神经生物学（精选十篇）
神经生物学 篇1
关键词：人性,善恶,神经伦理学
人性善恶的问题在中西哲学史上都有不少论述。中国古代哲学家对这个问题进行了大量探讨：孟子主张人性善，荀子主张人性恶，告子主张人性无善无恶，董仲舒、杨雄等主张人性亦善亦恶，等等，不一而足。西方哲学史上对这个问题的讨论虽然不像中国哲学家那么系统，但是也在不少方面有所涉及，如：人性理性存在论，人性自然存在论，人性是平等的，等等。休谟还专门为此写了一部《人性论》来讨论这个问题。
但是，人性到底如何呢?在纯粹思辨的背景下来对该问题进行探讨几乎是不可能的，因为每一个思想家都从一定的理论假设出发，通过合乎逻辑的论证得出了自己的结论。因此，只要认可其理论前提，其结论就是可以接受的。而这也是哲学家们为此争论了几千年的原因。因此，这种判断需要科学的发展和参与。也许基于认知科学的神经伦理学 (neuroethics) 能够对这些问题的解决提供一个新的视角。
一、神经伦理学的产生
神经伦理学正式产生于2002年，它有两种含义：一是指在神经科学的研究过程中提出的伦理学问题，即“神经科学的伦理学 (Ethics Of Neuroscience) ”，是传统生物伦理学在神经科学中的驻足。最理想的临床实验设计、干细胞或克隆的使用指导方针、对神经疾病的诊断结果的隐私权等都属于这个领域。神经科学的伦理学粗略地可以分为两个部分：一是指在神经科学的研究过程中提出的伦理学问题;二是指对伦理学和社会影响的评估，该影响是指这些研究的结果可能或者应该对现存的社会、伦理学和法律结构产生的影响。神经伦理学的这层含义被叫做“实践的伦理学”;另一种含义是“伦理学的神经科学 (Neuroscience Of Ethics) ”，是指神经科学对伦理学的潜在意义 (The Ethical Implications Of Neuroscience) ，其目标是调查我们对大脑功能的理解对社会的意义，把神经科学的知识和伦理学和社会的思想结合在一起，以期对伦理学的理论和实践进行更好地理解。例如自由意志、自我控制、个人同一性等，从脑功能的视角能够对这些概念进行研究。虽然伦理学的神经科学的发展远远不及神经科学的伦理学，可能开始进步也不快，但是显然，这是一个真正对21世纪的伦理学之路有深刻意义的领域。神经伦理学的这层含义被认为是“真正新颖的，并且也许是最成熟的进步”。[1]这里指是神经伦理学的第二层含义。
如果伦理学的神经科学产生了重要的结果，也就是说，如果神经科学改变了我们对道德主体的理解，那么，它就不同于应用伦理学了，我们就不能把它看做生物伦理学的一个分支，而应该占有一个很关键的地位。因为它对人类主体、自由、选择与理性等提出了一种新的解释，并在此基础上对它们的作用重新进行评估，它帮助我们反思我们是什么，当我们要努力塑造未来的时候，为我们提供指导。也许，“从来没有其他任何一个人文学科像伦理学这样迫切需要自然科学”。[2]
显然，神经伦理学把认知神经科学对人脑如何起作用的研究成果用于对传统伦理学问题的探讨中。其方法论不同于传统伦理学之处，在于其对问题的研究不是从某个哲学假设出发，而是从认知神经科学研究的结论出发。像爱德华·威尔逊(Edward O.Wilson)强调的那样，以往的伦理学总是“要仰赖哲学家们的自由假设”，而“这些哲学家显然从不去思考人脑的进化起源和物质作用”。[2]这样，不同的伦理学研究方法和结论的竞争就像“是争吵的海洋中的两个孤岛，其区别犹如生命和死亡、存在与虚无。人们无法通过纯粹的逻辑来知道哪一个正确;答案的取得最终仰赖的是客观证据的累积”。[2]
因此，神经伦理学强调的是在证据的基础上对伦理学问题的研究，虽然它并不认为伦理学应该作为科学的一个分支，但是科学证据的积累是神经伦理学重要的方法论特点，是解决传统伦理学问题的一个很有希望的进路。
神经伦理学从人性的生物学图景出发对伦理学进行论证，认为人性亦善亦恶，且其善与恶都与由进化而来的人类神经系统有关，即：善与恶都有其神经生物学基础。
二、人性中“善”的神经基础
神经伦理学的研究显示，人性中的善和我们进化而来的大脑有关。而大脑之所以有现在的结构则和我们的大脑进化于其中的环境有关。
我们祖先的生活环境十分恶劣，他们要想生存下来必须彼此合作帮助。因此，那些能够彼此帮助的部落最终就能够生存下来并得以繁衍生息，而那些成员各自为政的部落在残酷的自然选择的竞争中最终消亡了。因此，前者在长久的进化中形成了彼此合作的行为方式，并在其大脑中固定下来，从而遗传给后代。而我们正是这种祖先的后代，因此，在我们的大脑中同样遗留有那些彼此帮助的痕迹———这就是人性善的生物学基础了。
现代的认知神经科学的研究发现，我们的大脑有从以下三个方面保证我们的利他行为，即人性善在生物学上的体现。
1. 自我奖赏
人类天生有利他的倾向，而这同样和人类演化而来的神经结构有关。瑞士苏黎世大学Ernst Fehr等人利用PET对惩罚背叛者进行了研究。[5]结果发现，人们对于背叛社会规范的行为，尤其是故意违规行为有强烈的惩罚愿望，即使这种惩罚需要惩罚者本人付出高昂的代价也在所不惜。因此被称为“利他惩罚(Altruistic Punishment)”。惩罚者本人能够从惩罚违规者的行为中得到满意的体验。试验显示，当惩罚者对违规者进行惩罚的时候，激活了主要负责奖惩的脑区———背侧纹状体(theDorsal Striatum)。
来自非人类灵长类动物的单一神经元的记录和人类的成像研究都显示，背侧纹体的兴奋和自我激励的行为相关。而且，有进一步的研究显示，在期待奖赏的时，腹内侧前额叶(包括眶额部和内侧前额叶)皮层(vmPFC)、杏仁核(amygdala)、纹状体和中脑 (midbrain) 总是被激活。这些区域间的活动联系很紧密，生物学家将它们看作一个整合的神经网络[6]。其中眶额皮层对具有奖赏价值的刺激进行编码，杏仁核和腹侧纹状体 (Ventromedial Striatum) 对奖赏预期进行表征，而眶额部和中部前额叶以及背侧纹状体对行为选择的过程进行调节。Peter Holland对啮齿动物、人类和非人类灵长类动物的试验结果也支持这个结论。[7]
另外，该区域的多巴胺神经元[8]
恩斯特·费尔(Ernst Fehr)等人的试验还显示，在惩罚成本很低时，背侧纹状体兴奋度高的被使，在需要花费较多的资源进行惩罚时也会心甘情愿这么做。即高背侧纹状体兴奋与强惩罚意愿相关，兴奋的程度反映了惩罚背叛者的预期满意程度。因为“即使博弈是一次性的、而且参加者之间相互匿名的时候，一个人仍然会记得自己行为，并能从回忆自己的慷慨中得到很多快乐”。[9]
2. 镜像神经元
神经生物学研究显示，人类不仅在面对不公平的状况时有惩罚违规者的愿望，而且对他人的情感、尤其是痛苦等负面情感能产生一种感同身受的感觉，这种感觉能够使我们对他人产生同情，并最终引起合道德的行为。
瑞佐拉梯(Rizzolatti)等人对短尾猿和人的研究发现，在包括人在内的灵长类动物的大脑中有一个被称为F5的区域，该区域的神经元在被使自己抓、咬某物，以及看到别的同类有意图地抓、咬某物时都会被激活，这种神经元被称为“镜像神经元” (Mirror Neurons) 。[10]它的活动是人类动作认知的基础。他们还发现，人类不仅有对于他人的动作，而且有对他人的情感、疼痛进行表征的镜像机制 (Mirror Mechanism) 。例如，当自己闻到、观察到他人因难闻的气味而产生的厌恶表情时，在被使的岛脑 (Insula) ———尤其是前岛脑、杏仁核、前部扣带回 (the Anterior Cingulate Cortex) 会有明显的激活。[10]辛格(Singer)等运用fMRI比较了被试自身接受痛觉刺激和观察到他们的恋人接受痛觉刺激时脑区的激活情况，发现双侧前脑岛 (Bilateral Anterior Insula) 、前扣带回喙部 (Rostral Anterior Cingulate Cortex) 、脑干 (Brainstem) 和小脑 (Cerebellum) 在两种情况下均有激活。前脑岛和前扣带回的激活程度与个体的共情能力相关，而后脑岛 (Posterior Insula) 、感觉运动皮层 (Sensory Motor Cortex) 和前扣带回尾部与个体的痛觉感受能力相关。实验结果表明，前脑岛和前扣带回在体会“自身”和“他人”的疼痛条件下都有激活。想象他人的疼痛和想象自己的疼痛都激活了包括顶骨岛盖 (the Parietal Operculum) ，前部扣带回、前岛脑在内的疼痛处理的神经网络。[12]
3. 心理理论
普马克(Premack)和伍德拉夫(Woodruff)在研究黑猩猩的认知能力时首次提出了心理理论 (Theory of Mind) 。[13]它是指个体凭借一定的知识系统对自身或他人的心理状态进行推测、并据此对行为做出因果性解释与预测的能力。而且，认知神经科学的研究成果表明，猩猩也和人一样具有心理理论，[14]而这种理论能够使它对同类的欢乐、尤其是悲哀感同身受，从而做出帮助、安慰其同类的行为。
来自脑成像研究的数据、以及对孤独症、精神分裂患者和脑损伤患者和某些脑损伤患者的研究表明，前额叶受损的患者，尤其是腹内侧前额叶皮层受损的患者表现出不同程度的与心理理论相关的社会认知行为障碍，如：在人际交往中发表不合适宜的言论;无法理解说话者的言外之意，分不清玩笑和事实，缺乏对于自身行为的监控等。[15]安东尼奥·达马西奥(Antonio Damasio)也认为，前额叶损伤病人永远没有就自己个人、过去和将来的社会角色形成正确的理论。……他们丧失了关于自己心理的理论，以及关于那些他们与之交流的人的心理的理论。[16]
杰克逊(P.L.Jackson)等人在一项实验中给被试出示处于危险状态的肢体图片(比如一根夹在门缝中的手指)。在指导语中令被试分别想象这根手指是自己的、他人的或者是假肢。然后在疼痛程度量表上进行评定。脑成像结果发现：当被试想象手指是自己的和想象手指是他人的条件下，与疼痛相关的脑区都被激活的了，[17]即“想象他人的和想象自己的其他情绪也激活了同样的脑区”。[18]
詹姆士(K.James)等用fMRI对卡通任务对心理理论和移情刺激过程中的脑活动进行的对比研究也得出了同样的结论。他总结说：“各种探讨心理理论的神经基础的研究得出了基本一致的结论：心理理论涉及到了三个主要的脑区：前额叶皮层中部(the medial prefrontal cortex, mPFC)，后颞上沟(the posterior superior temporal sulcus, STS)和颞极(the temporal poles)。调查与移情反应有关的网络的研究也认为，移情也涉及到额极(fronta pole)和颞极的区域。”[19]
尽管镜像神经元和心理理论不可能在自我和他人之间达成完全的融合———其实这既不可能，也没有必要。但是，这些心理机制在利他的演化中起着基础性的作用，它能够把他人的所作所为和感受转换为好像是自己经历的一样。“他人不高兴的消失意味着我们也不再痛苦，……因此，让他人高兴———利他的行为———被转换成了自利的行为———我们很高兴”。[9]
于是，人性善在认知神经科学这里找到了自己的经验证据。因此，对这个问题的争论也可以因此得以解决。
三、人性中“恶”的神经基础
尽管人性善是人类社会得以存在的前提，且有其生物学基础。但是人性中同样也存在恶的因素。因为对人类来说，为自己的生存和更好地生存而斗争也同样至关重要。那么，这种所谓的“恶”也必然在人脑中有其生物学基础。
进化论和其他的生物学研究表明，在适者生存的自然竞争中，为了能够活下去，我们的祖先发展出了这种本能并在其生物结构上固定下来从而使之得以遗传给后代。神经经济学 (neuroeconomics) 的研究也显示：“我们人类有一种不怎么服务于我们的适存度(fitness)利益的‘原始的’偏好函数，这种原始的偏好函数不晓得‘提前思考’，而是满足即刻的需要。撒谎、欺诈、杀人、偷窃、和满足短期的身体需要(愤怒、性欲、贪婪、暴食、懒惰)都是产生即刻快感并减少冲动的行为。”[21]即使以长远的总体安宁的丧失为代价也在所不惜。这个事实解释了人性中难以驾驭的肉体诱惑的先天弱点。
人类自私的本性在与人竞争时有清楚的表现，Jean Decety用fMRI对进行特殊博弈的人在与人合作和竞争时的激活脑区域进行了研究。结果显示，人类在与他人进行资源及其他方面的竞争时激活的是一些脑区，而在与他人合作时激活的是另一些脑区。并把被使在竞争、合作状况下的血液动力学反应与他们在各自行动时候的血液动力学反应进行了对比，发现了和竞争相关的脑区是下顶叶 (The Inferior Parietal) 和中额叶 (Medial Prefrontal Cortices) 。[22]
显然，和善一样，恶也是人的本性，也和善一样在现代认知神经科学领域赢得了其合理合法的位置。
生物神经调节难点突破 篇2
在复习神经调节时，如何把那么多的知识点有机地串起来呢？比较有效的方法是按照“反射→反射弧→过程→机理（兴奋在反射弧中的传导→兴奋在低级神经中枢中的传导→兴奋在高级神经中枢中的传导）→人类特有的神经中枢”这条主线进行归纳，并具体落实到动物的行为、内环境的稳态、人类的活动等内容中，挖掘人体在调节过程中各个环节的因果关系，将静态的个别生理反应变成一种动态的过程。
知识链接1：参与反射活动的神经结构被称为反射弧（见图1）。反射弧包括感受器（感觉神经末梢，感受刺激产生兴奋），传入神经（将兴奋传向中枢），神经中枢（对刺激进行分析和综合），传出神经（将兴奋传到效应器）和效应器（运动神经末梢和其支配的肌肉或腺体，产生相应的活动）。
图1
知识链接2：神经系统的结构和功能
结构名称 主要神经中枢 功能
脑 大脑 语言中枢、躯体运动中枢、躯体感觉中枢、视觉中枢、听觉中枢等 具有感知、控制躯体的运动，语言、学习、记忆和思维等方面的高级功能
小脑 维持身体平衡的中枢 维持身体平衡
脑干 呼吸中枢、心血管运动中枢 调节呼吸、心血管运动
下丘脑 体温调节中枢、水盐平衡调节中枢、血糖调节中枢等 调节体温、水盐平衡、血糖平衡等
脊 髓 调节躯体运动的低级中枢 受大脑的控制
【基本例题】如图2是膝跳反射的结构示意图，下列相关描述正确的是（ ）
A.a、脊髓、b、c四种结构构成了完整的反射弧
B.在d处施加任一强度的刺激，都将引起膝跳反射
C.膝跳反射发生时兴奋将沿c→b→a的方向传导
D.b处的结构决定了兴奋只能向单一方向传递
解析：由题图可知a是传入神经，b是突触，c是传出神经，而反射弧是由感受器、传入神经、神经中枢、传出神经和效应器组成，故A错。刺激只有达到一定强度才会引起兴奋，发生反射活动，故B错。兴奋只能由传入神经（a）传到传出神经，故C错。b是突触，由于递质只能由突触前膜释放，作用于突触后膜，故兴奋在反射弧内（或神经元之间）只能向单一方向传递，故D正确。
答案：D
【归纳总结】反射弧中传入神经和传出神经的判断。
（1）根据是否具有神经节判断：有神经节的是传入神经。
（2）根据脊髓灰质内突触结构判断：图示中与“ ”相连的为传入神经，与“ ”相连的为传出神经。
（3）根据脊髓灰质结构判断：与前角（膨大部分）相连的为传出神经，与后角（狭窄部分）相连的为传入神经。
难点一：兴奋在神经纤维上传导和突触间传递
【例1】已知神经细胞膜两侧离子分布不平衡是一种常态现象，细胞不受刺激时，膜外有较多的正电荷，而膜内则相反，如图3所示。如果在电极a的左侧给一适当刺激，此时膜内外会产生相关的电流，则膜外与膜内电流方向为（ ）
图3
A.膜外b→a;膜内a→b
B.膜外b→a;膜内b→a
C.膜外a→b;膜内a→b
D.膜外a→b;膜内b→a
解析：神经纤维上兴奋的传导方向与细胞膜内的电流方向相同，与细胞膜外的电流方向相反。此图中神经冲动的传导方向是从a到b，膜内电流方向也是从a到b，膜外电流方向是从b到a。
答案：A
【名师点拨】在膜外，兴奋传导方向与局部电流方向相反。在膜内，兴奋传导方向与局部电流方向相同。在一个神经元内有一处受到刺激产生兴奋，迅速传至整个神经元细胞，即在该神经元的任何部位均可测到生物电变化。
【例2】当手被尖锐的物体刺痛时，手先缩回来，后产生痛觉。为解释此现象，某同学绘制如图4所示的缩手反射的反射弧结构，方框甲、乙代表神经中枢。对此生理过程的分析正确的是（ ）
A.图中A为感受器，E为效应器
B.未被尖锐的物体刺痛时，神经纤维A处的电位分布是膜内为正电位，膜外为负电位
C.痛觉在图中的方框乙处形成
D.由甲发出的传出神经纤维末端释放的神经递质只能引起乙的兴奋
解析：根据图示可判断A为感受器，E为效应器;神经纤维未受刺激时膜内为负电位，膜外为正电位;根据甲、乙两神经中枢的调节关系（痛觉在大脑皮层中形成，与传入神经相连，而缩手反射中枢在脊髓，与效应器相连，故甲调控乙），可以判断甲为高级神经中枢（大脑皮层），产生痛觉，而乙为低级神经中枢（脊髓）;神经纤维末端释放的神经递质可以引起下一个神经元兴奋或抑制。
答案：A
【名师点拨】（1）神经递质释放方式为胞吐，体现了生物膜的结构特点——流动性。递质被突触后膜上的受体（糖蛋白）识别，其作用效果有两种：促进或抑制。
（2）递质的去向：神经递质发生效应后，就会被酶破坏而失活，或被移走而迅速停止作用。
（3）在一个反射活动的完成过程中，同时存在兴奋在神经纤维上传导和神经元之间的传递，突触数量的多少决定着该反射活动所需时间的长短。
难点二：电位测量的方法及其生理学原理
【例3】图5表示神经纤维上某点受到刺激后对膜外电位的测量，图6表示神经纤维某部位在受到一次刺激前后膜内外的电位变化。相关叙述错误的是（ ）
图5 图6
A.图5中在图示部位给予一刺激后，电流计指针偏转2次
B.将图5电流计电极一个置于膜内，一个置于膜外，不给予刺激时指针也能偏转
C.图5中神经纤维在未受到刺激时，电流计测得的电位为图6中的A点所示的电位即-60毫伏
D.图6的C处为反极化状态，此时膜外为负电位，膜内为正电位，这是Na+内流所致
解析：图5中在图示部位给予刺激后，因为电流计的两个电极处不同时兴奋，所以两个电极之间会出现两次电位变化，导致指针偏转2次;如果将两个电极置于膜两侧，因为在静息状态下膜内外存在电位差，所以也会导致指针偏转;图5中电流计的两个电极均位于膜外，在神经纤维未受到刺激时，电流计的两个电极处都为正电位，指针不偏转，不能测到电位变化;神经纤维某部位在受到一次刺激后，产生动作电位，由于Na+内流，导致膜外负电位，膜内正电位，此时为反极化状态。
答案：C
【名师点拨】电位差变化的测量方法总结。
测量方法 测量图解 测量结果
电表两极分别置于神经纤维膜的内侧和外侧
提高神经生物学课堂教学效果 篇3
1 应用多种教学方法提高教学质量
1.1 结合实际修改教学大纲
神经生物学发展迅速,近年来众多突破性的科学研究带来了教材的更新,不断弥补和颠覆了以往的认识和知识。神经生物也是一门实验科学,众多的发现和研究都是建立在对临床病例和临床问题的研究和探索之上。因此我们通过对神经生物学课程大纲的改革和修改,一方面在引导学生学习和掌握现有知识的同时,注重培养学生发现问题和解决问题的能力,培养学生独立的思维方式和科学研究的意识;一方面补充神经生物学领域的最新前沿知识和技术,扩展学生的知识面以提高学生的学习兴趣,最终达到纵向深入理解知识,横向开阔了解知识。
1.2 将视频、动画、网络等多媒体资源融入教学
教师根据教学内容将知识制作为小动画展现给学生,生动灵活的分解知识点,促使学生加深记忆[2]。例如在讲解G蛋白耦联受体时,将G蛋白和配体结合改变构象传递生物学信号引起下游细胞效应的过程制作成小动画,逐步分解的讲述G蛋白耦联受体,易于学生掌握和理解。播放一些神经生物的研究视频和各种相关疾病的诊断治疗视频,避免枯燥乏味的讲解,并引导学生理解相应的科学研究和生活疾病密切相关,鼓励学生在课下利用网络资源吸取更多的知识。
1.3 以引导为主的教学培养学生的兴趣和自学思考能力
教师根据教学内容提出问题,引导学生回答问题、参与讨论,指导学生对问题进行抽丝剥茧的分析关键因素并解决问题。例如在讲授受体和信号传导时,讲授信号转导过程分为信号产生、受体识别和结合、跨膜信号转导、细胞内蛋白质级联的信号转导、细胞效应和信号终止6个步骤,引导学生认识疾病的发生可以存在于信号转导6个步骤的任何一环。结合常见病例,如霍乱弧菌引起的肠道感染、桥本氏甲状腺炎、糖尿病等讲述受体缺陷和信号转导异常的疾病发病机理和治疗靶点。鼓励学生在课下收集更多的病例资料,理解所学知识和日常生活的相关性,调动学生的兴趣和积极性。
1.4 建立合理的考核制度
课程的考核方式在很大程度上影响着学生的学习态度和积极性,好的评价方式能够激发学生学习的积极性和主动性。神经生物学的复杂性和抽象性决定了该课程的难度和深度,一方面对教师的素养有极高的要求,一方面对学生的听课效果和思考能力有很高的要求。在神经生物学教学中,我们力求重点培养学生的思维方式和科研素养,将课程成绩分为三部分:平时成绩占30%,主要是平时课堂的小测验,每学期不少于3次;课堂参与和讨论占30%,主要是课堂提问和学生的参与程度,鼓励学生参与其中,锻炼学生的分析问题、解决问题的能力;考试成绩占40%。
1.5 加强科研团队建设以带动教学
我校成立了神经生物学科研团队,以提高我校科研实力,促进教师人才的培养,营造良性的科研创新氛围。神经生物学团队以共同的研究方向凝聚,同时尊重科研人员个人的兴趣和专长,鼓励科研人员之间的交流和合作,促进新思维、新技术、新理念的交融和碰撞,形成稳定的团队协作。教学和科研是高校的核心工作,相辅相成,互相促进,教学只有以科研为支柱,才能改革教学大纲、丰富教学内容、提高教学质量。
2 激发学生对于神经生物学的学习兴趣
2.1 结合病例、生活常识和社会热点问题激发生物学研究的兴趣
传统的教学多是教师灌输知识,学生缺乏学习兴趣。近年来世界各国提出了STS教育方法[3],即科学(science)、技术(technology)、社会(society),STS教育方法强调科学、技术与社会的相互关系,以科学技术在社会生产、生活和发展中的应用为指导思想,实施科学教育[4]。在神经生物学的教学中,我们力求将神经生物学的知识点和常见病例、生活常识相结合,提高学生学习的兴趣,让学生将课堂知识应用到日常生活中。例如在讲授大脑学习记忆时,将目前常见的阿尔茨海默症、帕金森综合征等疾病病例融入教学,讲述这些常见病的发病机理和治疗方法、预防策略等。另外针对学生关注社会热点问题的特点,我们也将雾霾、环境污染、日本核泄漏等社会热点问题和神经系统发育的知识相融合,讲述神经发育的过程、特点和神经发育畸形的相关知识。
2.2 结合科技发展史培养学生的思考能力
在日新月异的生命科学领域,了解科技发展史至关重要,科学家的发现和科学实验不仅颠覆了传统的认识,更加成为新技术、新应用的动力源泉。如1997年多利羊的出现,更新了人类对于胚胎发育的认识,更催生了人工受孕试管婴儿相关技术的应用和发展。诱导型多能干细胞(induced pluripotent stem cells,IPSs)的发现,更证明了细胞的全能性和可逆性,基于细胞重编程的器官培养、细胞治疗有广阔的应用前景。在神经生物学的教学中,加入部分生命科学技术史的讲述,不仅使学生加深理解基本生物学的概念和原理,而且培养学生发现问题和解决问题的科学素养。
2.3 结合最新的科技动态和前沿研究开阔学生的视野
2014年3D打印技术的发展颠覆了传统打印技术的局限,可以打印人体器官,为器官移植提供了一个全新的疗法。目前这一技术已经应用于牙科、骨科等领域,通过3D直接打印的人类牙齿和骨骼,不仅提高了治疗速度,更提高了灵敏度和可操作性,实现了针对病患的个体化治疗。2015年8月清华大学施一公课题组在《科学》上发表的关于前体RNA剪接的结构基础的解析,阐述了RNA剪接反应的分子机制和工作原理。这一发现也将极大地变革生物学界,对进一步揭示生命、揭示与剪接体相关疾病的发病机理提供了结构基础和理论指导。
我们鼓励教师多阅读科技论文,了解最新的科技动态和前沿知识,将这些知识融入到神经生物的教学中,提高教学的趣味性,扩展学生视野,提高学生对于科学研究的兴趣和积极性。
总之,全面推进素质教育是我国教育改革的总趋势,培养学生的思考能力和科学素养是素质教育的重要内容之一。我们通过对神经生物学的教学改革,提高课堂教学效率,进一步的夯实学生理论知识的学习,同时着重培养学生的科研思维和科研兴趣。神经生物学是不断变化发展的,这就要求教学工作者时刻与时俱进,把握科技发展方向和前沿,在讲授基础知识的同时,结合临床病例、生活常识,培养学生的科学素养。
参考文献
[1]杨柳.科学研究在医学生教育中的重要性[J].教育理论研究,2013,15(2):266-267.
[2]胡文.多媒体直观在神经生物学教学中的作用及实施[J].山西医科大学学报(基础医学教育版),2007,9(5):578-580.
[3]刘创.STS教育:大学生社会化的有效途径[J].学术论坛,2004,1:167-170.
生物《神经调节》的教学反思 篇4
多媒体将 文字、图形、图像、动画、声音和视频等 集于一体，如果合理使用 多媒体教学可以弥补传统教学手段的不足，把抽象的问题形象化、把静止的图像动起来，更加具体地反映思维过程，开阔学生视野、激发学生 学习兴趣，能更好地提高课堂 的教学效果。
在江苏省学业水平测试(必修科目)考试说明中，《人体的神经调节》第一课时有三个考点：
1、 神经元的结构与功能 (A)
2、兴奋在神经纤维上的传导 (B)
3、兴奋在神经元之间的传递 (B)
根据考点的要求，我将本节课的学习目标就定为以上三个，结合学生的实际情况，将学习目标 2：理解兴奋在神经纤维上的传导，作为本节课重点和难点;学习目标3作为本节课的另一个重点。由于本节课内容比较抽象，学生又没有相关的基础知识，传统教学方法很难激发学生兴趣，也不能更好掌握考点。我精心准备多媒体课件，取得了很好教学效果。
学习目标1：了解神经元的结构与功能，我用一张图片展示出神经元的特殊结构，学生很直观地掌握了知识点，并且体会到“结构决定功能”这一生物学观点。
学习目标2：理解兴奋在神经纤维上的传导，为了此突破难点，学生在自学的基础上，利用多媒体动态演示了兴奋在神经纤维上传导的过程，将书本上静止、深奥的图像动起来，通过动态过程演示，学生很容易理解兴奋在神经纤维上的过程、传导的形式以及传导特点。这样，以前老师总结学生死记的教学特点转变成了学生从形象的.动态过程中理解记忆的学习特点。
学习目标3：概述兴奋在神经元之间的传递，学生在学完突触结构的基础上，在学此目标就显得很容易了。我选用一个flash动画，学生对动画内容很感兴趣，学习激情较高，轻松地解决了这一目标。
总之，本节课借助多媒体非常好的解决了两个重点知识，多媒体 使抽象的、枯燥的学习内容转化成形象的、有趣的、可视的、可听的动感内容，使教材和媒体之间优势互补。使学生能更加形象地理解课本的知识。提高学生的学习兴趣，使原本枯燥无味的课堂知识变得生动有趣。
神经生物学 篇5
2007年，美国FDA共批准了17个新分子实体。其中除4个抗肿瘤新药、2个抗感染新药和2个抗病毒新药外（见本刊上期介绍），尚包括2个精神神经系统用新药二甲磺酸赖右他明（lisdexamfetamine dimesylate/Vyvanse。以下简称为赖右他明）和罗替戈汀（rotigotine/Neupro）、3个心血管系统用新药半富马酸阿利克仑（aliskiren hemifumarate/Tektuma。以下简称为阿利克仑）、安巴生坦（ambrisentan/Letairis）和奈比洛尔（nebivolol/Bystolic）及4个其它药效类别新药醋酸兰来肽（lanreotide acetate/Somatuline Depot。以下简称为兰来肽）、二盐酸沙丙蝶呤（sapropterin dihydrochloride/Kuvan。以下简称为沙丙蝶呤）、羟乙基淀粉（hydroxyethyl starch/Voluven）和用作放射性诊断剂的氨（N13）（ammonia N13/Ammonia N13）。FDA还在2007年批准了2个新生物制剂依库株单抗（eculizumab/Soliris）和甲氧基聚乙二醇化倍他依泊汀（methoxy polyethylene glycol-epoetin beta/Mircera。以下简称为MPEG-βEPO）。
1 精神神经系统用药
1.1 赖右他明
Shire和New River制药两公司合作开发，2007年2月23日获得FDA批准，用于治疗儿童注意力缺乏和多动症。
赖右他明是专为降低安非他明（amphetamine）的滥用倾向而设计的一个前体药物，其分子实由右安非他明（dexamphetamine）和天然氨基酸左赖氨酸（L-lysine）共价结合组成。由于赖右他明被胃肠道吸收后才能转化为活性形式右安非他明，故可减少滥用风险。
赖右他明为一日1次用口服胶囊制剂，有30、50和70 mg/胶囊三种剂量规格。来自Ⅱ和Ⅲ期试验的数据证实，赖右他明三种剂量治疗均能较安慰剂在任一研究时段显著改善6～12岁患者的注意力缺乏和多动症症状。赖右他明在临床研究中通常可被很好耐受，它治疗儿童患者的最常见副反应包括食欲下降、难以熟睡和腹痛等。
1.2 罗替戈汀
Schwarz生物科学公司开发，2007年5月9日获得FDA批准，用于治疗早期帕金森氏病症状。罗替戈汀为透皮贴膏制剂，是FDA迄今批准的第一个抗帕金森氏病用经皮给药疗法药物，剂量规格有2、4和6 mg/24 h三种。
帕金森氏病是一种运动原系统疾病，它由脑中多巴胺生成细胞丧失所致。罗替戈汀属非麦角碱类多巴胺受体激动剂，其贴膏因被设计为能通过经皮途径连续24 h释药，故可一日1次用药并由此提高患者的依从性。多巴胺受体激动剂是经激活脑内的多巴胺受体，进而模拟多巴胺神经递质效应而最终呈现抗帕金森氏病作用的。
罗替戈汀治疗早期帕金森氏病症状的疗效已得到三项总计包括 1 154例未服用其它抗帕金森氏病药物患者的随机、双盲、安慰剂对照、平行组临床试验的证实。这些试验中一项为固定剂量响应研究，另两项是灵活剂量研究。罗替戈汀的最常见副反应包括贴膏部位皮肤反应、头晕、恶心、呕吐、瞌睡和失眠等，它们大多是多巴胺受体激动剂的典型不良反应。罗替戈汀的其它潜在安全性问题有睡眠发作、幻觉和体位性低血压等。
帕金森氏病有4种主要症状：手、臂、腿、颌和脸部震颤；四肢和躯体强直；运动徐缓或迟缓；平衡和协调性下降(或称体位性不稳定性)。随着上述症状日趋明显，患者可能发展到难以行走、讲话或完成其它简单的任务。罗替戈汀先前已于2006年1月获得欧盟委员会的批准，且其适应证还包括与左旋多巴（levodopa）合用治疗进行性帕金森氏病患者。
2 心血管系统用药
2.1 阿利克仑
Novartis公司开发，2007年3月6日获得FDA批准，用于单用或合用其它抗高血压药物治疗高血压，后者是引致中风、心脏病发作、肾衰竭、心力衰竭，甚至死亡的主要原由。阿利克仑为一日1次用口服片剂，其剂量规格有150和300 mg/片两种。
阿利克仑是FDA十几年来批准的第一个具有新型作用机制的抗高血压药物，属口服肾素抑制剂，而肾素则是一种在血压调控环路中起到重要作用的肾分泌蛋白质。阿利克仑的作用点在于肾素-血管紧张素系统的顶端，目前市场上的高血压治疗药物大多作用在此系统的较后环节。阿利克仑于2007年8月获得欧盟委员会的批准。
阿利克仑的降压疗效已经6项总计包括2 000多例轻至中度高血压受试者的安慰剂对照8 wk临床试验的证实。阿利克仑对所有人口统计学亚组人群且不论患者性别和年龄均有效，尽管它对非洲裔美国人的降压效果似要较对白种人和亚洲人小些。阿利克仑合用利尿药氢氯噻嗪（hydrochlorothiazide）等绝大多数其它类别抗高血压药物还能获得更显著的降压幅度。
阿利克仑的安全性也已在6 460多例(其中1 740例用药6个月以上，1 250例用药超过1年)的患者中予以评价，结果表明其副反应通常轻微和短暂。阿利克仑治疗人群最常报告的副反应是腹泻，它在较高剂量用药患者中的发生率接近2%。相比之下，安慰剂组的腹泻发生率约是1%。与其它作用于肾素-血管紧张素系统的抗高血压药物相似，阿利克仑偶尔也会致某些个体发生过敏反应并表现出面部、唇、舌肿大和呼吸困难等症状。
2.2 安巴生坦
Gilead科学有限公司开发，2007年6月15日获得FDA批准，用于治疗肺动脉高血压。安巴生坦属内皮素受体拮抗剂，其作用类似于已上市的同类药物如波生坦（bosentan/Tracleer）等，但潜在药物相互作用更少。安巴生坦为一日1次用口服片剂，规格有5和10 mg/片两种。
肺动脉高血压是一种罕见但却危及生命的严重疾病。在肺动脉高血压患者中，由于肺中小动脉已呈狭窄或有阻塞，故心脏须更努力工作才能使血液通过这些肺小动脉。长期如此，过度工作的心脏肌肉就会变得衰弱并逐渐丧失将足够血液泵过肺的能力。肺动脉高血压个体的症状包括呼吸短促、疲劳、胸痛、头晕甚至昏晕等。
安巴生坦是作为罕见病用药并经优先审批程序获得FDA批准的。两项合计包括393例受试者的国际性临床试验证实，安巴生坦能较安慰剂显著改善以标准6 min行走实验指示的身体活动能力且具延缓肺动脉高血压恶化作用。安巴生坦治疗安全，最常见的副反应包括腿和裸关节肿胀、鼻充血、窦炎和面部发红等。
2.3 奈比洛尔
Forest Lab公司开发的一个新β-阻滞剂，2007年12月17日获得FDA批准，用于一日1次单用或合用其它类别抗高血压药物治疗高血压。奈比洛尔在每日剂量≤10 mg时呈选择性β1-受体阻滞活性，这使其尚具有能致血管舒张和减少总外周阻力的额外药理学性质。奈比洛尔先前已由Janssen制药公司在除北美地区外的世界50多个国家注册并上市。
β-阻滞剂是在美国应用最广的一类抗高血压药物。一项总计涉及2 000多例受试者(包括26%的黑种人、54%的男性、19%的老年人和8%的糖尿病患者)的广泛临床试验计划已经证实，奈比洛尔能够显著降低广泛高血压人群的坐姿舒张压和收缩压，其抗高血压疗效与其它β-阻滞剂相当。研究也发现奈比洛尔耐受性良好，且它的传统β-阻滞剂样副反应发生率更低一些。奈比洛尔治疗的最常见副反应有头痛、疲劳感、头晕和腹泻等。但其与其它β-阻滞剂一样，亦会降低心率和心肌收缩力及抑制肾素活性。
3 其它药效类别药物
3.1 兰来肽
Beayfour Ipsen公司开发，2007年8月30日获得FDA批准，用于治疗罕见然而却可能危及生命的成人肢端肥大症，后者常由源自脑垂体良性肿瘤触发的生长激素异常分泌所致。兰来肽的具体适应证是：长期治疗对外科手术和（或）放射疗法没有适当响应或不适合使用这些手段治疗的成人肢端肥大症患者。
兰来肽属生长抑素类似物，它能降低体内某些激素(包括生长激素和胰岛素样生长因子-1)的水平。过度分泌的生长激素会促使肝脏产生并释放胰岛素样生长因子-1，由此直接刺激骨骼和组织生长且多表现出手、足、头的肥大，面部变化和心、肝、肾、脾等内脏肥大。肢端肥大症若不予以有效治疗，则患者常会因易患上心脏和呼吸疾病、糖尿病和结肠癌等而缩短生命。肢端肥大症的发病率约为60例/100万人左右，他们的预期寿命一般较健康人少5～10年。
兰来肽治疗肢端肥大症的安全性及其症状控制疗效已经得到两项分别在美国和欧洲进行的总计包括400多例受试者的关键性1年期、随机、多中心临床研究的证实。兰来肽为贮库型缓释制剂，它有60、90和120 mg三种规格，推荐剂量方案是每28 d注射1次。兰来肽的最常见副反应有腹泻、胆结石、瘙痒等皮肤反应、心率减缓和血糖水平变化等。兰来肽此前已在包括欧盟国家在内的世界近60个国家获准上市。
3.2 沙丙蝶呤
BioMarin制药公司开发，2007年12月13日获得FDA批准，由此成为迄今获得FDA批准的第一个苯丙酮尿症特异性治疗药物。沙丙蝶呤的具体获准适应证为：在遵从苯丙氨酸限制性饮食的基础上，用于减少4岁以上因四氢生物蝶呤响应性苯丙酮尿症所致高苯丙氨酸血症患者的血中苯丙氨酸水平。沙丙蝶呤的推荐起始剂量是一日1次口服10 mg/kg。若该剂量水平没有适当响应，则应提高剂量至1日1次20 mg/kg。沙丙蝶呤用药的具体剂量可依个体响应情况而在5～20 mg/（kg•d）范围间予以调整，推荐治疗期限为1个月。
沙丙蝶呤实为四氢生物蝶呤的合成形式，而四氢生物蝶呤是一种天然发生的辅酶因子，它能联合苯丙氨酸羟化酶代谢苯丙氨酸。沙丙蝶呤先前已在美国被批准为罕见病用药，其治疗苯丙酮尿症患者的疗效和安全性也已得到4项研究的证实。沙丙蝶呤在临床试验中报告的最严重副反应（不计因果关系）为胃炎、脊髓损害、链球菌感染、睾丸癌和泌尿道感染；最常见的不良反应包括头痛、腹泻、腹痛、上呼吸道感染、咽喉疼痛、呕吐和恶心等。
苯丙酮尿症属罕见基因疾病，它在发达国家中的已诊出患者数约为5.0万人。苯丙酮尿症因苯丙氨酸羟化酶缺乏所致，而此酶是代谢绝大多数含蛋白质食品都含有的苯丙氨酸这一基本氨基酸的必需酶。若个体缺乏充足的活性苯丙氨酸羟化酶，那便会致使血中的苯丙氨酸水平异常升高并对脑产生毒性，进而发展成包括严重心智迟缓、脑损害、精神疾病、癫痫发作、震颤和有限认知能力等在内的各种并发症。
3.3 羟乙基淀粉
Fresenius Kabi有限公司开发，2007年12月27日获得FDA批准，用于静脉内给药预防和治疗在手术中和手术后可能发生的严重血容量丧失。后者因能引起体内循环红血球和血浆量的迅速下降，故可致使个体休克，而此具潜在致命性。所以，临床上常对严重血容量丧失人群给予血容量扩充剂，以期快速恢复他们已丧失了的部分血容量，进而使得剩余红血球仍能继续向机体组织释放所需的氧。
羟乙基淀粉制剂由6%羟乙基淀粉130/0.4溶于0.9%氯化钠溶液组成，它能扩充血浆这一血液液体部分的容量，由此驱使血液进入小血管即毛细管。临床试验表明，羟乙基淀粉的作用类似于其它已获准的血容量扩充剂。譬如，在整形手术中，羟乙基淀粉被证实它的疗效和安全性与先前已上市的一个淀粉类血容量扩充剂Hespan相当。而在经历主要手术的新生儿和婴儿人群中，羟乙基淀粉在扩充血容量方面的疗效和安全性也被确认等效于白蛋白类血容量扩充剂。
在美国以外地区进行的诸研究还表明，羟乙基淀粉在经历各种外科程序之2～75岁广泛患者中的安全性类似于那些国家临床上常用的其它血容量扩充剂。羟乙基淀粉的最常见副反应是恶心和瘙痒。但羟乙基淀粉不推荐用于已经历体液过载或存在与低血容量无关的肾衰竭、或正行透析的肾衰竭患者，亦不推荐用于血钠或血氯化物水平严重升高或颅内出血个体。
4 新生物制剂
4.1 依库株单抗
Alexion制药公司开发，2007年3月16日获得FDA批准，由此成为迄今获得FDA批准治疗阵发性夜间血红蛋白尿症的第一个药物。阵发性夜间血红蛋白尿症是一种可致患者劳动能力丧失和过早死亡的罕见血液疾病，它在美国的诊出率约为1/100万人。
阵发性夜间血红蛋白尿症通常见于成人，它以红细胞异常发育为特征。由于血流中存在异常细胞，所以担负消灭细菌和其它引致感染生物体的天然发生蛋白即补体系统就会分解这些细胞，结果导致出现异常深色尿液，更重要的是引致贫血。取决于疾病的严重程度，阵发性夜间血红蛋白尿症个体可能表现出疼痛、疲劳、虚弱、需频繁输血、血液凝结及发生危及生命或致死性的中风、心脏病发作和肠疾等症状和并发症。
依库株单抗能通过阻滞补体系统活性而阻止红细胞分解，但它不具阵发性夜间血红蛋白尿症治愈效果。依库株单抗是以一项包括87例阵发性夜间血红蛋白尿症患者的随机、双盲、安慰剂对照临床研究和一系列其它试验数据而获FDA批准的。其中对照研究结果表明，依库株单抗治疗26 wk后的血红蛋白浓度稳定患者比例达到50%，而安慰剂组的相应指标值为0。依库株单抗治疗也能显著减少个体需输血的次数。
依库株单抗因阻滞了机体的天然免疫系统，故会提高患者对某些严重感染(尤其是可致细菌性脑膜炎的脑膜炎球菌感染)的易感性。鉴于相关研究揭示严重脑膜炎球菌感染是依库株单抗治疗患者的最重要副反应，所以随后临床已推荐所有接受依库株单抗治疗个体都必须事先接种脑膜炎球菌疫苗。
4.2 MPEG-βEPO
Roche公司开发的一个长效促红细胞生成刺激剂，2007年11月14日获得FDA批准，用于治疗正进行透析和尚未接受透析患者的慢性肾病相关贫血。MPEG-βEPO是现在美获准以每2 wk1次频率给药纠正贫血的唯一一个促红细胞生成刺激剂及能以一月1次或每2 wk1次剂量方案维持所有慢性肾病人群稳定血红蛋白水平的唯一一个促红细胞生成刺激剂。
与促红细胞生成素（erythropoietin）不同，MPEG-βEPO具有相对新型的作用机制，它属连续促红细胞生成素受体激活剂。MPEG-βEPO具有较之促红细胞生成素更大的体内活性且其半衰期在所有FDA业已批准促红细胞生成刺激剂中最长，分别为阿法达贝依泊汀（darbepoetin alfa）和阿法依泊汀（epoetin alfa）半衰期的6和20多倍。因此，MPEG-βEPO能较促红细胞生成刺激剂更真实地模拟机体的生理学过程而刺激红细胞生产，由此导致释放可预计的和稳定的血红蛋白水平。MPEG-βEPO获准用于所有慢性肾病人群，其中用作慢性肾病相关贫血即俗称肾性贫血维持疗法时可节减透析患者几近半数的医疗时间，临床益处显著并具药物经济学价值。
FDA主要依据来自迄今在慢性肾病相关贫血治疗领域中进行过的一项最大规模临床计划的疗效和安全性数据作出上述批准决定的。该临床计划共由总计包括29个国家的2 700多例患者的10项国际性研究组成，后者包括两项纠正和4项维持疗法Ⅲ期试验。它们证实MPEG-βEPO纠正正进行透析和尚未接受透析患者肾性贫血的疗效与已上市的促红细胞生成刺激剂相当，其中在现未接受促红细胞生成刺激剂治疗人群中有97.5%的个体经以每2 wk1次给药MPEG-βEPO治疗而达到了血红蛋白≥11 g/dL这一目标水平。另外，对自接受一种较短效促红细胞生成刺激剂而转用每月1次给药MPEG-βEPO治疗者，他们的血红蛋白水平也能得到稳定维持（±1 g/dL）。
肾性贫血的治疗目标是首先安全、平稳地提高血红蛋白水平至目标范围、然后予以长期有效维持以避免各种并发症的发展。MPEG-βEPO治疗安全，其安全性分析共包括近1 800例接受该药和约900例使用某种促红细胞生成刺激剂治疗患者。分析发现约6%的MPEG-βEPO治疗个体经历了副反应，其中最常报告症状是高血压。MPEG-βEPO的安全性与其它促红细胞生成刺激剂相似且耐受性通常良好。MPEG-βEPO可室温储存，它先前已于2007年7月获得了欧盟委员会的批准。
基础医学专业神经生物学教学体会 篇6
首都医科大学于1997年开始神经生物学教学工作, 主要面向临床医学七年制本科生和五年制本科生。2007年, 首都医科大学开设了基础医学专业, 神经生物学是该专业学生的必修课程。本文总结了近年来在基础医学专业神经生物学教学中的经验, 现介绍如下。
1 精选课程内容
我校基础医学专业的定位是培养具有从事基础医学教育和科学研究能力的高级专门人才。由于该专业和临床医学专业的培养目标不同, 因此课程内容也需相应调整。在教学内容上, 应选择最新出版、且涵盖最新研究成果的教材, 确保基础医学专业学生能够接受到最新的知识信息。我校基础医学专业学生所用的教材是第三版的《Neuroscience-exploring the brain》。相对前几版而言, 第三版增加了不少新的内容。同时, 教师需要不断地跟踪前沿, 吸收该领域最新研究成果, 及时更新陈旧或不正确的理论, 使学生能够接受最新知识。
我校神经生物学学科属于国家重点学科, 研究领域涉及神经变性病、抑郁症、脑卒中和神经损伤与修复等。鉴于基础医学专业学生将来主要从事科研工作, 因此教学时应注重研究方法的讲述。如在讲授“精神系统疾病”章节时涉及抑郁症, 就要向学生介绍抑郁症动物模型的制备方法及评判标准, 使学生对抑郁症的研究方法有初步了解, 对将来从事精神疾病方面的研究有所帮助;同样, 在讲授“运动的调控机制”章节时, 涉及一种常见的神经变性病———帕金森病, 教师需要向学生讲解该疾病动物模型的制备方法及研究方法。通过上述教学, 使学生在潜移默化中掌握神经科学研究方法, 为将来的研究工作奠定基础。
2 培养学生科研思维
神经生物学是一门实践性很强的学科。教师在教学中, 要对推动神经生物学发展的经典实验进行系统讲解, 详细回顾当年的知识背景和技术水平, 科学家在当时的条件下如何发现科学问题, 采用哪种研究方法和技术手段解决这些科学问题。这样有助于激发学生对科学研究的兴趣, 培养学生发现问题和解决问题的能力, 使其初步形成科研思维。
神经生物学是一门与实验密切相关的学科。培养学生动手能力, 分析、解决问题能力是培养基础医学专业科研思维的重要组成部分。传统实验教学完全忽视了对学生科研创新能力的培养。因此, 我院针对基础医学专业学生开设了实验神经科学课程, 另外安排12学时让学生充分参与我院各课题组科学实验, 自由选择小课题, 每人完成一个小实验。通过上述方法, 加强了学生对神经科学研究方法的理解, 提高了学生的科研思维能力及动手能力。
3 精选教学方法
传统的课堂教学方法是按照先行教学计划和规定时间, 由一名教师对众多学生面对面讲授某学科知识[1], 而这不利于发挥学生主动性和自觉性, 影响了教学效果。PBL (Problem-based learning) 教学是一种以问题为导向的教学方法。PBL医学教学以问题为基础, 以医学生为主体, 以小组讨论为形式, 在指导教师参与下, 围绕某一医学专题或具体病例的诊治进行讨论研究。1969年, 美国神经病学教授Barrows在加拿大麦克马斯特大学首先将PBL教学法引入医学教育领域[2]。PBL教学法逐渐受到各国关注, 已成为我国医学教育改革的热点[3]。
在基础医学专业神经生物学教学中使用PBL教学法, 如在讲授帕金森病时, 概念以常规方法进行教授, 发病机理和治疗方法以PBL教学法进行教授。首先指导学生针对这一疾病进行相关资料查询, 安排学生汇总帕金森病的流行病学、发病机理、临床症状和治疗等资料, 然后分组讨论, 教师最后进行总结和提炼。分析近年来学生期末考试成绩, 笔者发现PBL教学法极大地提高了课堂教学效果和学生考试成绩。
4 注重双语教学
在基础医学专业神经生物学教学中采用规范的双语教学, 可为学生打下扎实的专业外语基础。调查显示, 多数学生及教师认为双语教学有助于提高其专业英语能力, 也有利于提高整体外语水平[4]。由于基础医学专业学生将来主要从事教学和科研工作, 查阅文献和参加国际交流需要良好的外语能力, 双语教学已是大势所趋。
神经生物学涉及大量学科知识, 内容繁杂。因此, 神经生物学双语教学对教师和学生都是极大的挑战。教师不仅要掌握大量的专业词汇, 而且还要发音正确, 只有这样才能保证双语教学的准确性。双语教学不是一蹴而就的, 要循序渐进。在教学中, 中英文教学比例要适当, 开始授课时, 可先学习关键名词的专业英语, 再学普通名词, 让学生慢慢适应双语教学。对于重点内容, 采取英文讲解、中文总结的方式, 强化学生记忆, 巩固学生对知识的掌握。
5 提高课件制作质量
多媒体课件是现代化教育技术的重要组成部分, 可使抽象难懂的医学知识直观而形象。针对基础医学专业学生, 课件中新的概念和名词后要加注英文, 通过中英文对照, 增加学生专业英语词汇量。课件文字尽量做到言简意赅, 避免教学内容枯燥空洞。在图片的选择上, 遵循直观易懂和动漫通俗的原则, 努力将复杂问题简单化、抽象问题直观化、整体问题分解化和静止知识动态化[5]。
在课件中插入相关视频, 展示文、图、声、像并茂的特点, 多层次、多角度地呈现教学内容[6]。在讲解突触传递时, 可利用动画演示突触前膜释放神经递质, 从而引起突触后电位的过程, 使枯燥的知识变得生动有趣;在讲解帕金森病时, 通过视频播放帕金森病人和帕金森动物模型大鼠发病时的行为表现, 使学生对该疾病有直观认识;在讲解大脑中枢神经系统脑室分布图时, 可通过多媒体课件展示大脑不同断面图片以及三维立体脑旋转图, 将抽象难懂的知识形象化, 便于学生理解和掌握[7]。
6 结语
目前, 我校针对基础医学专业神经生物学教学才刚开始, 教学内容还需进一步规范, 教学重难点还需进一步统一, 还需在实践中慢慢摸索。加强基础医学专业神经生物学的教学研究, 不仅有利于提高教学效果, 也有助于提高学生科研素质, 从而提升我校神经生物学学科的竞争力。
参考文献
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[2]惠雪枫, 李小记, 杨玲, 等.PBL教学法在神经解剖学教学中的应用实践[J].中国高等医学教育, 2008 (3) :84.
[3]唐亚平, 刘燕平, 杨宏宝.当前医学教育中PBL教学法的不足与对策[J].时珍国医国药, 2008, 19 (5) :1096-1097.
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[5]林丽, 任安, 袁文俊.八年制医学生生理学双语教学初探[J].西北医学教育, 2007, 15 (5) :928-929.
[6]李玉子.浅谈多媒体技术在内科学教学中的应用[J].中国高等医学教育, 2006, 27 (12) :1477-1478.
神经生物学 篇7
一、加强课前准备, 进行岗前培训
每年学院都会对新任课的青年教师进行岗前培训, 学习相关的教育理论、教育技术和教学管理制度。通过这些知识的学习, 加强青年教师的理论水平。新任课的青年教师在自己上讲堂前, 必须完整地听一轮本教研室神经生物学理论和实验教学课。教研室安排指定的教学经验丰富的老教师对青年教师进行一对一的辅导, 从课堂教学设计、幻灯片制作、教案书写和讲课语气语调等多方面给予指导。严格执行新课预讲试讲制度, 新教师在承担教学任务前必须在教研室进行预讲, 由本教研室主任和其他资格年长的教学经验丰富教师提出意见和建议, 然后新教师根据这些建议进行改进。最后在教研室内通过后, 再给学生进行授课。
二、讲课突出重点, 讲透难点
青年教师在讲课中容易犯的错误是“胡子眉毛一把抓”, 所有的知识点都想讲到, 但授课时内容往往过多, 语速过快, 没有突出重点、把握难点, 逻辑性差, 学生对所学内容接受度低。反之, 如果教师讲课重点突出、难点讲透, 学生理解透彻, 结果就会事半功倍。这一方面, 需要青年教师在课前多做准备, 吃透教材, 分析知识的内在联系, 把握教学重点, 找出难点和关键, 并对知识结构进行重新优化组合, 使之成为能为学生接受的知识框架。另一方面, 要多听一些教学经验丰富的老教师的课, 多向教学经验丰富和教学效果好的前辈学习, 学习他们的教学方法, 不断改进自己的不足。
三、在课堂教学过程中, 注意与学生的互动交流
青年教师在课堂教学过程中, 容易存在的问题是只顾自己要讲授的内容, 而忽略了与学生的交流。而对所讲知识只是一味灌输, 容易引起学生的疲劳, 进而丧失听课的兴趣。根据我们的多年来累积的经验, 在课堂具体教学过程中, 可以通过穿插一些小故事引起学生的兴趣, 比如在讲情绪和心理因素对疾病的影响时, 可以先请一位同学给大家讲讲杯弓蛇影的故事, 然后问大家这个故事说明了什么。通过大家的讨论, 进而引出情绪和心理因素对疾病的影响这个主题。在课堂上, 教师还可以引导学生就一个问题展开讨论, 比如条件性免疫反应, 首先讲到1896年Mackenzie医生在《美国医学科学杂志》上的报道, 对玫瑰花粉产生过敏性哮喘的病人, 见到人造玫瑰花时也出现哮喘, 让学生思考这是为什么。然后提示学生联系以前学过的巴甫洛夫经典条件反射理论来思考这个问题。最后提出条件性免疫反应的概念。接下来, 让学生回答, 在这个条件性免疫反应中, 玫瑰花粉和人造玫瑰花, 哪个是条件性刺激, 哪个是非条件性刺激。通过这个讨论, 让学生对所学知识融会贯通。
四、课后虚心听取意见, 及时改进
青年教师在课后应虚心听取意见, 及时改进。这些意见一方面是来自高年资有丰富教学经验的老教师的意见, 包括本教研室有多年丰富教学经验的老教师, 或者学校的教学督导制度。老教师有多年丰富的授课经验, 认真听取他们的意见并加以消化吸收, 对于青年教师日后的教学帮助很大。比如板书少、不写板书、一张幻灯片上的文字太多、授课过程只看PPT不注重与学生的眼神交流等, 这些都是青年教师最容易出现的问题。另一方面是来自学生的意见, 课后可多听取学生的意见, 比如:讲授的内容是否能听懂、重点是否能够把握以及讲课速度是否合适等等, 因为学生的学习效果如何是对教师教学质量的最终检验, 因此, 要认真听取学生的意见, 及时改进[2]。
五、科研和教学同步发展, 保证教学质量
科研、教学的同步发展则是神经生物学发展的两个重要支柱, 为知识的传承和人才的培养提供了可靠的保证。在神经科学教学的发展过程中我们深刻认识到:优秀的研究人员和他们所具有的先进知识结构是推动神经科学进展不可或缺的条件。那么在教学的过程中我们就有意识地将本校的一些科研成果与书本知识相结合, 让学生感到自己离这些内容很近, 产生亲切感, 从而提高学习兴趣。如在讲到神经胶质细胞时, 除了讲授关于神经胶质细胞的基础知识之外, 还介绍了本校的研究人员最近在国际权威学术期刊《细胞》杂志发表的关于神经胶质细胞调控大脑的学习记忆功能的研究进展。在讲抑郁症时.将我们学院生理学科组多年来对于抑郁症的研究成果充实进来;在讲神经免疫内分泌调节内容时, 将我们研究小组多年来在这个领域的研究成果向学生进行介绍。总之, 有意识地为学生建立一种浓厚的学术气氛, 提高学生探索神经科学知识的热情和欲望。而通过每年的师生的见面会及调查问卷, 了解学生对哪些知识感兴趣, 对其基础知识结合相关教师的研究成果或本领域最新的研究成果进行讲授, 极大地调动了学生的学习热情。
六、开展第二课堂活动, 培养学生的科研思维能力
神经科学的主要特点是范围广、牵扯面多, 需要讲授的内容繁多, 而且发展极为迅速, 每章内容都是一个新的体系, 内容所涵盖的知识点既有一定的深度又有一定的广度。同时神经生物学这门学科还面临着课程内容多、学时少等诸多问题。因此, 在课堂教学时主要是讲授神经生物学的基本的问题, 如神经元的结构和功能, 神经元间的信号传递与调控, 信息整合等。而对于更深入和前沿的问题, 一方面由于学时少, 无法展开讲授;另一方面, 由于青年教师往往也不是这个领域的专家, 讲授的深度不够。那么针对这个问题, 我们的做法是聘请校内外神经科学领域的专家, 就他们所研究的领域进行专题讲座。每次讲座后, 学生就专家讲座的内容进行提问, 一方面培养了学生的科研思维能力。另一方面, 通过这种与专家的交流, 进一步激发了学生对于神经生物学学习的兴趣。而每次授课后, 专家除了当堂针对同学感兴趣的问题进行解答外, 还留下联系方式, 以便进一步交流指导。这种专题讲座的教学形式极大地调动了学生们的学习积极性, 受到了学生们的普遍好评。
另一方面, 在课堂教学之外, 根据课程的进度, 由授课教师提供神经科学领域最新英文文献, 指定学生几人一组, 经过个人阅读和小组讨论, 最终总结成PPT, 由一名学生进行汇报, 并根据汇报情况进行打分, 作为平时成绩。通过这种形式, 让学生在掌握所学知识的基础上, 主动学习知识, 开拓视野, 提高学习兴趣, 学习科学的思维方法。经过一个学期试行的效果来看, 学生的分析问题和解决问题的能力大大提高, 口头表达的能力也大大进步。
参考文献
[1]中文版:神经科学-探索脑[M].第2版.王建军, 主译.北京:高等教育出版社, 2004.
神经生物学 篇8
神经生物学是一门从分子、细胞和整体水平研究神经系统的结构、功能与发育的综合学科, 涵盖神经解剖学、神经生理学、神经药理学、免疫学、细胞生物学、分子生物学、临床神经病学、精神病学等多门学科。学习神经生物学不但能使学生掌握和了解神经系统基本的结构和功能, 神经科学领域的发展历史、动态及前沿, 而且能够使学生了解生命科学领域常用和先进的研究方法, 对学生将来的科研和临床工作都有很大帮助。也正是因为神经生物学的高度综合性及其对生命科学各方面知识的广泛覆盖性, 使得本门课程令学生“心存敬畏”, 按章节死记硬背, 突击复习考试后便忘于脑后, 学生学习到的仅仅是知识的片段, 而不能将知识有效地融会贯通并真正地消化吸收。从一开始就注重在神经生物学教学中对学生科学素质的培养, 并将其成果应用、反馈于神经生物学的学习、实践, 这对学生和教师都具有挑战性, 也正是掌握神经科学理论知识及实验技能的关键。
2 实验教学在神经生物学教学中举足轻重
神经生物学是一门以实验为主的自然学科, 每次突破性的飞跃发展都是基于科学检测技术的完善和发展[1]。20世纪初, Golgi利用重铬酸钾-硝酸银浸染法染色, 第一次在显微镜下观察到了神经细胞和神经胶质细胞, 这为神经科学的研究提供了最为基本的组织学方法。Cajal在此基础上改良并发明了还原硝酸银染色法, 此法可显示神经纤维的微细结构, 从而使复杂的神经系统有了进一步研究的切入点, 为神经科学的进一步发展开创了新纪元。为此, 他们两人获得了1906年诺贝尔生理学或医学奖。在此之后, 微电极记录技术、膜片钳技术、无创伤脑成像技术等新兴科技手段的发明和发展, 无一不在神经生物学的进展中扮演了不可或缺的重要角色。
首都医科大学是国内较早形成、建立神经生物学学科的学校, 1999年在国内率先为本科生开设了神经生物学课程。医学是以实验为基础的自然科学, 科学实验是学生将所学理论知识由感性向理性升华的重要途径, 在积累总结了几年教学经验的基础上, 2006年, 我校探索性地在七年制神经生物学教学中开设了实验课程——神经束路示踪技术, 取得了良好的教学效果[1]。神经束路示踪技术是在神经系统特殊结构的基础上, 区别于其他学科的独有检测方法, 贯穿于神经科学发展的始终。我们选择这一经典实验作为神经生物学实验课的授课内容, 不仅使学生掌握了轴浆运输这一神经元的生理特性, 而且复习了神经解剖中舌下神经核的逆向通路, 普及了实验动物学中最基本的实验操作, 使学生初步领略了神经生物学的学科魅力。
3 神经生物学实验教学中科学素质培养的几个要素
神经生物学涉及的方面远非一两次实验课程所能包含, 然而在实际的神经科学研究及实验教学中, 受到课时及条件的限制, 授课内容及形式只能尽量精炼及简化。综合了几年来的切身感受, 笔者深深感受到实验教学对医学生科学素质培养的重要性, 需要加以重视。
3.1 要始终以尊重生命为前提
作为一名医学生, 所做的一切实验操作都是以日后更好地服务于患者为前提的科学研究, 不管是解剖课的实践操作还是动物实验, 我们都要心怀对生命的尊重和敬畏, 珍惜标本和模型。国内学生在这方面的意识相对薄弱, 在实验课中看到的极个别粗暴操作虽然被及时制止并纠正, 但是这种行为背后隐藏的无知令人痛心。开展实验之前, 要认真而科学地设计实验, 计算实验组别及实验动物、标本, 让所有实验动物、标本都能充分实现价值。实验操作中, 要遵守伦理相关的管理条例, 最大限度地减少实验动物的痛苦, 避免不必要的动物损失。
3.2 要始终以实事求是为根本
科学是为了求真, 容不得半点虚假。在书写实验记录或者实验报告的时候、在整理数据分析结果的时候, 不能弄虚作假。实验课中, 有时实验结果并不理想, 我们鼓励学生如实记录下自己观察的实验结果, 同时要求其分析出现阴性结果的原因, 它可能存在于实验过程的每一个环节。学生的分析能力和想像力是远超我们想像的, 虽然有的理由让人哭笑不得, 但是能从中体会他们的用心, 这正是孕育力求突破、开拓创新萌芽的土壤, 也正是我们开设实验课的初衷。
3.3 统一培训, 个别指导
实验课的开展是配合理论课程教会学生最基本的共性实验操作, 但是由于受到课时、实验资源等的限制, 学生需要分组协作, 共同完成实验, 并获得最终的实验结果。因此, 并不能保证每位学生有均等的动手机会, 也无法对每位学生的实验操作能力做出准确评价。但在这个过程中, 可以培养学生的团队协作精神。在分工日益细化的今天, 团队合作是必然的趋势, 在统一培训中培养学生的团队合作精神对他们未来的发展至关重要。
开展科学研究时, 自身过硬的实验操作技能将成为影响全局的重要环节, 不容有失。因此, 在加入科研团队开展工作之前, 必须再次进行个性化专业培训, 这里的培训并非“学徒式”传承, “学徒式”传承虽然可以在某些具体细节上发挥重要作用, 且“学徒式”传承是书本上学不来的经验, 但是对于初学者而言, 必须经过全程的系统培训, 培训者应该是在某领域掌握该技术的教师或者技术员。这种培训要打破学科、科室限制, 且要对每位学生考核, 达标后才可正式参与科研, 才能保证每位学生掌握的是最标准的操作。神经生物学的样本量所占比例相对较小, 而脑区的划分最精细、未知功能最多, 因此, 神经生物学专业的学生技术掌握要更加全面。针对日后的研究方向, 要有进一步的个性化指导, 比如某种神经系统疾病模型的制备等。
实验教学是学生获取感性认识重要的途径, 是培养优秀科研品质与科学素养的必经之路, 不能简单应付了事。医学生区别于其他生命学科专业学生的是:他们未来面对的是鲜活的生命, 拥有专业的知识、严密的逻辑、冷静的判断还不够, 还需要有熟练稳定的动手能力、科学的分析研究, 这样才能最大限度地服务、造福于患者。
参考文献
神经生物学 篇9
图像倾斜是生物芯片样点图像的一种很常见的缺陷。一般情况下,倾斜角度都不大,但是由于芯片上包含数量巨大的微小样点,很小的倾斜都可能造成后续算法无法精确定位各个样点。为此一些学者提出了自动倾斜校正算法[1,2,3],这些办法能够准确地搜寻出图像倾斜角。但它们都不是针对实时处理而设计,因此运算速度都比较低。
实时分析是生物芯片信息处理的研究趋势。P.Arena等提出了运用细胞神经网络(CNN)的生物芯片图像处理方法[4],初步实现了实时生物芯片图像处理,但不能处理倾斜的样点图像。文献[5]设计了一种基于CNN的图像倾斜校正算法,但其中只能针对上下边缘特征比较明显的图像,无法运用于生物芯片样点图像倾斜校正。
本文基于CNN设计了具有一定程度的通用性的倾斜校正算法,目的是快速准确地检测生物芯片样点图像倾斜角。
2 细胞神经网络(CNN)简介
细胞神经网络(CNN)是1988年由L.O.Chua(蔡少堂)和L.Yang(杨林)提出的一种神经网络模型[6,7],其结构相比其他神经网络模型更容易制作成为大规模集成电路,现在已经有了成熟的商用芯片。CNN用于图像处理时,由于其并行处理模拟信号的方式,速度远高于基于微处理器的算法。其最主要的应用领域便是视频图像实时处理。
典型的细胞神经网络是二维阵列,每个细胞只与邻近细胞相连,连接权值称为模板,决定了整个网络的运行规则。做图像处理时,将图像输入CNN阵列,再加入某特定功能的模板,最终输出结果图像。关于CNN的详细介绍可以参考文献[6,7]。
目前已研究出许多CNN模板,例如CSL CNN software library[8]集中了众多学者的研究成果,运用各种模板作为序列使用可以构建为功能复杂的CNN算法,算法中还可以加入自行设计的模板。
3 倾斜校正算法设计
3.1 算法设计思路
对生物芯片样点图像进行分析,最终必须将样点的强度作为数据输出。采用CNN可以达到极高的处理速度,但是其输出结果却是模拟信号,因此,若要制成生物芯片信息分析系统,必须用CNN与微处理器协同工作。首先用CNN完成繁杂的图像处理任务,再输入微处理器进一步处理,最终输出所需要的数据。CNN输出的图像必须具有简单概括的特点,以便于设计快速的后续处理算法,这样才能让CNN与微处理器的运算同步进行。
倾斜校正的关键是找到图像倾斜角度。Hough变换是探测倾斜角度的常用方法,但是其运算量大,运算消耗的资源多,很难用于视频图像实时处理。但若对有限的离散点进行Hough变换却可以达到很高的速度。本文算法就是首先利用CNN的高速性能求得各个样点的中心点,然后对各中心点进行Hough变换,再运用方差来寻求倾斜角,最后采用CNN灰度图像旋转模板对每帧图像进行倾斜校正。
3.2 算法步骤
第一步:去除噪声。参照文献[4]以及CNN模板库[8],发现分别采用中值滤波(Median)、扩散(Diffus)和逆扩散(D_aniso)三个模板可以良好地消除噪声。
第二步:寻求样点中心。运用阈值(Threshold)模板将图像二值化,然后运用中心(Center)模板求得各个样点的中心。
第三步:对各个样点中心进行Hough变换。
芯片样点都是排列在二维网格上的,每一行样点中心大致处于一条直线上,只要探测出这些直线的倾斜角度,便得到了整幅图像的倾斜角。对于图2右图,容易得到全部n个样点中心的坐标:
然后,对其中每一个坐标做霍夫变换:
每一个坐标对应一个表达式,也即对应一条正弦曲线。将这些曲线显示再同一张图中,如图3左图。根据霍夫变换检测直线的原理[9],这些曲线集中的位置对应的角度就表示了整幅图像的倾斜角,如图3左图中位置1所示,对应的倾斜角度为-3°。
第四步:运用方差寻求倾斜角度。
用Hough变换寻求倾斜角,通常是对Hough变换后的图像寻求极大值位置。但我们只是对有限点进行Hough变换,变换结果的极值特征很不明显,并且为了避免图像清晰度对于计算精度的制约,Hough变换后保留曲线方程的表达形式,不生成灰度图像,导致无法使用寻求极值的方法。因此,我们设计了以下运用方差的方法来求得倾斜角。
在图3(a)中寻求位置1,直观上看即是寻求某个θ下曲线最集中,例如图3(a)中曲线在1位置比2位置更加集中。通过试验发现,可以用相邻曲线距离的方差来衡量曲线集中程度。首先选定某θ角,将式(1)中每个坐标带入式(2),得到每个坐标对应的ρ值,并按照ρ从小到大排列得:
然后求出以上序列的相邻元素的差值si(θ)=ρi+1(θ)-ρi(θ),i=,1,2n-1,得:
如图3(b)所示(为了便于说明,将左图放大并截取虚线方框中的部分显示),在θ处作一竖线,则与每条曲线相交,从上至下,相邻交点的距离即排列为数组S,其实质是序列R的一阶差分。然后,求数组S的方差:
其中:mid(s(θ))为数组(4)的均值。在一定的θ角范围内,可以求得D2(θ)最大值,其对应的角度θ便是图像的倾斜角。如图3中位置1对应的D2(θ)最大,则倾斜角度为-3o。
第五步:根据求得的倾斜角度对每帧图像进行倾斜校正。只需要求得一帧图像的倾斜角,便可以据此对每一帧图像进行图像旋转,可以采用文献[10]提出的一种CNN灰度图像旋转模板来实现,如图4所示。另一种更便捷的做法是采用机械调整来旋转芯片,这需要在硬件系统中加入自动机械调整功能。
4 试验与分析
4.1 算法精度测试
我们采用四种幅面的样点图像来测试算法准确性,方法是将原图倾斜多个指定角度θ,范围为-3°≤θ≤3°,将算法测得倾斜角与实际倾斜角度的差值求出,并取平均值,结果如表1。
样点越多,对倾斜校正的精度要求也越高。而以上测试结果恰好表明,算法的精度与样点阵列规模成正比,则对于任何幅面的图像,算法都能得到符合精度要求的倾斜角。
4.2 算法速度估算与测试
首先介绍CNN算法的运算时间估算方法。CNN芯片的运算是通过模板周期迭代而进行的[6],设模板进行一次迭代运算的时间为τ,对于灰度图像和二值图像的运算τ不相同,算法中每个模板都有其迭代次数T,并且对于大于CNN芯片的图像,需要将图像分解为不大于芯片胞元阵列的子图像分别进行处理,设图像分解为c块,那么,整套算法的运算时间为:
式中:下标tem表示算法中特定的模板,求和符表示对算法中所有模板进行求和。τtem可以根据实际芯片的参数确定。本文选用具有代表性的细胞神经网络芯片ACE4K来估算速度。ACE4K芯片单位运算速度为98M(XPS/cell),其灰度运算符分辨力为8 bit,二值图像运算分辨力为1 bit,则对于灰度运算,单次模板迭代时间为τtem=8(bit)/98M(XPS/cell)=81 ns,对于二值运算,单次模板迭代时间为τtem=1(bit)/98M(XPS/cell)=10 ns。参数Ttem则根据具体算法的设定而确定,参数c则根据处理图像的大小而确定。本文选用斯坦福公共基因数据库(http://genome-www5.stanford.edu/)中的样点图像用于测试,图像规格为:尺寸1 916 pixel×5564pixel,样点数120 spots×360 spots,倾斜角度:0.3o,因为图像尺寸1 916 pixel×5 564pixel远大于芯片可用胞元阵列规格63×63,则需要将图像分割为c=(1 916/63)×(5 564/63),即2 685块子图像分别处理。
算法前两步用CNN模拟仿真软件CNN Visual Mouse Platform测试,通过编写CNN专用程序语言Alpha Code实现[11]。根据算法调试得到的模板迭代次数,采用上述的运算时间估算方法,可得对整幅图像进行处理的总时间为22.5 ms。算法三四步用微处理器实现,计算机配置为CPU intel celeron 2.13 GHz,RAM 504Mb。测得时间为0.81 s。计算倾斜角时间为前四步的总和,为0.83 s。虽然实时处理需要对每一帧图像进行校正,但由于只需要计算一次倾斜角度,则0.83 s的处理时间能满足芯片信息实时分析的要求。
之后对每一帧图像进行倾斜校正,采用CNN灰度图像旋转模板,其模板迭代次数与图像大小和旋转角度成正比,以每幅子图像中心作为旋转基点,旋转0.3o倾斜总时间约为4 ms。
我们在本文所述的硬件条件下测试了文献[2]的算法,搜寻倾斜角与图像旋转的总耗时95 s。其算法需要对所有象素做运算,而本文算法只对各个样点的中心做运算。对于选用的试验图,图像大小为1 916 pixel×5 564 pixel,而样点数只有120×360,则计算量减少到原图的(120×360)/(1916×5564)=1/246.77。这正体现了本文算法的思想,利用CNN芯片的高速性能提取样点中心,大幅度减少了Hough变换的运算量。
4.3 倾斜校正对于识别率的提升
为了测试倾斜校正算法对于样点识别的作用,我们参考文献[4]的思想设计了两套样点识别算法,两种算法的区别仅仅在于是否引入了倾斜校正。我们用一幅倾斜2o的图像做测试,比较两套算法的效果。由于倾斜的影响,两次结果将出现差别,如图5所示。没有倾斜校正的情况下,一些强样点被错误的辨别为阴性,如图5(b),原图右上角的样点被判为阴性,而采用倾斜校正后便得到正确的结果,如图5(c)。并且还发现,样点阵列规模越大,倾斜对结果的影响也越大,对于一幅120×360样点的图像,0.01o的倾斜都有可能造成错误的结果,因而对校正精度的要求也很高。
5 结论
为了满足生物芯片信息实时分析的要求,需要有高速的倾斜校正算法。本文算法有以下特色:1)运用细胞神经网络提取样点中心,大幅减小Hough变换运算量;2)针对离散点Hough变换后的极值特征不明显,设计了用方差来寻求倾斜角的方法。试验以及估算结果显示,算法精度高,能提高样点识别正确率,最重要的功效在于其速度远超过以往采用的算法,适用于生物芯片信息实时分析系统。
参考文献
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神经生物学 篇10
近年来,自动引导小车(automatic guided vehicle,AGV)作为轮式移动机器人的一种,逐渐发挥着越来越重要的作用,其轨迹跟踪问题也越来越受到人们的关注。围绕轨迹跟踪问题,国内外学者作了大量的研究工作。现有的轨迹跟踪控制方法主要分为如下几种:线性控制方法;包括滑模控制方法、反演控制方法等在内的非线性控制方法[1,2,3];自适应控制方法[4];包括神经网络控制、模糊控制等计算机软件控制在内的智能控制方法。其中,反演控制方法由于其算法稳定、操作简单,成为当今应用最普遍的方法之一。但是当AGV存在初始位姿误差或AGV的参考轨迹不连续时,传统的控制方法会产生一个较大的初始速度跳变,而这在现实中是不可实现的。另外,很多控制方法都是在理想速度成立的假设基础上进行的,所以当进行实际轨迹跟踪时,小车会产生较大的跟踪误差且鲁棒性不够理想。
虽然神经网络已经广泛应用于各种控制领域,但所研究的神经网络主要还是属于统计物理学范畴,对微观的生物神经动力学的研究还很少。因此,设计具有“激励-抑制性突触后电位”动力学方程的神经元模型对研究神经元的动态特性和信息处理功能等都有重要意义。Hodgkin等[5]提出了著名的生物神经系统细胞膜薄膜模型(H-H模型)。Grossberg[6]在H-H模型的基础上提出了一类神经动力学模型——分流模型(shunting model),该模型因具有结构简单、输出光滑稳定、增益自调节等特点而受到关注。随后,Yang等[7]提出了一种基于shunting model的生物激励动态神经网络,该神经网络已被应用在机器人虚拟装配、路径规划、轨迹跟踪等方面。
笔者受门限偶极子神经元模型[8]启发,在运动学模型下考虑小车存在的初始位姿误差,利用反演技术思想,结合快速终端滑模控制方法,设计一种新型的基于生物激励神经动力学的移动小车轨迹跟踪控制算法。
1 AGV模型和门限偶极子模型
1.1AGV模型
以具有非完整约束的三轮AGV为控制对象,AGV的前轮既是转向轮又是驱动轮,其结构如图1所示。
假设AGV的当前实际位姿pc=[x y θ]T,任意给定的参考位姿pr=[xryrθr]T,位姿误差e=[xeyeθe]T,当前实际速度qc=[v ω]T,参考速度qr=[vrωr]T,其中vr为参考线速度,ωr为参考角速度。AGV的运动学方程为
式中,S为Jacobian矩阵。
AGV在图1坐标系内描述的位姿误差e为
其中,T为坐标转换矩阵,通过它可把笛卡尔坐标系的速度转换成AGV坐标系的速度。AGV位姿误差微分方程为
1.2门限偶极子模型
门限偶极子模型如图2所示,它由on、o f f两个相反信道组成。on信道接收来自目标神经元和邻居神经元的激励输入信号J;o f f信道接收来自障碍物的抑制输入信号K。两信道同时受唤醒输入信号I影响。J和K分别为
其中,M为与第i个神经元相邻的神经元的个数;Ii为第i个神经元的外部输入信号;E≫B,E是远大于上限B的正常数。线性超阈值函数[xj]+=max{xj,0},[xj]-=max{-xj,0),wi j为第i、j个神经元间的连接权重,是距离的递减函数,其表达式为
式中,dij为第i、j个神经元间空间位置的欧氏距离;μ和r0为正常数。
神经网络中第i个神经元的动态特性为
dxi(t)/dt=-Axi(t)+(B-xi(t))(1+
J)zon(t)-(D+xi(t))(1+K)zoff(t) (4)
式中,A为被动衰减率;B、D分别为第i个神经元xi活动状态的上下限;参数A、B、D均为正常数。
变送器zon(t)和zoff(t)的动态特性为
dzon(t)/dt=α(β-zon(t))-γ(1+J)zon(t) (5)
dzo f f(t)/dt=α(β-zo f f(t))-γ(1+K)zo f f(t) (6)
式中,α、β分别为变送器的生成速率和衰减速率;γ为变送器总量;α、β、γ均为正常数。
为了进一步认识此模型,下面对它的输出光滑特性进行简略分析。设第i个神经元初始状态xi=0,当0<t≤4时,抑制信号输入K=0;当4<t<8时,激励信号输入J=0。取参数A=5,B=D=2。在不同激励和抑制输入信号下,神经元的状态输出动态变化过程如图3所示。由图3可知,在参数A、B、D确定的情况下,输出信号的动态响应主要和激励输入J及抑制输入K有关,输出信号的幅值随着输入信号增大而增大,但并非呈线性关系。而且由图3可知,不管输入信号如何取值,神经元的状态输出总是位于有界区域[-D,B]内,即状态输出信号是光滑且有界的。因此,此模型具有稳定、输出光滑有界等优良特性,能有效抑制信号的突变。经过该模型滤波后的信号比较柔和,可明显改善控制器的鲁棒性。
2 基于神经动力学的控制器算法设计
路径跟踪控制的核心思想是:由路径规划算法给出AGV系统的参考位姿pr和参考速度qr。参考位姿pr与系统反馈得到的AGV实际位姿pc进行比较可以得到AGV全局位姿误差矢量,经过变换矩阵T转换得到局部位姿误差矢量e。位姿误差xe、ye通过神经动力学系统进行修正,输出相应的两个虚拟控制量σx、σy,它们和参考速度qr一起作为路径跟踪运动学控制器的输入,控制输出AGV的理想速度qd=[vdωd]T。qd进入神经动力学系统进行处理后,再通过一个滑模控制器来提高AGV小车轨迹跟踪控制的精度,实现全局渐进稳定。控制器的实质其实就是寻找控制律[v ω]T,使系统在该控制输入作用下对任意初始误差均可使系统误差e=[xeyeθe]T有界且
2.1运动学控制器
对式(3)构造Lyapunov函数
V=(x
式中,k2为正常数。
对V求时间导数可得
式中,k1、k3为正常数。
将式(9)代入式(8)可得
2.2神经动力学系统
全局跟踪误差e的突变是导致AGV产生速度跳变的主要原因,在局部坐标系的X、Y方向上的位姿误差xe、ye突变对AGV的速度跳变影响非常大。受门限偶极子模型启发,我们可以设计虚拟控制量σx如下:
同理,设计虚拟控制量σy如下:
式中,σx、σy分别为跟踪控制器的速度分量。
由动力特性可知σx、σy均是光滑的时间函数。用上述设计的虚拟控制量σx、σy分别取代式(9)中的xe、ye,这样一来,用σx、σy即可解决速度跳变问题。综上,结合门限偶极子神经动力学思想的理想速度算法改进为
2.3快速终端滑模控制器
对于上面已经得到的理想速度
构造Lyapunov函数V′:
对V′求时间导数可得
定义加速度[u1u2]T为当前实际速度的微分,作为系统的另一个虚拟控制量。假定
α′=kα′I,β′=kβ′I
式中,kα′、kβ′为正常数;p、q为正的奇数,且q<p<2q。
速度误差的微分为
对式(16)进行微分可得
应用快速终端滑模思想,定义滑模面s=[s1s2]T为
将式(20)代入式(23)可得s=[s1s2]T=0,根据快速终端滑模原理,速度误差[eveω]T将在有限时间ts=max(tx,ty)内收敛,其中
将式(21)代入式(19)可得
由式(25)可知系统误差[xeyeθeeveω]T一致有界。又由Barbalat引理和快速终端滑模原理可知,当t趋近于ts时,
由于k1、k2、k3均是正常数,vr作为参考速度在本文也被定义成是非负数,因此由式(26)可知
最后,我们可以得到移动机器人的实际速度:
3 仿真研究
为了验证控制算法的正确性和有效性,在MATLAB环境下编程,用本文所设计的基于神经动力学思想的控制律对AGV进行仿真试验。控制器的参数取为k1=k2=k3=4,A=5,B=18,D=18,α=4,β=4,γ=1,kα′=kβ′=5,q=3,p=5。参考速度取vr=1.0m/s,ωr=1.0rad/s,即参考轨迹为圆弧运动。AGV小车初始值取为xr(0)=0,yr(0)=0,θr(0)=0,x(0)=0,y(0)=0.5m,θ(0)=0.5rad。仿真结果如图5所示。
初始速度跳变问题往往会被研究者忽视。在常规的轨迹跟踪控制器作用下,控制系统往往会出现初速度跳变的情况,即当t=0时,AGV的速度往往会突变到一个很大的值,而这在现实系统中是不可实现的。本文的控制算法有效地弥补了这一缺点,从图5可以看出,利用本文设计的基于生物激励神经动力学系统的轨迹跟踪控制律进行跟踪控制,跟踪路径平滑、跟踪快、速度平稳。由图5c和图5d可以看出,用此控制律去跟踪小车可有效减小初始速度的跳变,小车的输出有界、柔和,从而能实现安全有效的控制。仿真结果显示了此算法的有效性和正确性。
4 结论
(1)以三轮AGV为研究对象,结合反演控制方法、滑模控制方法以及神经动力学思想,设计了一种基于神经动力学的移动小车轨迹跟踪控制器。
(2)通过仿真发现,利用本算法建立的控制模型,在解决了理想速度的假设问题的同时,也很好地解决了跟踪过程中出现的初始速度跳变问题,系统全局渐进稳定。仿真结果证明了控制算法的有效性和正确性。
(3)下一步研究的重点是如何进行参数最优化,包括神经动力学系统的参数优化和传统跟踪控制器的参数优化,从而设计出具有最优性能的控制器。
摘要：提出了一种基于门限偶极子生物神经元模型和快速终端滑模控制策略的轨迹跟踪控制算法,使AGV在存在初始速度跳变的情况下能顺利实现小车的轨迹跟踪控制。首先由运动学控制器产生一个理想控制律,接着利用神经动力学思想解决初始速度跳变问题,最后用快速终端滑模控制器进一步提高跟踪精度。该控制器的输出有界且光滑,整个控制系统全局快速渐进稳定。计算机仿真结果验证了该控制器的有效性。
关键词：AGV,神经动力学,滑模控制,反演技术,轨迹跟踪
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