Principles of neural science筆記（一）

聽聞這是一本從入門到變禿的巨著，特來開坑。有興趣的同學相互監督吧。

Chapter 1 大腦與行為

基因測序和氨基酸測序揭示了神經系統與人體其他部位的蛋白質具有相似性。因此我們期望能對包括細胞神經科學在內的細胞生物學建立一個普遍規則。

神經科學的研究對象即大腦。大腦執行一系列行走和進食等行為，也對複雜的意識行為進行調控，比如思考，演說和創造。因此所有精神疾病的行為障礙，如情感(感覺)和認知(思想)障礙，源自於腦功能的紊亂。

神經科學主要研究的是大腦中數十億的單個神經細胞如何產生行為和認知的，以及這些細胞是如何受到環境影響的（如社交經驗）；特定的一個心理過程是在大腦的特定區域進行的，還是涉及整個大腦；心理過程是否能在腦部的不同部位，這些區域在感知、運動或思維方面的功能與解剖學和生理學的關係是什麼；這些關係是由單個神經細胞還是整個區域來支配的。

大腦和行為關係的兩種對立觀點

公元二世紀，希臘醫生蓋倫（Galen）提出，神經將大腦和脊髓分泌的物質傳遞到身體周圍。他的觀點主導了西方醫學，直到顯微鏡揭示了神經組織中細胞的真正結構。直到19世紀末義大利人卡米洛·高爾基（Camillo Golgi）和西班牙人聖地亞哥·拉蒙-卡哈爾（Santiago Ramón y Cajal）對神經細胞進行了詳細準確的描述後，神經組織才成為一門科學。

Golgi發明了一種用銀鹽染色神經元的方法，使得神經元得以在顯微鏡下顯示整個細胞結構。他可以清楚地看到每個神經元有一個細胞體和兩種類型：一端是分枝樹突，另一端是長索狀軸突。利用Golgi的技術，Ramón y Cajal發現神經組織不是合胞體，而是一個離散的細胞網路。

20世紀20年代，美國胚胎學家羅斯·哈里森(Ross Harrison)為神經元理論提供了支持。他指出，樹突和軸突是從細胞體中生長出來的，即使在組織培養中，每個神經元是獨立的。Harrison也證明了Ramón y Cajal的觀點，即軸突的頂端會引起生長錐的膨脹，它會引導發育中的軸突到達目標位置，或者是其他的神經細胞或肌肉。神經元學說最終在20世紀50年代中期電子顯微鏡發明後得以確定。Sanford Palay的一項里程碑式研究證明了突觸的存在，即神經元之間准許化學或電信號的特殊區域。

神經系統的電生理學研究始於18世紀末義大利生理學家和物理學家luigi galvani發現肌肉和神經細胞產生電流。現代電生理學的發展基於19世紀3位德國生理學家 Johannes Müller，Emil du Bois-Reymond和Hermann von Helmholtz，他們成功地測量了神經細胞軸突的電活動傳導速度，並進一步表明一個神經細胞的電活動以可預測的方式影響相鄰細胞的活動。

19世紀末，法國人Claude Bernard、德國人Paul Ehrlich和英國的John Langley證明，藥物不是作用於細胞的任意地方，而是通常與位於細胞膜表面的離散受體結合。這一藥理學的發現影響了我們對神經系統和行為的理解，並發現神經細胞可以通過化學手段相互交流。

對行為的心理學思考可以追溯到西方科學啟蒙時古希臘哲學家們對行為的起因和意識與大腦的聯繫的思考。17世紀，笛卡爾區別了意識和物質，即二元論。該觀點認為大腦調控解知覺、運動行為、記憶、食慾和激情——所有在低等動物中都能找到的東西。但意識--更高級的精神功能，並不能由大腦或身體的任何其他部分來代表，而應該是在靈魂中，一種通過松果體與大腦機器溝通的精神實體，松果體是大腦中線的一種微小結構。17世紀後期，Baruch Spinoza發展了統一的物質精神觀。

在18世紀，西方對意識的觀點有了新的分支。經驗主義者認為，大腦最初是一片空白的板子，後來被感官體驗所填充，而理想主義者，尤其是伊曼紐爾·康德(Immanuel Kant)，則認為我們對世界的感知是由我們的意識或大腦的固有特徵決定的。在19世紀中期，查爾斯·達爾文（Charles Darwin）為現代科學認為的大腦支配所有行為奠定了基礎。他甚至提出了更激進的觀點，認為動物可以作為人類行為的模型。因此，進化論的研究促成了行為學（對動物在自然環境中的行為的研究）以及後來的實驗心理學（即人類和動物在受控條件下的行為研究）。在20世紀初，西格蒙德·弗洛伊德（Sigmund Freud）開創了心理分析學。心理分析作為第一個系統的認知心理學，囊括了人類心理所面臨的巨大問題。

將生物學和心理學概念結合到行為研究中的嘗試早在1800就開始了，當時維也納內科醫生和神經解剖學家弗蘭茨·約瑟夫·加爾（Franz Joseph Gall，顱相學的創始人）提出了兩個全新的想法。首先，他認為大腦是意識的器官，所有的精神功能都來源於大腦。因此他否認了意識和物質是分立的個體（二元論）。其次，他認為大腦皮層不是一個獨立的器官，而包含在許多器官內，而大腦皮層的特定區域控制特定功能。Gall列舉了至少27個大腦皮層的不同區域和器官，並不斷增加，每一個都對應一個特定的能力，評估因果關係的能力，計算和感知秩序的能力被分配到大腦前部。本能的特點，如浪漫的愛情(戀愛)和好鬥，都被分配到大腦後部。即使是最抽象的人類行為——慷慨、秘密和宗教，也被分配到大腦中的一個位置。

儘管Gall的定位理論是有先見之明的，但他的實驗方法卻是極其幼稚的。他並沒有通過觀察大腦由於腫瘤或腦卒的缺陷，並將精神屬性的缺陷相關聯，而是拒絕接受這類損傷檢查，僅在動物臨床實驗中觀察。受面相術的影響，通俗科學基於面部特徵揭示特徵。Gall堅信人頭骨上的凸起和溝壑是大腦活動的中心位置。他認為大腦的面積與該區域所代表心理官能有關。因此，一個給定的心理機能的運動將導致相應的大腦區域生長，而這種生長反過來又會導致上覆的顱骨突出。

Gall最初的想法來自於當他觀察到成績優秀的同學有更突的眼睛。他總結為前腦發育的結果，並在後來發展了理論。後來他開始研究狂熱病，以對某些關鍵想法過分感興趣或者有強烈的衝動去從事一些特殊的行為——偷竊、謀殺、色情、極端宗教的神經紊亂。Gall認為，由於病人在所有其他行為中都有良好的功能，說明大腦缺陷相互離散的，原則上可以通過檢查這些病人的頭骨來定位。根據這些發現，Gall繪製了皮層圖如圖1-1。Gall對局部腦功能的研究促成了顱相學，這是一門關於根據頭骨的詳細形狀來確定個性和性格的學科。

19世紀20年代，Gall的觀點被法國生理學家皮埃爾·弗盧龍（Pierre Flourens）用實驗進行了分析。通過系統性地破壞動物大腦中Gall認為的功能中心，Flourens企圖將這些功能獨立開來。從這些實驗中，弗勞倫得出結論是，大腦的特定區域並沒有獨立負責特定行為，所有的大腦區域，特別是前腦的大腦半球，一起參與了每一次精神上的行為。大腦半球的任何部分都能完成大腦半球的所有功能。因此，大腦半球任何一個區域的損傷都應該同樣影響到所有更高的功能。因此，在1823年，Flourens寫道：「所有的知覺、所有的意志都在這些(大腦)器官中佔有相同的位置；感知、設想、意願因此僅僅是一種心理機能「。

這便是腦功能的整體論。它代表了一種反對唯物主義觀點的文化反應，即人的心靈是一個生物器官，否定了沒有靈魂的觀念，認為所有的心理過程都可以被簡化為大腦中的活動，而大腦可以通過鍛煉而得到改善，這些想法是歐洲宗教機構所和貴族們不能接受的。

19世紀中葉，法國神經學家Paul Pierre Broca，德國神經學家Carl Wernicke和英國神經學家Hughlings Jackson對整體觀點提出了嚴重挑戰。例如，在對局灶性癲癇的研究中，Jackson發現不同的運動和感覺功能可以追溯到大腦皮層的特定區域。Broca、Wernicke和Jackson的局域研究被Charles Sherrington和 Ramón y Cajal擴展到細胞層面。根據這一觀點，單個神經元是大腦的信號單位，它們被排列成功能群，並以精確的方式連接在一起。Wernicke和法國神經學家Jules Dejerine的工作尤其揭示了不同的行為是由不同的相互關聯的大腦區域產生的。

第一個關於定位的重要證據來自於對大腦如何產生語言的研究。在我們考慮相關的臨床和解剖學研究之前，我們將首先回顧大腦的整體結構。