20世际，神经科学和信息科学相结合在脑研究方面取得了举世注目的重大成就，有人称为脑研究的世际。100年来脑研究的内容十分丰富，但概括起来主要阐明了2大学说，10大成果。回顾和总结脑科学的研究成果对揭开全麻机理之醚应有一定的指导作用。

一、 二大学说

1、神经元学说（Neuron docrine） 20世纪初，科学家Cajal首先提出了神经元学说，认为神经元是神经系统最基本的结构和功能单位。经过大量的研究充分证实了神经元学说的正确性，为神经科学的研究和发展奠定了结构基础。这是20世际脑研究成果中最重要的成就之一。

2、膜离子通道学说（Ion channel） 50年代初,Hodgkin 和Huxley用电压箝技术首次发现神经元的兴奋在延神经干传导过程中，存在着明显的电活动现象，从而提出了离子通道理论。1984年,Nodgkin克隆出钠离子通道的分子结构,并用膜片钳技术测到了离子通道的电流,从而证实了离子通道的正确性,为神经科学发展奠定了生理学基础。

二、 十大成果

1、 神经活性物质与受体 1921年Lowewi通过蛙心离体灌流发现第一个神经递质是乙酰胆碱。此后递质、调质和受体研究取得了迅速的发展。吗啡类受体为脑啡呔、内啡呔和强啡呔等及其相应的受体，单胺类递质有肾上腺素、多巴胺、5-羟色胺等及相应受体，氨基酸类递质有谷氨酸、甘氨酸、门冬氨酸和羟基丁酸钠等及相应受体，其中有一些受体还具有许多亚型。神经递质与受体的研究明显的促进了神经药理学的研究进展，一批激动剂和抑制剂已成为重要的治疗药物。并已确定一些神经递质在脑内有特定的神经核团及其纤维投射系统。其中神经系统逆信使一氧化氮（NO）的发现获1998年诺贝尔医学生理学奖。

2、 电生理学 1929年Berger首次在人头皮上记录到脑电活动，Braxier用叠加法记录到体感诱发电位,以及脑电图等,为研究不同功能状态下脑电活动规律奠定了基础。此外微电极和膜片钳技术被用于研究以来, Eccles先次发现兴奋性和抑制性突触后电位,此后单神经细胞单离子通道的应用在神经生理学中得到了广泛的应用，这对阐明神经系统兴奋的本质有重要意义。

3、 神经营养因子 1951年Lei-Montacin发现神经生长因子（NGF），此后相继发现各类神经营养因子，如脑源性神经营养因子（BDNF）、胶质细胞源性神经营养因子（GDNF）和神经营养因子3（NT-3）等及其相应的作用机理。这些因子对在神经元存活、再生及发育方面有重要作用。

4、 脑超微结构 1955年，Palay应用电子显微镜和脑超薄片技术，获得了突触超微结构图像，为神经元学说和神经合胞体网假说的争论提供了有力的证据，从此开拓了脑超微结构的视野。然后Gray 根据突触膜和囊泡的形态，将突触分为兴奋性突触（EP）和抑制性突触（IP）二大类，为EPSP和IPSP提供了形态学依据。Nauta发明的神经末梢溃变染色法和辣根过氧化酶（HRP）染色法和荧光染色法，为阐明各核团神经元之间的复杂的纤维联和调控通路产生了重要的作用。

5、 神经网络 40年代初，Pitts首先用数学模型模似神经元突触权重整合及神经元的阈值特征拉开了人工神经网络研究的序幕。40年代末，Hebb研究表明学习可以改变突触的联接权重，提出了神经网络学习定律。60 年代用分层人工神经网络模拟人的认知与学习功能。70年代并行分布式人工神经网络及误差回传算法。80年代研究成功全联结式的联想记忆神经网络。90年代在全世界大多数国家定为"脑的十年"，有些国家如美国、日本提供大量的研究经费支持神经科学的研究。近年来神经科学家、信息学家和计算机科学家相结合，为揭开脑思维的本质开拓了新途径。

6、信号传导理论 60年代中期，Sutherland首先发现了cAMP，提出了第二信使的概念。随后cGMP、G蛋白和Ca2+相继被发现及其在信息传过程中的作用。之后又发现早期即刻反应基因（c-fos,c-jun等）和相应的表达蛋白与其它迟效应基因的起始位点相结合，进一步引发瀑布样效应基因的表达。从而形成了完整的信号传导系统理论，所谓信号转导系统是指将神经细胞膜上受体与配基相结合，经过胞浆中系列传递分析过程，将信息转导到细胞核并启动早期即刻反应基因表达，从而产生不同的生理
学效应。这一理论对阐明神经元内部的对胞外信传递、分析和加工，最终生产生理学效应有重要作用。

7、神经系统发育调控基因 Gehring于1987年发现果蝇神经系统发育基因同源盒(Homeoboxes)基因以来,许多重要的神经系统发育基因陆续被发现。现已证实,动物神经系统的发育过程是一个级联式基因调控过程。在不同阶段,某些基因决定脑不同部位的形态形成与发育。神经系统发育基因的发现使神经系统发育方面的研究从细胞学水平提高到分子生物水平。

8、视觉生理学 Hartline首先证实了脊椎动物视网膜感光细胞超极化机理。特别是Huber和Wiesel发现了视觉皮层功能柱，阐明了色觉的化学机制和不同信息通道。视觉生理是脑科学中研究得比较清楚的部分，尤其是证实了大脑皮层的功能构筑不是以层划分而是以垂直方式的功能柱来划分的，为研究大脑机能的组织定位开辟了基础。

9、学习记忆 巴甫洛夫于本20世际初，首先发现和证实了条件反射。Kaada发现海马的记忆功能。Kliss于70年代初发现并证实通过学习可以改变突触联系的强度，且维持较长的时间，并记录到海马突触的长时程增强效应（LTP）。目前普遍认为LTP是突触可塑性的表现，是长时程记忆的生理学基础，证实cAMP 、PKC、环-磷酸腺甘反应原件结合蛋白（CREB）信号通路对LTP的形成的重要作用。近年来，应用PET和fMRI测定学习记忆和语言思维过程中的脑功能定位成像，发现了运动视觉、短期记忆、词义记忆、恐惧以及与注意功能等有关的脑区，为进一步阐明脑功能活动奠定了基础。

10、神经系统疾病基因 在人类基因组计划实施中，许多神经系统疾病基因的定位也取得了很大的进展。其中舞蹈病的基因定位于4号染色体短臂上，病人CAG三核苷酸重复系列比正常人明显延长；脊髓小脑共济失调症、Machado病、强直性肌营养不良症和齿状核红核脑桥丘脑底核萎缩症等都是在一些特定致病位点上CAG重复序列延长。正常中国人CAG得复序列长度为14-40，而Machado病人可增大至72-86。这一成果为单基因神经遗传的分子生物学诊断与治疗开辟了新治疗途径。

三、 现代研究方法

    综观各类研究成果的取得大多依赖于先进的实验方法和手段。20世际在神经科学研究中重要的实验方法主要为：

1、 形态学方法

① 束路追踪法 神经元间的联系是神经科学的一个基本问题，目前应用最广泛的是应用神经元轴浆运输现象进行追踪法。 辣根过氧化酶法（HRP） 辣根过氧化酶是从辣根中提取出来的一组同功酶，用于追踪周围神经和及中枢神经系统的纤维联系，是一种逆向追踪技术。将HRP注射于神经末梢部位，HRP被胞饮逆向运至胞体，然后用组织化学方法显示之。

② 免疫组织化学法 免疫组织化学法是用特异性抗体显示组织细胞特征的一种方法。ABC法 是在第一抗体反应后，用已结合生物素的抗IGg抗体桥接，然后ABC孵育，使桥抗上生物素与ABC中卵白素上的空位结合，最后用HRP的底物成色。

③ 原位杂交法 主要是用于显示细胞内的mRNA,其灵敏度已达到可以显示细胞内几个拷贝的mRNA的程度。探针有cDNA、RNA、寡核苷探针。cDNA指与mRNA相补的DNA链，由克隆技术产生，原位杂交特异性强，比RNA探针简便，应用广。RNA也是克隆技术产生，持术难度比cDNA困难，优点是探针是单链的，不存在退火问题，其灵敏度更高。寡核核酸是随着DNA合成问世而生的探针，用人工合成的一段与mRNA相补的核酸链，缺点是探针短结合不够牢固。原位杂交仅显示胞浆内的mRNA。

④ 神经功能活动形态学定位法 是针对同一目标将功能学和形态学结合起来一种实验方法。c-fos(Fos)法 c-fos是一种即刻早期基因，在多种刺条件下，通过不同的第二信使引起神经元c-fos的表达增强，形成fos mRNA翻译成Fos蛋白，与c-Jun所产生的蛋白构成二聚体，调节靶基因的表达，引起一系列的细胞反应。电刺激、药物、损伤、脑缺血、脱水和神经生长因子都可以引起c-fos表达，用免疫组化或原位杂交技术都可显示Fos蛋白在细胞核的堆积，已确定功能部位。

2、生理学方法

① 脑透析技术 脑透析又称为微透析术是在特定的脑区内，植入透析探头，用生理溶液灌流时，细胞外液中的神经递质可顺浓度梯度从透析管扩散至灌流液中，收集和测定灌流液中神经递质的含量，就能测定该递质的变化过程。

② 抗体微探针 是在玻璃微电极上涂上一层神经肽抗体，然后将微电极放入特定的脑区与特异性神经肽结合，形成抗原抗体复合物，再与放射标记特异性态孵育，使用权这与抗体结合，用图像分析系统就可定量测定神经肽的释放量，或用放射自显影图像数字录像系统进行分析。

3、电生理学方法

① 电压钳技术（Voltage clamp） 是通过插入细胞内的一根微电极向胞内补充电流，补充的电流量正好等于跨膜流出的反向离子流，经过离子通道的离子流与经微电极施加的电流方向相反，数量相等。因此可以定量测定细胞兴奋时的离子电流。电压钳技术是控制跨膜电位用来研究离子通道的理想技术，但它不能测定单一通道电流。因为电压钳制的膜积大，包含大量随机开放和关闭的通道，往往掩盖了单一通道的电流。

② 膜片钳技术 是用玻璃微电极吸管和只含1-3个离子通道，面积为几个μm2的细胞膜通过负压吸引封接起来，此片膜内通道开放所产生的电流流进玻璃管，用一极敏感的电流监视示器、放大器测量此电流强度，就代表单一离子通道电流。

③ 诱发电位 中枢神经系统任何部位对于故意刺激感受器官、感受神经、感受通路上的任何一点所产生的电变化，叫做诱发电位。诱发电位是慢电位变化，不是单细胞放电，主要是由突触后电位的总和而成。诱发放电是故意刺激引起的，所以它常常出现在自发放电的背景之上。特点：(1)诱发电位有一定的潜伏期；(2)诱发电位有一定的类型，是由于诱发电极和记录电极记录神经元群相对位置影响电位的波形。

4、分子生物学技术

① 基因分子克隆 人类染色体大约有3×109碱基和5-10万个基因。基因克隆是特定基因从基因组中分离出来在细菌中扩增的过程。克隆基因目的是获得大量的纯DNA分子。

② 聚合酶链式反应（PCR） PCR是一种酶促化学反应,可在含有多种核酸分子的混合液中选择性地大量扩增某一种核酸分子的特定序列。该方法具有极高的灵敏度和特异性，在含有多种杂质的条件下，可选择性扩增细胞基因组中一个特定的DNA片段达数百万至数千万倍。自1985年问世以来，以惊人的速度渗透到分子生物学各个领域，革新了许多核酸实验操作程序。

③ 转基因 根据遗传学原理,在体外合成含有突变序列的DNA片段,植入细胞染色体，通过制造定位定向转基因改变哺乳动物的基因型以产生转基因的动物。如转基因小鼠是在卵子与精子融合前将外源性DNA注入小鼠受精卵的卵原核或精原核内,外源性的DNA被整合进入双倍体染色体内，再将转基因后的卵细胞植回母体子宫内继续发育成胚胎，大约10-30%子代小鼠的基因中含水量有外源性基因（转基因小鼠）。

④ 基因替换 利用同源重组机理，用含有已知序列的DNA片段在染色体的特定部位，置换细胞内同源DNA序列而产生的转基因动物的方法为基因替换。

⑤ 基因敲除 基因敲除是80年代初出现的一项新的基因工程技术。 采用同源重组的方法,用体外合成的无效基因或突变基因取代相应正常基因,再应用转基因方法孵育出转基因动物,即为基因敲除动物。通过分析基因敲除动物单基因缺陷来研究基因调控、基因功能、建立疾病模型、药物作用及基因治疗。

5、脑成像技术

① 核磁共振成像（MRI） MRS是指应用物理学原理，将某些原子核置于均匀磁场受到高频脉冲击时，可以反射性发射高频脉冲现象，当这些刺激原子核状态的反射脉冲被受处理后可以直接反应身体组织结构。

② 磁共振波谱分析原理（MRS） MRS是一种利用核磁共振现象和化学位移作用，测量脑内有关区域中各种元素和化合物分子的波谱，借此了解局部脑神经元的活动信息。其基本原理与MRI一致，只不过经典MRI和fMRI技术是检测水质子共振信号，而MRS是检测其他化学物质分子的质子或其他原子核(1H、31P、23Na、13C、19F)的共振信号。其中在医学领域应用最多的是1H和31P。

    1H的细胞核中最高，可用来检测体内许多微量代谢物。正常脑1H MRS主要观察乙酰-天门冬氨酸（Naa）、r-氨基丁酸(GABA) 、谷氨酸(Glu) 、乳酸(Lac) 、肌酸(Cr)和胆碱(Cho)等产物。其中Naa被证实在脑内几乎全部位于神经元内，因此，当Naa信号降低时，可以将其作为神经元减少或破坏的标志。31P是最早应用于波谱分析的原子核。生物体中许多生物分子含有31P，而且这些化合物参与细胞的能量代谢和生物膜的有关磷脂代谢。31PMRS可以提供脑内能量代谢和生化改变的信息。

    目前，MRS是唯一无创性的研究活体器官、组织代谢、生化变化和化合物定量分析的方法，研究还处于从实验室向临床过渡阶段，若与传统的磁共振影像相结合将为疾病的诊断、治疗和预后评价提供更好的敏感性和特异性。

③ 正电子发射断层扫描（PET） 是利用发射击正电子的同位素作为标记物，将其引入脑内某一局部地区参与已知的生化代射过程，利用现代化计算机断层扫描技术将标记物所参与的物定代射过程及代射击率以立体成像的形式表达出来。PET是电子学、放射学、计算机科学、生物化学及生理科学等到多学科的高度综合。PET主要是反映脑内的生化代射及生理功能的变化，具有其它脑成像技术难以取代的优点。

    实现PET显像必须具备两个条件：PET扫描仪和PET显像剂。 把含有核素11C、13N、15O、18F及82Rb的化学物质作为示踪剂,注射到体内,参与体内循环和生化、代谢反应。同时释放正电子,正电子与体内负电子相撞而消失。此时释放出的能量以两个光子形式发出,其方向相反。PET探测器记录释放出光子的时间、位置、数量和方向,计算机将上述信息进行存取、运算,把数据转换成代谢图像。 在研究脑功能方面，常用的显像剂主要有三类：一类是测量局部代谢的18F-FDG;一类是测量局部脑血流量(rCBF)的15O-H2O;另一类是各类受体配基,如18F-氟代多巴、11C-无环鸟苷等。

    自从Phelps等[1]首次用PET研究人脑功能以来，PET已经成为无创研究人脑生理功能和病理状态的重要方法。目前，PET主要用于：（1）通过测定18F或11C在脑内放射性活度,可以了解脑局部葡萄糖代谢状态，即能量代射显像。（2）是利用15O和11C标记CO进行血容量的测定。标记的CO被吸收入血后进入血液循环，能有效地结合到血红蛋白分子中，约 2 min 后被标记的碳氧Hb在全身达到平衡，此时，脑部的放射活性和局部红细胞容量成正比，可有效地测量总血容量和局部脑血流量,血容量显像。（3）用11C和18F标记的受体配基作示踪剂，研究较多的有多巴胺受体、阿片受体、r-氨基丁酸受体和苯二氮卓受体等，即递质与受体显像。

    PET作为现代医学影像技术，其影像基本含义是建立在解剖结构基础上的代谢影像和功能影像。PET显像实际上是显示脑的功能图像，同时为无损伤测定脑神经受体、了解活体神经系统特异通道的生理活动提供了一种独特的方法。

    PET作为现代医学影像技术，其影像基本含义是建立在解剖结构基础上的代谢影像和功能影像。PET显像实际上是显示脑的功能图像，同时为无损伤测定脑神经受体、了解活体神经系统特异通道的生理活动提供了一种独特的方法。

四、21世际的展望

1、脑动态神经元功能成像研究 神经元胞体的大小为20-40微米。目前脑功能成像的空间分辨率为毫米级，时间分辨率为秒级。目正努力将空间分辨率提高到10微米级就可以看到单个神经元，观察到不同功能状态下单个神经元的活动状态。这对揭示全机理将有重要作用。

2、意识、思维和情绪的进一步研究 脑研究虽已深入到细胞分子水平，单靠分析方法就是弄清某一细小环节，仍然难以理解脑的整体功能。21世际除加强分析功能外，主要要加强脑整合功能的研究。意识、思维和情绪的功能活动虽然是建立在脑区、但在神经元的分子活动水平面上，但更主要的是用系统论的方法，把脑的各个层次的功能整合起来加以研究，才能最终解决意识、思维和情绪之谜。这对阐明和理解全机理将产生重要影响。

    参考文献略