神經(jīng)生物學(xué)研究的常用方法
神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展與的研究方法的進(jìn)步密切相關(guān)。總體上,神經(jīng)生物學(xué)的研究方法有六大類(lèi):形態(tài)學(xué)方法、生理學(xué)方法、電生理學(xué)方法、生物化學(xué)方法、分子生物學(xué)方法及腦成像技術(shù)。
7.1 形態(tài)學(xué)方法
神經(jīng)生物學(xué)研究中常用的形態(tài)學(xué)方法有束路追蹤、免疫組化和原位雜交,其他還有受體定位、神經(jīng)系統功能活動(dòng)形態(tài)定位等方法。
7.1.1 束路追蹤法
追蹤神經(jīng)元之間的聯(lián)系是神經(jīng)解剖學(xué)研究中的重大目標,它對研究神經(jīng)元的功能、神經(jīng)系統的發(fā)育和成熟都具有重要意義。這種方法學(xué)的建立始于19世紀末的逆行和順性潰變(順行潰變指胞體或軸突損傷后的軸突終末的潰變,逆行潰變指去除靶區之后神經(jīng)元胞體的潰變)研究。20世紀40年代主要手段是鍍銀染色法,根據變性纖維的形態(tài)變化來(lái)判斷變性纖維。20世紀50年代發(fā)展了Nanta法,能遏制正常纖維的染色而僅鍍染出變性纖維。但該法不易顯示細纖維,1971年Kristenson等將辣根過(guò)氧化物酶(HRP)注入幼鼠的腓腸肌及舌肌結果在脊髓和延腦的相應部分運動(dòng)神經(jīng)元胞體內發(fā)現HRP的積累 。不久LaVail正式使用HRP作為軸突逆行追蹤,以后遂廣泛應用于中樞神經(jīng)系統的研究。HRP可被神經(jīng)末梢、胞體和樹(shù)突吸收,軸突損傷部分也可攝入。在胞體內,HRP的活性可持續4~5天,在溶酶體內對聯(lián)苯胺呈陽(yáng)性反應而顯現出來(lái)。被標記的神經(jīng)元可以清晰的顯示胞體、樹(shù)突及軸突。
除了HRP標記法,還有熒光物質(zhì)標記法、毒素標記法、注射染料等方法。
7.1.2 免疫組織化學(xué)
免疫組織化學(xué)術(shù)是應用抗原與抗體結合的免疫學(xué)原理,檢測細胞內多肽、蛋白質(zhì)及膜表面抗原和受體等大分子物質(zhì)的存在與分布。這種方法特異性強,敏感度高,進(jìn)展迅速,應用廣泛,成為生物學(xué)和醫學(xué)眾多學(xué)科的重要研究手段。近年隨著(zhù)純化抗原和制備單克隆抗體的廣泛開(kāi)展以及標記技術(shù)不斷提高,免疫組織化學(xué)的進(jìn)展更是日新月異,不僅用于許多基本理論的研究,并取得重大突破,而且也用于疾病的早期快速診斷等臨床實(shí)際。
折疊學(xué)科解說(shuō)八、九十年代,心理學(xué)研究者無(wú)不關(guān)注兩個(gè)蓬勃發(fā)展的認知神經(jīng)科學(xué)邊沿交叉學(xué)科的研究,即認知神經(jīng)科學(xué)和認知行為遺傳學(xué)。
這兩個(gè)學(xué)科吸收了認知科學(xué)和行為發(fā)展科學(xué)的理論與神經(jīng)科學(xué)和遺傳學(xué)的新技術(shù),共同向智能的本質(zhì)和意識的起源這一基本的重大理論問(wèn)題發(fā)起沖擊,將心理學(xué)的研究推向了一個(gè)新的發(fā)展水平,已經(jīng)并且勢必繼續對心理學(xué)的研究產(chǎn)生重大影響。認知神經(jīng)科學(xué)的研究旨在闡明認知活動(dòng)的腦機制,即人類(lèi)大腦如何調用其各層次上的組件,包括分子、細胞、腦組織區和全腦去實(shí)現各種認知活動(dòng)。
傳統神經(jīng)科學(xué)的某些分支,例如神經(jīng)心理學(xué)、心理生理學(xué)、生理心理學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)和行為藥理學(xué)等,吸收了認知科學(xué)的理論和神經(jīng)科學(xué)的新技術(shù),逐漸形成了認知神經(jīng)心理學(xué)、認知心理生理學(xué)、認知生理心理學(xué)、認知神經(jīng)生物學(xué)和計算神經(jīng)科學(xué)等認知神經(jīng)科學(xué)的各個(gè)分支。自八十年代后期發(fā)端以來(lái),認知神經(jīng)科學(xué)的研究在短短時(shí)間內取得了令人注目的進(jìn)展,對傳統認知心理學(xué)和發(fā)展心理學(xué)的理論建構和各內容領(lǐng)域的研究有著(zhù)巨大影響。
認知發(fā)展研究自然也不例外,由于認知發(fā)展心理學(xué)和發(fā)展神經(jīng)科學(xué)科學(xué)對許多共同問(wèn)題感興趣,由此衍生出來(lái)的發(fā)展認知神經(jīng)科學(xué)正得到越來(lái)越多人的關(guān)注,成為當前最熱門(mén)的交叉研究領(lǐng)域之一。折疊學(xué)科分支認知科認知神經(jīng)科學(xué)學(xué)的核心學(xué)科分支--認知心理學(xué)、心理語(yǔ)言學(xué)、人工智能和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的研究都取得了重要進(jìn)展,但又都發(fā)現在自己的研究領(lǐng)域內出現許多難點(diǎn),必須在人腦認知活動(dòng)機制中需求答案。
例如,認知心理學(xué)和心理語(yǔ)言學(xué)研究中,信息加工的并行和串行方式,外顯機制和內隱機制,基于經(jīng)驗和知識的認知活動(dòng)和靠靈感、頓悟的認知活動(dòng),其腦機制有何異同?在人工智能和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的研究中,物理符號的離散表征和運算原理,與亞符號連續運算原理之間存在何種關(guān)系?人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的學(xué)習機制為何需要千萬(wàn)次訓練,而人類(lèi)的觀(guān)察模仿學(xué)習則一看就會(huì )?這些問(wèn)題都尖銳提到認知科學(xué)各個(gè)分支學(xué)科發(fā)展面前。人類(lèi)社會(huì )發(fā)展對智能信息系統越來(lái)越高的要求和技術(shù)難題之間的矛盾,使認知科學(xué)迫切希望有一個(gè)新生兒來(lái)繼承自己未竟的事業(yè)。
生物醫學(xué)構像技術(shù)特別是近年功能性磁共振成像可以用于對于人類(lèi)認知活動(dòng)的研究;腦事件相關(guān)電位、腦磁圖和高分辨腦成像等生理學(xué)方法,可以為人腦認知功能研究提供許多新的數據;分子神經(jīng)生物學(xué)和細胞神經(jīng)科學(xué),為人腦認知障礙和動(dòng)物認知行為提供腦內機制的許多科學(xué)數據,包括動(dòng)物的學(xué)習障礙和某些基因序列的關(guān)系。這些都使神經(jīng)科學(xué)有資格孕育一個(gè)徑直研究認知活動(dòng)腦機制的新學(xué)科。
傳統神經(jīng)科學(xué)的某些分支,吸收了認知科學(xué)的理論和神經(jīng)科學(xué)的新技術(shù),就可以成為新學(xué)科分支的組成部分。神經(jīng)心理學(xué)、心理生理學(xué)、生理心理學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、行為藥理學(xué)等都是這些傳統神經(jīng)科學(xué)的分支。
一經(jīng)吸收了認知科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)新理論和新技術(shù),這些傳統學(xué)科得到新生,于是,認知神經(jīng)心理學(xué)、認知生理心理學(xué)、認知心理生理學(xué)、認知神經(jīng)生物學(xué)、計算神經(jīng)科學(xué)等逐漸形成。雖然認知科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)的興起只有20 多年的短暫歷史,由于其高度跨學(xué)科性與高新技術(shù)發(fā)展的密切相關(guān),兩者又結合在一起,形成了新的交叉領(lǐng)域---認知神經(jīng)科學(xué)。
在世紀之交,可以預見(jiàn)這一領(lǐng)域的發(fā)展將會(huì )帶動(dòng)整個(gè)科學(xué)的發(fā)展,并能順應發(fā)展教育事業(yè)的理論需求。下列研究已經(jīng)形成或正在形成國際前沿。
折疊實(shí)驗內容腦的認知功能包括知覺(jué)、注意、記憶、語(yǔ)言和思維以及智能和意識認知神經(jīng)科學(xué)等心理功能。一百多年來(lái),神經(jīng)生理學(xué)家和解剖學(xué)家一直按機能定位的指導思想試圖尋找各種認知功能的特異腦中樞。
60 年代在治療頑固癲癇的腦手術(shù)病人中,發(fā)現了大腦兩半認知風(fēng)格的差異和海馬的記憶功能,曾極大地鼓舞了高級功能定位論的研究,認為海馬是特異的記憶中樞,左半球負責抽象思維,右半球負責形象思維等。然而,即使這類(lèi)研究的奠基人和大腦半分工說(shuō)的創(chuàng )始人,也很快陷入迷惘之中。
因為總是存在大量矛盾的科學(xué)事實(shí)。還在70 年代中期,我們就試圖以"功能模塊"的概念取代定位論或分工說(shuō)。
經(jīng)過(guò)十多年的努力,神經(jīng)病學(xué)家和心理學(xué)家們終于采用雙分離方法學(xué)原則,發(fā)現了人腦功能模塊性或多重功能系統,主要突破表現在多重記憶模塊和復雜的認知功能系統。神經(jīng)生理學(xué)家在猴等動(dòng)物的實(shí)驗研究中,也積累了大量科學(xué)事實(shí),證明視覺(jué)功能存在著(zhù)背、腹側系統,至少是枕、頂、顳、額的30 多個(gè)腦皮層區動(dòng)態(tài)活動(dòng)。
目前,物體真實(shí)運動(dòng)和似動(dòng)知覺(jué)之間、幻覺(jué)和真實(shí)知覺(jué)之間、外界引起和主動(dòng)性選擇注意之間的腦功能模塊的異同是引起普遍關(guān)注的研究課題。認知神經(jīng)科學(xué)折疊意識與無(wú)意識的腦機制過(guò)去20 年間,運用雙分離原則,已將記憶至少分離出意識和無(wú)意識兩類(lèi)多重記憶系統,在這些研究成果之上,近年涌現出意識的"全腦工作空間模型" 、"簇化模型"、復雜性模型"等,對意識與無(wú)意識過(guò)程進(jìn)行了更為系統性的實(shí)驗研究及對外界客體的真實(shí)知覺(jué)和想像之間的腦功能模塊的對比研究等,這種對比性分離研究,將會(huì )對腦高級功能的認識更加深入。
這類(lèi)研究一。
認知神經(jīng)科學(xué)常用的研究方法
認知神經(jīng)科學(xué)包括兩大類(lèi)互補的研究方法:一類(lèi)是無(wú)創(chuàng )性腦功能(認知)成像技術(shù),另一類(lèi)清醒動(dòng)物認知生理心理學(xué)研究方法。前一類(lèi)方法中又分為腦代謝功能成像和生理功能成像兩種;后一類(lèi)方法中包括單細胞記錄、多細胞記錄、多維(陣列)電極記錄法和其他生理心理學(xué)方法(手術(shù)法、冷卻法、藥物法等)。盡管這些方法為人類(lèi)科學(xué)增添了許多光彩,但遠未滿(mǎn)足認知神經(jīng)科學(xué)研究的要求。例如,腦認知成像技術(shù)可以為我們對認知過(guò)程的腦功能形成直觀(guān)的圖像,然而這種圖像僅可提供結構或區域性功能關(guān)系,對于細胞水平的機制顯得過(guò)分粗糙。由上述可見(jiàn),作為當代心理學(xué)研究熱點(diǎn)的認知神經(jīng)科學(xué),是否能夠繼續閃現光輝,有待于進(jìn)一步的歷史驗證。
而獲取神經(jīng)干細胞只有三個(gè)途徑,一種是通過(guò)胚胎提取,也就是從流產(chǎn)的胎兒身上抽取獲得干細胞;二是通過(guò)克隆,通過(guò)抽取動(dòng)物的細胞注入卵母細胞,培植成干細胞;三則是從自身抽取骨髓,然后加入各種誘導因子,在進(jìn)行一些基因的改造和修飾,定向誘導分化成神經(jīng)干細胞。而前兩種獲取方式會(huì )帶來(lái)倫理道德方面的置疑,而且從技術(shù)層面上來(lái)說(shuō)難度也太大。所以從骨髓中進(jìn)行神經(jīng)干細胞的培養,不僅技術(shù)方面相對比較成熟,實(shí)驗的效果和可靠性也比前兩種要更明顯。
后來(lái)應腦癱、腦外傷和腦血管瘤三位志愿者患者的家屬強烈要求,研究人員對他們進(jìn)行了神經(jīng)干細胞移植手術(shù),療效目前還正處于觀(guān)察之中。如果一切順利的話(huà),不久之后就可以在臨床中普通的推廣應用了。
神經(jīng)干細胞移植是國際上的一種研究方向,很多研究神經(jīng)干細胞移植領(lǐng)域的專(zhuān)家、學(xué)者,對“神經(jīng)干細胞移植”目前的研究的狀況以及發(fā)展前景都抱有很大的期望,都希望在短時(shí)間內能有更大的突破。而對于發(fā)病率居高不下的偏癱患者來(lái)說(shuō),如果神經(jīng)干細胞移植獲得突破并用于臨床,實(shí)則算得上一項造福人類(lèi)的研究成果。
神經(jīng)組織具有接受刺激,產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)并傳導神經(jīng)沖動(dòng)的功能。
它由神經(jīng)細胞(又稱(chēng)神經(jīng)元)和神經(jīng)膠質(zhì)細胞組成。每個(gè)神經(jīng)元都由胞體和突起兩部分組成。
突起分為樹(shù)突和軸突兩種。樹(shù)突的功能是接受刺激,并傳導神經(jīng)沖動(dòng)給胞體。
每個(gè)神經(jīng)元只有一個(gè)軸突,軸突的功能是將神經(jīng)沖動(dòng)從胞體傳遞給予它聯(lián)系的神經(jīng)元或效應器的細胞。神經(jīng)膠質(zhì)細胞數量比神經(jīng)元多,起支持、絕緣、營(yíng)養、保護和修復等作用。
膠質(zhì)細胞間無(wú)突觸聯(lián)系,不能傳導神經(jīng)沖動(dòng)。神經(jīng)纖維是由神經(jīng)元的軸突或長(cháng)樹(shù)突,外包神經(jīng)膠質(zhì)細胞所構成,它分為有髓神經(jīng)纖維和無(wú)髓神經(jīng)纖維兩種。
神經(jīng)是大量平行的神經(jīng)纖維集合成束而構成的。
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