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神經科學的歷史

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從古埃及的木乃伊到 18 世紀對「球體」和神經元的科學研究，神經科學相關的實踐貫穿了歷史。然而早期文明缺乏足夠的手段來獲取有關人類大腦的知識。因此，他們對心智內部運作的假設並不準確。早期關於大腦功能的觀點認為它是一種「顱內填充物」。從古埃及的中央王國晚期開始，古埃及人為了準備木乃伊而經常切除大腦大腦，這是因為心臟被認為是智力的所在地而不是大腦。古希臘作家希羅多德描述製作木乃伊的第一步為：「最完美的做法是用鐵鈎儘可能多地提取大腦，而鐵鈎無法觸及的部分則與藥物混合。」在接下來的五千年裏，這種觀點發生了逆轉。大腦現在被認為是智力的所在地，儘管如「用心」等詞彙仍常見於日常使用當中。

古代

埃德溫·史密斯紙莎草紙中表示大腦或頭骨的象形文字。

最早對大腦的提及出現在寫於公元前 17 世紀的艾德溫·史密斯紙草文稿中。[1] [2]這張莎草紙中出現了八次代表大腦的象形文字，描述了兩名頭部受傷、顱骨骨折患者的症狀、診斷和預後。紙莎草的作者（一名戰地外科醫生）的評估暗示古埃及人對頭部創傷的影響有着模糊的認知。雖然這份文稿對這些症狀的進行了詳細的描述，然而卻也同時顯示出了古埃及人缺乏這些病症的醫學先例。這篇文章的作者注意到了「裸露的大腦的脈動」，並將大腦表面與銅渣的波紋表面進行了比較（雙方都具有回溝紋路）。作者除了發現損傷的偏側性與症狀的偏側性有關以外還描述了頭部受傷後的失語（「他不和你說話」）和癲癇發作（「他極度顫抖」）。古代文明對人類大腦的觀察僅有着對基本機制和頭部安全重要性的理解。此外，考慮到那時有關人體解剖學的醫學實踐普遍基於神話和迷信，戰場外科醫生的思想似乎主要基於邏輯推論和簡單觀察。

在古希臘，人們對大腦的興趣始於克羅頓的阿爾克邁翁的工作，他似乎已經解剖了眼睛並將大腦與視覺聯繫起來。他還提出大腦才是支配身體的器官（斯多葛學派稱之為霸權），感覺依賴於大腦，而不是心臟。阿爾克梅翁相信大腦合成感覺的能力使它也是記憶和思想的所在地。 [2] 關於霸權的爭論在古希臘哲學家和醫生之間持續了很長時間。在公元前 4 世紀，亞里士多德認為心臟是智力的所在地，而大腦則負責血液的冷卻機制。他推斷人類比野獸更理性的原因之一是人類有更大的大腦來冷卻他們的血液。 [3]另一方面，在希臘化時期，亞歷山大港的希羅菲盧斯和埃拉西斯特拉圖斯從事涉及到解剖人體的研究，並為大腦的首要地位提供了證據。他們確定了大腦和小腦之間的區別，並辨認了腦室和硬腦膜。他們大部分的作品現在都丟失了，如今我們主要通過二手資料來了解他們的成就。他們的一些發現在他們死後一千年才被重新發現。 [2]

在羅馬帝國時期，希臘醫生和哲學家蓋倫解剖了牛、巴巴里獼猴、豬和其他非人類哺乳動物的大腦。他的結論是，小腦比大腦更密集並控制肌肉，而大腦是柔軟的並且是處理感官的地方。蓋倫進一步推測，大腦的功能是由動物靈魂通過腦室進行運動而實現的。他還注意到特定的脊神經控制特定的肌肉，並提出了肌肉相互作用的概念。只有到了 19 世紀，弗朗索瓦·馬讓迪和查爾斯·貝爾對脊柱功能的理解才超越了蓋倫的理解。 [2] [3]

中世紀到現代早期

中世紀的伊斯蘭醫學專注於身心如何相互作用和強調了解心理健康的必要性。大約在公元1000年左右，生活在安達盧斯的宰赫拉威對神經疾病患者進行了評估，並對頭部受傷、顱骨骨折、脊柱損傷、腦積水、硬膜下積液和頭痛等疾病進行了手術治療。 [4]在波斯，伊本·西那(Ibn-Sina) 介紹了有關顱骨骨折及其手術治療的詳細知識， [5]阿維森納還發現了小腦蚓部和尾狀核。這兩個術語今天仍在現代神經解剖學中使用。他也是第一個將精神缺陷與大腦中腦室或額葉缺陷聯繫起來的人。 [6]活躍於中世紀穆斯林世界的宰赫拉威、伊本·魯世德、 伊本·蘇爾和邁蒙尼德也描述了一些與大腦有關的醫學問題。

在 13 世紀和 14 世紀之間，Mondino de Luzzi和Guido da Vigevano撰寫了歐洲第一本解剖學教科書，其中包括了對大腦的描述。 [7] [8]

文藝復興時期

達文西的人類頭骨素描之一

安德雷亞斯·維薩里對蓋倫式的解剖學觀點提出了質疑。 維薩里在解剖過程中觀察到了大腦和其他神經系統的許多結構特徵。 [9]除了記錄殼核和胼胝體等許多解剖學特徵外，維薩里還提出大腦由七對腦神經組成，每對都有專門的功能。其他同時代的學者也通過提供他們自己的研究來推進維薩里的工作。

科學革命

17世紀，勒內·笛卡爾研究了大腦的生理機制，並提出了二元論來解決大腦與心智關係的問題。在記錄了負責循環腦脊液的大腦機制後，他提出了松果體是大腦與身體相互作用的地方這一觀點。 揚·斯瓦默丹將被切斷的青蛙大腿肌肉放入密封注射器中，在注射器的尖端裝入少量的水，當他通過刺激神經使肌肉收縮時，注射器內的水位並沒有上升反而微量地降低了，這個研究反駁了當年盛行一時的氣球理論（肌肉通過充氣來進行運動）。行為基於刺激的想法的出現對於日後的神經刺激導致運動的理論具有重要的意義。 [10]托馬斯·威利斯研究了大腦、神經和行為，以開發神經系統治療。他詳細描述了腦幹、小腦、腦室和大腦半球的結構。

現代時期

主條目：神經科學

18 世紀下半葉， 路易吉·伽伐尼 、 Lucia Galeazzi Galvani和Giovanni Aldini在解剖青蛙中首次觀察到了電在神經中的作用。 1811 年， 塞薩爾·朱利安·讓·法洛伊斯首次定義了大腦區域的特定功能。他通過研究動物解剖學和病變來學習呼吸的機制，並在延髓中發現了呼吸功能的中心。 [11] 1811年至1824年間，查爾斯·貝爾和弗朗索瓦·馬讓迪通過解剖和活體解剖發現，脊柱的腹根傳遞運動衝動，而後根接受感覺輸入（貝爾-馬讓迪定律）。 [12]在 1820 年代， Jean Pierre Flourens開創了在動物中進行局部大腦損傷的實驗方法，並描述了大腦損傷對運動、感知和行為的影響。在19世紀中葉，埃米爾·杜布瓦-雷蒙、約翰內斯·彼得·繆勒和赫爾曼·馮·亥姆霍茲表明神經元是電興奮的，並且它們的活動能夠可預測地影響相鄰神經元的電狀態。 [13]

1848年，約翰·馬丁·哈洛 ( John Martyn Harlow ) 描述了菲尼亞斯·蓋奇的病歷。菲尼亞斯·蓋奇的額葉在一次爆炸事故中被一根鐵搗棒刺穿，在這之後科研人員通過他來研究了前額葉皮層與執行功能之間的聯繫。 [14] 1861年，保羅·布羅卡聽說Bicêtre醫院的一名患者患有進行性語言喪失和癱瘓，但既沒有喪失理解力，也沒有喪失精神功能。布羅卡進行了屍檢，確定患者左側大腦半球的額葉有病變。布羅卡在 1865 年發表了他對 12 名患者的屍檢結果。他的工作啟發了其他人進行仔細的屍檢，目的是將更多的大腦區域與感覺和運動功能聯繫起來。另一位法國神經學家馬克·達克斯（Marc Dax）早在一代人之前也做過類似的觀察。 [15] 布羅卡的假設得到了Gustav Fritsch和Eduard Hitzig的研究的支持，他們在 1870 年發現用電流對運動皮層進行刺激會導致狗身體特定部位不自主地進行肌肉收縮。約翰·休林·傑克遜對癲癇患者的觀察支持了Gustav Fritsch和Eduard Hitzig的發現，傑克遜在 1870 年代通過觀察全身癲癇發作的進程來推斷出運動皮層的組織。 卡爾·韋尼克進一步發展了特定大腦結構為了語言理解和生產而專業化的理論。理查德·卡頓在 1875 年提出了他關於兔子和猴子大腦半球電現象的發現。 1878 年， Hermann Munk在狗和猴子身上發現視覺功能位於枕葉皮質區域， [16] 大衛·費里爾於 1881 年發現聽覺功能位於顳上回， 哈維·庫興於 1909 年發現觸覺功能位於中央後回。 [17]現代研究仍然使用科比尼安·布洛德曼的解剖學定義以區分在執行不同任務時會被激活的不同皮質區域。 [15]

對大腦的研究在顯微鏡被發明和卡米洛·高爾基於 1890 年開發出了更優秀的染色技術之後變得更加複雜，。高爾基的染色技術使用鉻酸銀鹽來揭示單個神經元的複雜結構。他的技術被聖地亞哥·拉蒙-卡哈爾使用並導致了神經元學說的形成，即大腦的功能單位是神經元的假說。高爾基和拉蒙·卡哈爾因對整個大腦神經元的廣泛觀察、描述和分類而於 1906 年分享了諾貝爾生理學或醫學獎。神經元學說的假設得到了 Galvani 在肌肉和神經元電興奮性方面的實驗的支持。 1898 年，英國科學家約翰紐·波特·蘭利首先創造了「自主」一詞，用於對神經纖維與周圍神經細胞的連接進行分類。 [18]蘭利被稱為化學受體理論之父之一，他的研究也是「受體物質」概念的起源。 [19] [20]十九世紀末，弗朗西斯·戈奇（ Francis Gotch ）對神經系統功能進行了實驗。 1899 年，他描述了發生在動作電位之間的「不興奮」或「不應期」。他的主要關注點是神經相互作用如何影響肌肉和眼睛。 [21]

Heinrich Obersteiner於 1887 年創立了「中樞神經系統解剖學和生理學研究所」，後來被稱為維也納醫科大學的神經學或 Obersteiner 研究所。它是世界上最早的大腦研究機構之一。他研究了小腦皮層，描述了Redlich-Obersteiner 區，並於 1888 年撰寫了第一本關於神經解剖學的書籍。研究前庭器官生理學和病理學的羅伯特·巴拉尼於1900年從該學校畢業。 Obersteiner 後來被Otto Marburg取代。 [22]

二十世紀

自二十世紀之後神經科學開始被認為是一門獨立的統一學科。

伊萬·巴甫洛夫對神經生理學的許多領域做出了貢獻。他的大部分工作涉及氣質、條件反射和非自願反射動作的研究。 1891年，巴甫洛夫應邀到聖彼得堡實驗醫學研究所組織和指導生理學系。 [23]經過 12 年的研究，他於 1897 年出版了《消化腺的工作》 。他的實驗為他贏得了 1904 年的諾貝爾生理學和醫學獎。在同一時期，弗拉基米爾·別赫捷列夫發現了 15 種新的條件反射，並以與巴甫洛夫在條件反射研究方面的競爭而聞名。 1907 年，他在聖彼得堡國立醫學院創立了心理神經學研究所，並與Alexandre Dogiel一起工作。在研究所，他試圖建立一種跨越多學科的大腦探索方法。 [24]俄羅斯莫斯科高等神經活動研究所成立於1950年7月14日。

查爾斯·斯科特·謝靈頓的工作主要集中在條件反射上，他發現了運動單位。謝靈頓因證明反射需要整合激活和肌肉的相互神經支配（謝靈頓定律）而獲得諾貝爾獎。 [25] [26] [27] 謝靈頓還與Thomas Graham Brown合作，後者於 1911 年第一個提出了關於中央模式發生器的想法。布朗認識到，基本的踏步模式可以由脊髓產生，而不需要來自皮層的命令。 [28] [29]

乙酰膽鹼是第一個被發現的神經遞質。 1915 年， 亨利·哈利特·戴爾首次發現了它對心臟組織的作用。它在 1921 年被格拉茨的奧托·勒維證實為一種神經遞質。

顯示動作電位的閾值的圖表。

二十世紀初，神經科學家面臨的一個主要問題是動作電位的生理學基礎。 1902 年和 1912 年， 尤里烏斯·伯恩施坦提出了動作電位是由軸突膜對離子的通透性變化引起的假設。 [30] [31]伯恩斯坦也是第一個提出跨膜靜息電位能斯特方程的人。 1907 年，路易斯·拉皮克 ( Louis Lapicque ) 提出動作電位是在超過閾值時產生的， [32]動作電位後來被顯示為離子電導動力系統的產物。英國生理學家基思·盧卡斯和他的門徒埃德加·阿德里安對感覺器官和神經細胞的功能進行了大量研究。基思·盧卡斯在 20 世紀頭十年的實驗證明了肌肉完全收縮或完全不收縮，這被稱為全有或全無原則。 [33]埃德加·阿德里安（Edgar Adrian）在對青蛙的實驗中觀察到了神經纖維的作用。這證明科學家可以直接研究神經系統功能，而不僅僅是間接研究。這導致在神經生理學領域進行的各種實驗和這些實驗所需技術的創新迅速增加。 阿德里安早期的大部分研究都受到了研究真空管截獲和增強編碼信息的方式的啟發。 [34]同時， 約瑟夫·厄爾蘭格和約瑟夫·厄爾蘭格修改示波器以讓其在低電壓下運行，並觀察到了動作電位發生在兩個階段——一個尖峰接着一個後尖峰。他們發現神經有多種形式，每一種都有自己的興奮潛力。通過這項研究，兩人發現動作電位的速度與神經纖維的直徑成正比，並因此獲得了諾貝爾獎。 [35]

Kenneth Cole於 1937 年加入哥倫比亞大學，並一直留在那裏直到 1946 年，在那裏他在神經組織電學特性建模方面取得了開創性進展。伯恩斯坦關於動作電位的假設得到了科爾和霍華德柯蒂斯的證實，他們表明在動作電位期間膜電導增加。 [36] David E. Goldman與 Cole 合作，於 1943 年在哥倫比亞大學推導出戈德曼方程。 [37] [38] 艾倫·勞埃德·霍奇金在洛克菲勒研究所度過了一年（1937-38 年），期間他與 Cole 一起測量了靜息狀態下魷魚巨型軸突膜的直流電阻。 1939 年，他們開始在魷魚的巨大神經纖維內使用內部電極，科爾在 1947 年開發了電壓鉗技術。霍奇金和安德魯·赫胥黎後來提出了一個數學模型，用於在魷魚的巨型軸突的神經元中傳輸電信號以及它們如何啟動和傳播，稱為霍奇金-赫胥黎模型。 1961-1962 年間，Richard FitzHugh 和 J. Nagumo 簡化了霍奇金-赫胥黎模型，即菲茨休-南雲方程。 1962 年，伯納德·卡茨模擬了神經元之間被稱為突觸的空間的神經傳遞。從 1966 年開始，埃里克·坎德爾和合作者檢查了與海兔的學習和記憶儲存相關的神經元的生化變化。 1981 年，Catherine Morris 和 Harold Lecar 將這些模型組合成Morris-Lecar 模型。這種越來越量化的工作產生了許多生物神經元模型和神經計算模型。

埃里克·坎德爾及其合作者引用了David Rioch 、 Francis O. Schmitt和斯蒂芬·庫夫勒在建立該領域的過程中發揮了關鍵作用。 [39] Rioch 於 1950 年代開始在沃爾特里德陸軍研究所將基礎解剖學和生理學研究與臨床精神病學相結合。同一時期，施密特在麻省理工學院生物系內建立了一個神經科學研究項目，將生物學、化學、物理學和數學結合在一起。第一個獨立的神經科學系（當時稱為心理生物學）由James L. McGaugh於 1964 年在加州大學歐文分校創立。 斯蒂芬·庫夫勒於 1966 年在哈佛醫學院創立了神經生物學系。 「神經科學」一詞的第一次正式使用可能是在 1962 年，出自麻省理工學院主辦的弗朗西斯·施密特 ( Francis O. Schmitt ) 的「神經科學研究計劃」。 [40]

隨着時間的推移，大腦研究已經經歷了哲學、實驗和理論階段，大腦模擬的工作或許將在未來變得更加重要。 [41]

神經科學研究所和組織

由於對神經系統的興趣日益增加，一些著名的神經科學研究所和組織已經成立，為所有神經科學家提供一個論壇。最大的專業神經科學組織是神經科學學會（SFN），總部設在美國，但包括來自其他國家的許多成員。

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