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Sakmann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，最终达到测量每一个神经元活动的水平。在神经回路水平推进对人类大脑近千亿神经细胞的理解，加深对感知、记忆、行为及意识的研究。欧盟的人脑工程于2013年入选了欧盟未来新兴技术人类大脑旗舰项目，获得了10亿欧元的资金支持，旨在用巨型计算机模拟整个人类大脑。遗憾的是，欧盟于2019年宣布相关计划以失败告终。日本的“脑科学时代计划”规模较小，投入30～40亿日元/年，核心任务是制造转基因狨猴，以狨猴模型研究阿尔茨海默病、精神分裂症等神经系统疾病和人类认知功能相关机制。

　　中国神经科学进入21世纪也得到了长足的发展，中国神经科学年会参会人数由1995年刚成立时的几百人发展到近年的近4　000人，国家在中国科学院成立了专门的神经科学研究所，按照发达国家的PI模式进行管理。各省（自治区、直辖市）成立了很多地方神经科学学会，很多大学成立了神经科学研究机构、脑研究院，尤其是引进了不少国外从事神经科学研究的年轻优秀人才，近年来很多中国本土的研究成果发布在国际顶尖的杂志上。中国正在逐步缩小与西方发达国家神经科学领域的差距。中国脑计划的战略方针拟按照“一体两翼”的模式推进，在加强神经科学基础研究的基础上，一方面推进人工智能的工作，另一方面加强神经系统疾病的研究。相信中国神经科学未来的发展具有巨大的潜力。

　　三、　神经生物学的经典和前沿研究技术

　　美国2013年通过的“推进创新神经技术脑研究计划”的一个主要目的是通过新的实验技术和手段来推动对脑的认知和促进神经生物学的更快发展。与其他生物学和基础医学学科类似，神经生物学也是一门实验科学，其学科发展历程中的很多重要进展都是与各种实验技术方法的发明和创新有密切关系。例如，19世纪意大利解剖学家Golgi建立的Golgi镀银染色法，20世纪50年代英国神经生理学家Hodgkin、Huxley等通过电生理记录技术发现了神经细胞电活动的离子机制，70年代德国生物物理学家Neher和Sakmann发明了膜片钳技术，将神经生物学的研究工作推进到分子和通道水平。这些实验技术的创新和发展使人们对神经系统尤其是脑的结构和功能有更加深入和细致的认识，对于我们进一步探索脑的奥秘、增强脑认知能力和治疗脑功能障碍疾病有重要意义。

　　神经生物学作为在神经解剖、神经生理、神经化学、神经药理等学科基础上发展起来的一门综合性实验科学，也是应用了这些学科的诸多实验技术和方法对神经系统进行多层次的研究和探索。因此，神经生物学的实验技术和手段就几乎涵盖了现代生物学和医学的各种方法，多层次和多学科的交叉研究是神经生物学的一个显著特点。从传统的神经解剖学、电生理、行为学、免疫组化等技术，到激光共聚焦扫描显微镜、多光子激光显微镜观察，以及无创检测的脑功能成像技术如脑功能磁共振成像、正电子发射体层成像等，神经生物学的研究越来越精细、越来越深入，人们对神经系统的理解也越来越深。美国斯坦福大学的Karl　Deisseroth创立的透明脑3D成像技术，其可将细胞膜上的脂质分子完全洗脱，使得整个动物脑组织在结构及形态完全不变的情况下变得几乎完全透明，然后可在全脑水平进行多次反复的免疫荧光标记，从而极大地提高了免疫组化及免疫荧光的实验效率。脑活动的神经回路机制是近期神经科学发展最快的领域之一，嗜神经病毒示踪技术、光遗传学技术、化学遗传学技术等现代神经科学新的方法是解析各种行为活动神经回路机制的有力工具。

　　本部分将简要介绍对神经生物学的发展起重要作用的经典和前沿研究技术。

　（一）　形态学技术

　　1.　免疫组织化学技术简称免疫组化，也称免疫细胞化学技术，是形态学研究领域最重要的方法之一，其原理是应用免疫学最基本的抗原抗体反应即抗原与抗体特异性结合的原理，通过化学反应使标记抗体的显色剂（酶、荧光素、金属离子、同位素等）显色来确定组织细胞内的抗原（多肽和蛋白质），并对其进行定位、定性及定量研究的方法。该方法的优点是特异性强、敏感性高及定位准确，可达到形态与功能相结合的研究目的。免疫组化显色后如用电子显微镜进行观察记录则称为免疫电镜技术。

　　冰冻切片（包括贴片和漂片）及石蜡切片都可用来进行免疫组化染色，二者的实验步骤基本相同，主要的区别是由于石蜡切片在处理过程中会造成抗原交联而可能影响染色结果，故通常需要进行抗原修复以增强显色，包括用抗原修复液热处理的热修复法及使用酶处理的酶修复法；而冰冻切片的免疫组化实验不需要进行抗原修复，但是其在形态结构的保存方面不如石蜡切片。

　　（1）　酶标记免疫组化技术：采用免疫组化三步法技术。该技术是用酶免疫动物，制备高效价、特异性强的抗酶抗体，然后以第二抗体作为桥，将抗酶抗体和特异性的第一抗体（即连接在组织抗原上的抗体）连接起来，再将酶结合在抗酶抗体上，经过酶催化底物的显色反应后，显示出抗原所在的部位及含量。其包括传统的过氧化物酶抗过氧化物酶法（PAP法）、碱性磷酸酶抗碱性磷酸酶法（APAAP法）、卵白素生物素复合物法（ABC法）、链霉卵白素法（SP法或称LSAB法）等。SP法是最常用的免疫组化技术之一，其敏感性好、背景染色低。适当浓度的金属离子，如镍、铜等可显著增强免疫组化的染色效果。

　　免疫组化双重染色技术与单一标记的免疫组化技术的原理基本类似，但是用于在一张组织切片上进行两种或多种抗原的染色，通常用不同的荧光染料显示便于在荧光显微镜或激光共聚焦显微镜下观察实验结果，也可以用过氧化物酶交联的抗体以不同的显色底物显示不同的颜色，如用DAB显色系统显示棕黄色、AEC显色系统显示红色、DAB硫酸镍铵显色系统显示蓝黑色等。

　　（2）　荧光标记免疫组化技术：即免疫荧光法，是最早建立的免疫组化技术，免疫荧光法的基本原理与酶标免疫组化技术的原理大致相同，都是利用抗原抗体特异性结合的特性，但标志物不是酶而是荧光物质，当与其相对应的抗原或抗体起反应时，在形成的复合物上就带有一定量的荧光物质，以此作为探针检查细胞或组织内的相应抗原，在荧光显微镜下就可以看见发出荧光的抗原抗体结合部位，从而可确定组织中某种抗原的定位，还可进行定量分析。传统的荧光染料主要有呈现黄绿色荧光的异硫氰酸荧光素、呈明亮橙红色荧光的四乙基罗丹明（khodamine B）以及呈橙红色荧光的四甲基异硫氰酸罗丹明（TRITC）。近年有不少新的荧光染料出现，如Cy3、Cy5、Alexa　Fluor等。

　　2.　透明脑技术大脑具有复杂的结构联系和组织细胞类型，对于细胞分布、连接模式、活动模式的研究等常常需要全脑成像。通常情况对标记的脑组织连续超薄切片，然后用计算机进行三维图像重建，可达到深度成像，但这个过程十分缓慢。此外，切割还可能影响组织表面及边缘的完整性，致使重建图谱效率并不高。更好的方法是使组织透明化，然后将其完整地成像。细胞和细胞器膜及包裹轴突的髓鞘主要由脂质组成，当光线穿过水溶液遇到脂质时，折射率的变化会使其发生弯曲和散射，因此光学显微镜和荧光显微镜均难以观察清楚有一定厚度的全脑组织。对大脑组织进行透明化使光线可以完全穿透，主要就在于清除这些脂质分子，但保留其余的蛋白等分子。通过脑组织透明化技术，可以克服光学显微镜穿透能力的局限，使成像更清晰、分辨率更高。透明化后的全脑组织可用双光子、光片显微镜进行深度成像。本章主要介绍几种主要的、易实现的脑组织透明技术方法。

　　CLARITY　3D透明脑技术于2013年由斯坦福大学神经学家Karl　Deisseroth实验室报道，其实验原理是利用水凝胶对小鼠大脑组织进行固定，然后使用清洁剂将细胞膜上的脂质分子溶解，并同时利用电泳的方法将脂质分子从细胞骨架上剥离开，从而实现全脑组织的透明化。进一步的CLARITY技术用清洁溶液经心脏体循环全身灌注，方法更简便，可以达到与利用电场清洗全脑脂质同样的效果。

　　此外，还有CUBIC脑组织透明技术、脑深部可视化技术（SeeDB）等脑透明技术等，具体可参考我们编写的配套实验教材《神经生物学实验技术与方法》。

　　（二）　膜片钳技术

　　在20世纪70年代膜片钳技术发明之前，神经生物学研究采用的电生理技术主要是传统的细胞外记录、细胞内记录等方法。细胞外记录技术可用于记录单个或多个神经元群体的放电活动，可应用于脑组织切片、离体组织、活体动物。活体动物实验中，细胞外记录技术多为有创记录，但也因此可获得更高质量的记录信号和更好的反应时间及空间分辨率。通过对所记录数据的进一步分析，可得到特定记录区域数个至数百个神经元在同一时刻的放电活动。高质量的细胞外记录信号稳定，动物可处于麻醉、清醒甚至自由活动状态。记录时长可达数小时甚至数月，这使得该技术在长期监测动物神经元反应、药理干预下及病理过程中的神经元活动中有着不可替代的作用。

　　利用细胞内记录技术，人们可以研究单一神经元的功能活动、神经元膜电位的主动与被动特性及有关个别神经元在神经回路中的位置和作用等。在膜片钳技术问世以前，采用尖电极进行细胞内记录是获取这些信息的唯一手段。通过在体记录神经元在刺激条件下所产生的细胞内反应，可以细致地了解神经元膜的被动特性与主动反应。通过记录个别神经元在有关神经网络活动中的突触反应，可以准确地分析出有关神经元在回路中所起的功能作用。在细胞内记录的基础上向细胞内注入示踪剂或荧光染料，不但可以清楚地看到有关神经元的细微结构，而且可以将神经元的结构与功能联系起来。

　　膜片钳技术是在传统电生理技术上取得的重大突破。膜片钳技术共有4种基本记录模式，其他记录模式都是在此基础上逐渐发展演变而来的。这4种记录模式为细胞贴附记录（cellattached　recording）（也称为松散膜片钳）、内面向外记录、外面向外记录和全细胞记录。玻璃微电极尖端与细胞膜接触后，通过给电极轻微的负压吸引形成紧密封接，此为细胞贴附记录，其适用于验证各种信使对通道的调制作用。若在上述基础上将电极拉开，使电极下的一小片膜与细胞的其余部分分离，且这片膜的内侧朝向浴槽溶液，这便是膜内面向外记录。当贴附式高阻抗封接形成之后，向微吸管内做短暂的负压抽吸，使电极覆盖下的细胞膜破裂，造成电极内液与胞内液相通而相互扩散，但它们和细胞浴液绝缘，即形成全细胞记录。全细胞记录的是整个细胞而不是小片膜的离子电流。电极与细胞的封接有很高的电阻（＞10　GΩ），这是形成全细胞记录的重要条件。全细胞记录可分别进行电压钳制和电流钳制。全细胞记录形成后，轻提电极，可将一小片膜从细胞上分离出来，并在电极尖端形成闭合的囊泡，此时细胞膜的外表面对应的是浴液，内表面对应的是电极内液，此为膜外面向外记录。除全细胞记录外，其他3种都是单通道记录模式。在神经科学实验中，全细胞记录和细胞贴附记录是最为常见的方式。此外，膜片钳技术可以根据实验的需要记录单个细胞、组织片和活体动物中神经元的单通道或全细胞的电活动。

　　

目录

第二版前言

第一版前言

绪论1

一、神经生物学的概念和研究内容1

二、神经生物学的发展历史和展望2

三、神经生物学的经典和前沿研究技术4

第一篇神经细胞活动的基本机制

第一章中枢神经系统的细胞和组织学结构10

第一节神经元的形态结构与分类10

一、神经元的形态结构与特性10

二、神经元的分类14

第二节突触14

一、化学性突触14

二、电突触17

三、混合性突触18

第三节神经胶质细胞18

一、中枢神经系统内的胶质细胞18

二、周围神经系统的胶质细胞23

第四节大脑皮层与海马的组织学结构23

一、大脑皮层的组织学结构24

二、海马的组织学结构25

第五节小脑皮层的结构28

一、小脑的解剖学结构28

二、小脑皮层的组织学结构28

三、小脑的神经核团29

四、小脑的纤维联系29

第二章神经递质31

第一节神经递质概述31

一、神经递质的概念和分类31

二、经典神经递质32

三、神经肽34

四、神经调质36

第二节重要的神经递质37

一、谷氨酸37

二、γ氨基丁酸39

三、乙酰胆碱41

四、多巴胺43

五、其他重要神经递质46

第三章神经营养因子54

第一节神经营养因子概述54

一、靶源性学说与神经生长因子的发现54

二、神经营养因子的概念和分类55

三、神经营养因子的主要作用方式56

第二节神经营养素58

一、神经营养素的共同特点58

二、神经营养素成员58

三、神经营养素受体及信号转导60

四、神经营养素的生物学作用62

第三节其他神经营养因子64

一、胶质细胞源性神经营养因子64

二、睫状神经营养因子66

三、成纤维细胞生长因子67

四、胰岛素样生长因子69

第四章离子通道和神经电信号的产生与传递71

第一节神经电信号产生的离子基础71

一、离子的不均匀分布与静息电位71

二、离子通道与神经电信号72

第二节神经电信号的产生和传递79

一、神经电信号的产生79

二、神经电信号的传递81

第五章神经元化学信号转导84

第一节细胞膜受体与信号转导84

一、G蛋白偶联受体与跨膜信号转导85

二、酶偶联受体与跨膜信号转导89

三、蛋白质的磷酸化与去磷酸化90

第二节细胞质内受体与信号转导91

第三节细胞核内受体与信号转导91

一、cAMP应答元件结合蛋白质92

二、NF-κB92

三、激活蛋白193

第六章神经干细胞94

第一节神经干细胞概述94

一、神经干细胞的研究历史94

二、神经干细胞的存在部位95

第二节神经干细胞的生物学特性与鉴定99

一、神经干细胞的生物学特性99

二、影响神经干细胞生物学特性的因素100

三、神经干细胞基本特性的鉴定103

四、神经干细胞的体外扩增与永生化104

第三节神经干细胞临床应用与挑战104

一、神经干细胞的潜在应用领域104

二、影响神经干细胞移植治疗的因素105

第七章中枢神经系统的发育108

第一节神经管的发生及在解剖水平上的分化108

一、神经管的发生（神经胚形成）108

二、脊髓的发生109

三、脑的发生和发育109

第二节神经管在组织细胞水平上的分化111

一、神经管的组织发生111

二、脊髓的组织发生113

三、脑的组织发生115

第三节中枢神经系统发育的特点118

一、神经诱导118

二、神经细胞分化118

三、神经细胞迁移118

四、神经细胞的程序性死亡119

五、突触容量改变120

六、神经发育中的可塑性120

第四节中枢神经系统发育的关键期与发育异常121

一、神经管形成期——神经管缺陷121

二、脑形成后——出生后脑发育的关键期与功能异常121

第二篇神经功能的处理及机制

第八章视觉信息处理的神经机制124

第一节视网膜对视觉信息的初步处理124

一、视网膜的结构124

二、视网膜对视觉信息的初步处理126

三、视网膜神经元的感受野128

第二节外膝核对视觉信息的中继处理130

一、外膝核的结构130

二、外膝核的神经回路130

三、外膝核神经元的感受野131

第三节视皮层对视觉信息的整合131

一、视皮层的结构131

二、视皮层的感受野133

三、视皮层的功能结构134

第四节视觉信息的中枢传导136

一、中枢视通路136

二、视觉信息的综合处理138

三、视觉假体的应用及挑战139

第九章听觉信息处理的神经机制143

第一节声音的基本属性143

第二节耳的结构和功能144

一、外耳和中耳的结构及传音功能144

二、内耳的结构和感音功能145

第三节中枢听觉信息传导通路148

一、上行听觉通路149

二、下行听觉通路151

第四节中枢听觉信息处理和调控机制153

一、听神经元的类型和放电基本模式153

二、频率调谐曲线153

三、音频定位153

四、时间编码和空间编码153

五、双耳听觉信息整合154

六、复杂声和自然声信息的编码154

七、中枢听觉功能发育及可塑性154

第十章痛觉及调制156

第一节痛觉的上行传导156

一、伤害性感受器与致痛因子156

二、痛觉的上行传导通路157

第二节痛觉的调制158

一、脊髓背角的痛觉调制158

二、脑干对痛觉的调制159

三、丘脑在痛觉调制中的作用160

四、大脑皮层对痛觉的调制160

五、痛觉的高级整合160

第三节镇痛的策略162

一、药物镇痛162

二、物理镇痛162

三、手术镇痛163

第四节实验动物模型提供了研究痛觉机制的重要工具163

一、慢性痛行为及检测方法164

二、常用的疼痛实验动物模型164

第十一章运动的中枢机制166

第一节运动中枢机制概述166

一、躯体运动的类型166

二、感觉信息在运动控制中的作用167

第二节脊髓对躯体运动的调节167

一、脊髓运动神经元168

二、脊髓中间神经元169

三、脊髓对躯体运动的控制169

第三节脑干对躯体运动的控制170

一、脑干网状结构171

二、前庭核复合体172

第四节大脑皮层对随意运动的控制172

一、大脑皮层运动区的定位和感觉传入173

二、初级运动皮层对简单运动的控制174

三、次级运动区在运动计划中的作用174

第五节小脑和基底神经节对运动的调节175

一、小脑对运动的调节175

二、基底神经节对运动的调节176

第十二章学习记忆178

第一节学习记忆的基本概念178

一、非联合型学习178

二、联合型学习179

三、记忆的形成和储存179

第二节学习记忆的解剖学基础180

一、记忆的脑功能定位180

二、记忆的神经回路181

第三节突触可塑性181

一、突触传递的长时程增强182

二、突触传递的长时程抑制185

三、突触的刺激脉冲时序相关可塑性185

第四节学习记忆的神经机制186

一、习惯化和敏感化的神经机制186

二、联合型学习的神经机制187

三、短时程记忆与长时程记忆189

四、参与学习记忆的神经递质和神经肽190

五、学习记忆的基因调控190

第五节执行特殊记忆功能的细胞191

一、记忆印迹细胞与记忆的储存和提取191

二、位置细胞、网格细胞与空间记忆194

第十三章神经免疫内分泌调节197

第一节神经系统、免疫系统和内分泌系统的共同特性198

第二节神经系统与内分泌系统的相互作用199

一、神经系统对内分泌系统功能的调节199

二、内分泌系统对神经系统功能的调节201

第三节神经内分泌系统对免疫系统的调节204

一、神经系统对免疫系统的调节204

二、内分泌系统对免疫功能的调控206

三、神经内分泌调节免疫系统功能的机制207

第四节免疫系统对神经内分泌的调控208

一、免疫功能在神经及内分泌组织中的体现208

二、免疫应答对神经内分泌的影响210

三、细胞因子对神经内分泌的影响211

第五节应激和帕金森病中的神经免疫内分泌网络212

一、应激反应中的神经免疫内分泌网络212

二、帕金森病中的神经免疫内分泌网络213

第十四章神经信息处理与应用217

第一节神经信息处理概述217

一、神经电信号217

二、神经活动相关信号218

第二节脑信号采集技术219

一、神经元动作电位采集技术219

二、脑电信号的特征和采集技术221

三、脑功能磁共振成像技术222

四、其他脑功能记录技术222

第三节脑功能调控技术224

一、经颅电刺激技术224

二、经颅磁刺激技术225

三、脑深部电刺激技术225

四、各类遗传调控技术225

第四节脑机接口技术226

一、脑机接口的基本结构226

二、脑机接口技术的发展现状227

三、脑机接口技术的未来发展趋势227

第三篇主要疾病的神经生物学基础

第十五章中枢神经的损伤与再生232

第一节中枢神经损伤概述232

一、中枢神经损伤的类型233

二、中枢神经损伤后的反应233

第二节中枢神经损伤235

一、中枢神经受损后的胞体反应235

二、中枢神经受损后的突起反应237

三、中枢神经损伤后胶质细胞的反应237

四、中枢神经损伤的特点239

第三节中枢神经损伤后再生240

一、神经元胞体及突起的再生反应240

二、胶质细胞对再生的影响241

第四节促进中枢神经损伤后再生的策略242

一、神经营养因子与中枢神经损伤修复242

二、轴突生长抑制因子与中枢神经损伤修复243

三、组织工程在神经损伤修复中的作用243

四、神经保护剂及生物材料在损伤修复中的应用244

五、中医药在促进中枢神经再生中的应用245

第十六章阿尔茨海默病246

第一节阿尔茨海默病概述246

一、AD的发现历史246

二、AD与正常老化247

第二节阿尔茨海默病的病理和发病机制247

一、AD的病理特征247

二、AD的神经生物学机制249

三、AD的遗传学机制254

第三节阿尔茨海默病的动物模型256

一、APP转基因小鼠模型256

二、PS1转基因模型256

三、ApoE转基因模型257

四、Tau蛋白转基因小鼠模型257

五、双重和多重转基因模型257

第四节阿尔茨海默病的治疗策略和面临的挑战257

第十七章帕金森病259

第一节帕金森病的病理特征259

一、多巴胺能神经元选择性死亡259

二、Lewy小体与α突触核蛋白260

第二节帕金森病的发病机制260

一、基底神经节回路异常导致PD260

二、代谢因素262

三、环境因素262

四、遗传因素262

五、免疫功能异常263

六、蛋白异常修饰和错误折叠263

第三节帕金森病的治疗策略263

一、针对多巴胺治疗策略263

二、针对基底神经节回路的治疗策略264

三、光遗传学技术在治疗PD的应用265

第十八章癫痫266

第一节癫痫概述266

一、癫痫发作和癫痫的定义266

二、癫痫的流行病学266

第二节癫痫的分类及发作时的脑电变化267

一、癫痫的病因分类267

二、癫痫的临床表现分类267

三、癫痫发作时的脑电变化268

第三节癫痫的病理生理改变270

一、形态结构的改变270

二、生理功能的改变271

第四节癫痫发病机制的神经生物学基础271

一、离子通道与癫痫271

二、神经递质与癫痫272

三、突触传递的可塑性274

四、神经胶质细胞与癫痫275

第五节癫痫的临床治疗与研究进展276

一、常用抗癫痫药及其靶点276

二、外科手术治疗癫痫277

三、神经刺激在癫痫治疗中的应用277

第十九章成瘾278

第一节成瘾的相关概念与分类278

一、成瘾的相关概念278

二、成瘾的分类279

第二节成瘾的神经生物学基础280

一、成瘾相关的神经解剖基础280

二、成瘾相关的神经递质系统281

第三节成瘾的影响及治疗策略283

一、成瘾的后果283

二、影响成瘾的因素283

三、成瘾的治疗策略285

主要参考文献287

索引292