《生物学概念与途径》课程由饶毅2008年在北京大学设立和主持，面向所有大学生和研究生，目的是让年轻的学生了解生物学历史上，一些重要的概念是如何提出的，一些重要的途径和方法是如何用来解决重要且有深刻意义的生物学问题的。 大部分内容由饶毅讲授，带着大家一起解读1866年孟德尔的遗传学论文，解读1910年摩尔根的果蝇论文，解读1944年Avery、McLeod、McCarty如何提出DNA是遗传物质的论文。这些经典性的工作，让我们从思想上理解科学研究是怎么做的。 北京大学物理系的汤超教授、哈佛大学的谢晓亮教授、北京生命科学研究所的王晓东教授、北京大学化学院何川教授、清华大学的施一公教授、北京大学的植物生物学的邓兴旺教授和顾红雅教授，分别从物理的定量、化学与生物的交叉、生物化学的经典实验、化学角度的生物大分子、结构生物学、现代农业生物技术与种业发展、驱动演化的“力”等多学科，多角度讲授重要的概念和途径。 本课程重思想，重交叉，重培养学生的科学能力；培养科学研究的价值观（比如判断什么是好的科学），力求为未来科学探索树立参照系；老师提供一个起点，能看的多深，发展多远，取决于同学们的天赋和努力。 希望大家通过我们的慕课有所收获。
1.神经科学和认知科学
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生物学概念与途径
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从本节课中
脑科学-鲁白
脑科学是人类认识自我的学问，是当今世界有待研究的重要科学问题。本次课程概括性介绍了神经和认知科学研究的主要问题，并重点介绍了学习记忆的重要发现历程。从迄今为止神经科学中出现的理论，如神经元学说等，到基因编辑、成像技术以及光遗传学等方面的最新进展对脑科学发展的影响。同时，以鲁白教授实验室在BNDF对学习记忆方面的基础研究发现与临床应用为例，介绍了从基础到临床的研究过程。最后，本次课程还介绍了神经科学发现在深部脑激活以及人机互动方面的应用。
与讲师见面
饶毅教授
[音乐] [音乐]
[音乐] 今天花这个
大概一个半小时的时间给大家讲一讲这个脑科学到底是怎么回事。
希望有点趣，那么假如说有趣的地方愿意问问题，也就可以问问题。
神经科学，先说一下神经科学在做些
什么事情。神经细胞它是互相之间传递信息的。
那么神经科学，as a whole，在美国做神经科学大概有
4万个科学家，中国大概有2千个科学家。
那么，做这个科学无外乎
大概是这几个方面，一个是神经信号的这个传递的原理，神经信号之间细胞，
它是自己是怎么样产生信号的，然后从一个细胞再传到另外一个细胞是怎么实现的。
这是一个最最最基础的这个事情，但是呢这个事情
是其它细胞没有的，只有神经细胞才有的，所以这是需要花很大的力气来研究这个事情。
另外一个呢是神经系统的功能，那么大家可以听到、可以看到、
可以想问题、可以做决定、可以用动作，这一些都是神经细胞的那个功能。
神经系统的发育，从一个baby怎么变成一个 你今天这样一个 adult ，那么神经系统是逐渐逐渐发生过来的。
那么最后呢是有神经系统的疾病。那个我稍微讲一下，这个 这本书是一个最全最全的书，是一个叫
PRINCIPLE OF NEURAL SCIENCE， 是ERIC KANDEL 。这个幻灯片我也是可以送给大家，
所以假如说要记这个具体的话，我觉得大家花一点时间想 、花一点时间听，不要花太多的时间来记。
神经动作电位，这个有没有听过大家？
action potential，这个action potential电化学原理，这个离子、分子结构是怎么回事。
这个是要，这是神经
科学研究的基本问题，这里面的大部分问题已经搞清楚。
现在剩下来的就是这个每一个分子的结构以及结构跟功能之间的这个相互的关系。
这个神经细胞之间的传递叫做突触传递， synaptic transmission。
那么里面包括神经递质，对吧？释放的原理、受体、信号转导，树突的整合。
大概也是基本上很多问题都已经解决，那剩下来一个问题是
这个树突大家知道神经细胞有很多这个突起，这个dendrite，这个
dendrite怎么把不同细胞来的信息整合到 这个一个细胞里面去，最后做出一个决定是怎么来传出。
所以这个问题是 不太好研究，还没完全解决。
神经系统的功能，包括首先是包括感觉，感觉里面有听觉、视觉、触觉等等。
现在感觉可能会超过5种感觉。
运动，那么运动是你怎么从这个在脊髓
level的这个反射弧，这个脑干 这个地方也参与，小脑，包括大脑的运动皮层。
认知是其实是最有意思的这个事情。
那么假如说你们当中最后有一部分人决定要做神经科学，
那么这个认知是基本上都没有解决的问题， 除了学习记忆之外，基本上都没有解决，学习记忆也是部分解决。
神经系统发育，发育呢它是说神经细胞是怎么产生的，neurogenesis。
神经细胞它一般是过多的产生，然后呢通过死亡来调节整个神经系统的
细胞的数量。大家知道自己的脑子里面有多少个细胞？
它只会少不会再多了，神经细胞一旦产生以后就这么多，那么 你活一天就越来越少，这个是没办法的。
这个神经细胞的产生、死亡、存活、多样化、
迁移、突触的生长、轴突的延长、突触的形成、
再生，诸如此类的神经细胞的发育的这个事情。
那么最后我讲一讲这个神经系统疾病，神经系统疾病大概分成两大类：一类叫做神经科
neurology；另外一类叫精神科，叫psychiatry。
这两个差别在哪里？那个神经科，它是一般来说是脑子有看得出的
这个病变，这个时候呢，你就变成神经科。
你比如说老年痴呆，这个它有病理，它里面有老年斑在里面。
Parkinson是那个dopaminergic neuron死掉了。
还有就比如说这个stroke，或者是你做了一个spinal cord injury，受伤了，这些都是神经科的问题。
我简单讲啊，就是精神科就是你去看这个脑子，你一下看不出它有什么
问题，但是它实际上表现出来很多
高级脑功能的变化，情绪的变化对吧？还有这个思维的混乱，
这个是精神科的病。
最最大的两个疾病，一个叫depression，忧郁症，还有一个是叫
schizophrenia，就是精神分裂症，这就是神经科学在干什么。
那么我就把这个认知，我是说这个学科
大部分的问题没有解决，那我们来看一看这个这个里面的问题啊。
一个叫知觉，感觉以上的就叫知觉啊，还有一个就是学习记忆，
emotion，就是这个情感，
working memory跟executive function这个我等一下把它拎出来讲。
这个working memory跟executive function
是什么东西呢？是你的大脑的这个前边这一段叫做prefrontal cortex， 或者叫做PFC，prefrontalcortex。
这一个呢是随着动物的，随着这个生物的进化
越来越大越来越大，到人是最大的。也就是说这一块地方是
决定人跟动物，包括猴子差别的地方，这一块地方做很多很多事情。
那等一下在这边来展开讲，包括这个，后面还有就是 motivation，reward，你为什么
要考北大，你是有motivation。
然后还有attention跟 consciousness，attention，你要不
pay attention听我的讲话，你不会regist到你的脑子里面去。
conscious就是意识，或者是你是清醒的还是说有意识的还是没有意识的。
最后是一个人跟动物的差别，就是他交流是用语言的，language。
那我花一点点时间来展开这个prefrontal cortex。
这个所有的这一部分都叫做认知神经科学，那么认知神经科学呢这个这个东西一直有，但是呢
我觉得这个人的功劳功不可没，这个人叫Michael Gazzaniga。
我在读研究生的时候，我在7楼，他在9楼，那个时候在纽约的Cornell。
那么他一个人就办了，每年在那个暑假办这个 cognitive neuroscience
的讲习班，然后又搞了一个Cognitive的这个 杂志，后来又成立一个Cognitive的学会。
那么慢慢慢慢这个东西就变得大家都，这个理论体系就慢慢慢慢出来。
所以Michael Gazzaniga这个人是一个很值得尊敬的一个人。
那么这个是他主编的一本书，经常在，现在第五版还是第六版了，就是这个是
经典的教科书，假如说大家有兴趣要学认知神经科学。
认知神经科学，就是脑的这个秘密都在这个，我觉得大部分是在 认知神经科学这，就是都是在这一块。
那认知神经科学里面大概有两件，这有一件事情是研究得最透彻的，
那最透彻的这个里面有一个，另外一个有相当有功劳的一个人，叫
Eric Kandel，这个人是哥伦比亚的一个教授，也是一个诺贝尔奖。
那么前面一本书是他主编的，Principle of Neural Science是他主编的，他是一个医生，也是一个神经科学家。
那么也是我在读研究生的时候， 我跟饶毅，我们两个人是一个寝室，我们在读研究生的时候就读他的文章。
那么然后就争论，我们两个人之间互相争论，那饶毅他采取的态度是批评，
我采取的态度是欣赏，所以呢我们就把他的文章拿出来，他说这个文章怎么怎么
不好，我说这个文章怎么怎么好，逐渐逐渐就开始就是培养出对科学的兴趣。
那么，我有一次就见了这个Eric Kandel，我就说神经科学
大家都公认，就是在认知方面的吧，大家都 公认，就是学习记忆，他就是因为学习记忆的事情得了诺贝尔奖啊，
那就是学习记忆基本上主要的问题解决了。那为什么学习记忆的主要问题解决了呢？因为学习记忆有几件事情是在其他地方是没有发生的。
就是一个是用果蝇的遗传学，
找到了跟学习记忆有关的基因，等下我会展开来讲一下，一个叫dunce，一个叫 retabaga。
另外一个呢是用海马的脑片，叫hippocampus slices，有了一个细胞学的一个
生理现象，叫做long-term potentiation，或者叫LTP。
就是一个突出传递的增加，长时间的增加，
就叫LTP。有了这个东西以后，可以做很多很多的研究工作。
那么，另外还有一个是行为的范式，行为的范式主要是两个，一个是fear conditioning，一个叫
water maze，等一下我都稍微讲一讲。
那么这几个，因为有了这几个事情，使得 认知科学里面的一个小小的领域，就是学习记忆，
变得进展非常非常大，而其它领域都根本没法跟它比。
那么，有一天呢，我就在跟他聊天，我说，学习记忆完了以后， 下一个是什么东西？下一个神经科学的大的突破可能
在哪里？他几乎没有犹豫，马上指出说emotion， 这是情感的基础，
他说，可能会这个，有很大的进展。就是你为什么
angry呀，你为什么happy呀，为什么有这个emotion 。
那么为什么呢？可能这个原因是，有很多我们从这个里边得出的一些基本的原理跟模式，
可以copy到这个里面来。比如说LTP在这个amygdala，我们知道它的核团，
不是海马，是一个叫杏仁体，amygdala。
amygdala也有LTP，也有LTD，行为的范示
那个fear condition，fear memory，fear这这一块也是可以拿来用。
所以这个还有很多很多在learning memory里面用的基因可能
emotion里面也要用，所以这个第二是 问题。那么第三个我说下面除了emotion
以外再下一个，他说唉这个我说不好， 不晓得在哪里弄，那么我们就聊聊聊聊。后来我是个人认为是这个
exactly，working memory，他说不知道。
他，可能他的有生之年，他现在已经是80多了，他有生之年不一定看得见。 那么我再讲一讲这个prefrontal cortex function，就是
PFC的function，也就是说这个 prefrontal cortex最简单最简单的一个事情，叫做working memory。
大家知道电脑，电脑里边有两个跟记忆有关的东西，一个叫hard drive，
那个就是海马，储存信息的地方，记忆的地方。
另外一个叫random-access memory，random disc就是，这个RAM，这个就是 working memory。
什么东西呢，就是说你的信息拿过来以后你要hold for
几秒钟的时间，然后再process，然后再用，用完了以后就不要了。
给你一个电话号码你打完了以后，你不会记住这个电话号码，你就用完了。
一个简单的test是拿一副扑克牌，我给你看。
说第一个张牌，看完第一张牌拿掉，看第二张牌。
当然你看到第二张牌的时候，我说第一张牌是什么，第三张牌的时候第二张是什么。
这个也就说你大概是有几秒钟的时间来记住前一张，那你说这个叫one back。
也可以做two back，就是我第三张的时候第一个张是什么，第四张的时候第二张是什么。
这个two back，这个你还是可以做，大概百分之七八十的正确率啊。
你再做难一点，叫three back，
第四张的时候是第一张是什么，第五张的时候第二张是什么，第六张的时候第三张是什么。
这个就是说你这个脑子是hold一个buffer，
就是把 information 拿来，拿来以后，等到你用完了以后，你不要了，这个叫working memory。
这个wording memory是一个foundamental基础，现在我们知道的 wording memory是有几个基本的现象。
一个是靠这个东西，你把这个东西给捣毁了，它这个就不行了。精神分裂症你去叫他做这个 test ,他做不来，他经常犯错，
这个working memory，所以精神分裂症很可能就是这个地方出现了问题。
那么，这个working memory呢，它是用来做很多很多
我们今天所谓的叫intellectual的这个活动，是靠这个 working memory做基础的。
比如说rule learning，这个规则、规矩，rule learning，rule learning
是怎么用的？这个是靠prefrontal cortex。你比如说还有是logic analysis，
A等于B，B等于C，那就A就等于C，这是一个逻辑的，这个
逻辑分析，这个逻辑分析也是需要这个prefrontal cortex。
计算，数数、计算，computing，那个也是要；planning计划也是，
这个今天要干什么事情，下个礼拜要干什么事情，这个一年里面要干什么事情，这个plan ning；
decision making，你做决定。很多很多
跟这个目的有关的行为，比如说你要哪一个毕业，要哪一个，就是一个目的。
你爸妈把你送到北大来读书，是吧，有一个目的，你要完成这个目的。
goal-orientated behaviour，这些都是跟这个prefrontal cortex有关系的。
而这些的机制都是没有搞清楚的，而且甚至都不知道怎么 去搞清楚，怎么做都不是很清楚，
大家都在探索啊。
所以这个是neuroscience的一部分，就是叫做这个
个 cognitive neuroscience
。神经科学的 另外一部分叫神经发育，叫
neural development或development neurobiology。
这一个领域是进展，在过去的20年进展非常非常大的一个领域。
神经科学可以说是一个，过去的10年20年的一个爆炸性的一个进展，是在这个领域里面。
主要的原因是因为这个很多这个分子生物学的技术、很多遗传学的技术都可以在这个上 面用了。
很多模式动物，像老鼠、果蝇，
特别是果蝇，Drosophila，那么这里所要解决的问题一个是 neurogenesis。
就是从一个神经细胞的前体，一个细胞分裂，可以分裂出多个，这个叫 neurogenesis。神经细胞是
可以分裂的，在早期的时候，还没有到，叫precursors。
然后呢，它有一个叫programmed cell death，就是说神经细胞先长出来一个、一个细胞是
远远多于你所需要的，然后呢，它是有一个有计划的使一些细胞死掉，另外一些细胞活下来。
所以呢，就是通过一个所谓的叫programmed cell death或者叫apoptosis这个办法把这个，那个细胞给活下来。
Diversity many different types of neurons，举个例子有一种
neuron叫GABA neuron，有很多很多种。
这个呢，是跟其它的organs，跟其它的这个组织是不一样的。
比如说肝脏，肝脏的细胞一共只有几种，那神经细胞那就种类就多了去了，
所以这个diversity是怎么形成的。migration
这这神经细胞，是在一个地方产生，它有一些神经细胞要迁移到另一个地方去。
你比如说在大脑皮层，它的神经细胞是在这个皮层的最下面形成，形成了以后它在往上移动，
这个就是迁移，migration。还有呢，就是后面这几个就工作就更多一点了，有一个叫做axonal guidance。
就是神经细胞它有一个axon，一个细胞在这个地方，它通过长 axon跟那边地方连起来了。
那个axonal 可以很长很长，像我们的运动神经元在那个spinal cord可以长1公尺长，去支配你的
脚趾。它是怎么找到这个地方去的？它是通过这个很长时间的这个生长。
那么axon 是有一些分子来guid，来实现这个一个很长距离的，很精确的一个生长，
那么这个叫axonal guidance。
dendrite在一个神经细胞有很多很多个dendrites，它可以长出很complex的
dendrite。
那么这个dendrite这个长的形状是怎么长的，为什么要长这么多，它是有什么这个机制来控制它的，
这个也是研究的一个对象。
还有呢，就是长出dendrite来跟axon形成互相的接触，这个叫突触，那么突触是怎样形成的。
突触形成以后，它还可以remodelling。也就是说，有的突触，神经细胞是不会多出来的，但突触是可以生长。
还可以withdraw，有这个变化，在整个这个，
我们比如说你们听课的过程中，或者你在学习的过程中，有的新的突触在形成了，有些
无关的突触就要把它给呢eliminate掉，所以呢，这个叫remodelling。
那么，最后还有这个regeneration，当你受到损伤的时候
突触，甚至 axon、dendrite都会重新再生长，这个叫
regeneration。所以这个是神经发育的一个研究。
所以我想要说，有两点：一个，人脑是
长出来的，就不是说一开始就有了，就说你这个是逐渐逐渐发育出来的；
另外还有一个呢，就是神经发育，
它有一些它特殊的问题，跟一般的发育生物学不太一样。
有一些是一样的，比如apoptosis，那个发育生物学里面也有 。neurogenesis就不太一样了，有很多，比如说axonal guidance、
dendritic branching这些东西问题，在发育生物学，一般的发育生物学里面是没有这样的问题的。
所以神经生物学，神经发育是有它特殊的这个问题。
