第06讲-神经系统与工程XXXX

《生物学导论》生物医学工程学院陈垚Office:文选医学楼507ATel:34204076Email:[e-mail]•生物医学工程(BiomedicalEngineering,BME)是工、医、理等学科高度交叉的新兴学科，致力于人的防病、治病、康复、健康，为探索人体奥秘提供高水平的科学方法和工程技术手段。第讲：神经系统与工程人体构成的层次/水平SubatomicparticlesAtomMoleculeMacromoleculeOrganelleCellTissueOrganOrgansystemOrganism人体的构成细胞细胞间质组织上皮组织结缔组织肌肉组织神经组织器官和系统人体•细胞：构成人体最基本的结构和功能单位；•细胞间质：由细胞产生，构成细胞生存的内环境；•组织：由结构相同或相似的细胞群及细胞间质构成；•器官：由不同的组织按一定的比例、数量及方式组合而成；•系统：若干功能相关的器官构成。ChemicalorMolecularLevelsAtomsincombinationComplexproteinmoleculesProteinfilamentsOrganSystemLevelTheheartCellularLevelHeartmusclecellTissueLevelCardiacmuscletissueOrganLevelCardiovascularReproductiveUrinaryDigestiveRespiratoryLymphoidEndocrineNervousMuscularSkeletalIntegumentaryOrganismLevel表皮系统运动系统骨骼系统肌肉系统神经系统内分泌系统脉管系统心血管系统淋巴系统呼吸系统消化系统泌尿系统生殖系统人体的系统Nervoussystem人体的系统—神经系统•组成：–大脑–脊髓–神经–特殊感受器•功能：–产生神经冲动–检测外部环境变化，进行分析并做出反应神经元学说（Neurondoctrine）的建立Cajal1852-1934CamilloGolgiSantiagoRamonyCajal(1843-1926)(1852-1934)TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1906wasawardedjointlytoCamilloGolgi&SantiagoRamónyCajalinrecognitionoftheirworkonthestructureofthenervoussystem神经元学说（Neurondoctrine）的建立现代神经元显微成像技术一、神经系统的定义二、神经系统的组成三、神经系统的常用术语四、神经系统的活动方式五、神经系统的功能神经系统神经系统由脑、脊髓以及与它相连并遍布全身各处的周围神经所组成，在人体各器官、系统中占有特殊重要的地位。什么是神经系统？神经系统的组成中枢神经系统脑脊髓周围神经系统脑神经(12对)脊神经(31对)内脏神经交感副交感中枢神经系统的组成–脊髓胚胎第4个月起，脊柱生长速度快于脊髓，使脊髓的长度短于椎管出生时脊髓下端平对第3腰椎成人脊髓下端达第1腰椎下缘脊神经根在脊髓圆锥下方，围绕终丝聚集成束，形成马尾脊髓的节段性脊髓节段：每一对脊神经及其前、后根的根丝附着范围的脊髓构成一个脊髓节段。第一骶神经终丝马尾终丝脊髓圆锥后正中沟中枢神经系统的组成–脑周围神经系统：指中枢神经系统以外的神经部分，主要由神经和神经节组成。脊神经：与脊髓相连的周围神经部分脑神经：与脑干和端脑相连的部分躯体神经：分布于躯干和四肢的骨骼肌和皮肤内脏神经：分布于内脏、心血管和腺体组织感觉神经（传入神经）运动神经（传出神经）周围神经系统的组成躯体神经和内脏运动（自主）神经神经组织：神经元神经胶质细胞神经元：它是神经组织中具有传导神经冲动功能的基本单位。*构造：胞体突起：树突轴突神经元分类：(1)按N元突起数目①假单极N元②双极N元③多极N元(2)按N元功能①感觉N元②运动N元③中间N元神经系统的组成单位胶质细胞细胞核树突胞体轴突神经元的基本结构与形态•神经元大小不一，形态各异，人体内共约1012个；•基本可分为胞体、树突和轴突；•树突（Dendrite）：粗、短、粗糙（树突棘），一至多根，多有尼式体，功能为接受刺激。•轴突（Axon）：细、长、光滑、只有一根，可分为轴丘、轴突终末等，功能包括传导神经冲动、轴突运输。神经元的基本结构与形态神经元的分类根据神经元突起的数量假单极神经元（Pseudounipolar）双极神经元（Bipolar）多极神经元（Multipolar）神经元的分类根据神经元的功能感觉神经元（Sensory）运动神经元（Motor）中间神经元（Interneurons）CentralnervoussystemPeripheralnervoussystemCellbodyInterneuronsDendritesAxonAxonSensory(afferent)neuronMotor(efferent)neuronCellbodyAxon(centralprocess)Axon(peripheralprocess)SensoryreceptorEffector(muscleorgland)Axonterminal中枢神经系统的神经胶质细胞•由少突胶质细胞形成髓鞘；•少突胶质细胞的多个突起末端形成扁平薄膜，可包卷多个轴突，其胞体位于神经纤维之间。中枢神经系统的有髓神经纤维外周神经系统的髓鞘与神经膜鞘结构•神经元与神经元或神经元与效应细胞之间传递信息的结构，从而实现细胞之间的通讯；•连接分类：轴－树突触，轴－体突触，轴－轴突触；•按功能可分为电突触和化学突触。神经元间信息的传递-突触化学突触的结构与功能1、灰质：中枢N内，N元胞体及树突的聚集地点。2、白质：中枢N内，N纤维的聚集地点。3、神经核：中枢N内，形态和功能相近的N元胞体聚集成的灰质团块。4、纤维束：中枢N内，起止、行程和功能基本上相同的一束纤维。5、神经节：周围N内，N元胞体集聚的地点。6、神经：周围N内，N纤维集合成束,外面包以结缔组织膜。神经系统的常用术语神经：含多束神经。一束神经：多根神经纤维。神经外膜：包裹在一条神经表面的结缔组织。神经束膜：位于神经纤维束表面，几层扁平细胞围成。神经内膜：每条神经纤维表面的薄层结缔组织膜。神经纤维：轴突+髓鞘或神经膜。神经系统的常用术语反射：从感受器感受内、外环境的刺激到机体作出适宜的反应活动。反射弧：感受器传入N元中枢(中间N元)传出N元效应器神经系统的活动方式脊髓、脊神经和反射弧示意图静息电位与动作电位动作电位的特性•“全或无”现象：同一细胞上动作电位大小不随刺激强度和传导距离而改变的现象；•不衰减性传导；•脉冲（锋，Spike）式传导。神经系统中刺激强度的编码模式•完整性；绝缘性；双向性；相对不疲劳性。神经纤维传导兴奋的特征神经系统的感觉分析功能感觉的四个特征：类型（modality）；位置（location）；强度（intensity）；时间（timing）。大脑皮层感觉代表区大脑皮层联络区基底神经节皮层小脑大脑运动皮层脊髓小脑脑干脊髓神经系统对运动和姿势的调节大脑皮层主要运动代表区神经系统对内脏活动的调节脑的高级活动额叶切除术：•额叶大约占脑1/3体积，切除以后人会失去很多功能，包括很大一部分的性格；•手术的创始人EgasMoniz因此获得1949年的诺贝尔医学奖；•在1962年《飞越疯人院》一书问世以后逐步禁止。通过可植入微电子刺激器（神经假体）对人体神经系统所出现的各种异常状态和疾病进行调控、修复、和治疗。电子耳蜗视觉假体大脑起博器神经（医学）工程全国现有各类神经系统残疾人总数约6000万人听力言语残疾2057万人智力残疾1182万人肢体残疾877万人视力残疾877万人精神残疾225万人多重及其他残疾782万人听觉残疾视觉残疾老年痴呆症精神忧郁症癫痫症截瘫镇痛戒毒肢体康复尿失禁，性无能神经系统疾病神经假体可拓展人体正常的功能促进其他学科的发展，如：•智能化机器人•动物机器人•仿真学动物机器人神经工程的发展前景视觉神经假体皮层神经假体运动神经假体听觉假体：电子耳蜗已进入临床应用;视觉假体：研究还面临很大挑战，有望在10年内进入市场;皮层假体：恢复或调制大脑区域活动的皮层神经假体研究刚刚开始;运动假体：研究占主导地位，实验室研究已经获得突破。听觉神经假体神经工程发展现状深度大脑刺激器（DeepBrainStimulator,DBS)人工电子耳蜗(CochlearImplant)人工电子耳蜗深度大脑刺激器神经工程成功案例DBS适应症•帕金森症全身肌紧张增高、肌肉僵硬、常见静止性震颤，原因：中脑黑质病变导致多巴胺能神经元受损•多动症•各种人体颤动深度大脑刺激器深度大脑刺激器主要原因：听觉神经毛细胞的损伤•老年神经退化•噪音•药物•先天性耳聋人工电子耳蜗耳郭耳蜗耳蜗神经半规管鼓膜镫骨锤骨砧骨听小骨外耳道颞骨鼓室咽鼓管面神经前庭神经内耳道听觉的正常传导路径内耳耳蜗（Cochlear）的结构耳蜗纵行剖面蜗顶螺旋板钩蜗管骨螺旋板蜗轴鼓室阶螺旋膜前庭膜前庭阶耳蜗管的横断面基底膜和盖膜柯蒂器（organofCorti）毛细胞电镜照片NormalDamaged行波理论（travelingwavetheory）振动波自蜗底开始，向蜗顶传播高频波：频率愈高，行波传播愈近，最大振幅愈近蜗底低频波：频率愈低，行波传播愈远，最大振幅愈近蜗顶耳蜗初步分析声频的原理基底膜不同部位的听神经纤维感受不同声频耳蜗的感音换能作用行波理论由四部分组成•麦克风•语言处理器•无线发射与接收/刺激器•微电极阵列人工电子耳蜗植入部件体外装置AModernMulti-ChannelCochlearImplant用视觉假体替代视网膜功能，进行视觉功能修复人工视觉假体正常视网膜RP视网膜老年黄斑变性（AMD）视网膜色素变性（RP）RP眼底AMD眼底眼球屈光系统将外界物体成像在视网膜上视网膜的感光细胞将光信号转变成生物电信号经视网膜神经元网络处理、编码，在神经节细胞形成动作电位视觉动作电位由神经节细胞轴突形成的视神经传至大脑，形成视觉。视觉产生的机理视觉假体是一种可将光信息进行人工处理、编码，通过电子微刺激器对视觉神经系统作用，使盲人恢复视力的人造器官。摄像头与处理器由刺激器产生的视觉信息编码脉冲刺激神经元。刺激脉冲视觉神经系统产生视觉什么是视觉假体？视觉假体的研究状况视网膜下视觉假体视网膜上视觉假体视皮层假体视神经视觉假体皮层视觉假体外置摄像-信息处理系统（视网膜）通过植入大脑的微电极阵列直接刺激视皮层存在的问题：•手术风险大–颅内感染–排异反应•易诱发局部癫痫•修复的视野范围有限视网膜下视觉假体视网膜色素变性（RP）：光感受器受到损伤，但视网膜其它细胞的功能尚好用光电转换芯片取代病变的光感受器利用视网膜自然编码功能存在的问题：•破坏了局部组织供养通路•修复的视野范围有限•芯片光电转换效率低微电极阵列外置摄像-信息处理系统（视网膜）刺激电极阵列置于视网膜表面，将编码后的视觉电脉冲信号通过神经节细胞的轴突传入大脑视皮层存在的问题：•分辨率有限•视野范围小（20o）•手术风险高微电极阵列视网膜上视觉假体视神经视觉假体在视神经处进行刺激的视觉假体可植入电子微摄像器视神经刺激器（神经接口）视觉信号处理器视神经视觉假体脑机接口（BrainComputerInterface）•non-invasive•promisingforsometherapies•time-consuming•notsuitableforprecisecontrolEEGbasedBCI•highspeedrealtimecontrol•precisecontrolofmovement•invasive•highriskforclinicalapplicationNeuronalSpikebase