神经生物学研究的常用方法
神经科学的发展与的研究方法的进步密切相关。总体上,神经生物学的研究方法有六大类:形态学方法、生理学方法、电生理学方法、生物化学方法、分子生物学方法及脑成像技术。
7.1 形态学方法
神经生物学研究中常用的形态学方法有束路追踪、免疫组化和原位杂交,其他还有受体定位、神经系统功能活动形态定位等方法。
7.1.1 束路追踪法
追踪神经元之间的联系是神经解剖学研究中的重大目标,它对研究神经元的功能、神经系统的发育和成熟都具有重要意义。这种方法学的建立始于19世纪末的逆行和顺性溃变(顺行溃变指胞体或轴突损伤后的轴突终末的溃变,逆行溃变指去除靶区之后神经元胞体的溃变)研究。20世纪40年代主要手段是镀银染色法,根据变性纤维的形态变化来判断变性纤维。20世纪50年代发展了Nanta法,能遏制正常纤维的染色而仅镀染出变性纤维。但该法不易显示细纤维,1971年Kristenson等将辣根过氧化物酶(HRP)注入幼鼠的腓肠肌及舌肌结果在脊髓和延脑的相应部分运动神经元胞体内发现HRP的积累 。不久LaVail正式使用HRP作为轴突逆行追踪,以后遂广泛应用于中枢神经系统的研究。HRP可被神经末梢、胞体和树突吸收,轴突损伤部分也可摄入。在胞体内,HRP的活性可持续4~5天,在溶酶体内对联苯胺呈阳性反应而显现出来。被标记的神经元可以清晰的显示胞体、树突及轴突。
除了HRP标记法,还有荧光物质标记法、毒素标记法、注射染料等方法。
7.1.2 免疫组织化学
免疫组织化学术是应用抗原与抗体结合的免疫学原理,检测细胞内多肽、蛋白质及膜表面抗原和受体等大分子物质的存在与分布。这种方法特异性强,敏感度高,进展迅速,应用广泛,成为生物学和医学众多学科的重要研究手段。近年随着纯化抗原和制备单克隆抗体的广泛开展以及标记技术不断提高,免疫组织化学的进展更是日新月异,不仅用于许多基本理论的研究,并取得重大突破,而且也用于疾病的早期快速诊断等临床实际。
折叠学科解说八、九十年代,心理学研究者无不关注两个蓬勃发展的认知神经科学边沿交叉学科的研究,即认知神经科学和认知行为遗传学。
这两个学科吸收了认知科学和行为发展科学的理论与神经科学和遗传学的新技术,共同向智能的本质和意识的起源这一基本的重大理论问题发起冲击,将心理学的研究推向了一个新的发展水平,已经并且势必继续对心理学的研究产生重大影响。认知神经科学的研究旨在阐明认知活动的脑机制,即人类大脑如何调用其各层次上的组件,包括分子、细胞、脑组织区和全脑去实现各种认知活动。
传统神经科学的某些分支,例如神经心理学、心理生理学、生理心理学、神经生物学和行为药理学等,吸收了认知科学的理论和神经科学的新技术,逐渐形成了认知神经心理学、认知心理生理学、认知生理心理学、认知神经生物学和计算神经科学等认知神经科学的各个分支。自八十年代后期发端以来,认知神经科学的研究在短短时间内取得了令人注目的进展,对传统认知心理学和发展心理学的理论建构和各内容领域的研究有着巨大影响。
认知发展研究自然也不例外,由于认知发展心理学和发展神经科学科学对许多共同问题感兴趣,由此衍生出来的发展认知神经科学正得到越来越多人的关注,成为当前最热门的交叉研究领域之一。折叠学科分支认知科认知神经科学学的核心学科分支--认知心理学、心理语言学、人工智能和人工神经网络的研究都取得了重要进展,但又都发现在自己的研究领域内出现许多难点,必须在人脑认知活动机制中需求答案。
例如,认知心理学和心理语言学研究中,信息加工的并行和串行方式,外显机制和内隐机制,基于经验和知识的认知活动和靠灵感、顿悟的认知活动,其脑机制有何异同?在人工智能和人工神经网络的研究中,物理符号的离散表征和运算原理,与亚符号连续运算原理之间存在何种关系?人工神经网络的学习机制为何需要千万次训练,而人类的观察模仿学习则一看就会?这些问题都尖锐提到认知科学各个分支学科发展面前。人类社会发展对智能信息系统越来越高的要求和技术难题之间的矛盾,使认知科学迫切希望有一个新生儿来继承自己未竟的事业。
生物医学构像技术特别是近年功能性磁共振成像可以用于对于人类认知活动的研究;脑事件相关电位、脑磁图和高分辨脑成像等生理学方法,可以为人脑认知功能研究提供许多新的数据;分子神经生物学和细胞神经科学,为人脑认知障碍和动物认知行为提供脑内机制的许多科学数据,包括动物的学习障碍和某些基因序列的关系。这些都使神经科学有资格孕育一个径直研究认知活动脑机制的新学科。
传统神经科学的某些分支,吸收了认知科学的理论和神经科学的新技术,就可以成为新学科分支的组成部分。神经心理学、心理生理学、生理心理学、神经生物学、行为药理学等都是这些传统神经科学的分支。
一经吸收了认知科学和神经科学新理论和新技术,这些传统学科得到新生,于是,认知神经心理学、认知生理心理学、认知心理生理学、认知神经生物学、计算神经科学等逐渐形成。虽然认知科学和神经科学的兴起只有20 多年的短暂历史,由于其高度跨学科性与高新技术发展的密切相关,两者又结合在一起,形成了新的交叉领域---认知神经科学。
在世纪之交,可以预见这一领域的发展将会带动整个科学的发展,并能顺应发展教育事业的理论需求。下列研究已经形成或正在形成国际前沿。
折叠实验内容脑的认知功能包括知觉、注意、记忆、语言和思维以及智能和意识认知神经科学等心理功能。一百多年来,神经生理学家和解剖学家一直按机能定位的指导思想试图寻找各种认知功能的特异脑中枢。
60 年代在治疗顽固癫痫的脑手术病人中,发现了大脑两半认知风格的差异和海马的记忆功能,曾极大地鼓舞了高级功能定位论的研究,认为海马是特异的记忆中枢,左半球负责抽象思维,右半球负责形象思维等。然而,即使这类研究的奠基人和大脑半分工说的创始人,也很快陷入迷惘之中。
因为总是存在大量矛盾的科学事实。还在70 年代中期,我们就试图以"功能模块"的概念取代定位论或分工说。
经过十多年的努力,神经病学家和心理学家们终于采用双分离方法学原则,发现了人脑功能模块性或多重功能系统,主要突破表现在多重记忆模块和复杂的认知功能系统。神经生理学家在猴等动物的实验研究中,也积累了大量科学事实,证明视觉功能存在着背、腹侧系统,至少是枕、顶、颞、额的30 多个脑皮层区动态活动。
目前,物体真实运动和似动知觉之间、幻觉和真实知觉之间、外界引起和主动性选择注意之间的脑功能模块的异同是引起普遍关注的研究课题。认知神经科学折叠意识与无意识的脑机制过去20 年间,运用双分离原则,已将记忆至少分离出意识和无意识两类多重记忆系统,在这些研究成果之上,近年涌现出意识的"全脑工作空间模型" 、"簇化模型"、复杂性模型"等,对意识与无意识过程进行了更为系统性的实验研究及对外界客体的真实知觉和想像之间的脑功能模块的对比研究等,这种对比性分离研究,将会对脑高级功能的认识更加深入。
这类研究一。
认知神经科学常用的研究方法
认知神经科学包括两大类互补的研究方法:一类是无创性脑功能(认知)成像技术,另一类清醒动物认知生理心理学研究方法。前一类方法中又分为脑代谢功能成像和生理功能成像两种;后一类方法中包括单细胞记录、多细胞记录、多维(阵列)电极记录法和其他生理心理学方法(手术法、冷却法、药物法等)。尽管这些方法为人类科学增添了许多光彩,但远未满足认知神经科学研究的要求。例如,脑认知成像技术可以为我们对认知过程的脑功能形成直观的图像,然而这种图像仅可提供结构或区域性功能关系,对于细胞水平的机制显得过分粗糙。由上述可见,作为当代心理学研究热点的认知神经科学,是否能够继续闪现光辉,有待于进一步的历史验证。
而获取神经干细胞只有三个途径,一种是通过胚胎提取,也就是从流产的胎儿身上抽取获得干细胞;二是通过克隆,通过抽取动物的细胞注入卵母细胞,培植成干细胞;三则是从自身抽取骨髓,然后加入各种诱导因子,在进行一些基因的改造和修饰,定向诱导分化成神经干细胞。而前两种获取方式会带来伦理道德方面的置疑,而且从技术层面上来说难度也太大。所以从骨髓中进行神经干细胞的培养,不仅技术方面相对比较成熟,实验的效果和可靠性也比前两种要更明显。
后来应脑瘫、脑外伤和脑血管瘤三位志愿者患者的家属强烈要求,研究人员对他们进行了神经干细胞移植手术,疗效目前还正处于观察之中。如果一切顺利的话,不久之后就可以在临床中普通的推广应用了。
神经干细胞移植是国际上的一种研究方向,很多研究神经干细胞移植领域的专家、学者,对“神经干细胞移植”目前的研究的状况以及发展前景都抱有很大的期望,都希望在短时间内能有更大的突破。而对于发病率居高不下的偏瘫患者来说,如果神经干细胞移植获得突破并用于临床,实则算得上一项造福人类的研究成果。
神经组织具有接受刺激,产生神经冲动并传导神经冲动的功能。
它由神经细胞(又称神经元)和神经胶质细胞组成。每个神经元都由胞体和突起两部分组成。
突起分为树突和轴突两种。树突的功能是接受刺激,并传导神经冲动给胞体。
每个神经元只有一个轴突,轴突的功能是将神经冲动从胞体传递给予它联系的神经元或效应器的细胞。神经胶质细胞数量比神经元多,起支持、绝缘、营养、保护和修复等作用。
胶质细胞间无突触联系,不能传导神经冲动。神经纤维是由神经元的轴突或长树突,外包神经胶质细胞所构成,它分为有髓神经纤维和无髓神经纤维两种。
神经是大量平行的神经纤维集合成束而构成的。
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