1: 神经生理学导论

神经生理学领域提供了对神经系统如何工作及其功能障碍如何导致疾病的见解。生理学是研究生物体及其部分如何运作的学科。神经生理学可以定义为对神经系统功能的研究，包括大脑、脊髓、周围神经和感觉器官。

神经生理学家从多个组织层次研究神经系统，包括功能系统、回路、单个神经元和神经元隔室。

本视频介绍了神经生理学的简史，介绍了神经生理学家提出的关键问题，描述了一些突出的方法，最后讨论了该领域的应用。

让我们先回顾一下神经生理学历史上一些具有里程碑意义的研究。

至少从公元前 1600 年开始，神经系统的特性就吸引了人类，当时埃及人起草了现存最古老的提到大脑的文本。

跳到现代，1771 年，路易吉·加尔瓦尼 （Luigi Galvani） 证明了电击可以使死去的青蛙肌肉抽搐。他声称这种效果是由于"动物电"造成的。

直到 1840 年代，埃米尔·杜波依斯-雷蒙德 （Emil Du Bois-Reymond） 才能够证明动物电实际上是一种神经冲动或"动作电位"。

直到 1924 年，汉斯·伯格 （Hans Berger） 通过脑电图或 EEG 记录了人类整体大脑活动的电性质，这种技术至今仍被神经生理学家广泛使用。

后来，在 1939 年，Alan Hodgkin 和 Andrew Huxley 确定神经元细胞膜允许带电粒子以可预测的方式在鱿鱼巨轴突中流入和流出。

1951 年，约翰·埃克尔斯爵士 （Sir John Eccles） 发现了信息从一个神经元传输到另一个神经元的一种关键方式。他描述了化学突触，其中来自一个神经元的电信号被转换为第二个神经元接收的化学信号。

然后，在 1976 年，Erwin Neher 和 Bert Sakmann 开发了膜片钳技术，该技术提供了一种对可兴奋细胞膜进行精细研究的方法。

最近，在 2005 年，Karl Diesseroth、Ed Boyden 和 Feng Zhang 设计了一种称为光遗传学的革命性策略，通过基因工程改造神经元来表达属于称为"视蛋白"的蛋白质家族的光敏通道，从而控制神经元的电特性。通过使用目标光激活这些通道，可以以前所未有的精度激发或抑制特定神经元，从而允许对神经元回路进行详细作。

现在我们已经回顾了历史亮点，让我们看看当今神经生理学家提出的一些基本问题。

首先，一些研究人员专注于如何调节单个神经元的细胞和分子水平功能。

例如，他们可能会研究树突上的特异性受体如何促进突触后反应，这可能导致动作电位。他们还可能研究突触处的兴奋-分泌耦合，这意味着他们对神经元兴奋和突触前机制如何影响神经递质的释放感兴趣。

其他神经生理学家询问神经元如何处理从树突状乔木处接收到的信息。他们可能会使用多种技术同时研究单个神经元的轴突、树突和树突棘。

其他神经生理学家研究神经元回路如何处理信息。电路通常在它们被认为控制的简单行为或刺激反应的背景下进行研究。

一些神经生理学家观察神经系统大面积的活动模式。他们可能会询问大脑活动（以黄色和红色显示）如何根据受试者正在做什么在大脑区域之间移动。

如您所见，神经生理学家可以解决一系列科学问题，从神经元中的单个分子到大脑中的广泛活动。

现在您已经了解了神经生理学家提出的一些关键问题，让我们看看用于回答这些问题的一些主要方法。

膜片钳是在细胞和分子水平上研究神经元的最广泛使用的技术之一。通过一点点抽吸，将细玻璃毛细管电极密封到神经元上，从而可以内部监测整个细胞的兴奋性。还有膜片钳配置，其中从细胞中切除一小块膜，从而提供进入质膜细胞质侧的通道以进行药理学作。

钙成像可用于研究整个神经元的兴奋。神经元加载了一种染料，该染料会随着细胞内钙浓度的升高而改变其荧光。虽然细胞内钙具有许多功能，但钙成像可以用作动作电位的间接测量，如此示例神经元所示。

用于研究神经回路的技术需要能够同时监测多个神经元。使用具有许多触点的多电极阵列是一种用于同时记录多个神经元的方法。

也可以使用光遗传学研究神经回路，其中神经元被修饰以表达光敏离子通道。当暴露在光线下时，这些通道会打开，并且根据它们的离子选择性，它们可以抑制或激发神经元，从而深入了解神经元在特定回路中的作用以及该回路控制的行为反应。

为了在更广泛的范围内可视化活动模式，使用了各种技术。脑电图或 EEG 使用颅骨上的电极来监测整个大脑的电活动。

第二种方法是皮层电图或 ECoG，除了电极放置在大脑表面外，它还监测电活动。这种方法通常与临床程序（例如在癫痫患者中进行的程序）一起进行。或者，一种称为功能性近红外光谱的技术使用红外光来监测氧气的使用，作为神经活动的相关性，这可以在行为任务期间进行监测。

现在您已经熟悉了一些常见的研究方法，让我们看看神经生理学研究的一些应用。

该领域的主要目标之一是找出神经系统功能障碍的原因和治疗方法，例如癫痫。一种方法是植入电极，用于患者大脑活动的皮层电图记录，以定位导致癫痫发作的大脑功能障碍区域。

神经生理学的一个令人兴奋的新应用是脑机接口的开发。在这些界面中，当受试者考虑执行任务（例如在屏幕上移动光标）时，大脑活动会受到监控。该活动作为光标的命令信号馈送到计算机中。从本质上讲，这是使用思想的设备控制。

神经生理学的另一个应用是使用光遗传学研究神经回路。通过组装一根连接到植入基因工程小鼠大脑中的耦合器的光纤线，这些研究人员可以直接可视化刺激特定神经回路的行为结果。

您刚刚观看了 JoVE 的神经生理学导论及其对神经系统的研究。我们回顾了历史亮点、神经生理学家提出的关键问题以及他们使用的一些技术。

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