Department of biotechnology, Ming Chuan University

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1 神經科學 李 御 賢 bojack@mcu.edu.tw
Department of biotechnology, Ming Chuan University Genomic Medicine Research Center, Chang Gung Memorial Hospital

2 1 科學的精神(Ch1) 2/17 2 物質 (Ch2) 2/24 3 功、能與交互作用 (Ch3) 3/3, 3/10 4 地球環境 (Ch4) 3/10, 3/17 5 生物 1: 生命的起源 3/24, 4/7 6 神經科學 3/31 7 生物 2: 細胞、遺傳與演化 (Ch5) 4/7 8 科技與生活 (Ch6) 4/14 9 期中考 4/21 10 資源 (Ch7) 4/28 11 環境保護與污染防治 (Ch8) 5/5 12 天文學導論 5/12 13 數學導論 5/19 14 自然科學知識的起源 5/26 15 生物晶片 6/2 16 總論 /9 17 期未考 6/16

3 課程大綱 神經系統 (電腦) 神經元 (電線) 突觸,兩個神經元的相接處: (電線接頭) 神經元中信號之傳遞 (電線中的電子傳遞)
神經傳導素 (電線接頭的信號傳遞) 神經和內分泌對心率的控制 百憂解 (憂鬱) ，毒品 老人癡呆症 突觸的強化 (常用程式) 記憶 (512M RAM-hard disk) 天賦 (????)

4 Subdivisions of the nervous (神經) system
the brain the spinal cord (脊髓) the peripheral (週邊,末梢) nerves the autonomic (自律的) nervous system the enteric (腸內的) nervous system The nervous system exists to send rapid signals throughout the body It can be divided into the brain up there in the skull, the spinal cord carrying on down inside the spine, and from that the peripheral nerves carrying information both in to & out from the CNS hence the spilt into the central nervous system (CNS) and peripheral nervous system (PNS) - be careful how you say that one This is what we are dealing with in these lectures The diagram does not show the sympathetic and parasympathetic supplies, which overlap to some extent in that they also extend from spinal cord and brain, but innervate blood vessels and internal organs and the things you don’t normally think about. This called the autonomic nervous system, to distinguish it from the somatic nervous system above. This is covered in lecture 21. The diagram also does not show the enteric nervous system which innervates the gut and to a large extent acts on its own. This is covered in the systems course in the next half session. So we start off with the brain, which sits inside your skull, but you can get some really nice MRI images of it now.

5 人體神經系統結構圖 腦 脊髓 中樞神經系統 腦神經 脊神經 周圍神經系統

6 脊髓的主要功能 （Main Functions of the Spinal Cord） 將感覺訊息從外周傳向腦，運動訊息從腦傳向外周。
To convey sensory impulses from periphery to the brain and to convey motor impulses from the brain to the periphery. 構成局部回路和反射。 To perform locomotion and reflex.

7 神經末梢 神經末梢是周圍神經纖維的終末部分，遍布全身，形成各種末梢裝置。分兩大類： 感覺神經末梢 運動神經末梢
游離神經末梢：痛覺、溫覺、輕觸覺。 觸覺小體：觸覺。 環層小體：壓覺，震動覺。 肌梭：肌張力和位置覺。 運動神經末梢 支配肌纖維的收縮和調節腺體的分泌。 分爲：軀體和內臟運動神經末梢。

8 神經系統 (電腦) 神經元 (電線) 突觸,兩個神經元的相接處: (電線接頭) 神經元中信號之傳遞 (電線中的電子傳遞) 神經傳導素 (電線接頭的信號傳遞) 神經和內分泌對心率的控制 百憂解 (憂鬱) ，毒品 老人癡呆症 突觸的強化 (常用程式) 記憶 (512M RAM-hard disk) 天賦 (????)

9 生物神經細胞 人類的大腦是由大約 1011 個神經細胞 (nerve cells) 所構成，每個神經細胞又經由約 104 個突觸 (synapses) 與其它神經細胞互相聯結成一個高度非線性且複雜，但具有平行處理能力的資訊處理系統。 一個典型的神經元可分為 (1)細胞本體 (soma)、(2)軸突 (axon)、以及 (3)樹突 (dendrites) 等三部份。

10 神經核（soma） 神經軸突（axon） 神經突觸（synapses）（synapses） 神經樹突（dendrites）(dendrites）

11 神經元(neuron)的基本結構 細胞體 Soma (Cell body) 細胞核 突起 樹突(Dendrite) 軸突(Axon)

12 神經纖維（Nerve fiber） 軸突 (dendrites) 和感覺神經元的長樹突統。 軸索 (axon) 及其外面包裹的髓鞘(myelin sheath, 绝缘性) 構成神經纖維。

13 神經元基本功能： ① 受體部位; ② 産生AP (電位差) 的起始部位; ③ 傳導神經衝動部位; ④ 釋放神經遞質部位;

14 神經纖維的分類 Classification of nerve fiber
按有無髓鞘分： ① 有髓纖維 myelinated ② 無髓纖維 unmyelinated

15 神經系統 (電腦) 神經元 (電線) 突觸,兩個神經元的相接處: (電線接頭) 神經元中信號之傳遞 (電線中的電子傳遞) 神經傳導素 (電線接頭的信號傳遞) 神經和內分泌對心率的控制 百憂解 (憂鬱) ，毒品 老人癡呆症 突觸的強化 (常用程式) 記憶 (512M RAM-hard disk) 天賦 (????)

16 神經元之間的興奮傳遞 突觸的分類 (Synapses,兩個神經元的相接處) 據接觸部位 軸-樹、軸-體、軸-軸 據結合形式（包圍式、依傍式）
據作用效果（興奮性、抑制性）

17 突觸的種類 導電突觸： 化學突觸：具有下列的特性：
兩個神經元之間相距只有3 nm，可以透過所謂的Gap Junction將電流直接由突觸前的神經元傳到突觸後的神經元。 突觸後一定會產生活動電位。這多半用在無脊椎動物或脊椎動物的逃避反射中感覺神經到運動神經的突觸中。在哺乳動物的中樞神經系統，導電突觸多半出現在需要協同至快速運動的控制區域 在發展中的神經系統常出現，他使得發育中彼此相鄰近的細胞可以共享相似的電流與化學環境訊號，協調彼此的生長與成熟過程。 化學突觸：具有下列的特性： 單向傳導 訊號放大 訊號逆轉：由興奮->抑制。

18 神經系統 (電腦) 神經元 (電線) 突觸,兩個神經元的相接處: (電線接頭) 神經元中信號之傳遞 (電線中的電子傳遞) 神經傳導素 (電線接頭的信號傳遞) 神經和內分泌對心率的控制 百憂解 (憂鬱) ，毒品 老人癡呆症 突觸的強化 (常用程式) 記憶 (512M RAM-hard disk) 天賦 (????)

19 化學突觸 1. 興奮性突觸後電位↑鈉離子內流，形成EPSP 2. 抑制性突觸後電位↓氯離子內流、鉀離子外流，形成IPSP

20 神經信號之傳遞 樹突的主要功能就是接受其它神經元所傳遞而來的信號。
若導致位於軸突丘 的細胞膜電位 超過某一特定閥值 (threshold)時，則所謂的「活化電位」(action potential) 的脈衝就會被激發出來。

21 （二）興奮在神經纖維上傳導： ①靜息電位：膜內負電、膜外正電 未受刺激時，細胞膜內外兩側電位差，爲靜息電位，一般表現 爲膜內較膜外爲負。          （2）興奮在神經纖維上的傳導-----局部電流形成： 興奮的傳導方向

22 生物電位 細胞內外充滿了含有陰離子(如：氯離子，Cl- )及陽離子(如：鈉離子、鉀離子、鈣離子， Na+, K+, 及 Ca+2 等)的電解液。 細胞的外圍是一層半滲透性的組織，此組織稱為細胞膜。 這些離子在 (1)滲透壓和 (2)電場效應的影響下，最後會達到一種平衡狀態，使得鉀離子大部份位在細胞體內，而鈉離子大部份位在細胞體外，這時細胞便呈現約 -85mv 的「休止電位」(resting potential)。

23 神經系統 (電腦) 神經元 (電線) 突觸,兩個神經元的相接處: (電線接頭) 神經元中信號之傳遞 (電線中的電子傳遞) 神經傳導素 (電線接頭的信號傳遞) 神經和內分泌對心率的控制 百憂解 (憂鬱) ，毒品 老人癡呆症 突觸的強化 (常用程式) 記憶 (512M RAM-hard disk) 天賦 (????)

24 多數的神經傳導素可以歸入下列三類： Amino acids: glutamate, GABA, glycine 負責快速的EPSP或IPSP
Aamines: Ach (乙醯膽鹼), NE, DA, 5-HT, E Neuropeptides 前二者可以在細胞體或神經末稍合成，後一者必須在神經細胞體合成。

25 神經和內分泌對心率的控制 神經系統對心率起興奮和抑制作用 交感神經： 神經遞質 — 去甲腎上腺素﹔ 效應 — 增加心率 延髓的心血管控制中心
迷走神經： 神經遞質 — 乙醯膽鹼﹔ 效應 — 減少心率

26 內分泌系統分泌激素，通過血液，調節心率 腎上腺髓質分泌腎上腺素、去甲腎上腺素，增加血壓、心率、和心輸出量﹔ 腦下垂髓後葉分泌加壓素 (抗利尿素)，引起小動脈收縮，使血壓上升。

27 神經系統 (電腦) 神經元 (電線) 突觸,兩個神經元的相接處: (電線接頭) 神經元中信號之傳遞 (電線中的電子傳遞) 神經傳導素 (電線接頭的信號傳遞) 神經和內分泌對心率的控制 百憂解 (憂鬱) ，毒品 老人癡呆症 突觸的強化 (常用程式) 記憶 (512M RAM-hard disk) 天賦 (????)

28 焦慮症anxiety被歸類是屬於中樞疾病
主要的中樞神經物影響因子則是〝GABA〞 抗焦慮藥物主要都是Benzodiazepine類的藥物，它們的主要作用機轉是調整一種抑制性的神經傳導物質﹝GABA﹞的活性，因而產生減輕焦慮或是鎮靜的效果，但也因為如此它們也會具有肌肉鬆弛、抗癲癇的作用

29 BZD化合物接觸到benzodiazepine-GABA receptor complex ,引起其氯離子channel 打開的作用放大，造成了細胞膜過極化hyperpolarization,使得神經興奮降低，因此產生抑制或鎮靜作用 所有的氯離子通道受體促進劑 (agonists)，包括酒精、巴比妥胺酸鹽類、meprobamate類及GABAA都可以促進這種通道的打開

30 Dopamine (DA) and reward
DA mediates drug reward (藥物濫用 ) increase self-administration because that behavior is reinforced by action of drug on DA systems (“positive reinforcement model”)

31 阿滋海莫症（Alzheimer’s disease）
俗稱老人癡呆症， 這是由於腦部神經細胞退化所引起，尤其是分泌乙醯膽鹼的神經細胞特別容易受到影響，患者的特徵是喪失記憶與分析能力。百分九十的患者是在六十五歲發病。 研究人體死後的腦部組織，發現老年人腦部組織有異常的老年斑塊 (患有老人癡呆症的病患尤為明顯) 。斑塊指一群異常的神經細胞與神經膠細胞聚集在一起而形成，而斑塊中心含有一種澱粉體胜類，這種物質原本是位於細胞膜上，其調節的基因位於第21染色體上，一般的斑塊是可溶性，但是病人的斑塊卻是不溶性物質。

32 Parkinson’s Disease帕金森氏症
從大腦皮質及視丘傳來的神經纖維，則分泌Acetylcholine至紋狀體(striatum)，以引起興奮作用，並誘發身體作想做的動作。 Parkinson’s Disease的假說，是大腦中基底神經節的黑質紋狀體中的Dopamine和Acetylcholine不平衡所造成的。 海洛英會危害黑質腦細胞（黑質紋狀體），使得多巴胺神經元的粒線體中毒死亡，產生帕金森氏症。

33 神經系統 (電腦) 神經元 (電線) 突觸,兩個神經元的相接處: (電線接頭) 神經元中信號之傳遞 (電線中的電子傳遞) 神經傳導素 (電線接頭的信號傳遞) 神經和內分泌對心率的控制 百憂解 (憂鬱) ，毒品 老人癡呆症 突觸的強化 (常用程式) 記憶 (512M RAM-hard disk) 天賦 (????)

34 Formation of Perforated (有排孔的) Synapses (突觸,兩個神經原的相接處)
Long-term potentiation (使成為可能) (LTP) Dualism-mind is separate from the body Descartes believed that the pineal body directed fluid from the ventricles into the holow fibers we call nerves-this induced muscle action. The pineal gland is where the soul controls the physical body Monism: the belief that the mind is the working of the body (no need for a separate soul. Determinism-the notion that mental states are produced by physical mechanisms. Reductionists-we break complex phenomena into less complicated sytems.

35 Overview of LTP Increased glutamate release? NMDA/AMPA receptors
Calcium entry into dendritic spine CaM-KII activity NO feedback onto presynaptic cell

36 Reinforcement (強化) Electrical stimulation of rat brain induces 強化
Dopamine plays a critical (關鍵性的) role in 強化

37 神經系統 (電腦) 神經元 (電線) 突觸,兩個神經元的相接處: (電線接頭) 神經元中信號之傳遞 (電線中的電子傳遞) 神經傳導素 (電線接頭的信號傳遞) 神經和內分泌對心率的控制 百憂解 (憂鬱) ，毒品 老人癡呆症 突觸的強化 (常用程式) 記憶 (512M RAM-hard disk) 天賦 (????)

38 A Connectionist (PDP) Model of Memory 記憶聯結模型
大腦由數千億個相互緊密聯結的腦神經元組成。 腦神經元以平行的方式處理許多訊息。 記憶儲存在遍及於大腦各處的許多腦神經元裡。 單元可比作原子，都是複雜結構的基本單位，聯合許多之後形成更大的網路，大腦裡的神經元就是一種單位，以平行處理模型聯合其他神經元形成更大的系統。

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40 壓力荷爾蒙皮質醇對身體 造成的生理變化 壓力荷爾蒙皮質醇加速分解體內蛋白質和身體脂肪組織，轉換成葡萄糖，長期提供大量能量以面對壓力
身體需要蛋白質形成高層次生物化學物質(high level biochemical substance)，故分解蛋白質和脂肪組織後會有以下影響 抑制免疫系統功能(缺乏白血球) 身體不能自行修理受損細胞 大腦只集中面對潛在危險，引致憂慮和抑鬱, 不能思考愉快事情 大腦細胞受損，影響記憶力、睡眠及集中力 心血管疾病，如中風、冠心病 糖尿病

41 壓力荷爾蒙皮質醇對腦部神經細胞的影響 Loss of neurons and dendritic atrophy in stressed male monkey (Sapolsky, 1990)

42 Effects of Diet on Learning and Memory
“YOU ARE WHAT YOU EAT,” AREN’T YOU???

43 訊息被接收、散播開、經過後留下痕跡，一個記憶痕跡，比如一個朋友的名字，可能分散在許多不同的聯結。
訊息的貯藏(如朋友的名字)被認為是content addressable，也就是說我們可以透過訊息的特性來提取。 假如一個特徵是好幾個不同記憶的一部分並被活化時，它會活化其他包含特徵的記憶 為避免過度使用系統，單元間的關聯受到抑制法則(inhibitory laws)約束

44 認知模型 複習 轉移到永久儲存 感覺儲存 刺激 短期記憶 長期記憶 提取 遺忘 反應

45 神經系統 (電腦) 神經元 (電線) 突觸,兩個神經元的相接處: (電線接頭) 神經元中信號之傳遞 (電線中的電子傳遞) 神經傳導素 (電線接頭的信號傳遞) 神經和內分泌對心率的控制 百憂解 (憂鬱) ，毒品 老人癡呆症 突觸的強化 (常用程式) 記憶 (512M RAM-hard disk) 天賦 (????)

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47 天賦不滅 天賦持久不變的道理，來自人腦的結構: 突觸(synapse):連結兩個神經元(neurons) 三歲前，神經元會驚人地完成連接
三到十五歲，損失數十億個受忽略的突觸，而且無法重建，所留下的那些突觸，就是天賦 天賦不變的道理，是有科學上的根據，也就是「人腦」就是這樣。 [P39]

48 學校是元兇之一 80%的時間，花在總是考20分那科 學校的「總分」規則、以分數排名，讓每個學生都在痛苦地補破洞
在激烈而偏差的升學競爭下成長的一代，卻只會尋找標準答案背下來照章行事 80%的時間，花在總是考20分那科 就算有進步從20分進步到60分，so what?那是能長久吃飯的地方嗎?

49 只把時間投資在弱點 40000論文 在心理學領域: 憂鬱症相關研究 關於喜悅、幸福 或圓滿的研究 40論文 [P122]
並不是說研究左邊不對，而是研究右邊太少 [P122]

50 專攻優點 每個人最大的成長空間在於他最擅長的領域 每個人的天賦是持久而獨特的 [P14]

51 天賦 知識 技巧 天生且自然反覆出現的思想、感覺或行為模式，例如推銷員喜歡和陌生人建立關係，具同理心
事實與學習的內容，產品的背景知識、程式語言的語法 一般的弱點訓練，會去加強知識和技巧，但若是該人沒有天賦，是浪費時間 技巧 活動的步驟，例如如何適時發問、如何套出客戶的話

52 天賦無敵 知識+技巧天賦 一般的弱點訓練，會去加強知識和技巧，但若是該人沒有天賦，是浪費時間 [P31]

53 自然的三種學習方式 【前三年的神話】 持續強化現有的突觸連結 繼續流失更多無關緊要的連結 多發展一些突觸連結 相關技巧與知識使天賦完美發揮
專注於天賦上，減少分心 多發展一些突觸連結 最沒效率也最難，需要龐大生物基礎建設，而且 [P46]