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1、济南教育学院学报 2002年第4期脑科学进展及相关应用邵洪琪 孙方霞 摘 要 综述中枢神经生理学研究的若干进展,分析了中枢神经生理学研究的某些成果在社会生活中的应用情况。关键词 脑科学 进展 应用 素质教育 脑科学原本属于中枢神经生理学范畴,是研究中枢神经系统中包括大脑、丘脑、下丘脑、脑干、小脑等部位的功能原理的科学。但由于脑结构和功能的复杂性以及人脑对人类行为调控的广泛性,目前已经有多种学科渗透到脑科学的研究领域,如计算机科学、心理学、教育学、分子生物学、生物化学
2、等,事实上脑科学已经成为多学科相互交叉的综合学科。不久前,中国科学院科技政策局组织专家对未来生物学进行预测时认为:21世纪内,以脑科学为核心内容的神经生物学将取代传统的分子生物学成为未来生物学发展的下一个高峰。脑科学之所以受到科学界的高度重视,这是因为其研究内容和成果与人类社会生活密切相关。脑科学所涉及到的很多问题,都成为当今的热点。例如,有关学习和记忆的本质过程;精神活动的物质基础;精神药物;吸毒与戒毒原理;疼痛与抗痛原理;促智药物;植物人与脑死;睡眠与梦;以及神经网络计算机、植入人脑的生物芯片、神经系统疾病的
3、治疗性克隆等问题,都引起人们的高度关注。尤其值得强调的是,近年来不少教育工作者把脑科学的研究成果应用在素质教育的实践中,遵循人脑的生理活动规律,改善教育方法,挖掘学生大脑潜力,以利于培养出大量的、适合社会各种不同需要特点的高素质人才。本文简要综述以下问题:一、长时记忆形成的物质基础随着分子神经生物学的发展,近年对长时记忆形成的物质基础有了进一步的认识。通过实验发现,长时记忆的形成与细胞内转录因子(CREB)有关。CREB是细胞核内的一种小分子量蛋白质,由326个氨基酸残基组成。指导CREB合成的DNA已克隆化,D
4、NA序列为1023个核苷酸。CREB被激活后,调节基因转录,形成长时记忆所需之特殊蛋白质分子。这一过程的生物化学环节是:当学习过程中神经信息传入时,兴奋性氨基酸通过N-甲基-天冬氨酸(NMDA)受体激活,在突触后引发环状磷酸腺苷(cAMP)的大量生成,由cAMP引起蛋白激酶A的激活,它的两个调节亚单位和两个催化亚单位分离,后者进入细胞核内激活转录因子CREB,从而在细胞核内调节基[1]因转录,形成参与记忆的蛋白质分子。这个学说,在解释长时记忆形成原理方面前进了一大步。当然,要彻底明确长时记忆形成的问题,还有大量的
5、工作要做。二、参与记忆形成的脑结构关于参与记忆形成的脑部位,除了以往明确的大脑皮层外,近年来认识到小脑、海马、杏仁[2]体等部位均参与记忆痕迹的形成,其中尤其是海马的作用引人注目。无论是临床观察,以及35济南教育学院学报损毁海马后对学习和记忆的影响,还是从学习和记忆时海马电图、单位神经元电活动和场电位(突触后电位总和)的学习相关性变化,以及海马参与学习和记忆的神经递质、神经肽的学习相[3]关性变化来看,无不说明,海马在学习和记忆上具有重要作用。三、巴甫洛夫学说的新进展巴甫洛夫是探索脑神经活动规律的伟大先驱者,但限
6、于历史条件,巴氏的某些学说在当时不能被证明。近年,由于实验条件的进步,巴氏的某些学说有了长足的发展。例如,巴氏提出的有关神经接通的机制在当时只是一个框架式的设想,而现在完全能够从神经环路水平、细胞水平、突触水平乃至分子水平(包括基因水平)进行解释。大量实验资料表明,神经元树突和突[4]触亚微结构参数都有经验依赖性的可塑性变化。研究表明,大脑皮层和小脑皮层都是经验依赖性的敏感部位,当神经通路经常重复活动时,神经元内某些基因活动被启动,从而表达出新的蛋白质,而改变神经元突触的蛋白质组成,对突触微细结构起修饰作用,这样
7、必然影响到[5]突触传递功能。以上说明中枢神经元与突触结构的可塑性是神经接通机制的结构基础。有人进一步发现,学习和经验积累可以激发特定的基因(如原癌基因c-fos),使其转录后的信使[6]核糖核酸(mRNA)和翻译后的蛋白质产物快速增加。当然,巴氏学说中仍有许多环节尚未阐明,有待进一步深入研究。四、关于神经节苷脂继“人类基因组计划”后,以神经信息学为核心的“人类脑计划”又成为国际间协作的一大科学研究计划。有关神经节苷脂的研究便是其中的重要课题之一。我国加入“人类脑计划”后,继美国、意大利之后,成为世界上第三个成功
8、提取神经节苷脂的国家,使我国的脑科学研究[7]达到国际领先水平。神经节苷脂是神经细胞膜的天然成分,中国科学院上海生理研究所从哺乳动物的大脑中成功提取了该物质。神经节苷脂在人的大脑中约占总重的011%左右,分子量平均1800,其含量的高低直接影响到神经生长、修复和再生。[8]神经节苷脂参与记忆的形成过程。其原理在于影响突触的可塑性变化。当突触开始发生信息传递作用时,未稳定的
