《神經元構造與功能》：探索人腦的信息傳遞機制探索大腦奧秘，揭示神經信息傳遞機制課程概述課程目標掌握神經元基本結構與功能學習重點神經元信息處理與傳遞機制考核方式第一部分：神經系統基礎1神經系統起源從簡單反射到復雜網絡2系統分類中樞與周圍神經系統3基本功能神經系統的組成中樞神經系統大腦與脊髓信息處理中心復雜認知功能周圍神經系統腦神經與脊神經體感與運動神經大腦的主要結構1大腦皮層高級認知功能區域2小腦運動協調與平衡3腦干神經元：神經系統的基本單位定義能夠產生電信號的特化細胞重要性構成神經網絡基本單元數量規模第二部分：神經元的結構微觀解剖細胞結構層面研究組織學研究神經組織形態分析分子機制分子水平功能探索神經元的基本結構細胞體細胞核所在樹突信息接收軸突信息傳導細胞體（胞體）功能神經元代謝中心蛋白質合成場所特征含有細胞核與細胞器整合樹突信號重要性決定神經元存活控制基因表達樹突結構特點分支復雜程度高信息接收功能接收突觸信號樹突棘增加接觸面積信號整合處理多個輸入信號軸突結構特點單一長突起長度可達一米信息傳遞功能傳導動作電位單向信號流動軸突末端形成突觸結構釋放神經遞質髓鞘結構由少突膠質細胞形成脂質包裹軸突功能提高信號傳導速度隔離電信號郎飛結髓鞘間的間隙允許跳躍式傳導突觸定義神經元間連接點化學突觸通過神經遞質傳遞電突觸通過離子直接流動功能信息傳遞關鍵結構化學突觸的結構1突觸前膜含突觸小泡2突觸間隙寬約20納米3突觸后膜含受體蛋白電突觸的特點結構細胞間連接蛋白形成通道縫隙連接直徑2納米允許小分子通過功能差異信號傳遞速度快雙向傳導可能同步化神經元活動第三部分：神經元的功能信息傳遞向其他神經元傳輸信號信息整合綜合多個輸入信號信息接收感知其他神經元信號神經元的基本功能信息接收樹突感知輸入信息整合胞體匯總處理信息傳遞軸突傳導輸出靜息電位定義靜息狀態下的膜電位約為-70毫伏形成機制離子濃度梯度膜通透性差異維持系統鈉鉀泵主動運輸能量依賴過程離子通道離子通道類型：電壓門控、配體門控、機械門控、漏電通道功能：控制離子選擇性通過細胞膜，調節膜電位動作電位-70mV靜息電位膜電位穩定狀態-55mV閾值觸發動作電位臨界點+30mV峰值去極化最大值1ms持續時間整個過程極短動作電位的傳導跳躍式傳導有髓鞘軸突郎飛結間跳躍傳導速度快能量消耗低連續傳導無髓鞘軸突點對點傳播傳導速度慢能量消耗高突觸傳遞動作電位到達抵達軸突末端鈣離子內流觸發遞質釋放神經遞質釋放突觸小泡融合受體結合激活突觸后膜神經遞質谷氨酸GABA多巴胺乙酰膽堿5-羥色胺其他突觸后電位興奮性突觸后電位（EPSP）使膜電位去極化增加放電可能性谷氨酸常誘發抑制性突觸后電位（IPSP）使膜電位超極化降低放電可能性GABA常誘發第四部分：神經元的信息處理接收信號多個突觸輸入信號整合時空加和處理閾值判斷決定是否放電信號輸出產生動作電位時間加和1定義同一突觸短時多次刺激累加2時間窗口數毫秒內連續輸入3生理意義增強單一輸入通路信號強度4特點前一刺激效應未消失新刺激到達空間加和定義多個突觸同時興奮效應累加機制不同位置輸入同時到達生理意義整合多路輸入信號神經元的整合功能神經元整合多路輸入，興奮與抑制信號共同決定最終輸出神經元的編碼方式頻率編碼通過放電頻率變化編碼信號強度常見于感覺系統時間編碼通過放電精確時間點編碼復雜信息高時間精度要求神經元網絡功能連接高度特異突觸模式回路組織特定功能神經環路信息處理分布式并行計算涌現特性集體行為產生新功能第五部分：神經可塑性定義神經系統結構功能變化能力機制突觸強度與連接修飾意義學習記憶與適應基礎突觸可塑性短期可塑性突觸后膜敏感性短暫變化持續分鐘級不需蛋白質合成長期可塑性突觸結構持久改變持續數小時至數月依賴基因表達長期增強作用（LTP）定義突觸傳遞效能持久增強誘導條件高頻刺激引發機制NMDA受體活化結果突觸后密度增大長期抑制作用（LTD）定義突觸傳遞效能持久減弱誘導條件低頻刺激引發機制突觸后鈣離子調節結果受體內吞減少神經可塑性與學習記憶新技能學習特定環路增強記憶形成經驗依賴突觸改變神經結構重塑突觸數量密度變化第六部分：人腦的信息傳遞機制感覺輸入外界信息獲取中樞處理信息整合分析運動輸出行為指令生成認知加工高級思維過程感覺信息的傳遞感受器轉換物理刺激為電信號傳導通路特定神經束傳遞初級感覺皮層信息初步處理高級聯合區復雜特征提取視覺信息處理視網膜光信號轉換外側膝狀體中繼站初級視皮層特征檢測高級視皮層整體識別聽覺信息處理耳蝸聲波轉電信號頻率編碼聽神經傳導聲音信息保持頻率編碼聽覺皮層音調音色分析語音聲音識別觸覺信息處理1皮膚感受器觸壓溫痛轉換2脊髓傳導上行通路傳遞3丘腦中繼信息整合篩選4體感皮層身體表面映射運動信息的傳遞1運動決策前額葉計劃2運動皮層初級運動指令3錐體系統精細運動控制4肌肉執行收縮產生動作認知功能的神經基礎注意力前額葉-頂葉網絡記憶海馬體-皮層環路決策前額葉-基底節回路語言處理布洛卡區位于額葉語言表達功能語法處理語言運動協調威爾尼克區位于顳葉語言理解功能語義處理聽覺語言分析情緒調節情緒產生杏仁核激活情緒調節前額葉控制情緒記憶海馬體編碼身體反應下丘腦調控第七部分：神經系統疾病神經系統疾病多樣：神經退行性、精神障礙、癲癇、中風神經退行性疾病阿爾茨海默病淀粉樣蛋白沉積神經元萎縮死亡記憶認知障礙進行性惡化帕金森病多巴胺神經元退化基底節功能障礙運動控制問題靜止性震顫精神障礙抑郁癥神經遞質失衡前額葉活動降低杏仁核過度活躍精神分裂癥多巴胺系統異常前額葉功能障礙神經連接異常雙相情感障礙情緒穩定網絡紊亂神經遞質波動皮層下結構異常癲癇病因腦損傷、基因、代謝異常神經元異常放電過度同步化活動異常傳播局灶性或全面性擴散臨床表現發作類型多樣中風類型缺血性：血管堵塞出血性：血管破裂神經元損傷機制缺氧導致能量耗竭興奮毒性損傷自由基產生細胞凋亡級聯反應第八部分：神經科學研究方法電生理技術記錄神經電活動顯微成像觀察細胞結構腦成像活體功能觀察分子生物學基因蛋白研究4電生理技術細胞內記錄微電極刺入單個神經元記錄膜電位變化分辨靜息電位與動作電位高精度單細胞研究細胞外記錄電極放置細胞附近記錄局部場電位可同時監測多個神經元長時間穩定記錄神經影像技術功能性磁共振成像（fMRI）基于血氧水平依賴信號空間分辨率高時間分辨率低腦電圖（EEG）記錄神經元電活動時間分辨率高空間分辨率低正電子發射斷層掃描（PET）追蹤代謝活動神經遞質研究需使用放射性示蹤劑光遺傳學原理光敏蛋白表達于特定神經元方法特定波長光照精準激活應用特定神經環路功能解析優勢毫秒級時間分辨率神經追蹤技術順行追蹤示蹤劑沿軸突方向運輸神經元到目標區域連接常用示蹤劑：BDA、PHA-L逆行追蹤示蹤劑反向傳遞至胞體確定神經元輸入來源常用示蹤劑：熒光金、CTB第九部分：神經科學前沿神經科學前沿：人工智能應用、腦機接口、神經修復、認知增強人工智能與神經科學類腦計算模擬神經系統架構神經形態計算硬件實現腦功能神經網絡模型大腦功能數學模擬交叉創新雙向知識遷移腦機接口信號采集記錄腦電活動信號處理提取意圖特征設備控制轉換為控制命令反饋學習系統適應優化神經修復與再生100B神經元數量人腦神經細胞總數0.1%再生率成人每年自然更新20%干預效果干細胞療法潛力5年研發