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Neurobiology Notes(CHN)
Kewei Yan edited this page Aug 23, 2021
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1 revision
Quick start with Neurobiology, mainly according to Bear, Mark, Barry Connors, and Michael A. Paradiso. Neuroscience: Exploring the Brain, Enhanced Edition: Exploring the Brain. Jones & Bartlett Learning, 2020.
- 轴突反射：不通过中枢，也没有神经元之间的相互作用
- 皮肤的“三重反应”
- 交感神经传出和副交感神经传出：内脏器官，相互拮抗的神经支配：
- 交感神经兴奋时心率加快，心缩力加强；副交感神经兴奋时心率下降，心缩力减弱
- 动脉血压下降->心率加快
- 拮抗不仅发生在中枢神经回路：（通往心脏的）肾上腺素能末梢（交感神经）有肾上腺素alpha2和ACh-M受体，胆碱能末梢（副交感神经）上也有肾上腺素alpha2和M受体；肾上腺素能末梢释放NE抑制胆碱能末梢ACh释放（胆碱能末梢alpha2受体），胆碱能末梢释放ACh影响肾上腺素能末梢NE释放（肾上腺素能末梢M受体）
- 动脉压力感受器：压力增加->血管扩张->血压下降
- 外周交感神经节：
- 自主神经系统的外周整合“中枢”，有明确的传入传出神经，也有神经元间信息传达
- IMG：胆碱能纤维，神经肽纤维etc.共同调节交感神经突触前纤维对IMG细胞产生的作用
- 交感神经和副交感神经的协同作用：
- 效应器上的协同作用：瞳孔的放大与缩小
- 壁内神经细胞上的协同作用：胃肠道蠕动-交感神经对蠕动的抑制：直接作用or抑制副交感神经
- 控制排尿的反射回路
- 脊髓（最低级中枢）
- 下丘脑：体温调控
- 杏仁核
- 眼动
- 中枢前庭通路和前庭反射
- 视线与认知：视知觉 e.g.脑倾向于把视觉组合起来：临近+相似+闭合+连续+简单（格式塔心理学）
- 学习：获得新信息和知识的过程
- 记忆：对所学信息的保存过程
- 不同的信息由不同的神经结构加工储存；however，无法完全解释
- 记忆的类型：
- 陈述性记忆/非陈述性记忆：
- 陈述性记忆（内侧颞叶，中脑）=事实，事件：容易形成，容易遗忘【记性好：陈述性记忆强】
- 非陈述性记忆=技巧和习惯（习得性行为），经典条件反射：骨骼肌，情绪：需要反复练习，不容易遗忘
- 长时程记忆/短时程记忆：
- 长时程记忆=存储几天，几月，几年
- 短时程记忆=容易消退，与长时程记忆平行存在，即短时程记忆可转化为长时程记忆，长时程记忆不一定需要短时程记忆作为中介
- 联觉：能产生声画等强化记忆，同时也受到“阴魂不散”的困扰
- 睡眠参与巩固记忆
- 遗忘症/分裂遗忘症
- 顺行性遗忘和逆行性遗忘：可能同时存在
- 瞬时性脑遗忘：与大脑血液供应有关
- 陈述性记忆/非陈述性记忆：
- 对大鼠迷宫学习的探究：脑损伤的面积大小与部位？结论：与面积有关，与部位无关；质疑：损毁面积过大，未考虑其他感官的代偿 => 记忆痕迹散布于整个大脑皮层
- Hebb细胞集合说：
- 客体激活一系列神经元的连接->连接被持续激活->短时记忆->激活足够长的时间->连接加强，记忆被巩固; 强连接会在外界刺激仅激活一部分集合内细胞时使整个集合再次兴奋，重现外界刺激诱发的整个内部反应
- 推论：1）记忆痕迹广泛分布 2）记忆痕迹可能包括感知神经元 3）集合内部分细胞损坏不会消除记忆
- 如果记忆只来源于一种感觉，该记忆分布于该感觉的有关的皮层区
- 电刺激颞叶，人产生幻觉和记忆；切除掉刺激的部位，电刺激仍然产生记忆，可见记忆没有被“切除”
- 人体的运动系统：骨骼，肌肉，神经
- 脊髓下位运动神经元（alpha，gamma）：
- 位于脊髓腹角，直接支配运动；相对的有上位运动神经元，向脊髓提供输入
- 运动单位：alpha运动神经元+肌纤维（一个alpha运动神经元支配多条肌纤维）；快运动单位/慢运动单位；交叉神经支配：强制慢运动神经元支配快肌，导致这块肌肉的性质向慢肌转变
- 运动神经元池：支配一块肌肉的alpha运动神经元集合
- alpha运动神经元对运动的等级性控制：化学递质（ACh）->动作电位（EPSP）【e.g.重症肌无力：未产生EPSP】
- alpha运动神经元3种类型的输入：背根神经节（感受肌纤维的长度）+上位神经元（控制随意运动=脑对运动的控制）+脊髓中间神经元（兴奋/抑制；最多）
- 肌纤维运动：粗细肌丝的相对滑行：兴奋：T管去极化，Ca2+释放
- 肌梭：感受肌纤维长度；gamma-loop：维持系统设定状态->gamma+梭内肌探测偏移量->La输入->alpha+梭外肌补偿偏移量 e.g.膝反射
- 高尔基器：感受张力
- 脊髓中间神经元：
- 彼此形成网络，接受多种输入，并产生一个协调性的运动程序
- 抑制性输入：对抗肌的舒张
- 兴奋性输入：屈肌反射，多个中间神经元被激活，抑制性输入也被激活，用于抑制alpha运动神经元过度兴奋 e.g.对侧肢体交互抑制
- 运动控制的等级：
- 高：新皮层联合区，基底神经节-strategy
- 中：运动皮层，小脑-tactic，如肌肉收缩的顺序
- 低：脑干，脊髓-execution
- 脊髓的下行通路：外侧（远端肌肉）+腹内侧（feat.脑干，姿态肌肉）
- 运动编码：
- M1神经元在运动发起前和运动发起期间均放电->编码运动的力量与方向；方向是由大量神经元编码的，每一个神经元具有自己的方向选择，最终运动方向与群体向量方向一致->精细运动=大量神经元参与
- 运动野：某些上丘神经元的放电活动在眼球扫视运动朝向某个特定视觉空间时发生，这个视觉空间被称为这些神经元的运动野；类比->感受野=特定区域；运动野=特定扫视运动 => 眼动的控制=分布式编码，既有感受野也有运动野
- 点对点连接（如丘脑）：信号通过突触短暂时程内传递给靶细胞
- 具有分泌功能的下丘脑神经细胞：释放激素到血流中，作用于很多靶细胞
- 自主神经系统：神经网络，遍及全身组织
- 弥散性调节系统：轴突分支投射
- 下丘脑：内侧区+外侧区+室周区；e.g.体温，血压，肾脏，心脏
- 肾脏与脑的联系：血容量和血压下降->肾激素入血->血管紧张素II合成->下弯隆神经元兴奋->抗利尿激素：口渴（正反馈）
- “喜新厌旧”动物实验
- 月经周期：下丘脑-垂体-卵巢轴：下丘脑产生促性腺激素释放素->垂体产生卵泡刺激素与黄体生成素->卵巢产生雌激素与孕激素（此时子宫内膜变厚，受精卵如未着床，倾向于脱落）->雌激素与孕激素水平较高->抑制垂体和下丘脑（负反馈）
- 草原田鼠（群居，育幼）v.s.高山田鼠（独居，不育幼）：加压素（抗利尿激素）/催产素受体分布不同（Nature，2004）
- 去甲肾上腺系统，5-羟色胺系统，多巴胺etc.（均为弥散性调节系统）
- 青蛙捕食运动的物体
- 虫子沿着纵向条纹移动
- 小鸡躲避天敌
- 婴儿产生对深度的感知
- 结构：三层光敏神经元-第一层=视杆细胞（暗）+视锥细胞（亮）其余两层=将视杆细胞和视锥细胞冲动传给视神经；感光细胞在最内层
- 视觉感受野：
- 在视觉系统中，任何一级神经细胞在视网膜上都有其代表区域，该区域内的光学变化可以调制该神经元的反应，这个特定的区域即为该神经元的视觉感受野
- 视杆/视锥细胞的感受野：较小，近似圆形，两种途径投射向双极细胞
- 水平细胞的感受野：较大，多种反应
- 双极细胞感受野：同心圆式的中心-周边拮抗式反应；分on/off中心双极细胞
- 无长突细胞感受野：瞬变式
- 神经节细胞感受野：相对的中心-周边拮抗式反应；on/off中心由双极细胞输入决定，on->on，off->off
- 三重结构：传统二重结构+大外周去抑制域（寿天德）
- 中央视野与外周视野：拥挤效应
- 膜盘：黑暗去极化，光照超极化
- 第一通路：视神经->视束（视交叉：左右视皮层均接受双眼的信息）->外膝体-（6层，P，M，非P非M3条平行投射通路；不同通路侧重不同信息，e.g.静态，运动，情绪 etc.）->视觉皮层（V1～V8；通过胼胝体左右视皮层信息交互）
- 第二通路：视神经->视束->上丘->丘脑枕->视皮层【少数信息通过此通路】
- 前馈模型：人的视觉从局部到整体（Cell，2013）；两条通路：背侧（运动，物体位置，眼睛手臂的控制；扫视/触及）+腹侧（形态识别，物体表征，记忆存储）
- 视觉功能柱：
- 朝向功能柱：对固定朝向的光敏感，垂直排列，相邻细胞变化角度约为50微米/10度
- 优势眼功能柱：对优势眼感知光敏感，交叉排列
- 朝向不敏感圆斑细胞：对一定波长的光敏感
- 树突棘与突触形成的模式:
- Sotelo model：树突主动搜索轴突产生树突棘，产生连接（创建）
- Miller/Peter model：树突被轴突诱导产生树突棘，产生连接（激活，类比免疫系统）
- Filopodial model：树突产生树突棘，与轴突相互作用产生连接
- 出生之后神经元个数不再增加，但是树突，髓鞘等仍然在发育，突触数量会不断变化-增长/修剪；过量的突触->可塑性；成年后突触减少到相对稳定的数量水平
- 解剖学术语：脑，嘴侧/尾侧，背侧/腹侧，内侧/外侧（之于中线）
- 中枢神经系统：大脑+小脑+脑干+脊髓
- 外周神经系统：脑和脊髓以外的：躯体外周神经系统+内脏外周神经系统（植物神经系统）；交感神经链节，介于脊髓和各器官之间【e.g.脊髓横断：断面以下失去大脑对其控制】
- 脑神经：脑干发出，12对，面部活动；大部分脑神经属于中枢神经，小部分属于躯干外周神经系统
- 脑脊膜：保护脑与脊髓，使其不直接与骨骼接触；3层，内向外分别是硬脑膜（+硬脑膜下腔），蛛网膜（+蛛网膜下腔），软脑膜
- 脑室系统：脑脊液
- 脑的基本结构：分区，e.g.Brodmann‘s map，40+区域
- 边缘系统：调节内脏活动，睡眠，中枢神经系统内的感觉信息；参与情绪的产生，学习记忆活动等；发育较快，快于抑制冲动的前额叶皮层->青春期
- 胼胝体：连接左（理性）右（感性）半脑，信息高速公路；e.g.对于一张图片-一堆Z排成M型，左脑受损看不出Z，右脑受损则看不出M
- 海马：学习、记忆的操作中枢；e.g.做梦记不住，是大脑主动遗忘不重要的内容（Science，2019）存疑：做梦的信息是否是“不重要的”？是否曾被“记住”？
- 基底神经节：椎体通路->运动：其输出来自直接通路促进和间接通路抑制的平衡；e.g.促进过度：帕金森；抑制过度：舞蹈病；还投射到大脑皮层非运动区
- 信号传递方式：电流，化学物质
- 突触定义：突触是一个神经元轴突末梢与另一个神经元或者细胞接触的特异性连接部位，轴突末梢被称为突触前，目标神经元被称为突触后
- 电突触：缝隙连接，简单，快速->普遍存在于非神经细胞；极少数存在与中枢神经系统中，生理功能依赖于相邻神经元的高度同步化；存在于胚胎早期神经元之间，共享电信号与化学信号
- 化学突触：
- 突触前：通常为神经元轴突末梢，包含50nm的突触囊泡（储存神经递质）和100nm的致密核心囊泡/分泌颗粒
- 中枢神经系统的突触：
- 形成方式：轴-树，轴-体，轴-轴，树-树
- 形态：一对一，一对多，多对一（包囊式），神经元可以准确分辨信息来源
- 结构：突触前膜与后膜分化物厚度非对称/对称->GrayI/GrayII：兴奋/抑制
- 神经肌接头：脊髓运动神经元和骨骼肌之间的化学突触，具有中枢神经系统的多种结构特征，突触传递快而可靠
- 突触后：神经肌接头突触后膜->运动终板，有一系列密布受体的浅褶皱，突触前活性带与褶皱精确排列，保证神经递质分子被集中释放到化学接收性膜表面
- 神经递质的特性：
- 合成于细胞内并包装到囊泡中
- 在突触前动作电位促使下释放到突触间隙
- 诱发突触后生化反应
- 发挥作用后被清除
- 从释放到清除速度很快
- 神经递质的类别：氨基酸，单胺，多肽；不同神经元产生不同递质，不同的递质在不同的场合产生不同的作用
- 神经递质的释放过程：
- 触发：动作电位去极化，电压门控Ca2+通道打开，Ca2+内流【同Na+之于神经元动作电位】
- 释放：囊泡胞吐作用，释放递质后囊泡被回收
- 突触后膜的生化反应-神经系统的受体和效应器
- 递质与受体结合使受体构象改变，激活受体功能：打开离子通道/启动G蛋白【打开离子通道->产生逆转电位：兴奋（EPSP，去极化，Na+内流）or抑制（IPSP，超极化，Cl-内流/K+外流）】
- 突触前有自身受体， 抑制递质释放/合成，类似于安全阀
- 神经递质的清除：远离突触/被吸收/被降解
- 所有动物神经系统轴突上动作电位存在一些普遍性质【枪乌贼v.s.人类】
- 动作电位产生：刺激（机械刺激，神经递质，电刺激）->神经末梢牵张->细胞膜去极化（Na+通道开启，Na+内流，膜内表面负电位减小*<注意与别此处Na+离子通道与去极化达到阈值后大量激活的电压门控Na+离子通道>*）->去极化超过阈值->动作电位【动作电位的发生有间隔（绝对不应期，其后还有相对不应期，即短时间连续发生需要更强刺激），刺激强度影响发生频率（超过阈值才产生=all or none，刺激强则发生频率高，发生频率有上限=1000Hz）】
- 动作电位时序：
- 上升相（静息->0mV：Na+内流主导，gNa+>gK+）
- 超射（0mV->最高->0mV）
- 下降相（0mV->静息：K+外流主导，gK+>gNa+）
- 回射（静息->最低（接近K+平衡电位）->静息：静息电位gK+>gNa+）
- 电压门控Na+离子通道：Na+通道由去极化激活，激活后迅速开放，约1ms后就失活/关闭，短时间内离子通道状态由“关闭可激活”->“激活”->“关闭并失活”，“失活”状态需要恢复静息电位后才能逆转为“可激活”状态【离子通道处于某种状态的概率与电压相关，e.g.达到阈值时大部分通道激活（wiki）】
- 电压门控K+离子通道：K+通道也是由去极化激活，但是延迟约1ms开放（延迟整流）并保持开放直到恢复静息电位
- 动作电位的单向传导：不应期->单向传递（正向/逆向皆可）
- 动作电位的传导速度：10-100m/s量级；动作电位在有髓鞘的轴突上于郎飞氏节之间传导；树突不产生Na+依赖的动作电位，但有Ca2+依赖的动作电位，效果类似XOR运算（Science，2020）
- 神经元的长距离传输是依靠沿轴突流动的神经元电信号实现的：电荷由离子携带而非电子，导致神经元轴突细胞质内电流传输速度远不及铜质导线；同时，轴突浸泡于细胞外液中，绝缘性较差，电信号由于分流作用而无法传播很远 -> 轴突传播神经冲动/动作电位而非被动传导：大小和持续时间固定，不随距离衰减，消耗能量
- 神经信息被编码为： 1）单个神经元上动作电位的频率；2）特定组织中发放动作电位的神经元的分布和数量【类似摩斯码】
- 动作电位发生在细胞膜上（神经细胞/肌细胞，可兴奋膜）
- 静息态：拥有可兴奋膜的细胞没有产生冲动的状态；膜内外电位差：静息膜电位/静息电位（内负外正）-> 动作电位：膜内外电位短暂翻转（内正外负）
- 静息电位关键角色：盐溶液，磷脂双分子膜，跨膜蛋白质【酶，受体，离子通道：高度选择性；电压门控，化学门控，机械门控】
- 离子的运动受外力影响：浓度梯度（扩散/被动扩散）+电位差+电导（电学环境）+特定离子通道；
- 静息电位如何产生：
- 平衡电位：e.g.膜外K+ = 20x膜内K+且膜上有K+通道 -> 浓度梯度膜外>膜内：K+膜外向膜内 -> 膜外表面积累负电荷产生电位差：K+膜内向膜外 -> 净移动为0，平衡电位产生（平衡电位即能够阻断因浓度梯度引起的离子跨膜移动的跨膜电位差）【膜电位巨大改变由较小的离子浓度改变造成；净电荷差发生在膜内外表面，胞浆和细胞外液是电中性->膜储存电荷的性质：电容；离子被驱动跨膜运动的速率和膜电位与平衡电位之差正相关；已知某离子跨膜浓度差，可以计算其平衡电位】
- 离子跨膜分布：离子泵，维持离子跨膜浓度差，e.g.钠-钾泵，钙泵等【钠-钾泵消耗ATP约占大脑总消耗的70%；星形胶质细胞也具有K+缓冲作用】
- 数量：为神经细胞的10-50倍
- 发育：外胚层->大胶质细胞，神经干细胞，神经嵴细胞
- 形态：星形胶质细胞，少突胶质细胞（中枢髓鞘），室管膜细胞，卫星胶质细胞，小胶质细胞，施万细胞（外周髓鞘）
- 功能：
- 支持
- 隔离（血脑屏障：星形胶质细胞包裹在毛细血管外，吸收血液中营养（房室模型？）【星形胶质细胞通过主动找糖：追踪脑区活动】
- 营养神经元
- 可能参与神经活动【星形胶质细胞具有缝隙连接，可传递Ca2+；脑的老化是胶质细胞的老化】
- 微管（～20nm）：tau蛋白磷酸化与否 <-> 微管由MAPs合成/崩解为MAPs；【磷酸化后带负电荷，tau蛋白脱落，微管崩解，同时，脱落的磷酸化的tau蛋白聚集影响神经元，与奥兹海默症可能有关】
- 微丝（～5nm）：神经细胞内信号 <-> 微丝由G-actin合成/分解为G-actin；【微丝合成路径：G-actin -> F-actin -> 双链】
- 神经丝（～10nm）：尺寸介于微丝和微管之间，多存在于轴突中，动态性的细节没有展示 e.g.尿液中检测到神经丝=奥兹海默症征兆
- 轴丘：轴突的起点，研究的热点：电信号起点，丰富的受体离子通道etc.；
- 轴突：
- 可分支：输出信号到效应器或者其他神经元（长度可长可短，(<1mm, 1m)）；
- 物质转运：dynactin+微丝 e.g.线粒体的来回转运
- 树突：不同部位神经元树突形态不同，e.g.大脑皮层各层神经元树突形态具有差异；
- 树突棘：
- 动态性（微管+微丝，微管不深入树突棘内部，e.g.stubby类，微管只到颈部）；
- 受体（如NMDA）；【e.g.（1）受体超表达：NR2B转基因小鼠很“聪明”（2）智障人士的树突棘瘦长（3）树突棘数量衡量小鼠训练后“智力”高低】
- 合成蛋白质（这个发现源于SPRCs在电镜下的发现）；
- 不同形态（filopodium, thin, mushroom, stubby, cup shaped）；
- 突触：
- 突触前：轴突末梢（相较轴突：无微管，含囊泡，囊泡朝向突触一侧附着高密度蛋白质（这啥？应该不是神经递质），线粒体多）；
- 突触后：树突棘；【囊泡释放的神经递质与特异受体结合，激活离子通道，产生电位变化，进一步产生信息传导】
- 突触间隙
- 突触间信号传递量子化理论（清华，2010）
- 神经元的多态性：屏状核神经元，超长轴突，横跨两个半脑-可能与意识有关？如何让AI有意识？【意识：自我感受到自己是存在的。】
- 逆向运输-轴突到神经元胞体：狂犬病毒感染脑部，HRP染色