【神經生物學原理】

內容簡介

本書共13章，闡釋了神經科學的重要概念，以及它們被逐步揭示的科學研究過程。書中通過一系列經典實驗展示 了神經科學的發展歷程 ,每章均從電生理學、分子遺傳學與系統水平等多種角度進行展示，緊密關聯的章節讓讀者能更好地理解各知識點，以及它們之間的脈絡與聯繫。

全書內容豐富，為讀者提供了經典實驗描述、原始論文的數據圖表、參考文獻等豐富的學習資源。配套的數字課程包括原版圖表動畫與視頻、課後習題文獻討論、術語解釋等資源。本書可作為神經生物學及其相關專業高年級本科生和研究生的教材,也是大學教師和相關領域研究人員不可多得的參考書。

目錄

1來自神經生物學的邀請

先天與後天對腦功能及行為的影響  

1.1人類雙胞胎研究可以揭示先天與後天的影響 

1.2先天的例子:動物的本能行為

1.3後天的例子:穀倉貓頭鷹為應對視覺映像變化而對聽覺映像進行調整

神經系統是如何組建的?

1.4神經系統含有神經元與神經膠質細胞  

1.5 19世紀晚期通過高爾基染色，人們一次看到了單個神經元 

1.6 21世紀的新技術驗證了神經元學說

1.7脊椎動物神經元中，信息通常從樹突流經 胞體再傳遞到軸突

1.8神經元通過膜電位的變化與神經遞質的釋放傳遞信息 

1.9神經元在特異神經迴路背景下的功能

1.10特定的腦區執行特定的功能

1.11腦通過映像對信息進行組織

1.12 腦是一個大規模並行處理器

神經科學一般研究方法

1.13觀察與測量是發現的基礎

1.14擾動實驗揭示因果關係與機制

總結

深入閱讀 

2神經元內的信號通路

神經元的細胞生物學和電學特性

2.1神經元遵從分子生物學的中心法則和細胞內囊泡轉運的規則

2.2大部分蛋白質被主動地從胞體運輸到樹突和軸突，少數蛋白質在樹突和軸突中合成

2.3細胞骨架是神經極性的基礎並指導細胞內信號通路 

2.4離子通道和轉運蛋白介導細胞溶質的主動或被動跨膜移動

2.5由於離子在細胞膜兩側的濃度不同和滲透性不同，神經元在靜息狀態時處於電位極化的狀態

2.6神經元細胞膜可以通過電路來描述

2.7電路模型可以用來分析離子流過膠質細胞和神經元細胞膜的過程

2.8神經元被動的電學特性:電信號隨著時間改變並隨著距離衰減 

2.9神經元的主動電學特性:在閾值之上的去極化產生動作電位

電信號是如何從神經元胞體傳播到它的軸突末端的? 

2.10動作電位是由 去極化引起的Nat內流導致的

2.11連續的、 依賴於電壓的Nat和K*電導變化可以解釋動作電位

2.12動作電位是 “全或無”的，可以再生，並且在軸突內單向傳播 

2.13動作電位在 直徑更大的軸突和有髓鞘包裹的軸突中傳播更快

2.14膜片鉗記錄技術可以研究流過單個離子通道的電流 

2.15克隆編碼離 子通道的基因讓我們可以研究結構-功能的關係

2.16晶體結構解釋了離子通道特性的原子基礎

總結

深入閱讀

3神經突觸的信號傳遞 

突觸前末梢處的神經遞質釋放是如何調控的? 

3.1到達突觸前末梢的動作電電位會誘發神經遞質的釋放

3.2神經遞質以囊泡為小小單位釋放釋放

3.3突觸囊泡與突觸前膜融合釋放神經遞質

3.4進人突觸前末梢的Ca*控制神經遞質的釋放

3.5SNARE和SM置白介導突觸囊泡與突觸前膜的融合

3.6突觸結合勁白探測胞內Ca濃度並觸發突觸囊泡融合

3.7突觸前膜活區具有高度規則的結構

3.8突融間席內的神經遞質被迅速酶切降解或轉運至突觸前細胞與膠質細胞

3.9突觸囊泡通過內吞作用被循環利用以維持突觸傳遞

3.10突觸可被易化亦可被抑制

3.11神經系統存在多種神經遞質

神經遞質如何作用於突觸後神經元?

3.12乙酰膽鹼在神經肌肉接頭打開一 種非選擇

性陽離子通道 

3.13骨骼肌的乙酰膽鹼受體是配體門控型離子通道 

3.14離子通道型與代謝型神經遞質受體

3.15 AMPA 和NMDA谷氨酸受體的激活條件不同  

3.16突觸後緻密由支架蛋白組成 

3.17離子通道型GABA受體和甘氨酸受體是起抑製作用的Cr通道

3.18所有代謝型神經遞質受體都激活G蛋白信號通路

3.19 GPCR 信號轉導的一個範例: β-腎上腺素能受體可激活cAMP成為二信使

3.20G蛋白的a 和β γ亞基可通過激發不同的信號轉導通路改變細胞膜導電性

3.21代謝型受體可作用於突觸前末梢調節神經遞質釋放

3.22GPCR信號轉導的重要特徵是具有多種信號放大和終止機制

3.23突觸後去極化會引發新的基因表達

3.24樹突是複雜的集成設備 

3.25突觸策略性分佈於突觸後神經元的特定位置 

總結

深入閱讀

......

4視覺

5視覺系統神經迴路的連接

6嗅覺、味覺、聽覺及體感

7神經系統的連接

8運動和調控系統

9性行為

10記憶、學習與突觸可塑性

11腦疾病

12神經系統的演化

13研究方法

術語表

索引

書摘插畫

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【從光子到神經元——光、成像和視覺】

內容簡介

《從光子到神經元——光、成像和視覺》從光量子這一基本概念入手，全面介紹了當前生命科學中的各種光生物現象（如光合作用、結構色、視覺等）和重要光學技術（如熒光共振能量轉移、多光子成像、光遺傳學等），尤其重點介紹了色覺、單光子視覺、視信號轉導等不同層次、不同方面視覺過程的光物理特徵。 《從光子到神經元——光、成像和視覺》主體部分注重定性論述，輔以簡單定量計算，使一般讀者都容易領會基本物理圖像；《從光子到神經元——光、成像和視覺》進階部分則對光量子的物理理論給予了必要介紹，供具備較好數學基礎、希望對光的本性有更深刻了解的讀者參考。本書取材廣泛、內容新穎，論述生動有趣又不失嚴謹性，可作為生物物理學專業的教學參考書，同時也可作為物理學、生物學、眼視光學等其他領域讀者了解物理學和生物學交叉深度和廣度的普及讀物。

作者簡介

原作者簡介

菲利普·納爾遜(Philip Nelson)是賓夕法尼亞大學教授，獲得了多項獎項，包括丹尼斯M.德圖爾克教學創新獎（賓夕法尼亞大學）。生物物理學會艾米麗·格雷獎，“對生物物理教學、開發創新教育材料和培養特別有利於生物物理教育的環境做出了深遠而重大的貢獻”。美國物理學會會員，“利用幾何和拓撲方法對理解軟生物材料、量子場和超弦做出的貢獻。愛爾蘭共和軍艾布拉姆斯大學本科教學優秀紀念獎 (賓夕法尼亞大學)。

譯者簡介

舒咬根

研究員，任職於中國科學院大學溫州研究院。長期從事生物分子馬達等物理生物學課題的研究以及生物信息快速檢測技術的開發；發表論文50餘篇，出席國際會議並作口頭報告十餘次。參與翻譯了《生命系統的物理建模》（上海科學技術出版社，2018年）、《細胞的物理生物學》（科學出版社，2012年）和《生物物理學：能量、信息、生命》（上海科學技術出版社，2006年）等物理生物學教材。

黎明

教授，任職於中國科學院大學物理學院。長期從事物理生物學的科研與教學工作，主要研究方向是生物分子機器相關的理論與計算。曾參與翻譯物理生物學教材《生命系統的物理建模》（上海科學技術出版社，2018年）、《生物物理學：能量、信息、生命》（上海科學技術出版社，第一版2006年，修訂版2014年）以及軟物質科普讀物《軟物質：構築夢幻的材料》（上海科技教育出版社，2013年）。

目錄

作者序

譯者序

網頁資源

致學生

致指導教師

前言：預備知識 1

0.1 導讀：不確定性 1

0.2 離散概率分佈 2

0.2.1 概率分佈展示了我們對不確定性的認知 2

0.2.2 條件概率可以量化事件之間的相關程度 4

0.2.3 隨機變量可以由其期望和方差來部分描述 4

0.2.4 聯合分佈 6

0.2.5 離散分佈舉例 7

0.3 量綱分析 10

0.4 連續概率分佈 10

0.4.1 概率密度函數 10

0.4.2 連續分佈舉例 12

0.5 概率分佈的其他性質和運算 15

0.5.1 概率密度函數的變換 15

0.5.2 大量獨立同分佈隨機變量的樣本均值的方差小於任一單個變量的方差 16

0.5.3 計數數據呈現典型的泊松分佈 16

0.5.4 兩噪聲之差的相對標準偏差比單個噪聲的更大 17

0.5.5 隨機變量之和的概率分佈是兩個分佈的捲積 17

0.6 熱隨機性 18

總結 18

關鍵公式 18

延伸閱讀 19

習題 20

I 光的多面性

第1章 光是什麼 25

1.1 導讀：光子 25

1.2 1905年前對光的認知 26

1.2.1 光的基本現象 27

1.2.2 光在很多情況下表現出波動行為 27

1.3 光是顆粒狀的 28

1.3.1 光的顆粒特徵在極低強度下*明顯 29

1.3.2 光電效應 32

1.3.3 愛因斯坦的觀點 35

1.3.4 生物學中的光誘導現象定性支持愛因斯坦關係 37

1.4 背景知識：泊松過程 37

1.4.1 泊松過程可以定義為伯努利重複試驗的連續時間極限 38

1.4.2 固定時間間隔內的尖脈衝計數服從泊松分佈 38

1.4.3 等待時間服從指數分佈 39

1.5 光的新物理模型 39

1.5.1 光假說，第一部分 39

1.5.2 光譜可視為某個概率密度分佈乘上總速率 40

1.5.3 光可以從單個分子中擊出電子從而引發光化學反應 41

1.6 光子吸收可能導致熒光或光致異構化 42

1.6.1 電子態假說 42

1.6.2 原子具有尖銳的譜線 43

1.6.3 熒光分子 44

1.6.4 分子的光致異構化 47

1.7 透明介質不會被光照改變，但會降低光速 49

總結 49

關鍵公式 50

延伸閱讀 51

習題 61

第2章 光子和生命 63

2.1 導讀：觀察和操控 63

2.2 光致DNA損傷 63

2.3 熒光是觀察細胞內部的手段之一 65

2.3.1 熒光可用來辨別術中的健康與病灶組織 65

2.3.2 熒光顯微鏡可以降低背景噪聲，並特異性地顯示目標 67

2.4 背景知識：膜電位 69

2.4.1 離子運動導致的電流 69

2.4.2 跨膜離子失衡可以產生膜電位 69

2.4.3 離子泵維持跨膜靜息電位 70

2.4.4 離子通道調節膜電位以實現神經信號轉導 70

2.4.5 動作電位可以長距離傳輸信息 70

2.4.6 動作電位的產生和利用 72

2.4.7 關於突觸傳輸的更多說明 73

2.5 光控遺傳修飾技術 75

2.5.1 大腦很難研究 75

2.5.2 光敏通道蛋白可受光控使神經元去極化 75

2.5.3 嗜鹽菌視紫紅質可受光控使神經元超極化 77

2.5.4 其他方法 78

2.6 熒光報告蛋白可以實時反映細胞狀態 78

2.6.1 電壓敏感型熒光報告蛋白 78

2.6.2 劈裂的熒光蛋白以及基因改造的鈣離子報告蛋白 80

2.7 雙光子激發可以對活體組織內部成像 82

2.7.1 厚樣品成像問題 82

2.7.2 雙光子激發對光強度敏感 83

2.7.3 多光子顯微鏡可以激發樣本的特定體積元 84

2.8 熒光共振能量轉移 86

2.8.1 如何判斷兩個分子何時彼此接近 86

2.8.2 FRET的物理模型 89

2.8.3 某些形式的生物發光也涉及FRET 91

2.8.4 FRET可用作光譜“標尺”91

2.8.5 FRET在DNA彎曲柔韌性研究中的應用 93

2.8.6 基於FRET的報告蛋白 95

2.9 光合作用回顧 96

2.9.1 光合作用非常重要 97

2.9.2 兩個定量謎題促進了我們對光合作用的理解 97

2.9.3 共振能量轉移解決了這兩個謎題 100

總結 102

關鍵公式 102

延伸閱讀 103

習題 111

第3章 色覺 115

3.1 導讀：第五維度 115

3.2 色覺提升進化適應度 116

3.3 牛頓的顏色實驗 116

3.4 背景知識：泊松過程的更多性質 118

3.4.1 稀釋特性 119

3.4.2 合併特性 119

3.4.3 上述特性對光的重要性 120

3.5 合併兩束光相當於光譜加和 120

3.6 色彩的心理學 121

3.6.1 紅(R)加綠(G)看起來像黃色(Y) 121

3.6.2 顏色辨別是多對一的 122

3.6.3 感知匹配遵循某些定量、可重複和背景無關的規則 122

3.7 選擇性吸收導致的顏色 125

3.7.1 反射和透射光譜 125

3.7.2 減色法 125

3.8 色覺的物理建模 126

3.8.1 色匹配函數的難題 126

3.8.2 眼睛中的相關濕件 128

3.8.3 三色模型 129

3.8.4 三色模型解釋了為什麼R+G～Y 131

3.8.5 我們的眼睛將光譜投射到 3D矢量空間 132

3.8.6 色匹配的力學類比 133

3.8.7 力學類比和色覺之間的聯繫 135

3.8.8 與實驗觀察到的色匹配函數進行定量比較 135

3.9 為什麼天空不是紫羅蘭 137

3.10 視錐細胞馬賽克圖案的直接成像 138

總結 139

關鍵公式 139

延伸閱讀 140

習題 150

第4章 光子如何知道往哪走 153

4.1 導讀：概率幅 153

4.2 重要現象 154

4.3 概率幅 158

4.3.1 調和光的粒子性和波動性需要引入一個新的物理量 158

4.4 背景知識：引入複數能簡化計算 160

4.5 光假說，第二部分 162

4.6 干涉現象 164

4.6.1 光假說解釋雙縫干涉 164

4.6.2 牛頓環闡明了三維裝置的干涉 166

4.6.3 光假說的反對意見 168

4.7 穩相原理 169

4.7.1 菲涅耳積分闡明穩相原理 169

4.7.2 計算概率幅需要對光子所有可能路徑求和 172

4.7.3 單個大光圈的衍射 173

4.7.4 調和光的粒子性和波動性 177

總結 178

關鍵公式 178

延伸閱讀 179

習題 185

第5章 光學現象與生命 189

5.1 導讀：分類和定向 189

5.2 昆蟲、鳥類和海洋生物的結構色 189

5.2.1 一些動物使用透明材料的納米結構產生顏色 190

5.2.2 光假說的擴展版本可描述界面處的反射和透射 192

5.2.3 單個薄透明層的反射與波長的弱依賴關係 193

5.2.4 多層薄透明介質的堆疊會產生光學帶隙 195

5.2.5 海洋生物的結構色 197

5.3 幾何光學 199

5.3.1 反射定律是穩相原理的結果 199

5.3.2 透射和反射光柵通過調製光子路徑而產生非幾何光學行為 200

5.3.3 折射定律是穩相原理應用於分段均勻介質的結果 201

5.3.4 全內反射為熒光顯微鏡提供了另一種增強信噪比的手段 203

5.3.5 折射通常與波長有關 205

總結 206

關鍵公式 206

延伸閱讀 207

習題 209

II 人類與超人類視覺

第6章 直接成像 217

6.1 導讀：既明亮又清晰的圖像 217

6.2 無透鏡成像 217

6.2.1 陰影成像 217

6.2.2 小孔成像足以滿足某些動物的需求 218

6.3 加入透鏡可得到既明亮又清晰的圖像 219

6.3.1 聚焦準則將物距和像距與透鏡形狀關聯起來 220

6.3.2 更一般的方法 224

6.3.3 完整像的形成 225

6.3.4 像差會在近軸極限之外降低成像質量 226

6.4 脊椎動物眼睛 226

6.4.1 空氣-水界面的成像 228

6.4.2 複合透鏡系統提升了聚焦能力 229

6.4.3 晶狀體形變調焦 231

6.5 光學顯微鏡及其相關儀器 232

6.5.1“光線”是幾何光學中很有用的理想化概念 232

6.5.2 實像和虛像 233

6.5.3 球差 234

6.5.4 色散產生色差 235

6.5.5 共聚焦顯微鏡可抑制失焦的背景光 236

6.6 達爾文困境 238

6.7 背景知識：角度和角面積 239

6.7.1 角度 239

6.7.2 角面積 240

6.8 衍射極限 240

6.8.1 完美透鏡也不能完美聚焦光線 241

6.8.2 三維情況：瑞利判據 242

6.8.3 動物眼睛感光細胞的尺寸與衍射極限相匹配 244

總結 244

關鍵公式 245

延伸閱讀 246

習題 247

第7章 基於統計推斷的成像技術 256

7.1 導讀：信息 256

7.2 背景：關於統計推斷 257

7.2.1 貝葉斯公式可用於更新概率估計 257

7.2.2 基於均勻先驗分佈的推斷相當於*大化似然函數 258

7.2.3 分佈中心的推斷 258

7.2.4 參數估計及置信區間 259

7.2.5 對數據分區會減少其信息量 259

7.3 單熒光基團的定位 260

7.3.1 定位可視為推斷問題 260

7.3.2 建立概率模型 261

7.3.3 成像數據的*大似然分析 262

7.3.4 分子馬達步進 264

7.4 定位顯微鏡 265

7.5 散焦定向成像 267

總結 269

關鍵公式 270

延伸閱讀 270

習題 276

第8章 X射線衍射成像 281

8

.1 導讀：反演 281

8.2 原子分辨率的挑戰 282

8.3 衍射圖 283

8.3.1 週期性狹縫陣列產生衍射條紋 283

8.3.2 拓展到X射線晶體學 285

8.3.3 具有子結構的狹縫陣列的衍射圖案可由形狀因子調製 286

8.3.4 二維“晶體”產生二維衍射圖 287

8.3.5 三維“晶體”也能用類似方法分析 288

8.4 DNA的衍射圖案編碼了其雙螺旋特徵 289

8.4.1 從衍射圖可獲知DNA螺距、鹼基對間距、螺旋錯位和螺旋直徑 289

8.4.2 尺寸參數的精確測定解開了DNA結構和功能的難題 291

總

書摘插畫