强活动；
  • 抑制：由活动转为静止或由强活动转为弱活动。

   

  ( 四 ) 、反馈作用

  负反馈调节：发汗反射过程中汗腺分泌的自动停止。当汗水蒸发带走热量使皮肤温度下降时，消除了高温对皮肤感受器的刺激，使感觉神经停止传入信号，下丘脑的散热发汗中枢也不再发出兴奋性指令传给脊髓运动神经元，于是汗腺分泌停止。

  9 ．学习与记忆

  ( 一 ) 、概念

  1 ．定义

  • 学习指神经系统接受外界信息的过程
  • 记忆指获得的信息或经验在脑内贮存和再现 ( 提取 ) 的过程。 图示

  二者既有区别又有联系。

  其基本过程大致可分为 3 个阶段，即获得、巩固和再现 ( 回忆 ) 。

  2. 类型

  学习：简单学习、联合学习和复合学习。

  记忆：形象记忆、逻辑记忆、情感记忆、运动技巧记忆等；瞬时记忆、短时记忆、长时记忆和永久记忆；陈述性记忆和程序性记忆。

  3 ．学习无能

  指一种特定的学习功能障碍。患者外表和智商正常，但神经系统活动处于过分缓慢状态，语言表达功能差，而且这种缺陷并不随年龄增大而消失。

  4 ．遗忘

  无意义的信息以及不经常再现内容的遗忘，是一种适应性的保护作用，以免脑内贮存大量无用的信息。

  ( 二 ) 、学习与记忆的研究方法

  • 对尸体脑进行解剖及病理分析；
  • 通过临床病例进行脑科或神经科的研究；
  • 采用心理学检测方法分析脑功能；
  • 无创伤性脑功能成像技术。 教授的脑
  • 动物实验

  ( 三 ) 、学习记忆的脑区定位

  脑内有多种记忆系统：

  • 颞叶皮层和海马对人和灵长类动物的记忆有重要作用。
  • 前额叶皮层有短时记忆功能。
  • 小脑和基底神经节有运动性记忆功能。

  ( 四 ) 、学习记忆的神经机制

  1 、中枢神经可塑性

  中枢神经的结构与功能 ( 尤其是突触的结构、分布、形态 ) 除由遗传因素决定以外，还受环境因素 ( 学习训练、经验积累、环境刺激因素等 ) 的影响。

  2 ．目前进展

  短时记忆：神经递质的释放。

  长时记忆：相关蛋白质合成以及突触的变化。

  10 ． 脑的语言功能

  人类的语言能力包括口语、认读和书写。

  ( 一 ) 、大脑皮层的语言区

  对于大脑各种功能的研究来自各种大脑疾病和损伤的研究。

  前语言区： 位于左侧大脑半球额叶，为 " 表达性语言中枢 " 。该部位损伤则出现语言的口头表达障碍，又叫表达性失语症。

  后语言区： 位于左侧大脑半球额叶，是语言的理解中枢，这个部位损伤主要表现为语言接受与理解能力障碍，病人听不懂他人讲话，也看不懂书面文字，即出现感觉性失语症。

  二个区之间通过神经束相互联系。

  另外还存在管理阅读能力和书写能力的大脑皮层区域。

  ( 二 ) 、大脑语言功能一侧化现象

  绝大多数人的语言中枢都位于左脑，即 " 单侧化 " 。

  语言区一侧化与利手有关， 90 ％以上的右利手者语言中枢在左脑。

  11 ． 睡眠与觉醒

  睡眠与觉醒是脑的自我调整方式，由体内的生物钟决定。

  ( 一 ) 睡眠过程的两种时相

  利用脑电波研究发现睡眠包括两个阶段：

  • 慢波睡眠 ( 轻度睡眠 ) ：皮层脑电波为高频慢波，又称同步化睡眠，此时为浅睡阶段。
  • 快波睡眠：发生在慢波睡眠之后，伴有间断性的眼球快速运动，又称快速眼动睡眠。此时为深度睡眠阶段，较难唤醒，常伴有梦境。

  快波睡眠随年龄增长而逐渐减少，在物种之间随进化程度增加而增加。

  ( 二 ) 睡眠与觉醒的中枢神经机构

  脑干网状结构是调整觉醒与睡眠交替的关键，可以维持和调整大脑皮层的兴奋性水平，起到唤醒和催眠的作用。

  生物钟： 下丘脑有内置的生物节律，调节睡眠和觉醒。

  昼夜感受： 视网膜 - 下丘脑之间有特定神经通路将光照周期信息传给下丘脑的昼夜节律起博器。外界周期可调节体内生物钟。

  ( 三 ) 睡眠肽与睡眠因子

  已在脑脊液及脑干组织中发现了多种睡眠因子。例如，褪黑激素、血管活性肽、催产素等都有不同程度的促进睡眠作用。

  ( 四 ) 关于梦的研究

  梦是在快波睡眠期发生的。

  来自身体内外的某些有效刺激传入脑内，再与过去的经历 ( 即脑内已贮存的信息 ) 掺合在一起，就构成了梦境。

  12 ．四 情绪与情感

  情绪与情感受个性特点的制约，也受生理状态、生活经历、文化水平等众多因素的影响。

  情绪 ( 包括情感 ) 的中枢神经机制相当复杂，是在刺激因素、认识因素、生理因素三者的综合作用下，大脑皮层及皮层下各级神经结构协同调控的结果。

  情绪变化伴随着一系列生理反应，包括自主神经功能的变化 ( 如交感神经活动加强、心率加速、血压升高等等 ) 、内分泌活动的变化 ( 如肾上腺素分泌增加 ) 、面部表情肌活动改变等。脑的边缘系统 ( 如下丘脑、杏仁核群、海马等 ) 对情绪反应的调节控制有重要作用。

  13 ． [ 神经科学的最新研究方向

  1 脑组构的基本机制 ； 脑是一切精神活动的基础，精神与物质的关系是人类社会要解决的根本理论问题之一。脑的高级功能涉及多层次、多水平的神经整合作用，研究工作的面广、量大，热点问题也非常多。日本在 1996 年制定的 " 脑科学时代 " 大型研究计划，将研究任务归纳为 " 认识脑 " 、 " 保护脑 " 和 " 创造脑 "3 个方面，各有明确的战略性目标。例如， " 保护脑 " 的主要目标是脑发育与脑老化过程的控制以及脑疾病的预防与康复。 " 创造脑 " 主要是指脑仿真型的神经计算机的研制。有人认为，根本目标是要揭示数量巨大的脑细胞组装成奇妙的功能系统的设计原理与工作原理，要阐明脑对环境适应性的自组织 (self-organization) 动力学过程。虽然脑的基本组构由遗传因素决定，但环境因素作用下的脑神经可塑性有很大的潜力。
  此外，结构分子神经生物学将是重要的研究方向。值得提出的一个挑战注理论是，疯牛病和人类海绵状脑神经退化病是一种蛋白质分子发生构象变化并不断积累造成的神经变性。 Prusiner 鉴定了这种蛋白质并命名为朊蛋白 (prion protein) 。但若指导合成这种蛋白的基因发生突变，就使正常朊蛋白产生突变异构体。这种变构蛋白具有传染性，当它进入正常人脑内可以通过自我催化机制使正常朊蛋白分子变构，产生大量变构的致病蛋白积累而造成神经变性。 Prusiner 因为发现朊蛋白致病的独特机理而获得 1997 年诺贝尔奖。

  2 老年性脑疾病的机制

  脑是身体各种活动的指挥中枢，脑老化必将影响身体的各种生理功能。在社会老龄化的情况下，脑老化及老年性脑疾病已成为人类面临的重大医学 - 生物学问题，当然也是神经科学中相当活跃的研究领域，脑老化的机制及某些脑病的病因分析已取得不少进展。例如，脑老化及多种神经 - 精神疾病的基因机制正逐渐阐明。已经发现衰老相关基因 (senescence associated gene) ，但对其表达调控的细节还要研究。 DNA 分子甲基化是真核细胞基因表达的调控机制之一，随着年龄老化， DNA 甲基化程度显著降低， DNA 脱甲基化或甲基化异常可使某些基因表达发生变化，有人认为某些特定基因的甲基化程度可以作为衰老生物学指标。基因自然突变 ( 缺失、重复、点突变等 ) 与衰老及脑病的相关性是研究的热点问题，已经发现早老蛋白 1 和早老蛋白 2(presenilin l ， 2) 是基因突变的结果，这 2 种蛋白的基因分别位于第 14 号与 1 号染色体上，基因突变表达的异常蛋白质参与早老型痴呆症发病机制的生化途径。多种老年性神经 - 精神疾病都与基因突变有关，淀粉样前体蛋白 (APP) 基因突变是老年痴呆症分子致病机制的又一个动因。此外，线粒体 DNA(mtDNA) 突变与人类衰老也有一定的联系。在细胞内起 " 动力站 " 作用的线粒体可以通过分裂方式自行繁殖，有一定的自主性。线粒体 DNA 是细胞质的遗传物质，它比细胞核内的 DNA 更容易损伤和突变，因为 mtDNA 没有组蛋白结合，易受不良因素 ( 如自由基 ) 的侵害，所以发生突变的机率很大。
  细胞凋亡 (apoptosis) 与衰老的关系也是研究的热点课题。在人体和高等动物体内，有一种与细胞分裂增殖相反的方式对细胞群数量进行调节，这种方式就是在内外环境因素刺激作用下启动自身机制，通过基因调控引起细胞凋亡。这是细胞主动自我毁灭的过程，是细胞的 " 自杀 " 现象，通过这种方式来维持神经元数量平衡。但神经系统内若发生异常的细胞凋亡或细胞凋亡过度就会引起疾病。细胞凋亡过度可能是神经退变性脑病过程中，神经元大量丧失的重要病因，也可能是通过细胞凋亡方式自动清除脑内退变受损的神经元，是维持脑内微环境的一种内在机制。总之，细胞凋亡与脑神经退变性疾病的因果关系尚未查明。引起细胞异常凋亡的因素很多，例如，脑内谷氨酸等兴奋性氨基酸的神经毒性可诱发细胞凋亡；自由基大量产生能促进细胞凋亡；细胞内 Ca+2 超载也可启动细胞凋亡等。细胞凋亡是依赖蛋白质合成的，启动细胞凋亡先启动有关基因，合成特异性蛋白质。已经发现一种胞浆蛋白质，定名为终末蛋白 (terminin protein,TP) ，有 3 种分子形式 (TP-90,TP-60 ， TP-30) 分别存在于增殖细胞、衰老细胞和凋亡细胞，在离体培养细胞中已证实 3 种 TP 形式相互转化及其与细胞衰老和凋亡的关系。但细胞凋亡的基因调控机制相当复杂，已发现多种基因、多种细胞因子及多种刺激信号都参与细胞凋亡过程，其中有些起诱导作用；有些起调节作用 3 也有一些起抑制作用。关于细胞凋亡与脑老化及神经 - 精神疾病的关系有许多问题尚未阐明。

  3 ．促智途径的研究

  力、智能、智慧这些词有极丰富的内涵，在思维科学、心理学、哲学等科学中讨论较多，目前还没有令人满意的统一定义。智力水平的个体差异强大，与各人的神经活动强度、灵活性、均衡性等特征有关，与巴甫洛夫分析的高级神经活动类型有关。智慧是人脑的产物，涉及脑内的信息加工处理及神经整合过程。所谓促智就是通过各种途径使大脑具备意识的过程或使潜意识转变为显意识的过程。人脑蕴藏着巨大的智力潜能或潜在的超常思维能力，促进超常思维或创造性思维能力的发展，对提高人类的智力水平具有深远的意义。促智研究的途径很多，例如，可以从中枢神经可塑性的角度研究促智；也可以从中枢突触动力学的角度研究促智；还可以从生物信息流的观点研究促智。中枢神经可塑性是终生存在的特性，是一种潜在的适应能力，充分发掘这种能力对智力开发和延缓衰老都有意义。突触连接不仅是被动的 " 信号中转者 " ，也是可靠的 " 门控者 "(gatekeeper) ，能够主动控制和调节神经通路中的信息流。新近的研究资料提示：神经通路中常有一定比例的突触在功能上处于静息状态，表现为动作电位到达时不释放神经递质，或突触后膜的受体不活动。人们推测这类静息突触在神经网络的信息贮存与信息处理中有某种生理内涵，并设想有某种分子机制可以促进静息突触向功能性突触快速转变。人脑接受信息是连续不断的动态过程。堪称生物信息流，包括遗传性信息和非遗传性信息。每个物种保持其特有的结构与功能的稳定性主要是遗传信息流决定的，同一物种各个体之间的差异是非遗传性信息流与发育信息流、代谢信息流等综合作用的结果。一旦信息流出现紊乱或障碍就会产生疾病。因此，非遗传信息对人类智能影响很大。脑内的信息含量不是固定不变的数值，扩大信息流程可以提高脑的智力活动。
  此外，促智药物 (nootropic drug) 的研究也相当活跃。一些促智药物既可增强正常脑功能，又能改善多种原因 ( 脑缺血、脑损伤、脑疾病等 ) 引起的认知功能障碍。促智药物的种类很多，作用于脑神经活动的不同环节，如胆碱能药物、神经肽 ( 如加压素、 ACTH 等 ) 、神经营养因子等。早期的促智药物如吡咯烷酮乙酰胺 (piracetam) ，是著名的促进脑功能的药物。由比利时首先合成，中国市场销售的商品名为脑复康。后来美国也合成了同类药物阿尼西坦 (aniracetan) ，用于治疗老年痴呆症等。中国昆明植物所合成了一种新的吡咯烷酮类化合物 KMBZ-009 ，经昆明动物研究所的动物实验证明其促智作用比阿尼西坦更强。我国有传统医药的长期经验，又有丰富的自然资源。因此，展中国特色的促智药物有很大潜力。从石杉科植物干层塔分离提取的一种生物碱 -- 石杉碱甲 (huperzine,Hup A) 是一种高效的胆碱酯酶抑制剂，中科院上海药物研究所对该药的促智作用有一系列研究，受到国际学术界的重视。
  除上述几个前沿研究领域以外，研究的热点问题还很多。一些非前沿领域内也有某些生长点课题。所谓前沿和热点都随科学的发展和时代的前进而处于动态变化之中。例如，神经肽的研究从 20 世纪 60 年代开始活跃，它是一类调节多种生理功能的特殊信息物质，有广阔的应用前景。某些神经肽有增强记忆等促智效应。有人根据功能特性的差异将神经肽分为记忆肽、睡眠肽、镇痛肽等不同的类别。已经发现，脑内某些神经肽水平的变化及其利用率的高低是影响智能强弱的重要因素。神经耽及其拮抗剂和受体的研究将有助于查明其生理及病理意义，并为研制神经 - 精神疾病的新药提供新的途径。神经营养因子的研究现在正是热点。神经营养因子 (neurotrophic facters) 又称神经营养素 (neurotrophic,NTs ) ，最早发现的一种为神经生长因子 (NGF) ，后来又发现脑源性神经营养因子 (BDNF) 、胶质细胞源的神经营养因子 (GDNF) 、神经营养奉 -3(NT-3) 、神经营养素 -4 ／ 5(NT-4 ／ 5) 等。这是一类特殊的蛋白质，表现出特异的神经营养活性，对神经的生长发育和正常功能活动的维持以及神经损伤的修复都有一定的作用。动物实验及临床试用证明，这类药物对认知功能障碍有一定的疗效，人们试图用于治疗某些神经 - 精神疾病。但其作用机理还有许多环节有待查明，临床应用还有一些具体问题要研究解决。例如，首先必须解决这类蛋白质通过血脑屏障 (BBB) 进入脑内的问题。人们已开始研究多种措施。

  4 人工神经网络

  20 世纪 50-60 年代神经生理学取得突破性进展主要依赖于微电极技术的应用，这一技术使得人们对神经元膜电位及突触电位有比较深入的了解。 70 年代以后分子生物学技术日益广泛的应用，使得人们有可能探讨神经活动的分子机制。但这些研究都是从 " 硬件 " 出发，从某个具体层次 ( 分子水平、细胞水平等 ) 分析问题。事实上，人和高等动物的神经系统 ( 尤其是高位中枢的脑 ) 是结构与功能都非常复杂的多层次体系，其整体功能和活动规律不能直接从组成元件或某具体物质的性质推论出来。因此，有必要寻求某些设计原理来分析大量神经元组装起来的功能系统，或寻求不同层次上研究的结合点。有人认为理论、实验及计算并列为自然科学研究的 3 大途径。计算神经科学 (computational neuroscience) 正是以神经科学研究成果为基础，对神经系统和脑智能活动进行计算与模拟研究。计算机理论和现代计算机技术的运用，有助于预见一些实验结果或获得一般生物学实验无法得到的数据。计算神经科学可以提供合理的数学模型，在宏观与微观之间架起相互解释的桥梁。然而算神经科学不等同于计算神经生物学和数学生物学，也不意味着大量数据计算。这里所谓的计算 (computation) 不同于一般的计算，它有更广泛、更抽象的涵义，有人认为它是 " 变换 " 或 " 转换 " 的同义词，计算神经科学的 " 计算 " 相当于 " 信息转换和信息加工处理 " 的意思。 1994 年创刊的《计算神经科学杂志 (Journal of Computational Neuroscience) 》曾说明 " 计算神经科学是集中研究人与动物的神经系统如何处理信息而产生行为 " 。 Sejnowski 等 (1988) 在《 Science 》上发表的计算神经科学长篇论文中明确提出 " 计算神经科学的最终目的是要阐明脑如何利用电信号和化学信号来表达和处理神经信息 " 。有人认为 Sejnowski 这篇论文的发表是计算神经科学诞生的标志。计算神经科学通过建立计算模型和计算机仿真来研究神经系统的信息处理功能，是神经科学中一个新的研究途径。沈政等在《认知神经科学导论》一书中强调：计算神经科学是认知神经科学的分支学科。