關于認知的生物學基礎腦眼見為實？

a.桌子的大小形狀是否一樣?yesornot

b.右邊的線條是螺旋形的嗎?yesornot

第2頁,共39頁，2024年2月25日，星期天為什么要來上課？1、興趣。“知之者不如好知者，好知者不如樂知者”

——孔子2、知識。“知識就是力量”——培根3、思維。“學而不思則罔，思而不學則殆”

——孔子4、應用。“理論聯系實際，具體問題具體分析”——馬克思哲學5、學習方法。“循序漸進，持之以恒”——孟子第3頁,共39頁，2024年2月25日，星期天引言“人類應該知道，因為有了腦，我們才有樂趣、欣喜、歡笑和運動，才有了悲痛、哀傷、絕望和無盡的憂思。因為有了腦，我們才以一種獨特方式擁有了智慧、獲得了知識；我才看得見、聽得到；我們才懂得了美與丑、善與惡；我們才感受到甜美與無味……同樣，因為有了腦，我們才會發狂和神智昏迷，才會被畏懼和恐懼所侵擾……我們之所以會經受這些折磨，是因為腦有了病恙……由于這樣一切原因，我認為，腦在一個人的機體中行使了至高無上的權力。”

——希波克拉底《論神圣的疾病》第4頁,共39頁，2024年2月25日，星期天腦的樣子（側面照）位于顱骨內，重約3斤。處理各種信息適應環境。我們的視覺、聽覺、觸覺等各種感覺最終都要傳入腦中進行處理。腦(brain)成了信息中樞，對接受的各種信息作出適當的反應。人類所獨有的更高級認知。我們的意識、思維、情感、和記憶都由它產生和保持。第5頁,共39頁，2024年2月25日，星期天腦中有什么？人腦中有1000億個這樣的神經細胞（神經元,neuron1011

個）。神經元的獨特之處在于有如此眾多連接，以進行信息的傳遞（電信息和化學信息）。神經元與神經元之間的連接有一千千億（1014

）個。處理信息的能力神經元不同于人體其它器官的獨特功能，每個人的差異就在于連接的不同。令人驚奇的是，連接具有可塑性（plasticity），每天動態的信息變化就能改變這些連接。大腦是自然界最復雜和精密的器官。第6頁,共39頁，2024年2月25日，星期天神經元連接形成通路——最簡單神經反射（reflex)

信息從感覺sensory神經元（紅線條表示）傳遞到脊髓spinalcord，一部分上傳到腦，另一部分又通過運動motor神經元（綠線條表示）支配肌肉的收縮。踩到釘子有什么反應？如何發生的？第7頁,共39頁，2024年2月25日，星期天神經通路上信息的流動被破壞

破傷風、蜘蛛和蛇使人中毒的共同之處

神經與神經細胞之間，以及神經與肌肉連接之間都需要特殊的化學物質（神經遞質,neurotransmitter）的釋放來達到信息傳遞的作用。破傷風、蜘蛛和蛇產生的神經毒素進入血液后，通過血液循環，到達神經與肌肉連接處（神經肌接頭）。神經毒素通過抑制神經遞質的釋放，達到阻礙神經與肌肉的信息傳遞，達到呼吸肌麻痹，呼吸衰竭。神經與肌肉的連接處第8頁,共39頁，2024年2月25日，星期天中風（stroke）：腦血管損害導致了腦功能的損傷。在美國，中風在致死性疾病中位居第三，每年約有10萬中風患者存活下來，但他們卻終身喪失勞動力。神經細胞需要血管供血以提供細胞所需的氧、葡萄糖、氨基酸等營養物質。腦只占體重2.5%，卻占心臟輸血的20%！腦對氧很敏感，缺氧三分鐘，神經細胞便發生不可逆的死亡，而其它器官細胞還能耐受。腦功能不正常（abnormal)——腦有關的疾病第9頁,共39頁，2024年2月25日，星期天腦外傷（cerebraltrauma）

頭部外傷可造成腦內出血，血塊壓迫大腦，顱內高壓（頭痛、嘔吐、視乳頭水腫三主征），形成腦疝。若搶救不及時，壓迫腦干（心跳和呼吸中樞），造成心臟呼吸停止。腦部CT

腦疝第10頁,共39頁，2024年2月25日，星期天神經退行性疾病（degenerativedisease)

神經元不明原因的進行性死亡生活條件及醫療水平的改善，生命延長，人口老齡化帶來新的問題。

神經退行疾病的發病率顯著提高，如老年性癡呆(Alzheirmer’sdisease)，帕金森氏病(Parkinson’sdisease)，嚴重的影響了人類生活質量。老年性癡呆損害患者的記憶功能，（遺忘），而帕金森氏病則引運動麻痹（運動不能）。治療中的老年癡呆患者第11頁,共39頁，2024年2月25日，星期天青年人居多的腦疾病——精神分裂癥、抑郁癥兩者均為思維和情緒的疾病。精神分裂癥（schizophrenia）是一種嚴重的性格疾病，表現出妄想(delusion)，幻覺（hallucination，illusion）和異常行為。多在青春期和成年早期發病，而且纏病終身。抑郁癥（depression）表現為強烈的情緒低落、自卑和負罪感。在美國大約有1500萬人在他們一生中的某個階段會患上此病。該疾病成為導致自殺的主要原因。第12頁,共39頁，2024年2月25日，星期天藥物濫用導致的腦功能紊亂日常生活中，大家都在接觸對腦有作用的化學物質。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。前兩者是屬于興奮劑，能引起神經系統功能增強。而后者是麻醉劑，抑制大腦的正常功能。也會用到一些對腦有作用的藥品。如：頭痛時吃點止痛藥，睡不好覺時用安眠藥，這些藥物同樣也可以暫時影響腦的功能，達到緩解癥狀的目的。但另一些精神藥物如嗎啡（morphine)、海洛因(Heroin)等，為中樞性鎮痛藥，我們卻稱之為毒品。可怕的是這類精神藥物會引起嚴重的藥物成癮（addiction)，患者欲罷不能，導致理知喪失，人格的扭曲，為了能吸食毒品而不顧一切，違反法律道德，對社會的危害很大。第13頁,共39頁，2024年2月25日，星期天神經科學導論—腦科學的歷史及現狀一、古代對腦的認識二、近代對腦的認識三、當今的神經科學第14頁,共39頁，2024年2月25日，星期天古代：“心思”還是“腦思”?西方醫學之父的希波克拉底（Hippocrates)認為:“腦不僅參與對環境的感知，而且是智慧的發源地”。柏拉圖(Platon)曾提出：人的欲望、思想、智慧是從腦產生的。Platon的學生亞里士多德（Aristotle)卻相信“心臟是智慧之源”，認為腦只是個散熱器，用來平衡體溫之用。無獨有偶，這個觀點在中國也得到認同。

“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、心無二用等等第15頁,共39頁，2024年2月25日，星期天最有力的證據在中國雖然主流觀點是心派，但仍有少數人持正確的認識。如秦代醫書《皇帝內經?素問》里說“頭者，精神之府”。明代李時珍也指出：“腦為元神之府”。兩種學說都有支持者，爭論持續了一千多年，但誰都拿不出有力的證據。每個人都希望自已更聰明，根據“吃什么，補什么”的簡單思維，狐貍(心）和猴子（腦）開始遭殃。這種混亂情況最終由古羅馬的醫生蓋倫（Galen)用最為有力的實驗所證實。他分別對動物的心臟和腦的進行夾捏刺激，發現夾捏心臟表現為呼吸急促，四肢掙扎等；而夾捏腦卻出現感覺喪失，很快昏迷，進入無意識狀態，失去了全身各種有意識的活動。因此，結論再簡單不過了，感覺思維和隨意運動都是由腦產生的！第16頁,共39頁，2024年2月25日，星期天蓋論觀點：大腦是感覺接收裝置，小腦則支配肌肉。

他是怎么得出這個結論的？希臘醫師蓋倫接受了Hippocrates的關于腦功能的觀點，還對動物的腦進行了大量而細致的解剖。現象：大腦較為松軟，而小腦較為堅硬結論：大腦很可能是感覺接收裝置，小腦則一定是支配肌肉依據：“結構-功能相關性”形成記憶的關鍵是將感知“刻印”（imprint)于腦，這一過程自然只能發生在面團般松軟的大腦上。錯誤的依據中得出正確的一般性結論。圖片第17頁,共39頁，2024年2月25日，星期天羊腦解剖圖返回（大腦）（小腦）（側面觀）（頂面觀）第18頁,共39頁，2024年2月25日，星期天那么腦如何來感知環境并支配軀體運動的呢？Galen將羊腦切開，發現腦是空的，空心的腔室內有液體，這些腔室被稱作腦室(類似于心臟的心室)在Galen看來,這一發現極好的吻合了當時流行的理論:機體的功能有賴于4種重要體液的平衡。“血氣方剛者是由具有潮濕和溫暖這種基本性質的血液控制著；在冷靜沉著者的身上，是潮濕和寒冷的粘液控制著人體的靈魂特質；憂郁的人是處在干而冷的黑膽汁的影響之下；易怒者是受了干而熱的黃膽汁的作用”。性情急躁、動作迅猛的膽汁質；性情活躍、動作靈敏的多血質；性情沉靜、動作遲緩的粘液質；性情跪弱、動作遲純的抑郁質；這四種性格直到現在也是人類性格的重要分類方法之一。感知被大腦所記錄，運動被大腦所啟動，都是由體液通過神經到達腦室和離開腦室流動而實現的，認為神經是一種類似于血管的中空管道。Galen有關腦的觀點延續了將近1500年！

圖片第19頁,共39頁，2024年2月25日，星期天切開的羊腦并顯示出腦室返回（腦室）第20頁,共39頁，2024年2月25日，星期天神經系統已經可以完整的剝離出來，它的大體解剖也因此獲得了更為細致的描述。一些科學家展開腦物質構成的更深入研究。一些觀察表明腦組織分灰質（graymatter)和白質（whitematter)。由于白質是軀體神經的延續性結構，因此認為白質包含有纖維，這些纖維起到向灰質傳遞信息，以及傳遞灰質發出信息的作用。腦表面觀察到廣泛存在的隆起（稱為腦回，gyri)以及一些凹槽（稱為溝和裂，sulci和fissure)。這一結構使得大腦以葉（lobe)的形式組裝起來，成為了不同腦功能定位于不同腦回上這一理論的基礎。這一突破開創了腦功能定位研究的新時代。圖片2圖片1圖片3返回18世紀的腦研究進展第21頁,共39頁，2024年2月25日，星期天腦的白質和灰質（白質）（灰質）返回第22頁,共39頁，2024年2月25日，星期天神經系統的基本結構神經系統（nervoussystem)

外周神經系統（Peripheralnervoussystem,PNS）

中樞神經系統

（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)返回第23頁,共39頁，2024年2月25日，星期天大腦的五葉

返回（額葉）（枕葉）（頂葉）（顳葉）（小腦）腦干第24頁,共39頁，2024年2月25日，星期天近代對腦的認識

先總結一下，18世紀末人們對神經系統的認識腦的損傷可以引起感覺、運動和思維的喪失，甚至導致死亡腦通過神經與軀體的肌肉、皮膚、內臟相聯腦具有可以明確劃分的一些部位，這些不同的部位很可能執行了不同的功能腦像一臺機器那樣運作，并遵循自然界所有的規律第25頁,共39頁，2024年2月25日，星期天

神經“電纜”論特定的功能在腦不同部位的定位神經系統的進化神經元：腦的基本功能單位返回接下來的100年里，人類對腦功能的了解超出了此前有記載的所有知識的總和，要點有以下四個方面。

第26頁,共39頁，2024年2月25日，星期天神經“電纜”論意大利的LuigiGalvani證明神經受到電刺激時會引起肌肉的顫動，同時腦本身也能產生電流。這些發現最終取代了“神經通過液體的流動而與腦相聯系”的觀點。產生了新觀點：神經是一些“電纜”，它們將電信號傳入傳出腦。那么引起肌肉運動的信號和來自皮膚的感覺信號是否經過同一根神經電纜進行傳導？這個問題被蘇格蘭內科醫生CharlesBell解決了。Bell推論：每根神經都是許多“電纜”的復合體，其中一些纖維將來自皮膚的信息傳入腦和脊髓，而另一些則將腦和脊髓發出的信息傳送到肌肉。但對于每一根感覺和運動纖維而言，信息傳遞則表現出嚴格的單向性。圖片返回第27頁,共39頁，2024年2月25日，星期天Bell的實驗返回（脊髓）（腹根）（神經）（背根）（脊椎骨）神經纖維（軸突）第28頁,共39頁，2024年2月25日，星期天特定的功能在腦不同部位的定位早在Galen時期，發現大腦與小腦的結構差異，推測小腦支配肌肉運動。

Bell發現不同功能定位于脊神經根的，推測不同的功能也很可能定位于腦的不同部位。他推測運動纖維起源于小腦，感覺纖維最終到達大腦。

問題是如何去證實呢？Gall的顱相學(phrenology)：奧地利的醫學生Gall看到了腦表面的那些隆起，它們是具有不同的功能呢？他堅信顱骨上的隆起反映了腦表面的隆起，因而提出一個人的性格傾向，例如大度性、遮掩性、破壞性等都與腦的大小相關聯。Gall搜集并仔細測量了數百個具有不同性格的人的頭顱研究對象中既有天才，也有具有犯罪傾向的精神病人。中國的看相學（面相，手相）。“生得身長八尺，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》第一回圖片第29頁,共39頁，2024年2月25日，星期天顱相學圖譜返回第30頁,共39頁，2024年2月25日，星期天特定的功能在腦不同部位的定位法國神經科醫生Broca的發現。曾遇到這樣一個病人，該病人能夠理解別人的言語，但自已卻無法說話。當這個病人死后，Broca仔細的研究了他的腦子，結果在其左額葉上發現了損傷。根據這一病例以及其他幾個類似的病例，Broca認為大腦的這一區域具體負責語言的形成。很快一些來自動物的實驗為腦功能定位學說提供了可靠的支持，法國的生理學家Flourens通過系統的損毀腦的某一部位，進而決定其功能的方法(實驗性切除法)，在多種動物上進行了研究，證實小腦確實在運動的協調方面起作用；德國生理學家Hermann采用類似的方法證明了大腦枕葉是視覺功能所必需的。而德國赫茨格用電刺激狗大腦皮質的方法，發現對側肢體發生抽動，在大腦上勾畫出運動皮質的粗略圖。我們現在知道，大腦有非常明確的分部，而這些不同的部位的執行了彼此不同的功能。今天腦功能定位圖譜，可以與顱相圖譜相媲美。圖片返回第31頁,共39頁，2024年2月25日，星期天PaulBroca(1824-1880)研究腦損傷而失語的病人，確信不同功能可能是定位于不同的大腦區域失語的病人的腦返回第32頁,共39頁，2024年2月25日，星期天神經系統的進化1859年，生物學家達爾文（darwin）出版了《物種起源》一書，明確的闡述了進化的理論：所有生命物種均起源于共同祖先，物種之間的差異源于“自然選擇”的過程。不同物種的神經系統進化源于共同祖先，而且不同的物種的神經系統具有共同的作用機制，這一思想為將動物實驗的結果用于人類提供了理論基礎。

如研究槍烏賊巨大軸突上獲得的神經電沖動傳導的知識同樣適用于人類。大鼠獲得重復自我攝取可卡因時，就會表現出明確的成癮癥狀，使用這種大鼠模型可以研究成癮的機制及治療藥物。另一方面，物種間的差異是由于其生活環境差異造成的，某一物種的許多行為性狀與該物種的局部生活環境有高度特異性。

枝頭靈活攀援的猴子具有敏銳的視覺，而習慣在地洞中穿梭的老鼠卻具有高度進化的觸覺功能。每一物種的腦結構和功能均反應了對環境的適應。圖片返回第33頁,共39頁，2024年2月25日，星期天

恒河猴和大鼠不同的腦功能特化

返回視覺中樞嗅覺中樞第34頁,共39頁，2024年2月25日，星期天神經元：腦的基本功能單位19世紀早期，伴隨著顯微鏡的發明，科學家第一次有機會觀察動物組織。1839年德國動物學家施旺提出了已廣為人知的細胞理論：一切組織均有被稱為細胞的顯微單位所構成。神經系統自然也不例外，構成大腦中的細胞被稱為神經細胞，又稱神經元。神經元