第8章神经生物物理学.ppt

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1、河北工业大学河北工业大学 生物物理学生物物理学1生生 物物 物物 理理 学学XXX大学 生物物理所2l8.1 神经科学发展简史神经科学发展简史l8.2 现代神经科学的研究目标和发展趋势现代神经科学的研究目标和发展趋势l8.3 神经元电生理模型和神经元间的通讯神经元电生理模型和神经元间的通讯方式方式l8.4 噪声作用下两个噪声作用下两个FitzHugh-Nagumo神神经元的同步活动经元的同步活动第8章 神经生物物理学38.1 神经科学发展简史神经科学发展简史l8.1.1“从心到脑从心到脑”西方人对脑的认识西方人对脑的认识l8.1.2 分子生物物理学简史分子生物物理学简史“从髓到脑从髓到脑”中国

2、人对脑的认识中国人对脑的认识l8.1.3 细胞的认识现代神经科学的发展细胞的认识现代神经科学的发展汉诺威国际神经科学研究所汉诺威国际神经科学研究所 48.2 神经科学的研究目标和发展趋势神经科学的研究目标和发展趋势l8.2.1 神经科学的研究目标神经科学的研究目标l8.2.2 神经科学发展的趋势神经科学发展的趋势l8.2.3 神经科学展望神经科学展望汉诺威国际神经科学研究所汉诺威国际神经科学研究所 58.2.1 神经科学的研究目标神经科学的研究目标l了解脑了解脑 从分子、细胞、网络、神经回路和全脑水的平进行研究，分析神经从分子、细胞、网络、神经回路和全脑水的平进行研究，分析神经系统的结构和功能

3、，揭示各种神经活动的基本规律，阐明脑的基本系统的结构和功能，揭示各种神经活动的基本规律，阐明脑的基本工作原理。工作原理。l保护脑保护脑 阐明神经系统疾患的病因、机制，预防和治疗神经系统疾病。阐明神经系统疾患的病因、机制，预防和治疗神经系统疾病。l开发脑开发脑 进一步开发人脑的潜力，增强智能，模拟脑的工作原理，设计制造进一步开发人脑的潜力，增强智能，模拟脑的工作原理，设计制造新型的智能电脑。新型的智能电脑。68.2.2 神经科学发展的趋势神经科学发展的趋势l在细胞和分子水平研究脑在细胞和分子水平研究脑 细胞生物学的发展和分子生物学的崛起细胞生物学的发展和分子生物学的崛起 基因水平上的新技术的发展

4、基因水平上的新技术的发展l从整合的观点研究脑从整合的观点研究脑 整合多学科、多方面实验的研究结果整合多学科、多方面实验的研究结果 整合多层次的研究结果整合多层次的研究结果在细胞和分子水平研究脑在细胞和分子水平研究脑78.2.3 神经科学展望神经科学展望l神经活动的基本过程神经活动的基本过程l神经系统的发育神经系统的发育l神经系统疾患神经系统疾患l脑的高级功能脑的高级功能 88.3 神经元电生理模型和神经元电生理模型和 神经元间的通讯方式神经元间的通讯方式l8.3.1 神经元及其电生理特性神经元及其电生理特性l8.3.2 神经元的动力学模型神经元的动力学模型l8.3.3 神经元间的通讯方式神经元

5、间的通讯方式突触突触98.3.1 神经元及其电生理特性神经元及其电生理特性l神经元神经元l静息电位静息电位l动作电位动作电位 101 神经元神经元 神经细胞，大脑有神经细胞，大脑有1012个神经元组成个神经元组成v 与其他细胞的相同点与其他细胞的相同点l 神经元被细胞膜包围；神经元被细胞膜包围；l 神经元有包含基因的细胞核；神经元有包含基因的细胞核；l 神经元包含细胞质、线粒体和其它细胞器；神经元包含细胞质、线粒体和其它细胞器；v 与其他细胞的不同点与其他细胞的不同点l 神经元有特殊的发射部位：树突和轴突神经元有特殊的发射部位：树突和轴突l 神经元之间的信息传递通过电化学过程神经元之间的信息传

6、递通过电化学过程l 神经元形成特殊的连接部位神经元形成特殊的连接部位突触突触111 神经元神经元v 神经元的分类神经元的分类1 1、按神经元突起的数目分类、按神经元突起的数目分类单极神经元单极神经元双极神经元双极神经元多极神经元多极神经元细胞本体展延出两个突起细胞本体展延出两个突起这种细胞有两个轴突，一个轴突向脊椎中心延这种细胞有两个轴突，一个轴突向脊椎中心延伸，伸，其它的轴突则向肌肉或皮肤延伸。其它的轴突则向肌肉或皮肤延伸。有许多源于细胞本体的突起。其中只有一有许多源于细胞本体的突起。其中只有一个是轴突个是轴突121 神经元神经元2、按照传递信息的方向分为、按照传递信息的方向分为感觉神经元感

7、觉神经元中间神经元中间神经元运动神经元运动神经元3、按照神经元的作用分为、按照神经元的作用分为兴奋性神经元兴奋性神经元抑制性神经元抑制性神经元132 静息电位静息电位143 动作电位动作电位158.3.2 神经元的动力学模型神经元的动力学模型lHodgkin Huxley 神经元模型神经元模型lFitzHugh-Nagumo神经元模型神经元模型 161 Hodgkin Huxley 神经元模型神经元模型171 Hodgkin Huxley 神经元模型神经元模型膜电位 某种粒子或过程处于正确位置时才能打开钾通道的概率 钠通道活化过程参数，钠通道失活化过程参数 181 Hodgkin Huxley

8、 神经元模型神经元模型 Hodgkin Huxley神经元模型可以成功地描述神经元的动力学特神经元模型可以成功地描述神经元的动力学特征，理论计算结果与实验结果非常地吻合征，理论计算结果与实验结果非常地吻合l理论计算的膜电流和试验结果吻合。理论计算的膜电流和试验结果吻合。191 Hodgkin Huxley 神经元模型神经元模型lHodgkin Huxley 神经元模型能够定量地描述动作电位的特征。神经元模型能够定量地描述动作电位的特征。201 Hodgkin Huxley 神经元模型神经元模型lHodgkin Huxley 神经元模型还可以神经元模型还可以反映神经元的其他兴奋性特点：阈下反映神

9、经元的其他兴奋性特点：阈下响应、动作电位期间膜电导的变化、响应、动作电位期间膜电导的变化、温度对动作电位波形的影响、动作电温度对动作电位波形的影响、动作电位的传播、离子流、绝对和相对不应位的传播、离子流、绝对和相对不应期以及易化现象等。期以及易化现象等。212 FitzHugh-Nagumo神经元模型神经元模型兴奋性变量，描述兴奋态的产生；恢复变量，使系统回到稳定态；228.3.3 神经元间的通讯方式神经元间的通讯方式突触突触l电突触电突触l化学突触化学突触l神经递质和神经调质神经递质和神经调质l电突触和化学突触的不同电突触和化学突触的不同 231 电突触电突触242 化学突触化学突触化学突触

10、的方向性和极性化学突触的方向性和极性在接触部位的附近常有一在接触部位的附近常有一群突触小泡；群突触小泡；并列膜并列膜 突触前膜突触前膜化学突触化学突触 突触后膜突触后膜 突触间隙突触间隙252 化学突触化学突触v 化学突触的主要分子机制化学突触的主要分子机制l代谢机构代谢机构l突触前释放突触前释放l突触前恢复突触前恢复l突触前的调制突触前的调制l间隙机制间隙机制l突触后受体突触后受体l突触后的调制突触后的调制l突触的淘汰机制突触的淘汰机制 262 化学突触化学突触273 神经递质和神经调质神经递质和神经调质l乙酰胆碱乙酰胆碱l生物胺类生物胺类l氨基酸类氨基酸类l嘌呤类嘌呤类l神经肽神经肽l其他

11、一些可能的神经递质其他一些可能的神经递质 284 电突触和化学突触的不同电突触和化学突触的不同l化学突触传递信号是单方向的，而电突触传递信号是双方向的。化学突触传递信号是单方向的，而电突触传递信号是双方向的。l电突触对信号的传递是非常迅速的，而化学突触对信号的传递往往需要一电突触对信号的传递是非常迅速的，而化学突触对信号的传递往往需要一段时间的延迟，段时间的延迟，l化学突触既可以是兴奋的，也可以是抑制的。一般来说，电突触都是兴奋化学突触既可以是兴奋的，也可以是抑制的。一般来说，电突触都是兴奋性的，性的，l电突触结构的简单性限制了突触传递的可塑性程度，化学传递的可塑性是电突触结构的简单性限制了突

12、触传递的可塑性程度，化学传递的可塑性是建立和储存记忆的基础建立和储存记忆的基础 29一、生物体内的噪声源一、生物体内的噪声源 （1）、）、热噪声热噪声（2）、）、来自离子通道的噪声来自离子通道的噪声（3）、）、由信号传递和网络效应引起的噪声。由信号传递和网络效应引起的噪声。噪声从不同的方面来影响神经元的动力学活动。噪声从不同的方面来影响神经元的动力学活动。8.4 噪声作用下两个噪声作用下两个FitzHugh-NagumoFitzHugh-Nagumo神经神经元的同步活动元的同步活动30二、二、随机的随机的FNFN神经元模型神经元模型 表示高斯白噪声，其关联为：表示噪声强度 31不同定点的参数范

13、围（不同定点的参数范围（）32 不同噪声强度下，膜电位与时间的关系曲线33三、两个耦合三、两个耦合FNFN神经元的基本方程神经元的基本方程 表示电突触耦合强度 34触发动作电位的平均频率触发动作电位的平均频率 触发动作电位的平均频率和噪声强度的关系触发动作电位的平均频率和噪声强度的关系35 一定耦合强度作用下，触一定耦合强度作用下，触发动作电位的平均频率和噪发动作电位的平均频率和噪声强度的关系声强度的关系两个耦合神经元的同步活两个耦合神经元的同步活动图动图（图中数据表示振荡的（图中数据表示振荡的频率之比）频率之比）36四、结论四、结论l 噪声能够使单个神经元持续地激发动作电位，而且随着噪声强度的增加，噪声能够使单个神经元持续地激发动作电位，而且随着噪声强度的增加，单个神经元触发动作电位的频率也随之增加，这是噪声可以诱发神经元频率单个神经元触发动作电位的频率也随之增加，这是噪声可以诱发神经元频率同步活动的基础。同步活动的基础。l 对于两个耦合的神经元系统来说，它们的同步活动由耦合强度和噪声强度共对于两个耦合的神经元系统来说，它们的同步活动由耦合强度和噪声强度共同决定。同决定。l 得到了频率同步活动和噪声强度、耦合强度的三维关系图。得到了频率同步活动和噪声强度、耦合强度的三维关系图。37