《神经科学实验复习》课件

神经科学实验复习神经科学实验基础知识及研究方法综述课程概述1神经系统基础神经元结构、突触传递、神经系统组织2实验技术和方法电生理、神经影像、组织学、行为学实验3主要研究领域感觉系统、运动系统、学习记忆、情绪认知临床应用与前沿方向第一部分神经系统基础神经元结构神经系统基本功能单位突触传递信息在神经元间的传递机制神经系统组织中枢和周围神经系统解剖神经元结构细胞体含细胞核、细胞器处理信息的中心树突接收信号的分支结构覆盖树突棘增加接收面积轴突传导电信号髓鞘包裹增强传导速度轴突末梢释放神经递质与下一个神经元形成突触突触传递钙离子内流动作电位到达2电压门控钙通道开放1电信号沿轴突传导至末梢递质释放突触小泡与膜融合释放递质35突后电位产生受体激活引起去极化或超极化4递质与突后膜受体结合神经递质及其受体递质类型主要功能受体类型谷氨酸主要兴奋性递质NMDA、AMPAGABA主要抑制性递质GABA-A、GABA-B多巴胺奖励系统、运动控制D1-D5乙酰胆碱神经肌肉连接、认知烟碱型、毒蕈碱型5-羟色胺情绪调控、睡眠5-HT1-7神经系统的组织中枢神经系统周围神经系统大脑和脊髓构成脑神经和脊神经整合和处理信息传递信息至身体各部位协调身体功能包含躯体和自主神经系统中枢神经系统大脑小脑脑干高级认知功能运动协调和平衡基本生命功能调节分为额、顶、枕、颞叶精细运动控制连接大脑与脊髓脊髓传递信息脊髓反射中枢周围神经系统感觉神经1将感觉信息传入中枢运动神经2将指令传递至肌肉躯体神经系统3控制随意运动自主神经系统4调控内脏功能第二部分实验技术和方法神经解剖技术电生理技术研究神经结构记录神经电活动神经影像技术观察大脑活动分子生物学行为学技术研究分子机制评估功能表现电生理实验技术记录神经活动电信号微电极插入神经组织分析神经元发放模式单细胞或群体记录研究神经环路功能体内和体外记录技术测量电流和电压变化膜片钳和细胞外记录膜片钳技术玻璃微电极制备玻璃管加热拉制成尖端电极接触细胞膜形成高阻封接膜片穿破获得全细胞记录膜电流记录测量离子通道活动细胞外记录多通道电极阵列同时记录多个神经元动作电位检测分析放电频率和模式神经网络活动研究神经元群体协同活动体内实时记录自由活动动物的神经活动神经影像技术亿10神经元连接数量级需要先进成像技术观察秒

0.1功能成像时间分辨率捕捉快速神经活动1mm高分辨率成像精度观察精细脑区结构7T高场强磁共振成像提供更清晰大脑结构功能性磁共振成像（）fMRI血氧水平依赖信号脑活动增加血流量氧合血红蛋白和去氧血红蛋白比例变化脑区激活图任务相关脑区显示颜色表示活动强度静息态网络无任务状态脑区连接反映功能性连接模式优缺点空间分辨率高时间分辨率较低正电子发射断层扫描（）PET原理应用优缺点注射放射性示踪剂神经递质研究分子水平研究优势检测代谢活动代谢异常检测辐射暴露限制正电子与电子湮灭产生伽马射线阿尔茨海默病早期诊断时空分辨率有限脑电图（）和事件相关电位EEG（）ERP电极放置头皮表面多个电极脑电波记录α、β、θ、δ波不同频率刺激呈现视觉、听觉等感官刺激波形分析研究神经加工时间进程神经解剖和组织学技术免疫组织化学组织固定抗体孵育1保存细胞结构特异性识别目标蛋白2信号显示二抗结合43显微镜下观察带荧光或酶标记物荧光标记技术荧光蛋白表达荧光显微镜神经元示踪GFP基因转染特定波长光激发和观察研究神经环路连接活体成像动态观察神经结构变化行为学实验方法学习记忆实验1研究认知过程情绪测试2评估动物情绪状态运动测试3测量协调能力社会行为4观察互动模式水迷宫Morris旷场实验方形开放区域分为中心和周边区域动物行为观察活动距离和路径测量参数总活动量、中心停留时间评估内容焦虑水平和探索行为高架十字迷宫结构测量指标应用十字形平台开放臂停留时间焦虑状态评估两臂开放两臂封闭进入开放臂次数抗焦虑药物筛选离地一米高风险评估行为遗传因素研究分子生物学技术在神经科学中的应用基因敲除和转基因动物模型基因靶向设计确定目标基因序列载体构建制备基因修饰载体胚胎干细胞转染导入目标基因构建体嵌合体生成注射至囊胚发育系统繁育筛选纯合突变体光遗传学技术原理光敏蛋白表达在特定神经元特定波长光激活或抑制常用光敏蛋白通道视紫红质ChR2古细菌光驱动氯泵NpHR优势精确时空控制特定细胞类型操控应用环路功能解析行为干预研究第三部分神经科学主要研究领域学习与记忆运动系统短期和长期记忆情绪和动机运动控制和协调奖赏、恐惧等情绪感觉系统认知功能3视觉、听觉、体感等注意力、决策、语言感觉系统研究刺激检测感受器对特定刺激响应信号传导传递至相应脑区信息处理初级和高级感觉皮层加工感知形成4产生主观感知体验视觉系统视网膜光感受器将光信号转换成电信号视神经和视交叉信号传递至外侧膝状体外侧膝状体初级视觉信息中继站初级视觉皮层简单特征检测（边缘、方向）高级视觉皮层复杂特征和对象识别听觉系统外耳和中耳声波收集和传导内耳耳蜗毛细胞将机械能转为电信号螺旋神经节第一级听觉神经元脑干听觉核团初级信号处理听觉皮层声音特征分析和识别体感系统感觉受体传导通路体感皮层机械感受器背柱-内侧丘系统感觉皮质同源模型温度感受器脊髓丘脑束体表表征不均匀痛觉感受器三叉神经通路手指和嘴唇区域较大运动系统研究动作计划1前运动区和额叶运动指令2初级运动皮层协调控制3小脑和基底节执行系统4脊髓和肌肉运动控制和协调运动皮层小脑基底节发出运动指令精细运动协调动作序列和幅度控制脊髓环路反射和中间模式发生器基底神经节和小脑功能基底神经节小脑纹状体、苍白球、黑质皮质、核团和纤维系统动作选择和抑制运动学习和误差校正直接和间接通路平衡时间控制和预测多巴胺调节功能认知功能参与学习与记忆研究编码信息获取阶段存储记忆巩固过程提取记忆激活使用遗忘记忆衰退或干扰短期记忆和工作记忆前额叶皮层功能容量限制信息暂时存储和处理7±2项信息单元时间特性神经环路持续时间短（20-30秒）持续性神经元活动维持信息长期记忆和固化海马在学习记忆中的作用新信息编码记忆模式分离1牙状回产生新神经元CA3区域区分相似经历2系统固化关联整合43将记忆转移至皮层区域CA1区整合时空信息情绪和动机研究边缘系统结构杏仁核、海马、前额叶皮层下丘脑、伏隔核情绪处理原始情绪反应高级情绪调控动机控制内部驱动力趋避行为决策神经递质多巴胺、5-羟色胺、去甲肾上腺素调控情绪和动机状态杏仁核和恐惧条件反射条件刺激非条件刺激联合学习条件恐惧反应中性刺激（如声音）天然引起恐惧的刺激（如电杏仁核内形成联结对中性刺激产生恐惧反应击）奖赏系统和多巴胺奖赏预测误差中脑皮质通路实际与预期奖赏差异中脑边缘通路投射至前额叶皮层腹侧被盖区投射至伏隔核多巴胺神经元起源认知功能研究注意力机制定向网络警觉网络选择感觉信息2维持清醒状态1执行控制网络3解决冲突5自下而上控制4自上而下控制刺激驱动注意目标驱动注意决策过程making结果评估1眶额叶皮层功能价值计算2前额叶皮层和基底节行动选择3运动皮层系统结果反馈4学习与调整语言加工语言理解语言表达辅助区域韦尼克区布洛卡区角回左侧颞叶功能左侧额下回弓状束听觉词汇转换为概念控制语言运动程序前额叶皮层第四部分神经科学在疾病研究中的应用神经退行性疾病万5000全球患者数量神经退行性疾病总患者30%85岁以上患病率阿尔茨海默病患病率万10每年新增病例帕金森病新病例年20病程长度典型神经退行性疾病阿尔茨海默病淀粉样蛋白沉积1Aβ聚集形成斑块神经原纤维缠结2tau蛋白过度磷酸化突触功能障碍3神经传递效率下降神经细胞死亡4大脑萎缩帕金森病黑质多巴胺神经元退化α-突触核蛋白聚集纹状体多巴胺水平下降路易体形成运动症状非运动症状静止性震颤、僵直、运动迟缓认知障碍、自主神经功能障碍精神疾病抑郁症单胺假说5-羟色胺、去甲肾上腺素缺乏突触间隙递质水平减少神经可塑性假说BDNF表达下降海马神经发生减少炎症假说促炎细胞因子增加慢性低度炎症状态神经环路异常默认网络活动增强杏仁核-前额叶连接改变精神分裂症多巴胺假说谷氨酸假说发育异常假说中脑边缘通路活动增强NMDA受体功能异常早期神经发育障碍中脑皮质通路活动减弱兴奋/抑制平衡失调突触修剪过度D2受体阻断是抗精神病药作用机制认知症状可能与此相关大脑连接性异常神经发育障碍基因因素环境影响1遗传变异和突变产前暴露和早期经历2表现症状神经发育异常43社交、语言和行为障碍神经元迁移和连接问题自闭症谱系障碍多基因遗传过度连接连接不足数百个风险基因局部脑区连接过强远距离脑区连接减弱异常发育婴幼儿期大脑过度生长注意力缺陷多动障碍（）ADHD执行功能障碍1前额叶皮质功能异常神经递质失衡2多巴胺和去甲肾上腺素系统异常奖赏环路改变3伏隔核对奖励敏感度降低默认网络调控失常4任务相关网络切换异常第五部分神经科学前沿研究方向连接组学绘制全脑神经连接图谱单细胞技术单神经元分子特性分析脑机接口大脑与计算机直接交互神经修复损伤后神经再生促进类脑计算模拟神经系统的人工智能脑机接口技术侵入式技术非侵入式技术应用领域皮质微电极阵列脑电图记录运动功能恢复深部脑刺激电极功能性近红外光谱感觉替代电皮质图记录脑磁图认知增强神经调控疗法人工智能与神经网络深度学习网络强化学习神经形态计算模拟神经系统分层结构类似奖赏驱动行为学习硬件层面模拟神经元总结与展望多尺度整合从分子到系统层面联合研究跨学科融合生物学、计算机科学、心理学结合转化医学应用基础研究向临床治疗转化伦理问题应对神经技术发展带来的伦理挑战。