上期内容：神经科学原理-第3章：神经细胞、神经回路和行为（上）

3.3 所有神经细胞中的信号组织方式相同

为了产生诸如牵张反射这样的行为，参与的每个感觉神经元和运动神经元都必须在其内部不同位置按顺序生成四种不同的信号。尽管神经元在大小、形状、生化传递物质和行为功能上有所不同，但几乎所有神经元都可以用一个模型神经元来描述。

这个模型神经元有四个功能组件，分别生成四种类型的信号：一个用于产生分级输入信号的接收组件；一个用于产生触发信号的整合组件；一个用于生成全有或全无传导信号的长程传导组件；一个用于将输出信号传递给下一个神经元、肌肉或腺体细胞的突触组件（见图3.3.1）。

图 3.3.1：神经元的四个功能区域

大多数神经元具有四个功能区域，在这些区域中生成不同类型的信号。因此，不论神经元的类型如何，其功能组织都可以用一个模型神经元示意图来表示。这个模型神经元是拉蒙-卡哈尔动态极化原理的生理表达。输入信号、整合信号和传导信号都是电信号，这些信号对细胞功能至关重要；而输出信号则通过神经元释放的化学物质进入突触间隙。不过，并非所有神经元都具备这些功能组件，例如，一些局部中间神经元就没有长程传导组件。

神经元产生的不同类型信号在很大程度上由细胞膜的电学特性决定。所有细胞，包括神经元，在其静息状态下，细胞膜两侧都会保持一个电位差，这称为静息膜电位。在典型的静息神经元中，细胞内的电压比细胞外约低65毫伏。由于膜外电压被定义为零，因此我们说神经元的静息膜电位约为–65毫伏。不同神经细胞的静息电位范围通常在–40毫伏到–80毫伏之间，而在肌肉细胞中，这一数值更大，约为–90毫伏。正如第9章详细描述的，静息膜电位由两大因素决定：一是带电离子的不均匀分布，特别是Na+（钠离子）和K+（钾离子）；二是细胞膜的选择性渗透性。

维持细胞膜两侧阳离子不均衡分布的机制主要依赖于两种途径。首先，Na+和K+的细胞内浓度主要通过膜蛋白来调节。这些蛋白通过主动运输将Na+泵出细胞，并将K+泵回细胞内。这个过程由称为Na+-K+泵的机制控制，我们将在第9章中详细探讨。Na+-K+泵保持细胞内Na+浓度较低（大约是细胞外浓度的十分之一），而K+浓度较高（约为细胞外浓度的20倍）。细胞外Na+和K+的浓度则由肾脏和星形胶质细胞（也称为星形细胞）维持稳定。

此外，原本难以穿透的细胞膜上含有形成离子通道的蛋白质。在神经元静息时，这些通道对K+的渗透性很高，而对Na+的渗透性则较低。K+离子倾向于沿着浓度梯度通过开放的通道从细胞中泄漏。当K+离子离开细胞时，膜内表面会留下一些未中和的负电荷，因此膜内相对于膜外保持较大的负电荷。在这种情况下，膜电位通常稳定在–65毫伏左右，此时我们称神经元处于静止状态。

当神经细胞开始吸收细胞外高浓度的Na+（钠离子）或钙离子时，细胞的静息状态就会受到干扰。这些带正电的离子进入细胞（内向电流），部分中和了细胞内的负电荷。我们将在下面详细介绍这些事件，这对于理解神经元为何适合用于信息传递至关重要。

当细胞（如神经元和肌肉细胞）的膜电位能够快速且显著改变时，我们称其为可兴奋细胞。在许多神经元中，当膜电位从–65毫伏升至–55毫伏时，膜对Na+的渗透性突然变得远远高于对K+的渗透性。这种变化导致Na+迅速流入细胞，进一步中和了细胞内部的负电荷，形成了正反馈机制，使膜对Na+的渗透性继续增加。最终，膜电位会发生爆发性变化，迅速升高至约+40毫伏，即动作电位。这个动作电位会沿着轴突向下传播，直到轴突末端，在那里触发与突触后神经元或肌肉细胞的复杂化学相互作用。

由于动作电位是主动传播的，它在传播过程中不会减弱，即使到达轴突末端时，其振幅也保持不变。一个动作电位通常持续约1毫秒，然后膜电位会恢复到静息状态，此时细胞重新呈现对K+的高渗透性，并恢复正常的电荷分布。

静息电位和动作电位的机制将在第9章和第10章中详细讨论。除了动作电位这种长距离信号外，神经细胞还会产生局部信号，如受体电位和突触电位。这些局部信号不会被主动传导，通常在几毫米的范围内就会衰减（见下一节）。

膜电位变化可以是相对于静息电位的下降或上升。静息膜电位是所有信号传导的基准线。膜电位的下降称为去极化，它增强了细胞产生动作电位的能力，因此具有兴奋性。相反，膜电位的上升称为超极化，它使细胞更难产生动作电位，因此具有抑制作用。

在大多数处于静息状态的神经元中，电流不会从细胞的一部分流向另一部分，因此静息电位在整个细胞中保持一致。在感觉神经元中，电流通常由物理刺激引发，物理刺激会激活神经元表面的特殊受体蛋白。在膝跳反射的例子中，肌肉拉伸会激活特定的离子通道，这些通道会对感觉神经元膜的拉伸做出反应而打开。当细胞被拉伸时，通道的打开允许Na+离子迅速流入感觉细胞，改变膜电位，产生称为受体电位的局部信号。

受体电位的幅度和持续时间取决于拉伸的强度和持续时间。拉伸越大或持续时间越长，产生的受体电位就越大或持续时间越长（见图3.3.2A）。换句话说，受体电位是分级的，这与全或无的动作电位不同。大多数受体电位表现为去极化（即兴奋性），但在视网膜中则发现有超极化（抑制性）受体电位。

受体电位是神经系统首次对拉伸刺激进行编码的表现形式。然而，由于这种去极化是被动传播的，信号不会传播很远。如果轴突直径较大，信号传播的距离会更长；直径较小则传播距离较短。此外，信号的传播距离还取决于膜的渗透性：如果电流可以轻松通过膜，则传播距离会更短；如果膜被髓鞘绝缘，距离则更长。因此，来自拉伸感受器的感受器电位通常只能移动1至2毫米。事实上，仅在1毫米远的地方，信号幅度就会衰减到原幅度的三分之一左右。

为了成功传递信号到脊髓，局部信号必须被放大，即产生动作电位。在膝跳反射中，如果感觉神经元中的受体电位到达轴突的第一个郎飞结并且足够大，它将触发动作电位（见图3.3.2B），这个动作电位会无损地传播到脊髓中的轴突末端（见图3.3.2C）。在感觉神经元与运动神经元的突触处，动作电位会引发一系列事件，导致运动神经元的输入信号。在膝跳反射中，感觉神经元突触前终末的动作电位会促使神经递质释放到突触间隙中（见图3.3.2D）。神经递质穿越突触间隙后，与运动神经元突触后膜上的受体蛋白质结合，从而直接或间接开启离子通道。接下来的电流流动会短暂改变运动神经元的膜电位，这种变化称为突触电位。

与受体电位一样，突触电位也是分级的，其振幅取决于释放了多少神经递质。根据激活的受体分子类型，突触电位可以是去极化的，也可以是超极化的。与受体电位相同，突触电位也是被动传播的。因此，除非信号能够传播到轴突起始段并足以引发动作电位，否则这些电位的变化仅限于局部。值得注意的是，某些树突并非完全依赖被动传导，它们包含能够增强突触电位的特殊结构，从而提高引发动作电位的可能性（见第13章）。表3.1总结了受体电位和突触电位的特征。

谢林顿首先指出，神经系统的功能在于整合多种信息，并根据这些信息做出适当的反应。这种整合作用在神经元的触发区，即轴突起始段，表现得尤为明显。

图 3.3.2：展示了神经元四个信号成分中每个部分的特征信号。图中所示的是一个被肌肉拉伸激活的感觉神经元，该神经元通过专门的受体（肌梭）感知刺激。

A. 输入信号（即受体电位）是分级的，其振幅和持续时间与刺激的强度和持续时间成正比。

B. 在触发区，受体电位的去极化效应被整合。当受体电位超过某个电压阈值时，才会产生动作电位。一旦超过这个阈值，进一步增加受体电位的幅度只会增加动作电位的频率，因为动作电位的幅度是恒定的。受体电位的持续时间则决定了动作电位序列的持续时间。因此，受体电位的分级幅度和持续时间被转化为动作电位频率编码。

C. 动作电位是全有或全无的。所有单个动作电位的幅度和持续时间相同，因此信号携带的信息通过动作电位序列的频率和总持续时间编码。

D. 当动作电位到达突触末梢时，会触发神经递质的释放，神经递质作为输出信号的化学物质传递信息。突触前细胞中动作电位的频率决定了细胞释放多少神经递质。

表 3.1 局部被动信号与传播信号的比较

动作电位是由Na+（钠离子）通过细胞膜上的离子通道突然流入细胞内部而产生的。这些通道对膜电位的变化做出响应，打开或关闭。当输入信号（如受体电位或突触电位）使膜去极化时，膜电位的局部变化会打开Na+通道，使Na+沿着浓度梯度从细胞外高浓度区域流入细胞内低浓度区域。

由于轴突起始段拥有最高密度的电压敏感性Na+通道，因此该区域的动作电位阈值最低。通过膜被动传播的输入信号在此处比在神经元的其他部位更容易引发动作电位。因此，这个区域被称为触发区。在这里，所有的受体电位或突触电位都会被汇总，如果这些输入信号的总和达到阈值，神经元就会产生动作电位。

动作电位遵循全或无的原则：低于阈值的刺激不会产生信号，而高于阈值的刺激则会产生相同幅度的信号。无论刺激的强度或持续时间如何变化，每个动作电位的幅度和持续时间几乎是恒定的。这适用于有髓轴突中每个经过郎飞结的再生动作电位。此外，和随着距离增加而幅度减小的感受器电位和突触后电位不同，动作电位在沿着轴突传播时不会衰减，即使它必须传递长达1米的距离。这是因为动作电位是周期性再生的，能够以高达100米每秒的速度传导。

动作电位的一个显著特征是其高度标准化，即不同神经元产生的动作电位之间的差异非常小（但在某些情况下可能重要）。20世纪20年代，埃德加·阿德里安证明了这一点，他是最早在细胞水平上研究神经系统的科学家之一。阿德里安发现，所有动作电位的形状或波形非常相似（见图3.1.2）。通过感觉轴突传入神经系统的动作电位与通过运动轴突传出到肌肉的动作电位几乎没有区别。

传导信号有两个特征来传递信息：动作电位的数量和它们之间的时间间隔（见图3.3.2C）。正如阿德里安在1928年总结其对感觉纤维的研究时所说：“所有的冲动都非常相似，无论信息是引起光感、触感还是痛感；如果冲动频率高，感觉就强烈，若频率低，感觉就相应减弱。”因此，决定感觉强度或运动速度的是动作电位的频率。同样，感觉或运动持续时间取决于动作电位产生的时间跨度。

除了动作电位的频率，动作电位的模式也传递了重要的信息。例如，一些神经元在没有刺激的情况下会自发活跃。某些自发活跃的神经元（称为跳动神经元）会规律地产生动作电位；而另一些神经元（称为爆发神经元）则会以短暂的爆发模式产生动作电位。这些不同的细胞对相同的兴奋性突触输入有不同的反应。对于非自发活动的细胞，兴奋性突触电位可能引发一个或多个动作电位，而对于自发活动的细胞，兴奋性输入只会增加现有发放的频率。

当输入信号是抑制性时，这些差异更为明显。在静默的细胞中，抑制性输入的信息作用有限；但对于自发活跃的细胞，抑制则能产生显著影响。抑制通过在持续放电期间引入静默期，可以形成一种交替的放电和静默模式，这种模式原本在静息状态下是不存在的。这种放电模式的微妙差异可能对神经元之间的信息传递具有重要意义。神经网络的数学模型研究者试图解释，信息不仅由动作电位的频率携带，还通过动作电位的精确时间安排（即放电模式的精细结构）来传递。

如果动作电位的信号非常刻板，仅仅反映刺激的基本属性，那么它们如何携带复杂行为所需的丰富信息？如何区分与蜜蜂视觉相关的信号和与蜜蜂蜇伤疼痛相关的信号？感觉信号与自主运动信号又如何区分呢？答案在于神经系统的一个关键组织原则：相互连接的神经元形成解剖学和功能上不同的通路。正是这些不同的神经通路，而不是单个神经元，传递不同的信息。例如，视网膜中对光有反应的感受器神经元与皮肤中对触摸有反应的神经元激活的是完全不同的神经通路。

当动作电位到达神经元的末端时，它会刺激细胞释放化学物质，这些化学物质称为神经递质。神经递质可以是有机小分子，如L-谷氨酸和乙酰胆碱，也可以是肽类分子，如P物质或黄体生成素释放激素。

神经递质分子储存在名为突触囊泡的亚细胞结构中，这些囊泡位于轴突末端的特殊释放位点，称为活性区。当递质需要释放时，突触囊泡会移动至细胞膜并与其融合，随后通过胞吐作用将递质喷射到突触间隙，即突触前细胞与突触后细胞之间的细胞外空间。第14章和第15章将详细介绍神经递质释放的分子机制。

释放的神经递质是神经元的输出信号。输出信号的强度取决于释放的神经递质量，这与到达突触前终末的动作电位数量和频率直接相关（见图3.3.2C、D）。释放后，神经递质分子扩散穿过突触间隙，并与突触后神经元上的受体结合。这种结合会在突触后细胞上产生突触电位。

突触电位的效果取决于突触后细胞中受体的类型，而不是由特定的神经递质类型决定。相同的神经递质在不同受体上可能产生不同的作用，可能具有兴奋性或抑制性效果。这说明，递质的作用依赖于其受体的性质。

正如前面所述，当神经信号从神经元的一个部分传递到另一个部分，或在神经元之间传递时，其信号特性会发生变化。在牵张反射中，当肌肉被拉伸时，刺激的强度和持续时间反映在感觉神经元中产生的感受器电位的幅度和持续时间上（见图3.3.3A）。如果感受器电位超过该细胞的动作电位阈值，则该分级信号会在触发区转化为动作电位。虽然每个动作电位都是全或无的信号，但当感受器电位远高于阈值时，去极化程度更大，导致动作电位频率更高。此外，输入信号的持续时间也决定了动作电位序列的持续时间。

图 3.3.3：展示了产生反射动作的信号序列

A. 肌肉拉伸会在专门的受体（肌梭）中产生感受器电位，其幅度与拉伸的强度成正比。感受器电位通过被动传播传递至第一个郎飞氏结处的整合或触发区。如果感受器电位足够强，它会触发动作电位，该动作电位沿着轴突主动传播，幅度不变，直至到达轴突末端。在特定位点，动作电位促使化学神经递质释放，这是输出信号。递质扩散穿过突触间隙，连接感觉神经元末端与目标运动神经元，然后与运动神经元膜上的受体分子结合。

B. 这种相互作用在运动神经元中产生突触电位，突触电位被动传播到运动神经元的触发区，在该处触发另一个动作电位。该动作电位再沿着运动神经元的轴突主动传播至其末端，在那里引发神经递质的释放，作用于靠近肌肉纤维的位点。

C. 神经递质与肌纤维上的受体结合，产生突触电位，该突触电位触发肌肉的动作电位，从而导致肌肉收缩。

3.4 神经细胞在分子水平上的差异最大

我们所描述的神经元信号传导模型是一个简化的概念，适用于大多数神经元，但也存在一些重要的变体。例如，有些神经元不产生动作电位。这些通常是没有导电成分的局部中间神经元，它们没有轴突或轴突过短，因此不需要信号再生。在这些神经元中，输入信号直接被汇总并被动传播到靠近突触前末梢的区域，释放神经递质。此外，一些自发活跃的神经元不需要感觉或突触输入来激发动作电位，因为它们含有一种特殊的离子通道，即使在没有兴奋性输入的情况下，也能允许Na+电流流动，保持其自发活动性。

即使是形态相似的神经元，在分子层面也可能有显著的差异。例如，不同神经元可能携带不同的离子通道组合。正如我们将在第10章中了解到的，这些差异为神经元提供了不同的阈值、兴奋特性和放电模式。因此，神经元可以将突触电位编码为不同的放电模式，从而传递不同的信息。

神经元还因其使用的神经递质和接收递质的受体不同而表现出差异。事实上，许多作用于大脑的药物正是通过改变特定的神经递质或受体的功能来发挥作用的。由于神经元之间的生理差异，某些疾病可能只影响特定类型的神经元。例如，肌萎缩侧索硬化症和脊髓灰质炎主要影响运动神经元，而麻风病和脊髓灰质炎的晚期则主要影响感觉神经元。帕金森病是一种自主运动障碍，主要损害使用多巴胺作为神经递质的少数神经元。有些疾病甚至在神经元内部具有选择性，仅影响感受元件、细胞体或轴突。在第57章中，我们将探讨对重症肌无力（一种由肌肉膜中的缺陷递质受体引起的疾病）的研究，如何为我们理解突触传递提供了重要见解。

神经系统中有大量不同的细胞类型，在分子层面有诸多变异。因此，神经系统比身体的任何其他器官系统更容易受到疾病的影响，特别是精神和神经疾病。

尽管神经细胞在形态上存在显著差异，但其电信号的分子机制却惊人地相似。这种统一性是幸运的，因为理解一种神经细胞的信号传导机制，能够帮助我们理解许多其他类型神经细胞的类似机制。

3.5 反射回路是理解行为神经结构的起点

牵张反射展示了，即使涉及大量神经元（如反射回路中的几百个感觉神经元和一百个运动神经元），仅几种类型的神经细胞之间的相互作用，就能构成一个产生简单行为的功能性回路。一些无脊椎动物甚至能够利用更少的神经元完成与反射同样复杂的行为。此外，在某些情况下，仅靠一个关键命令神经元就能触发复杂的行为，例如当身体某一部分遇到有害刺激时产生的撤退反应。

对于更复杂的行为，尤其在高等脊椎动物中，通常需要更多的神经元参与，但这些行为的基本神经结构仍然保留了简单反射的特征。首先，通常存在一组可识别的神经元，其放电率会根据特定的环境刺激发生变化，例如对特定频率的声音，或对特定角度的光暗对比作出反应。就像牵张感受器神经元的放电率编码肌肉紧张的程度一样，大脑皮层感觉区域的神经元通过放电率编码感官特征的强度（例如物体边缘的对比度）。正如我们将在后续章节中看到的，仅通过改变一小组神经元的放电率，即可改变对某些感知特征的解释。

其次，通常存在一组可识别的神经元，其放电率会在动物执行运动之前发生变化。正如运动神经元的脉冲频率控制股四头肌的收缩强度（从而影响膝跳反射），运动皮层神经元的放电率也影响即将进行的运动的潜伏期和类型。虽然这些神经元对运动的哪个方面进行了编码仍在研究中，但已经明确的是，神经元群体通过调整其放电率，以分级方式影响后续的运动。
在大脑皮层的其他关联区域，神经元的分级放电率还编码了对思维过程至关重要的信息，例如与决策相关的证据数量（见第56章）。

尽管复杂的心理操作远比简单的牵张反射复杂，但思考认知功能在多大程度上受到类似简单反射的神经机制支持，仍然具有启发性。那么，调控复杂行为和思维可能需要哪些额外的机制呢？与简单反射不同，复杂行为中，感觉神经元的激活不会立即引发反射性动作。这一过程带有更多的偶然性。虽然简单反射会受到情境的调节，但心理功能往往更深刻地受到一系列复杂条件的影响，使得任何单一刺激都可能产生多种效果，任何单一行为也可能由多个因素引发。

在这种条件性背景下，我们必须设想大脑的数据获取系统（不仅仅是感觉系统，还包括记忆系统）与效应器系统之间具有更灵活的连接路径。正如后续章节将讨论的，这正是大脑皮层高级联合区与多个皮层下脑结构协同作用的关键角色。

复杂心理功能与反射的一个显著区别在于行动的时间安排。一旦激活，反射回路几乎会在感官刺激后立即采取行动。任何延迟主要取决于反射弧中传入和传出神经冲动的动作电位传导速度（例如，足踝反射比膝跳反射慢，因为脊髓与小腿肌肉的距离比大腿伸肌的距离更远）。而在更复杂的行为中，动作并不需要随着感官信息的到达立即发生。它可以被延迟，等待额外信息的到来，或者只有在特定条件下才表现出来。

有趣的是，灵长类动物大脑皮层联合区的神经元能够长时间维持分级放电率，持续时间可达数秒之久。这些神经元大量存在于调节感觉和运动区域之间的灵活联系区域，使得行为摆脱了反射行为那种瞬时反应的局限性。因此，它们可能提供了区分认知功能与更直接的感官反应（如反射）所需的基本回路特性。

3.6 神经回路可以通过经验进行修改

学习能够引发持续数年甚至一生的行为改变。即使是简单的反应，也能够在较短时间内发生变化。这一现象引出了一个有趣的问题：如果神经系统的连接如此精确，行为如何能够被修改？当神经元之间的连接在早期发育阶段已经确定时，行为的神经控制是如何发生改变的？

为了解决这个问题，科学家提出了几种解释，其中最具前瞻性的观点是可塑性假设。这一假设最早由拉蒙·卡哈尔在20世纪初提出，随后波兰心理学家杰泽·科诺尔斯基于1948年给出了现代版本的解释：”刺激的应用会引起神经系统中两种性质的变化。第一种是兴奋性，即神经细胞对传入的冲动做出反应。由于这种性质而产生的变化被称为兴奋性变化。第二种性质是可塑性，即某些神经元系统在适当的刺激或刺激组合下发生永久的功能转变，相应的变化称为可塑性变化。”

现在有大量证据表明，化学突触具有功能性可塑性。这些突触可以在短期内（几秒到几小时）发生显著的生理变化，增强或减弱突触的有效性。长期的生理变化（几天或更久）甚至可能导致解剖结构的改变，包括突触的修剪或新突触的生长。正如后续章节将讨论的，化学突触不仅在早期发育的关键时期发生变化，还在整个生命过程中持续调整其功能和结构。

这种神经元的功能性可塑性赋予每个人以独特的方式去与周围的自然环境和社会环境进行互动。

3.7 总结

1. 神经细胞是神经系统的信号单位。信号在细胞内部以电信号形式存在，而在细胞间则以化学信号传递。尽管神经细胞的大小和形状各不相同，但它们具有一些共同特征：每个神经细胞都有专门的受体或传感器，接收来自其他神经细胞或感官的输入；一种将输入转化为电信号的机制；产生全或无的动作电位，并沿着轴突再生信号，传递到突触目标（另一个神经细胞、肌肉或腺体）；以及释放神经递质影响目标细胞的能力。

2. 胶质细胞支持神经细胞的运作。一种胶质细胞提供绝缘，加速动作电位在轴突上的传播。其他类型的胶质细胞帮助维持神经细胞所需的化学环境，或将神经活动与血管供应相耦合。

3. 神经细胞在形态、连接方式和连接位置上存在显著差异，这在如视网膜等特殊结构中尤为明显。最大的差异可能体现在分子水平，例如不同受体的表达、合成不同神经递质的酶，以及离子通道的表达差异。这些基因表达的差异帮助我们理解为什么某些疾病只影响特定神经元，而不影响其他神经元。

4. 每个神经细胞都是某种行为功能的回路的一部分。牵张反射回路是一个简单的例子，它在受到刺激时产生行为反应。尽管简单，但它体现了整合功能，例如在拉伸肌肉时放松对抗肌群。

5. 现代神经科学的目标是解释远比反射复杂的心理过程。一个自然的起点是理解神经回路如何复杂化，以支持不同于反射的条件性和灵活性，并允许感知与运动之间的转换不受即时性约束。

6. 神经连接可以通过经验进行修改。在简单回路中，这一过程表现为神经元连接强度的变化。现代神经科学的假设是，简单回路中的可塑性机制也在复杂行为和认知功能的学习中发挥重要作用。