第1章绪论
大脑的结构和功能是自然科学研究中*具有挑战性的课题，也是神经生物学的根本学习任务和目标。神经生物学涉及解剖学、生理学、药理学、病理学、生物化学学、细胞生物学及分子生物学等相关学科，其任务是研究神经系统内细胞水平、分子水平及细胞间的变化过程，以及这些过程在中枢功能控制系统内的整合作用，直至*复杂的高级功能如学习记忆等。神经生物学是当今科学界公认的生命科学的前沿学科之一，学习神经生物学，理解脑的工作机制，对于治疗重大脑疾病和研发人工智能新技术都具有重要意义。
1.1神经生物学的历史
神经解剖学的研究早在16世纪就开始了，但是真正用科学方法来研究神经生理学则始于18世纪末。19世纪中后叶，关于神经的基本组织单位、先天反射活动和后天建立起来的反射行为等成为生理学家感兴趣的问题。到20世纪，神经生理学获得了长足的发展，从结构、组织、生理、生化、胚胎、药理和病理等许多方面开展了大量研究。神经生理学这一名称遂扩大而被称为神经生物学。
1. 神经系统结构研究
西班牙的神经组织学家Cajal在19世纪80年代建立起神经元理论，他指出，神经系统包括中枢和外周神经均由具有特殊结构的神经细胞——神经元组成，各个神经元之间有连接点。神经元理论的建立取代了过去不是建立在细胞基础上的网络理论，为研究神经传导奠定了科学基础。1897年，英国生理学家Sherrington把神经元之间的连接点定名为“突触”，它成为之后研究神经传递的一个重要概念。1910年Sherrington进一步提出，由于有突触存在，神经脉冲不是随机地在神经元间传入传出，而是通过突触的单向传导。经过许多人的工作，到20世纪初已经明确突触是有结构的。从20世纪20年代到50年代，通过高倍电子显微镜观察发现，突触前和后有两个分开的膜，分属突触前后两个神经元，中间的200间隙，称为突触间隙。这样的结构普遍存在于神经系统中。电镜的观察还表明，突触前靠近膜处有突触小泡等其他结构。突触小泡后来被证明是神经递质贮存的场所。20世纪90年代兴起的冷冻电镜技术，进一步揭示了突触在分子水平的精细组织架构。
2. 神经兴奋的电传导
早在1791年，意大利解剖学家Galvani就发现了生物电现象。19世纪有更多生理学家从事电生理的研究，取得了测定神经电传导的速度、发现“全或无”定律等大量成果。20世纪有了示波器和电子放大器，特别是30年代英国生理学家Young以乌贼大神经纤维作为研究材料，对神经电传导的电阻、电位及其在刺激前后的变化等都进行了定量的测量。40年代，英国生理学家Hodgkin、Huxley和Katz进而研究Na+、K+与神经传导的关系，发现在静息状态时神经纤维膜为“钾膜”，对K+有通透性，趋向于钾的平衡电位；在活动时则为“钠膜”，对Na+有极大的通透性，趋向于钠的平衡电位。因此，动作电位的产生，本质上是“钾膜”转变为“钠膜”，而且这种转变是可逆的。
3. 神经化学递质研究
神经化学递质的研究是进入20世纪后才发展起来的一个新领域。1905年，英国生理学家Elyot发现，用电刺激交感神经的结果同肾上腺素引起的反应类似，并认为这很可能是因为当电脉冲到达肌肉联结点时释放了肾上腺素。遗憾的是，这项工作当时并未引起重视。1921年，奥地利的Loewi用蛙心做实验，直接证明在心肌上的交感神经末梢和副交感神经末梢释放出两种不同的化学物质，一种使心跳减速，另一种使心跳加速。英国生理学家Dale早在1914年就从麦角中分离出乙酰胆碱（acetylcholine，Ach）。后来Loewi认为副交感神经对心肌的作用同Ach类似。1926年，在Dale建议下，Loewi用毒扁豆碱抑制Ach酶的活性，使Ach能保持一定量。同时也观察到副交感神经作用加强和延长的效果。1932年前后，Dale又做了一系列的实验，取得了Ach存在于内脏器官神经末梢的直接证据。此后，Ach作为神经递质则扩大到横纹肌神经末梢、交感副交感神经节和中枢神经系统中的某些神经细胞的末梢等方面。这项开创性的研究为此后神经递质的研究打下了良好的基础。交感神经末梢递质去甲肾上腺素（norepinephrine/nonadrenaline，NE）首先由美国生理学家Cannon等在1934～1935年提取出，当时命名为“交感素”(sympathin)，1946年瑞典生理学家Eule才阐明其为去甲肾上腺素。第二次世界大战后，特别是自1960年以来，对脑内递质开展了不少研究。除了上述已知的两种递质外，还发现了约30种不同的递质，各存在于一定的部位，各有不同的作用。它们有些是氨基酸，如甘氨酸、丙氨基丁酸等；有些是胺类，如儿茶酚胺类的多巴胺（dopamine，DA）、NE和肾上腺素等；有些是多肽类。20世纪70年代脑啡肽的发现为神经系统内抗痛机制的研究开辟了新的前景。
4. 脑功能研究
19世纪有学者提出了关于脑功能区的定位，即大脑主司感觉与思考，延髓为生命中枢，小脑主协调躯体运动。19世纪80年代，部分切除狗脑皮层手术成功；同时也通过用电刺激脑的不同部位引起不同反应来研究大脑皮层的功能定位问题。对人的大脑皮层功能区的研究，开始于19世纪对尸体解剖的观察，如失语症与额叶中央前回底部之前的损伤有关等。在人脑上用电刺激研究功能定位，开始于20世纪30年代。德国神经外科医生Foerster和加拿大神经生理学家Penfield在外科手术时，在清醒的患者身上，用电刺激大脑的不同部位引起不同反应。根据这种结果绘制出人的大脑皮层功能区域图表明，感觉区集中在中央后回，运动区集中在中央前回，这些区域的每一处都同身体的一定部位相联系，但皮层部分的大小与实际体表部分不成比例，而与控制的精确度成比例，例如大拇指和食指的代表区的面积比胸部12根脊神经传入代表区的总面积大好几倍。美国脑生理学家Sperry从20世纪40年代就开始用猫和猴子做实验，切断大脑两半球间的连接，进行观察。60年代，他同医生合作，对癫痫患者作两半球割裂治疗时观察到: 两半球分工不同，各自具有相当的独立性。两个半球分别具有高级智慧机能，但语言主要在左侧，当外界视像进入左半球时，可以用语言表达出来；当外界视像进入右半球时，则不能用语言而只能以手势来表达。这一研究改变了原来对大脑功能区的看法，引起了人们的重视。
19世纪70年代，英国生理学家Caton用兔、猫以及猴等40头动物作为实验对象，发现它们的大脑普遍存在着电的变化。由于功能不同，不同区域脑电的强弱也不同，脑电随着动物的死亡而消失。即使在颅骨上面也可测出向各方传播的电波。15年后，这一现象又由波兰生理学家发现。此后，脑电引起了科学界的充分关注，进入20世纪后开始做脑电记录。1925年德国精神病学家Berger用灵敏度高的电极插在他儿子的头上做脑电测定，发现有心理活动时(如注意等)，脑电波会发生变化。他还记录了脑损伤时的脑电图，为后者用于临床诊断奠定了基础。从1929年到1938年，他每年出一本《关于人的脑电图》，为从事这方面工作的人们提供了丰富的资料。但是，脑电图是脑内数以百亿计的神经元的综合电活动，可以对癫痫或脑内重大病变提供信息，却不能揭示感知的过程。从20世纪50年代开始，脑电的研究向着探索与特定知觉有关的信号方向发展，开展了诱发电位的研究工作。英国的Dawson于50年代初建立起世界上第一个记录瞬态诱发电位的装置。随后，由美国两位科学家将该机械装置全部加以电子化并同专用计算机相连。60年代，又引入傅里叶(Fourier)分析仪，使研究工作取得新进展。80年代，正电子发射断层显像(positron emission tomography，PET)和功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)等数字影像技术的发展，则能以可视化方式显现人脑思维进行的轨迹，为进一步探索脑功能提供了条件。
5. 人工智能
人工智能（artificial intelligence，AI）的研究目标是开展理论研究和开发能够代替生物智能或人类智能来执行任务的计算机系统，并且该系统具有感知、识别、决策和控制等功能。许多AI的先驱科学家，如有“AI之父”称号的Marvin Minsky、Seymour Papert、John McCarthy等人也是神经科学家。早期的AI技术是在神经科学研究成果的启发下发展起来的，人工智能将神经科学作为算法和架构的灵感来源，如*早的人工神经网络研究受到发现脑内神经连接的结构启发；机器深度学习算法受到发现的脑卷积特性和多层结构的启发；机器学习模型中注意力模块和记忆模块的研究受到发现脑注意力和记忆机制的启发。
从20世纪80年代开始，AI技术在继续保持和神经科学联系的基础上，也融合了越来越多的其他学科的研究成果，包括数学、物理学、电子工程学、语言学和心理学等，有力推动了AI在智能数字助理、视觉识别、语言理解等领域的成功应用。目前AI系统在完成规定任务方面的表现已经很优异，如美国谷歌公司开发的AlphaGo，但AI系统在直觉推理、想象力和功能适应性等方面进行独立学习的能力还很欠缺。神经科学家们正在研究大脑中有哪些区域、结构与学习记忆、逻辑推理以及想象力有关，尝试和理解人脑是如何拥有这些能力的，思考如何在机器学习和AI系统中实现与人脑同样的功能。现在我们处于深度学习时代，越来越多的脑科学研究成果将有助于开发新的深度学习模型，AI的下一个突破很可能来自脑科学。
1.2神经生物学的发展
近几十年来，神经生物学在细胞和分子水平取得了许多重大的研究成果，给人们留下了深刻的印象。对脑的不少重要部位神经回路信号传递及其化学基础已形成相当清楚的图景。组织培养、细胞培养及组织薄片技术，使人们能把复杂的神经回路还原成简单的单元进行分析。膜片钳技术和重组DNA技术等，使人们对神经信号发生、传递的基本单元——离子通道的结构、功能特性及运转方式的认识完全改观。对突触部位发生的细胞和分子事件，如神经递质的合成、维持、释放，以及与相应受体相互作用的研究进展令人瞩目。对神经元及神经系统发育的细胞和分子机制的认识已大大拓展。在脑的高级功能方面，已经开始对记忆的分子基础展开研究。对困扰人们已久的若干神经系统疾病的基因定位已经成功，在分子水平对致病原因已进行了细致的分析。
对神经活动的细胞和分子机制的研究，在本质上是一种还原论的分析，其基础是神经活动可*终归结为细胞和分子水平所发生的事件。这样的分析是完全必需的，并且已经取得了巨大的成功。但必须清醒地认识到，单纯用还原论分析去解释脑这一高度复杂的系统无疑是不全面的。这是因为，当把复杂的系统“还原”成基本的单元后，不可避免会失去许多信息，而当把基本的单元和过程组织成复杂的系统时，又必然会产生全新的工作特点。从基本组分(如基因、离子通道、神经元和突触)的性质来外推脑和神经系统的活动，具有本质上的局限性。
鉴于上述原因，近年来人们开始强调用整合的观点来研究脑，并形成了神经生物学另一个重要的发展趋势。整合的含义是多方面的，首先，神经活动的多侧面性要求多学科的研究途径。其次，对神经系统活动的研究必须是多层次的。无论是感觉、运动还是脑的高级功能，都既有整体上的表现，又涉及各种层次的分析机制。在低层次(细胞、分子水平)上的工作为较高层次的研究提供分析的基础，而较高层次的研究又有助于引导低层次工作的推进，并体现后者的功能意义。重要的是要把这些层次的信息“整合”起来，形成完整的认识。较高层次上的研究包括对大群神经元组合成神经网络的工作原理，以及不同脑区神经元活动如何协调以实现复杂功能的探索。
在细胞和分子水平的研究将不断拓展和推进，对神经活动基本过程的研究将进一步深入，并逐渐形成更完整的认识。随着更多的新离子通道(或亚型)的发现及其氨基酸序列的确定，有可能形成更准确的通道分类模式，揭示不同通道的家族关系
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