第二章-認知的神經PPT課件

.,1,AlbertEinstein的腦天地是一大宇宙，人身是一小天地,第二章認知的神經基礎,.,2,第一節(jié)神經及神經系統(tǒng),一、神經元的構造和功能腦（brain）是人類一切高級行為的物質基礎。腦由100160億神經細胞構成，神經細胞與人體其它組織器官的細胞不同，它具有特殊的構造和功能，具有極度的敏感性，可被輸入刺激所激活，引起神經沖動，進行沖動傳導。神經細胞是構成神經的基本單位，又稱神經元。,.,3,神經元的大小、形狀和它們所具有的功能各不相同。細胞體、樹突和軸突三部分構成。樹突是從細胞體周圍發(fā)出的分支，多而短，呈樹枝狀，其功能是接收傳入的信號。軸突是從細胞體發(fā)出的一根較長的分支，它的周圍包以由髓磷脂組成的髓鞘，具有絕緣作用，以防止神經沖動向周圍擴散。軸突末端有許多分支狀的球形小突起，稱為終球。終球的功能是將神經沖動傳至另一個神經元。,.,4,.,5,神經元的各種類型腦神經網絡,.,6,二、神經膠質細胞,在神經元和神經元之間，存在大量的神經膠質細胞總數大約在1000億左右，是神經元數量的10倍。神經膠質細胞的作用：為神經元的生長發(fā)育提供了支架。清除神經元間過多的神經遞質，為神經元輸送營養(yǎng)。在神經元周圍形成絕緣層。當髓鞘受到損害時，可引起復視、震顫、麻痹等鞘膜性疾病。,.,7,三、突觸的傳導功能,突觸傳遞有兩種基本機制：電傳遞和化學傳遞，分別通過電突觸和化學突觸來實現。神經遞質存在于腦、脊髓、外周神經，甚至某些腺體中。目前已經發(fā)現腦中存在著50種以上的神經遞質。,.,8,軸突突觸,神經遞質,突觸間隙,線粒體,受體,突觸前膜,突觸后膜,突觸,突觸囊泡,.,9,幾種重要的神經遞質,乙酰膽堿與記憶活動有關。阿爾茨海默病患者記憶機能受損與乙酰膽堿的喪失有關。乙酰膽堿對睡眠和喚醒也起著重要作用。一個人醒著的時候，乙酰膽堿能使神經的活性增強（Rockland，2000）。多巴胺與學習和注意有關，也與獎勵和強化等動機過程有關。精神病患者的多巴胺水平很高，治療精神分裂癥的藥物通常采用抑制多巴胺的活性（Wurtman，1999）。帕金森病人多巴胺水平很低。,.,10,血清素在飲食行為、體重調節(jié)、攻擊性和沖動性行為調節(jié)中起重要作（Rockland，2000）。谷氨酸影響學習和記憶的重要神經遞質。,.,11,四、神經環(huán)路結構的可塑性,神經環(huán)路由神經元的軸突、樹突以及突觸所構成。神經環(huán)路可塑性涉及突觸可塑性、樹突可塑性、軸突可塑性以及神經細胞自身可塑性等方面，其中突觸的可塑性是整個神經環(huán)路可塑性的核心。突觸的可塑性：（1）突觸功能可塑性：已經存在的突觸連接強度的增加或減弱；（2）突觸結構可塑性：突觸的形成或消亡。,.,12,1樹突的可塑性,.,13,樹突的軸干上分布著許多微小的突起；樹突突起：樹突棘和絲狀偽足；樹突棘分為細的棘、短而粗的棘和蘑菇狀的棘三種；樹突結構可塑性主要是指樹突棘的可塑性：形態(tài)和數量的改變。形態(tài)改變指樹突棘頭部幾何形態(tài)的變大或變小;數量改變則指樹突棘的形成或消亡,表現為棘的更新與密度變化。,.,14,樹突棘形態(tài)和數量的改變具有重要的認知加工意義。突觸活動的增加或減少可以引起細的棘發(fā)生改變,被認為是“學習棘”;蘑菇狀的棘具有穩(wěn)定性,被稱為“記憶棘”;突觸活動增強能導致細的棘轉變成蘑菇狀的棘。(Kasaietal,2010),.,15,長時程增強與長時程抑制分別與樹突棘的長期增長和萎縮相關；棘的形態(tài)與突觸強度相關,其形態(tài)變化反應突觸強度的改變；樹突棘數量的增加或減少伴隨著突觸的更新；新突觸的形成預示著大腦記憶儲存能力的提高和長時程增強。樹突棘數量的變化則反應了神經連接的改變。,.,16,個體發(fā)育的樹突可塑性,在動物出生后的早期發(fā)育過程中,大腦皮層的突觸密度迅速增加,隨后大量丟失,直至青春期結束。在成年階段,突觸數量則保持相對穩(wěn)定直至生命終止。無論任何發(fā)育階段,都有小部分樹突棘長期維持穩(wěn)定,這可能是哺乳動物皮層發(fā)育的普遍規(guī)律，為基本皮層功能和終生記憶儲存提供了結構基礎。,.,17,樹突棘的長度與頭部直徑等形態(tài)特征在發(fā)育階段和成年階段均存在著可塑性，由于棘的形態(tài)反應突觸強度的變化，這為短時間的信息儲存提供了結構基礎；這種可塑性也可能與傷害和經驗等引起的皮層神經環(huán)路的暫時改變有關。,.,18,豐富環(huán)境下的樹突可塑性,(1)空間限制、環(huán)境單調、籠子小以及無社會性交往等;(2)大籠子,有玩具、巢穴、障礙物、群養(yǎng)以及給予充分的解決問題的機會和復雜的社交環(huán)境等。豐富環(huán)境涵蓋感覺刺激、學習、運動、社交以及興趣等多種成分。,.,19,豐富環(huán)境可以提高海馬的長時程增強,影響基因表達、細胞增殖和存活率,以及突觸形成和神經元形態(tài)，從而提高認知表現和學習。豐富環(huán)境能增加皮層和海馬某些區(qū)域的錐體神經元樹突的分叉、樹突棘的密度以及突觸的數量和長度的增加。出生前的豐富環(huán)境也能提升大鼠的某些特異性行為。豐富環(huán)境可以讓先前存在的樹突棘變得不穩(wěn)定，可以引起新的樹突棘形成；豐富環(huán)境對樹突棘可塑性的影響與學習訓練的效果相同。,.,20,感覺剝奪后的樹突可塑性,活動經驗對神經連接模式以及行為的影響會貫穿動物一生,經驗和神經活動對突觸形成,尤其是神經環(huán)路的構建具有關鍵作用(Bhattetal,2009)；黑暗飼養(yǎng)、單眼剝奪和雙眼剝奪是研究視覺皮層可塑性普遍采用的三種范式。發(fā)育早期，成年期感覺剝奪引起的可塑性與關鍵期的可塑性在某些方面具有相似性,關鍵期在某些方面并非驟然結束,而是以漸進的形式逐漸關閉的。,.,21,認知功能障礙與樹突可塑性,樹突棘的形態(tài)和數量與神經功能密切相關,改變樹突棘的形態(tài)結構，干擾樹突棘的形成或消亡都可能對神經環(huán)路產生影響,甚至導致認知功能障礙。樹突棘形態(tài)或密度的改變會導致許多神經和精神疾病，例如,脆性X綜合癥(FXS),(Panetal,2010)；樹突棘形態(tài)和數量的異常也會導致其它的大腦神經紊亂或疾病,如成癮、恐懼、抑郁、蛋白粒子病、癲癇、缺血癥和中風等(Bhattetal,2009)。,.,22,與年齡有關的神經退行性疾病的發(fā)病機理可能與樹突棘的結構變化有關,如阿爾茲海默癥，患者表現出某種程度上的樹突棘丟失和樹突軸直徑下降。認知功能康復訓練可以有效改善細的樹突棘數量；在衰老的大腦中需要細的樹突棘以重建或恢復突觸可塑性與學習潛力。,.,23,高級認知加工的樹突可塑性,學習和記憶等高級認知加工過程伴隨樹突可塑性。無論是在青春期還是成年期,學習均可引起新樹突棘的快速形成,并導致先前存在的舊樹突棘快速消亡；不同的運動技能學習，引起不同棘的形成和消亡，證實不同的記憶編碼在不同的突觸群中(Xuetal,2009;ZivTask3:說出名詞，讓被試說出看到或聽到的名詞，該過程包括單詞感知和言語運動；Task4:產生動詞，如看到“錘子”，則可說出“敲打”;控制任務:要求被試注視一個十字符號，作為基線水平。,.,79,采用減法設計以言語感知（看和聽）狀態(tài)下的區(qū)域腦血流減去基線水平的區(qū)域腦血流得到的是純粹的感知狀態(tài)下的區(qū)域腦血流；以言語運動任務時的區(qū)域腦血流減去相應的言語感知狀態(tài)下的區(qū)域腦血流得到的是純粹的“說出名詞”的區(qū)域腦血流；以完成聯想任務時的區(qū)域腦血流減去言語運動任務的區(qū)域腦血流得到的是純粹的“產生動詞”的區(qū)域腦血流。,.,80,.,81,功能性磁共振成像,1936年，氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白的磁化率不同；1982年，論證了脫氧血紅蛋白的磁共振信號衰減速度比氧合血紅蛋白快；1986年，腦活動時神經元活動、能量代謝和血流動力學變化(腦血流、腦血流容積、以及血氧變化)三者之間存在密切聯系。,.,82,功能性磁共振成像與PET的基本思想是一致的，功能性磁共振成像不需要放射性物質，而是要求被試在磁共振機器中完成一個認知任務。該機器生成一個磁場誘使氧分子內的微粒發(fā)生變化，越活躍的區(qū)域需要越多的有氧血液，所消耗氧氣的差異成為功能性磁共振成像測量的基礎，通過計算機分析，形成腦活動生理機能最準確的信息。,.,83,五、近紅外功能成像(fNIRS),動態(tài)檢測腦功能的方法?？梢詼y量腦活動時氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白和細胞色素氧化酶等的變化，同時得到與刺激相關的細胞內和細胞外活動的改變；可以同時檢測神經元活動、能量代謝以及血液動力學的變化；時間分辨率較高，簡便易行、價格低廉和無損傷性等特點。發(fā)現了不同腦區(qū)間存在自發(fā)神經活動整合的新證據(Lu,Zhu,JNM,2010)。,.,84,.,85,六、MEG技術,MEG（magnetoencephalography）腦磁圖也叫腦磁圖儀，是一種應用腦功能圖像檢測技術對人體實施無侵襲、無損傷的大腦研究和臨床應用設備。MEG有助于解答以下問題：腦部正在進行什么活動？它來自腦的什么區(qū)域？腦的不同部位承擔何種職能？在目前所有的腦部掃描方法中，MEG對神經細胞的解析度最高。,.,86,七、穿顱磁刺激技術（TMS）,TMS（transcranialmagneticstimulation），“TMS”是根據電磁感應的原理，大腦是一個“電力器官”，利用脈沖磁場激活大腦神經線路，可緩解壓力、增進認知、克服疲勞。,.,87,腦是由眾多神經細胞相互連接所構成的器官，神經細胞間通過脈沖放電和神經遞質相互傳遞信息。根據電磁感應原理，當戴在頭上的頭部磁刺激線圈在頭皮附近啟動時，一個迅速變化的強磁場就會不受阻礙地穿過頭部皮膚和頭骨，在大腦神經系統(tǒng)引起感應電場，感應電場引起神經細胞膜兩側的離子濃度變化和膜的穿透性變化，從而使神經細胞膜極化而產生神經電脈沖，激活大腦中控制疲勞和清醒的特殊區(qū)域,.,88,應用,基礎研究上，使健康者的腦部產生暫時性的“功能關閉”，了解人類語言和空間感等基本神經機制；提高人的認知能力，如學習和記憶能力；改變人的生物節(jié)律以適應特殊情況的需要,如戰(zhàn)爭；,.,89,臨床應用方面，用于診斷和治療由神經系統(tǒng)功能損傷引