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1、脑科学,中山大学生命科学学院 项 辉,目录,第一节 脑的结构 第二节 睡眠与觉醒 第三节 情绪与动机 第四节 语言和思维 第五节 学习与记忆 第六节 脑疾病与脑功能退化 第七节 脑功能研究技术 第八节 人类脑计划和神经信息学,神经科学(neuroscience)，由于主要研究脑，而称为脑科学(brain science)。 神经科学分为基础神经科学和临床神经科学 神经生物学(neurobiology)是基础神经科学的主干， 计算神经科学(computational neuroscience)，与神经生物学有密切关系，但其独立的方法和内容多超出了生物医学范围，而和电脑、人工智能及信息科学关系密切
2、，应用范围甚至更为广泛。 神经科学或称脑科学主要的目标是：认识脑、保护脑和创造脑。认识脑的复杂结构和功能，为脑疾病和改善人类服务，在数学、物理学和计算科学的协助下，设计神经网络，模拟其动态相互作用，设计、开发仿脑计算机和信息处理系统。,第一节 脑的结构,一保护脑的环境 既然脑是最重要的器官，在进化过程中，自然界也给了脑最严密的保护。 这种慎密的结构既保护脑、又能营养脑以及排出脑代谢的产物。人的大脑位于颅腔内，大脑分为左右两半球。脑实质外的颅骨、脑膜、血管和血-脑屏障等构成了脑的物理、化学环境，正是这些理化环境的相对稳定才保证了脑的正常生理功能,1脑膜(meninges)：硬膜(或称韧膜)、蛛网
3、膜和软膜3层组成。,2脑脊液 脑脊液是一种比重低而清晰的液体，含有较多的电解质(氯化纳、氯化钾、氯化钙等)，及少量的蛋白质和葡萄糖。,3脑屏障 血脑屏障(blood brain barrier) 血脑脊液屏障(blood cerebrospinal fluid barrier) 脑脊液脑屏障 (brain cerebrospinal fluid barrier),二大脑的结构,人的大脑(Brain)包括左、右两个半球及连接两个半球的部分。 大脑半球被覆灰质，称大脑皮质，其深部为白质，或称为髓质。大脑两半球间由巨束纤维（胼胝体，corpus callosum）相连。 脑主要包括大脑、间脑、小脑、
4、中脑、脑桥及延髓等六个部分。,1脑的表面结构,2大脑皮层功能分区,3大脑深部结构,第二节 睡眠与觉醒,睡眠和觉醒是人类和较高等动物生命活动必需的两个相互转化的生命过程。 正常充足的睡眠是觉醒时各种活动和工作的保证。 睡眠与觉醒相互交替的节律活动不是完全由环境昼夜交替引起的被动反应,而是身体内部的振荡机制进行调节和维持的结果。,一 睡眠的分期,成年人正常睡眠是由慢波睡眠与快波睡眠两个时相周期交替形成的，每夜大约反复转变45次。 开始入睡时首先进入慢波睡眠（slow wave sleep, SWS），或称非快速眼动睡眠(non-rapid-eye-movement sleep,NREM)； 再转为
5、快波睡眠，或称异相睡眠（paradoxical sleep, PS），这个阶段发生在慢波睡眠之后，常伴有间断性的眼球快速运动，又称快速动眼睡眠 (rapid-eye-movement sleep,REM)。,脑电图(Electroencephalography，EEG)记录技术的发展及应用有力地推进了睡眠的实验性研究。根据脑电图描记的特征性改变，睡眠周期可细分五期。其中期为慢波睡眠，第V期为快波睡眠。,图7 睡眠时的EEG波形特征及睡眠的分期,二 睡眠的生理意义,睡眠的重要生理意义是恢复脑力和体力。 慢波睡眠对儿童少年时期的生长发育特别有利。 快波睡眠时蛋白质合成及脑代谢率都比慢波睡眠增强,这
6、显然对促进生长、恢复脑力与体力、促进记忆也是很有利的。 睡眠缺乏或睡眠不足会影响注意力和记忆的保持。 剥夺睡眠与脑力活动过分紧张一样,都会引起脑疲劳,典型表现是注意力不集中、记忆减退、情绪波动、思维反应不灵敏等等。,三 睡眠的神经机制,睡眠与觉醒是生物节律最为重要的外在表现，睡眠的实施由褪黑素、视交叉上核的节律性活动，以及脑干上行激活系统、脑干上行抑制系统，以及大脑皮层、海马边缘系统等神经结构相互作用、相互影响而得以共同实现。,表1 睡眠和觉醒神经机制的区别,四 睡眠的体液调节,1910年法国生理学家（H.Pieron）证明，把疲劳了的狗脑脊液注入休息过后的狗的血内，可以使休息过的狗再睡眠，说
7、明在动物脑脊液和血液内，确实存在着这样的一些睡原物质，可以诱导动物的睡眠。 80多年来研究者们已经发现了许多对睡眠有影响作用的物质,比较确定的有细胞因子如白细胞介素1(IL-1)和肿瘤坏死因子(TNF)、生长激素、催乳素(PRL)和血管活性肠肽(VIP)、褪黑素等。,五 觉醒,当经过一定时间的睡眠，大脑神经元细胞的内环境趋于平衡，由于生物分子钟的反馈机制，此时脑内分泌的褪黑素逐渐减少，视交叉上核诱导睡眠的脉冲电作用逐渐减弱。 两者作用变化的结果，一是皮层神经元兴奋性的逐渐增强，二是脑干上行抑制系统的作用逐渐地减弱，睡眠逐渐地由IV、III时相进入第II时相、REM时相。 如果此时大脑额叶和其它
8、未兴奋脑区的抑制被它们自身的电活动所翻转，个体就会从睡眠状态转为清醒。,六 睡眠疾病,常见的睡眠疾病有失眠症、梦游症、磨牙症、嗜睡症、呼吸暂停综合征、睡眠不足综合征、时差综合症、睡眠遗尿症、夜间吃喝综合症、催眠药依赖性睡眠疾患等等， 其病因与年龄、体重、精神、遗传、生活方式、内在疾病等因素有着密切关系。,第三节 情绪与动机,人对客观事物是否符合自己需要而产生的态度体验，称为情绪或情感。 与生理需要相联系的态度体验，称为情绪，这是人和动物都有的； 与精神需要和社会需要相联系的态度体验，称为情感，这是人类特有的，是一种高级、复杂的体验。 情绪和情感反映客观现实与人的需要之间的关系。,一 情绪与情感
9、,人类最基本、最原始的情绪反应有快乐悲哀、愤怒和恐惧。 正常的情绪变化主要是客观事物诱发产生的，一旦情境改变,某种情绪就会消失或由另一种情绪代替。 情绪通常是不稳定的。 情感与情绪都有两极性以及不同的程度表现,例如快乐与悲哀、热爱与憎恨、轻松与沉重、激动与平静,以及不同程度的快乐、不同程度的悲痛,等等。,1 情绪或情感反应,情绪的触发应该存在着两种不同的模式。 第一种模式也称为脑内的情绪通路，是指外界传入刺激经丘脑接替核直接传导到情绪反应中枢如杏仁核，再由杏仁核发出神经电脉冲到自主神经系统、边缘系统及大脑皮层的相关区域，影响他们的神经电活动及功能状态。,第二种模式是当代心理学普遍认为的，在信息
10、处理的过程中，先是对刺激进行认识，再生成情绪。 这种情绪反应与外界刺激有关系，也与个体的情感类型、个性特征有关系。个体必须先知道刺激的具体内容，然后才决定对该刺激生成何种类型的情绪反应，可能是喜欢，或者是愤怒、厌恶等等。 人们在日常生活中常见的情绪反应，一般是在人类身上得到进化发展的情绪，如妒忌、得意、自信、好奇、怜悯、羡慕、反感、羞愧、失望、懊悔等等，都属于这种触发模式的情绪反应类型。,2 情绪与意识 3 情绪的脑机制,三层系统理论：大脑可以被视为一个三层结构的系统，每一层都经过重要的进化发展。 最老和位置最深的第一层是从低等动物鱼类留传下来的脑干，只维持生命有关的活动及简单的神经反射。 进
11、一步发展形成了第二层，包在脑干的外面，主要是边缘系统，其中包括Papez环。边缘系统除了负责记忆的转化外，其生成的情感机制使动物能够更好地适应外界复杂的环境。 最后一层是第三层，又包在第二层的外面，是组织结构特别复杂的大脑皮层，它的出现为智慧行为提供了神经结构基础。,（1）在边缘系统、下丘脑和大脑皮层确实存在着不同种类的情绪中枢，他们的兴奋可以引起相应的情绪体验。 （2）在人类，一些基本的情感由边缘系统的一些结构如杏仁核、隔核等的兴奋生成，并通过Papez环路作用于额叶内嗅皮层及海马，进一步作用于大脑皮层的广大区域。 （3）有些反射如条件化恐惧反射形成以后，外界的一些相应刺激信息可经皮层下通路
12、如丘脑杏仁核通路，直接作用于边缘系统情绪中枢，触发自主神经系统和边缘系统的应急反应，有利于更快地在大脑皮层的统合作用下做出有效的行为反应。 （4）电刺激大脑皮层没有生成过情绪的体验和自我刺激行为。 （5）在情绪活动过程中，除了有大脑皮层和边缘系统的参与外，自主神经系统的活动也影响情绪体验及情绪对行为的激励或抑制作用。,二 动机,动机是意向、驱动的聚合，它最终导致行为的出现。 “动机”强调与行为启动的关系，它指行为启动前，神经系统高级部位那种与导致该行为发生的有关思维活动。 动机与意动（或作动念）不同，动念是指意图、意愿或是愿望，但不一定导致发生行为。 在动物形成具有目的行为的学习过程中，杏仁核
13、群起着关键的作用。,第四节 语言和思维,一 语言是人脑的高级神经活动 人类的语言文字是客观世界中具体信号( 如铃声、灯光等,为第一信号) 的抽象信号,称为第二信号,凡是以词语作为信号而建立的大脑神经联系就是第二信号系统。 语言活动不仅是单纯的信息交流工具，而是一种具有积极作用的认知功能，因为语言的功能单元词汇本身已是对客观事物的抽象和概括，具有概念性质，它已经是抽象思维和认识事物本质的开端。,语言和思维脑机制的研究,一是研究语言和思维活动的脑功能一侧化问题， 二是探讨语言和思维的双脑协同机制。 Broca证明左脑额下回损伤与运动失语有关(后该区命名Broca区)。 Wernicke等人观察到左
14、脑颜上回(Wernicke区)损伤时，患者无法理解语言，左脑纵行弓状束破坏时，患者会产生传导性失语等等,1.运动性失语症（motor aphasia）： Broca区受损 2.失写症（agraphia）： 额中回后部 3.感觉性失语症（sensory aphasia）：颞上回后部 4.失读症（alexia）： 角回 5.流畅失语症（fluent aphasia）,右半球对空间进行综合，左半球对时间进行分析； 右半球着重视觉的相似性，左半球着重概念的相似性； 右半球对知觉形象的轮廓进行加工，左半球则对精细部分进行加工； 右半球把感觉信息纳入印象，左半球则把感觉信息纳入语言描述； 右半球善于做完整
15、性综合，左半球则善于对语音进行分析。,二 思维及脑机制,人具有形象(直感)思维、抽象(逻辑)思维和灵感(顿悟)思维3种思维方式。 形象思维是一种以客观现象为思维对象、以感性形象认识为思维材料、以意象为主要思维工具、以指导创造物化形象的实践为主要目的的思维活动，是一种并行处理，并具有协同性、动态性、总体性、容错性、无法预测性和不确定性、难以直接表达等特点。,抽象思维是以概念、判断、推理等形式进行的理性思维，它反映了人们以抽象的、间接的、概括的方式认识客观世界。 从认识的顺序性说，总是在概念的基础上形成判断，在判断的基础上进行推理；但是在思维的实际过程中，判断构成推理，又在推理中形成新的判断，从而
16、创造和形成新的概念，因此，概念、判断、推理不是孤立的，而是相互联系的，抽象思维整个过程表现为一维的、串行的，并具有局部、准确、简洁、易于表达等特点，但某一个局部错误可能导致整体完全错误。,灵感思维是在显意识下，经潜意识加工后，再通向显意识，是显意识和潜意识相互作用的结晶。它具有非同期的突发性、非线性的独到性、非神秘的模糊性等特点，穿插在抽象思维和形象思维之中，起着突破、升华的作用，它比形象思维更复杂。,前额叶功能主要有四方面: 对注意力的控制, 具有短时记忆功能, 对情绪和动机有调控作用, 具有预见性和组织规划方面的功能。可以说,前额叶是人体有目的、有计划的行为活动的发动者与组织者。,第五节 学习与记忆,学习主要是指神经系统接受外界环境信息而影响自身行为的过程。 记忆包涵两个方面的含义：一是记，指的是大脑从外界纷繁复杂的信息中，提取部分有用的信息形成感受印记，再从感受印记中选择部分信息形成短时记忆，又同样从短时记忆中选定部分信息形成长时记忆这样的一个过程；二是忆，指的是大脑根据当前外界传入信息的情况，迅速提取大脑贮存的相关
