|
神经生物学是生命科学中的一个重要分支，以研究神经系统活动并在各层次上阐明其机制为主要任务。神经生物学涉及面甚广，本章扼要介绍与本书内容有关的神经生物学的基本概念以及主要的研究方法。
一、形态学方法
应用通常的组织学染色方法可以在光学显微镜下观察神经元的不同形态及神经元间联系的一般情况。电子显微镜提供更高的空间分辨力，从而使人们有可能进一步了解神经元和突触的精细结构。对于了解各神经元的突起如何分布，如何相互连接，Golgi银染法提供了一种特别有用的工具。由于某种至今仍不清楚的原因，这种方法可以把一部分神经元（通常不超过总数的2%）的所有突起染色得纤毫毕现。这种具有悠久历史的技术至今仍得到广泛的应用。
此外，已经发展出一些新的形态学技术，使人们能更细致地对神经元和突触的特性进行鉴定。可以将一些染料分子通过微电极注入细胞内使神经元及其突起染色，常用的染料包括荧光黄、辣根过氧化物酶、生物胞素等。神经元也能主动地从细胞外摄取染料，并转运至胞体，再经轴突转运。这些技术对于追踪神经系统不同区域神经元间的联系很有价值。
免疫荧光组织化学方法在神经生物学中已成为常规的形态学技术。通过某种抗体选择性标记胞内成分或膜成分，已用于表征特异的神经元、突起和突触。也可用特异的抗体来标记不同的离子通道、受体，以及神经活性物质。图7-2显示大鼠视网膜的胆碱能和多巴胺能无长突细胞分别表达电压门控钾通道的不同亚基。原位杂交技术也已广泛应用于神经生物学研究。
近年发展起来的激光共焦显微镜为神经生物学中的形态学分析提供了一种有力的工具。这种技术通过光学方法对神经组织的不同层次作扫描成像，对了解染色在细胞中的定位以及神经元的三维图像的重构起着不可替代的重要作用。
二、生理学方法
对神经系统中大群神经元的综合性活动的记录（脑电图、视网膜电图等）和分析开始于一个多世纪之前，在临床上有重要的应用价值，在本书的第十一、十五章对视觉系统的综合电位，如视网膜电图、视诱发电位将作详细的介绍。
对神经系统活动机制的深入分析，仰仗于应用细胞外记录、细胞内记录技术对单个神经元活动的分析。近年来，膜片钳技术又异军突起，大大加深了对离子通道的认识。此外，光学记录技术以及一些无创伤记录神经细胞活动的技术也正在得到广泛的应用。以下对这些技术作概略的介绍。
（一）细胞外记录技术
通常用金属丝电极或充灌盐溶液的玻璃毛细管（尖端约1～3μm），置于神经系统中单个神经元或轴突的近旁，在细胞外记录其产生的动作电位（图7-3A）。这种技术对了解神经元的反应特性起了重要的作用。对于记录振幅小的持续性分级电位，这种技术并不合适。
（二）细胞内记录技术
通常采用尖端0.1～0.5μm的玻璃毛细管电极，内部充灌盐溶液。当电极尖端刺入细胞时可测得其膜电位；在静息状态，神经元的膜电位内负外正，约-70mV（图7-3B）。在产生动作电位的神经元，当刺激引起的膜去极化达到阈值时，神经元产生大于100mV的“全”或“无”式的动作电位。
细胞内记录技术可记录动作电位和分级电位，并能同时监控膜电位的变化。此外，可以预先在电极尖端充灌特殊的染料或电子致密物质，在电极刺入细胞记录到生理信号后将这些物质注入胞内，然后在光镜和电镜下进行观察、分析。这样就有可能把细胞的生理反应与其形态特征相关起来。
（三）膜片钳技术
20世纪70年代，E Neher和B.Sakmanm及其同事发展了一种新的技术，可用以直接测定单个离子通道的活动，现在通称为膜片钳技术。这种技术所使用的电极与胞内记录的玻璃微电极相似，但对电极尖端作抛光处理。电极并不刺入细胞，而是其尖端在胞外紧贴细胞膜，与膜形成电阻大于109Ω的封接，从而可以测量在一小片膜中横越单个离子通道的电流，或经全细胞的离子电流（图7-3C）。膜片钳记录有多种不同方式，如全细胞式记录、内面向外膜片记录、外面向外膜片记录等，用于不同的实验目的。膜片钳技术对于离子通道特性的鉴定及其功能的了解起到了极其重要的推动作用，已成为现代神经生物学研究最常用的方法之一。
（四）光学记录技术
已经研究出一些特殊的荧光染料，这些染料或者对某种离子（如钙离子）敏感，或者对电位敏感。当某些神经元中的钙离子或电位发生改变时，这些染料的荧光强度即发生改变，从而把所反映的神经元活动的情况记录下来。这种方法通常可以是无创伤的。
（五）记录神经远活动的其他无创伤技术
为记录脑区集群神经元活动，除常用的脑电记录技术外，近年来发展的新技术包括正电子发射断层扫描术和磁共振成像术。应用这些技术，可以在清醒的人的大脑，无创伤地检测不同脑区神经元的活动状态。
三、分子生物学方法
新的分子生物学技术正在对神经生物学的发展产生重大影响。其中重组DNA技术和遗传突变技术已经得到了广泛的应用，并取得了许多重要的结果。重组DNA技术是应用特殊的酶对目标DNA分子加以切割，并鉴定其一个片段中的碱基序列，合成新的片段，重组新的DNA分子。新重组的DNA分子可注入细胞内扩增，“表达”成新的蛋白质，从而可以了解某一DNA片段对神经元实施的某项功能的重要性。与此相关，一旦一种遗传突变体的突变基因被鉴定和分离，其产物即能用重组DNA技术加以表达和分析，进而能确定因突变而致的生理特性的变化的特点。也有可能应用重组DNA技术在单个基因中诱导特异性的突变，探索这些突变如何影响神经元的结构和功能。 |
