{ "id": "nervous-system", "title": "神经系统", "lang": "zh-Hans", "source_lang": "en", "summary": "神经系统是由神经元和胶质细胞构成的身体网络，负责感知、处理并协调各种反应，从反射到思维和记忆。", "category": "health", "subcategory": "anatomy-physiology", "type": "concept", "aliases": [ "神经体系" ], "generated_at": "2026-10-08", "model": "pro/claude-haiku-5-5", "url": "https://aiwiki.page/zh/nervous-system/", "translations": { "en": { "url": "https://aiwiki.page/en/nervous-system/", "json": "https://aiwiki.page/en/nervous-system.json" } }, "sections": [ { "heading": "", "text": "神经系统是人体由特化细胞构成的通信网络。它接收感觉信息并加以整合，进而产生协调的反应，从快速的反射、随意运动，到知觉和记忆，都依赖于它。在脊椎动物中，神经系统分为由脑和脊髓组成的中枢神经系统，以及将中枢系统与身体其余部分相连的外周神经系统。其主要单位是神经元，神经元沿细胞膜以电信号传导，并通过突触以化学信号进行传递；此外还有神经胶质细胞，负责支持、绝缘和保护神经元。\n\n神经系统之所以重要，是因为动物生命的几乎每个方面都依赖于它。它控制运动、感觉和认知，同时也调节心率、呼吸、消化和体温等内部状态，并与激素系统协同工作，以维持稳态。其功能紊乱，包括中风、神经退行性疾病和精神疾病，都是全球致残的主要原因之一，这使该领域成为医学与神经科学共同的核心领域。\n\n本条目涵盖神经元的基础细胞生物学，以及神经元的电信号和化学信号传导；中枢与外周两大部分的解剖结构及其主要区域；神经系统的发育方式、随经验发生的变化，以及它在各类动物中的演化。随后回顾该系统的研究史、主要研究方法与成像技术、主要的神经和精神疾病、生物神经网络与人工神经网络之间的关系，以及仍未解决的问题。" }, { "heading": "定义与组织原则", "text": "神经系统是身体中负责快速信号传递与控制的主要网络。它由神经元构成，神经元沿轴突传导电脉冲，并在突触处传递化学信息，同时还有神经胶质细胞提供支持。神经系统的信号通常在毫秒级时间内起作用，并且能够精确到达特定的靶细胞。相比之下，激素系统将化学信使释放入血液，这些信使需要更长时间才能到达许多组织，其效应可以持续数秒到数天。两个系统紧密相连，许多分泌激素的腺体本身也受神经回路控制，但二者在速度和特异性上的差异，通常是描述神经系统的出发点。\n\n神经系统履行三项相互关联的功能。第一是感知：专门的感受器探测来自体外的刺激，如光、声、触觉和化学物质，也探测来自体内的刺激，如血压、血糖、肌肉牵拉和组织损伤，并将这些刺激转换为电信号。第二是整合：传入的信号被汇总、与已储存的信息进行比较，并结合机体当前的状态加以权衡。在脊椎动物中，这一过程主要发生在脑和脊髓中，不过较简单的神经节也能进行局部的信息处理。第三是反应：神经系统驱动效应器（主要是骨骼肌、平滑肌、心肌和腺体），产生运动，或改变器官的功能和分泌。感知、整合与反应的反复循环有助于维持内环境稳态，并使适应性行为成为可能。\n\n从解剖学上看，神经系统分为中枢神经系统（CNS）和周围神经系统（PNS）。中枢神经系统由脑和脊髓组成；周围神经系统则包括位于它们之外的神经、神经节和感受器。从功能上看，神经系统则依据相对于中枢神经系统的信息流向进行划分。传入（感觉）通路将信息从感受器传向中枢神经系统，传出（运动）通路则将指令从中枢神经系统传向肌肉和腺体。传出部分又进一步分为躯体神经系统，负责支配骨骼肌；以及自主神经系统，在很大程度上不受意识控制地调节心脏、平滑肌和腺体。这两种划分方式相互交叠而非一一对应：一条外周神经通常同时包含传入纤维和传出纤维。\n\n大多数动物都具有神经系统，但其复杂程度差异极大。海绵动物（多孔动物门）没有神经元，因此没有真正的神经系统。刺胞动物（包括水母和水螅）具有弥散的神经网，信号在相互连接的细胞片层中扩散。大多数两侧对称动物表现出神经集中化的特征，神经索和神经节集中于身体的前端。植物、真菌和单细胞生物则没有神经系统。神经元是高度特化的可兴奋细胞，依赖多细胞的组织结构以及专门的信号传导机制。单个细胞可以利用自身的细胞膜和内部化学过程感知并响应环境；植物也能表现出快速的电信号活动，例如捕蝇草，但这些反应并不涉及神经元。植物和真菌则依靠化学信号、液压信号和电信号来完成信息传递，这些过程不需要上述那种专门的传导组织。" }, { "heading": "神经元与胶质细胞", "text": "神经元是产生并传导电信号和化学信号的细胞，神经系统的运作正依赖于这些信号。但神经元与胶质细胞共同构成组织，胶质细胞是一大类非神经元细胞，种类繁多。在人脑中，非神经元细胞的数量与神经元大致相当，不过不同脑区的比例差异相当大。\n\n典型神经元的结构\n\n大多数神经元都有四个可辨认的部分。细胞体（或称胞体）包含细胞核和大部分合成蛋白质的机器，在许多神经元中，其直径只有约 10–25 微米。树突较短，通常分支较多，是神经元的主要输入表面，通过膜上的受体以及覆盖其表面的突触，接收来自其他细胞的化学信号。轴突是一条细长的单一突起，从胞体的轴丘处发出。轴丘处的神经元膜兴奋性最高，轴突将动作电位从细胞体向外传导。轴突的长度差异极大，人类运动神经元中最长的轴突可超过一米，从脊髓底部一直延伸到脚趾。靠近靶细胞时，轴突会分出轴突末梢（突触前末梢），其中充满线粒体，并向突触间隙释放神经递质。\n\n按功能分类\n\n神经元通常根据其在神经回路中的作用进行分组。感觉神经元又称传入神经元，把皮肤、肌肉、内脏和感觉器官中感受器的信息传向中枢神经系统。运动神经元又称传出神经元，把中枢神经系统的指令传送到骨骼肌和腺体。中间神经元位于上述两类之间，主要分布在脑和脊髓内，在信号继续传递前对其进行整合。由于这三类是按功能而非形态划分的，同一种解剖类型的神经元可能承担不止一种角色。\n\n按形态分类\n\n从结构上看，神经元常根据从胞体发出的突起数目进行分类。单极神经元从胞体只发出一个突起，之后再分支。在脊椎动物中，负责感知触觉、压力、疼痛和温度的感觉神经元通常是假单极的：它们由双极前体细胞发育而来，两个突起在靠近胞体处融合，因此一根主干分为外周支和中枢支。真正的单极形态更多见于无脊椎动物，有时这一术语也被误用于脊椎动物的神经元。双极神经元有两个突起，分别从胞体的两极发出，见于视网膜、嗅上皮以及耳蜗和前庭通路等特化的感觉结构中。多极神经元只有一条轴突，但有许多树突。中枢神经系统中的大多数神经元属于这一类，包括大部分运动神经元和中间神经元。两种分类体系只是部分重叠：感觉神经元通常是假单极或双极的，而不是多极的。\n\n中枢神经系统中的胶质细胞\n\n星形胶质细胞是脑和脊髓中数量最多的大胶质细胞。它们分支众多的突起将神经元固定在血管上，其足突也参与构成血脑屏障。星形胶质细胞帮助调节细胞外的钾离子和其他离子浓度，摄取并循环利用谷氨酸等神经递质，并从血液中摄取葡萄糖，将其中一部分转化为糖原储存起来。少突胶质细胞伸出数条扁平的突起，缠绕在多条轴突的节段上，形成中枢轴突的髓鞘；一个少突胶质细胞可以为多个神经元的部分轴突形成髓鞘。小胶质细胞是体积较小、可以移动的细胞，充当中枢神经系统的常驻免疫细胞。它们具有巨噬细胞样的功能，清除死亡细胞、碎片和入侵的微生物，并在组织受损或感染时迅速改变形态和基因表达。室管膜细胞覆盖在脑室和中央管的内表面，参与脑脊液的循环，通常也被归入中枢胶质细胞。\n\n周围神经系统中的胶质细胞\n\n施万细胞负责为周围轴突形成髓鞘。与少突胶质细胞不同，每个施万细胞只包裹单条轴突的一个节间段，因此一条轴突的髓鞘是由许多施万细胞依次连接形成的。神经损伤后，施万细胞会清除髓鞘和碎片，并释放促进生长的因子，帮助受损轴突再生。卫星细胞环绕在感觉、交感和副交感神经节内的神经元胞体周围。它们帮助控制这些神经元周围的化学环境，为其提供营养和结构支持，并对损伤和炎症作出反应。有证据表明卫星细胞与慢性疼痛有关，但其在特定疼痛状况中的作用，证据仍在积累之中。\n\n共同功能与对损伤的反应\n\n在两大部分中，胶质细胞都提供结构支持，供应营养和氧气，使神经元彼此绝缘，并清除病原体或死亡的神经元。它们还帮助将离子和神经递质的浓度维持在狭窄的范围内，这对动作电位的可靠发放至关重要。就信号传导速度而言，髓鞘是其中最关键的功能，因为它使神经冲动能够在髓鞘间隙即郎飞结之间跳跃式传导。胶质细胞也会对损伤作出反应：小胶质细胞和星形胶质细胞在受伤或感染后会被激活，它们释放的炎症信号既可以限制组织损伤，但如果持续存在，也会导致进一步的伤害。胶质细胞曾被视为主要起被动支持作用的细胞，但近几十年的研究表明，它们积极调节突触功能、代谢和免疫反应，这也是它们在疾病研究中备受关注的原因。" }, { "heading": "静息电位与动作电位", "text": "静息膜电位\n\n在静息状态下，典型神经元内部相对于外部约为 -70 mV。对神经元而言，静息膜电位约为 -70 毫伏，即细胞内部比外部低 70 毫伏。这一电压源于带电粒子在细胞膜两侧分布不均。钠离子、氯离子和钙离子在细胞外浓度较高，而钾离子和各种阴离子则在细胞内浓度较高，因此细胞膜两侧存在两种方向相反的浓度梯度。对处于静息状态的典型神经元而言，钠离子、氯离子和钙离子集中在细胞外，而钾离子和其他阴离子则集中在细胞内。\n\n哪一种梯度占主导，取决于细胞膜的通透性。脂质双分子层会阻挡离子通过，因此离子的穿越依赖于通道。静息时，一批非门控的“漏”通道保持开放。其中绝大多数是钾漏通道，允许钾离子持续地进出细胞。氯漏通道数量较少，钠漏通道则更少。一个常被引用的比例大约是：钾通道 100 个，氯通道 45 个，钠通道 4 个。根据能斯特方程计算，仅钾通道就会把膜电位推至约 -90 mV，接近钾离子的平衡电位；而氯和钠的漏电流会把这一数值拉回约 -70 mV。因此，静息电压位于各个离子平衡电位之间，且更接近钾离子的平衡电位。\n\n仅靠漏通道会使浓度梯度逐渐消散，因此需要一个主动过程来维持这些梯度。钠钾泵（Na⁺/K⁺-ATP 酶）利用 ATP 水解释放的能量，使离子逆浓度梯度转运。每水解一分子 ATP，就有 3 个钠离子被泵出到细胞外，同时有 2 个钾离子被泵入细胞内。钠钾泵并不直接决定静息电压，而是维持离子浓度差，从而使依赖漏电流形成的电位长期保持稳定。\n\n动作电位的各个阶段\n\n动作电位始于去极化输入将膜电位推至阈值，阈值通常接近 -55 mV。此时，电压门控钠通道开放，大量钠离子内流，引起剧烈的去极化，这一阶段称为上升相。电位会越过零点，并在约 +30 mV 处达到峰值，随后进入下降相。\n\n接下来有两个过程使膜电位恢复至静息状态。钠通道失活：它们通过另一个独立的闸门关闭，且无法立即重新开放。动作电位产生后约 1 毫秒，钠通道即进入失活状态。与此同时，反应较慢的电压门控钾通道开放，允许钾离子流出细胞。钾外流引起下降相的复极化。由于钾通道关闭较慢，膜电位会短暂地比静息时更负，这一阶段称为负后电位或后超极化。最后，钠钾泵和漏通道使细胞恢复至静息状态。\n\n动作电位遵循“全或无”原则。一旦越过阈值，钠通道和钾通道的开闭序列便会完整进行，形态和幅度固定不变，与刺激超过阈值的程度无关。刺激强度则通过每秒产生的冲动数量以及被激活的神经元数目来编码。\n\n不应期\n\n有两个不应期会限制神经元的放电。在绝对不应期内，无论给予多强的输入，都不可能再诱发一次动作电位，因为此时钠通道已失活，无法重新开放。随后是相对不应期。电压门控钾通道关闭缓慢，这意味着即使钠通道已恢复可用，膜电位仍需更大的去极化才能达到阈值，这就形成了相对不应期。此时，较强的刺激才能引发一次放电。这些阶段决定了神经元的最高放电频率，并确保冲动只朝一个方向传播。失活钠通道形成的不应期阻止了动作电位向后传播，而前方尚未失活的钠通道则保证动作电位能持续向前推进。\n\n无髓鞘轴突与有髓鞘轴突中的传导\n\n在无髓鞘轴突中，每一小段细胞膜的去极化都会引发相邻部分的去极化，因此动作电位沿轴突持续再生。这种方式的传导速度较慢，无髓鞘纤维的传导速度通常报告为约 0.5 至 10 米/秒。\n\n髓鞘改变了这一情况。髓鞘由胶质细胞形成（周围神经系统中为施万细胞，中枢神经系统中为少突胶质细胞），以间隔分布的绝缘段包裹轴突。在有髓鞘轴突中，电压门控钠通道聚集在髓鞘间隙处，这些间隙称为郎飞结。电流穿过有髓鞘的结间段，仅在郎飞结处使动作电位再生。因此，冲动看起来是在结与结之间跳跃前进，这一过程称为跳跃式传导。由于髓鞘减少了漏电流并降低了电容，信号能够快速到达下一个结，而再生步骤只发生在钠通道高度集中的地方。\n\n已发表的速度数据因纤维直径、物种和测量方法而异。有一种来源给出的数值是：有髓鞘纤维约 150 米/秒，无髓鞘纤维为 0.5 至 10 米/秒；另一种报告则称人类的传导速度可超过 10–50 米/秒。各项估计均表明髓鞘带来的速度优势是一致的，但具体数值应理解为近似值。" }, { "heading": "突触与神经递质", "text": "化学突触\n\n神经元之间的大多数信号传递都经过化学突触。在这种连接处，突触前末梢与靶细胞的膜隔着一道约 20 至 40 纳米宽的间隙，即突触间隙。动作电位抵达末梢时，电压门控钙通道开放。释放位点附近由此产生的短暂钙浓度升高，促使突触小泡与突触前膜融合。融合依赖 SNARE 蛋白，其中突触结合蛋白是主要的钙感受器。每个小泡含有数千个递质分子，而且释放具有概率性：一次动作电位通常只会排空停靠小泡中的一部分。递质在不到一毫秒的时间内扩散穿过间隙，并与突触后膜上的受体结合。离子型受体是配体门控的离子通道，能产生快速电流；代谢型受体则与 G 蛋白偶联，通过第二信使在较长时间尺度上发挥作用。当递质被神经元或胶质细胞重新摄取、被酶分解（神经肌肉接头处的乙酰胆碱酯酶是典型例子），或者仅仅扩散离开时，信号便告终止。\n\n兴奋性与抑制性传递\n\n递质的作用主要取决于它所结合的受体，而不是分子本身。谷氨酸是大脑中主要的兴奋性递质，它作用于 AMPA 和红藻氨酸受体，这两类受体都是使细胞去极化的阳离子通道。NMDA 受体同样允许钙离子通过，但在静息电位下会被镁离子阻断，只有去极化才能解除这种阻断，因此它是一种符合检测器，在长时程增强中起核心作用。GABA 是成年大脑中主要的抑制性递质，作用于 GABA-A 受体，这是一类允许氯离子通过的通道，其效应取决于氯离子的电化学梯度。GABA-B 受体属于代谢型受体，通过钾通道发挥作用。甘氨酸在脊髓和脑干中提供快速抑制。\n\n单个兴奋性突触后电位通常很小，在胞体处只有几分之一毫伏的量级，因此神经元必须整合大量输入。空间上的总和作用来自数百至数千个分布在树突上的突触，时间上的总和则来自彼此靠近、相互重叠的输入。树突并非被动的：依赖 NMDA 的树突棘波和其他树突机制使整合在一定程度上呈非线性。抑制性输入还可以通过分流作用使膜电位难以达到阈值。是否发放冲动的决定在轴突起始段完成，只有总和后的电位达到阈值，才会产生动作电位。\n\n神经递质的类别\n\n递质可分为几个化学家族。氨基酸类，包括谷氨酸、GABA、甘氨酸和天冬氨酸，承担了大部分快速信号传递。单胺类，包括多巴胺、去甲肾上腺素、血清素和组胺，由数量相对较少、轴突广泛投射的神经元以氨基酸为前体合成，主要通过 G 蛋白偶联受体发挥作用；其中血清素的 5-HT3 受体是一个值得注意的例外，它是配体门控的。乙酰胆碱在神经肌肉接头处释放，也由自主神经节前神经元释放，作用于烟碱型受体（离子通道）和毒蕈碱型受体（G 蛋白偶联）。神经肽，如P物质、催产素、生长抑素和内源性阿片肽，被包裹在致密核心小泡中，主要在高频放电时释放，通过 G 蛋白偶联受体缓慢作用，并能作用于较远的距离。一氧化氮等气体分子则是可扩散的信使，不储存在小泡中。\n\n受体家族也反映了这些差异。配体门控通道包括半胱氨酸环家族（烟碱型、GABA-A 和甘氨酸受体）以及离子型谷氨酸受体。庞大的 G 蛋白偶联受体家族则包括大多数单胺类和肽类受体。二十世纪初，戴尔原则认为，一个神经元从所有末梢释放的都是同一种递质；后来的研究表明，许多神经元会同时共释放多种递质。\n\n电突触\n\n电突触通过缝隙连接把细胞连接起来。缝隙连接是由脊椎动物的连接蛋白或无脊椎动物的无腔蛋白构成的通道，允许离子和小分子直接从一个细胞的胞质进入另一个细胞。电流可以双向流动，传递几乎瞬时完成，没有小泡释放的步骤，也没有受体结合的延迟。其代价是电耦合几乎不具放大作用，也较难调制，并且本身无法产生化学突触所具有的符号反转和易于发生可塑性变化的信号传递。\n\n电突触在时序与同步性至关重要的地方最有价值。它们有助于使振荡网络同步，例如下橄榄核；它们也是快速逃避回路的核心，例如鱼类中的 Mauthner 细胞系统。在视网膜中，电突触塑造神经元之间的信号。许多回路同时兼有两种突触类型，因此同一对细胞之间可以既有快速的电连接，也有较慢且可修饰的化学连接。" }, { "heading": "中枢与周围划分", "text": "最基本的解剖划分将神经系统分为中枢神经系统（CNS）和周围神经系统（PNS）。中枢神经系统由脑和脊髓组成，周围神经系统则包括其余的神经组织。这一边界主要由骨骼决定：脑位于颅腔内，脊髓穿行于椎管中，因此位于这些腔隙内的结构通常被归为中枢，位于腔隙外的结构则属于周围。解剖学家承认这种划分过于简化，因为某些周围成分位于颅骨或脊柱之内。更精确的标准来自神经胶质。中枢神经系统的髓鞘由少突胶质细胞形成，周围神经系统的髓鞘则由施万细胞形成，两者的过渡位于神经根进入脊髓和脑干的位置附近。视神经是一个典型的例子：虽然它被称为神经，但它是由脑向外发育而来的突起，由中枢组织构成。\n\n中枢神经系统由神经管发育而来，神经管在胚胎早期由外胚层的神经板形成。神经管的头端膨大为三个原始脑泡，即前脑、中脑和后脑，它们之后再分化为成体脑的各个结构。神经管的尾段则发育为脊髓。周围神经系统主要起源于神经嵴细胞和外胚层基板，二者共同形成感觉神经节和自主神经节，以及包裹外周轴突的施万细胞。\n\n脑神经与脊神经\n\n周围神经系统围绕两组神经组织。共有 12 对脑神经，按其与脑的连接位置由前向后编号为 I 至 XII。嗅神经（I）和视神经（II）起源于大脑，III 至 XII 对脑神经则从中脑、脑桥和延髓发出。大多数脑神经支配头颈部，但迷走神经（X）延伸至胸腔和腹腔脏器。单条脑神经可能是感觉性、运动性或混合性的，部分神经在脑干外含有感觉神经节。\n\n脊神经共 31 对：颈神经 8 对、胸神经 12 对、腰神经 5 对、骶神经 5 对、尾神经 1 对。每条脊神经分为背根和腹根：背根携带感觉纤维，其细胞体位于脊髓外的背根神经节内；腹根携带运动纤维。颈神经以其下方的椎骨命名，其余脊神经则以其上方的椎骨命名。除 T2 至 T12 外，大多数脊神经的腹支相互交织形成神经丛，即颈丛、臂丛、腰丛和骶丛。这些网络重新分配纤维，使每条肢体神经都包含来自多个脊髓节段的成分。胸神经则更直接地走向躯干，形成肋间神经。\n\n灰质与白质\n\n脑和脊髓都含有灰质和白质。灰质富含神经元细胞体、树突、神经胶质和无髓纤维，白质主要由有髓轴突构成。这两种组织在两个器官中呈现相反的排布方式。在脊髓中，灰质构成蝶形的中央核心，其前角含有运动神经元，白质环绕在灰质周围，负责传导上行的感觉束和下行的运动束。在大脑和小脑中，排布则正好相反：大脑皮层是位于外层的灰质，而深部的白质构成大脑半球的主体。基底神经节等深部灰质核团则嵌埋在这些白质之中。脑干呈现居中的模式，灰质核团散布于白质束之间。从功能上看，灰质与信息处理相关，白质则负责各脑区之间的信号传递。\n\n解剖学术语\n\n解剖学中的位置和方向是相对于标准解剖位而描述的：人体直立，面向前方，双臂自然下垂于身体两侧，掌心向前。上方和下方指向上和向下，前方和后方指向前和后，内侧和外侧指向中线和两侧。近端和远端描述与躯干或附着点的远近关系。在躯干部位，腹侧和背侧常被用作前和后的同义词，这一用法也延伸到脊髓。神经解剖学家则经常使用吻侧（朝向脑的前端）和尾侧（朝向脊髓端）这两个术语，因为胚胎期的脑会发生弯曲，此时背侧与上方的方向并不总是一致。标准切面包括矢状面（将身体分为左右两部分）、冠状面（将身体分为前后两部分）以及轴面或横断面（将身体分为上下两部分）。同侧与对侧等术语用于描述某一结构相对于参照点位于身体的同一侧还是另一侧，这一区分对于感觉和运动通路的交叉十分重要。" }, { "heading": "脑结构与区域功能", "text": "大脑皮层及其脑叶\n\n大脑皮层是一层薄薄的灰质，厚约 2–4 毫米，覆盖在左右两个大脑半球的表面。新皮层占大脑皮层的大部分，其中神经元排列成六层。皮层表面折叠成脑回和脑沟，使其在颅骨内的面积大大增加。每个半球分为四个脑叶：额叶、顶叶、颞叶和枕叶。两个半球主要通过胼胝体相连，胼胝体是由大量白质纤维组成的粗大束状结构。\n\n初级感觉区和运动区以拓扑图的形式组织。初级运动皮层位于额叶的中央前回，初级体感皮层紧邻其后，位于顶叶的中央后回。两者都呈躯体定位排列，即身体表面按有序的顺序在皮层上投射，其中手和面部占据的面积远大于其他部位。初级视觉皮层位于枕叶的距状沟沿线，初级听觉皮层位于颞叶的上表面。高级功能区环绕在这些区域周围。在大多数人中，语言产生主要与左侧额叶下部的布罗卡区相关，语言理解则主要与左侧颞叶后部的韦尼克区相关。\n\n皮层下结构\n\n皮层之下有若干核团，它们分别起着中继、过滤和调节的作用。丘脑几乎接收所有感觉输入（嗅觉是主要例外），并将其传送到相应的皮层区域，同时还参与睡眠、觉醒和注意的调节。基底神经节包括纹状体、苍白球和黑质等结构，接受来自皮层的大量输入，被认为有助于选择哪些动作被启动、哪些被抑制。基底神经节依赖黑质提供的多巴胺，因此黑质中多巴胺能神经元的丢失会导致帕金森病的运动症状。\n\n边缘系统是一组传统上但定义较为宽松的结构，包括杏仁核、海马体和扣带回皮层，它们与情绪、动机和记忆密切相关。海马体对形成新的长期陈述性记忆至关重要，这一点由斯科维尔和米尔纳于 1957 年研究的一名患者得到证实：该患者双侧内侧颞叶被切除后出现了遗忘症。下丘脑是位于丘脑下方的一个小结构，它将神经活动与激素释放联系起来，并调节体温、口渴、饥饿和昼夜节律等内环境稳态。\n\n脑干与小脑\n\n脑干由中脑、脑桥和延髓组成，包含大多数脑神经的神经核，是大脑与脊髓之间的主要通路。脑干还包含维持生命所必需的神经回路。延髓内有产生呼吸节律的网络，包括前包钦格复合体，以及调节心率和血压的中枢。网状结构贯穿脑干，有助于控制觉醒和清醒状态，其上行投射若受到严重损伤，可能导致昏迷。由于这些回路至关重要，即使脑干损伤范围很小，往往也可能危及生命。\n\n小脑位于脑干后方，仅占脑体积的约十分之一，却包含了大脑中绝大多数神经元。它接收关于身体状态和预期运动的信息，并将两者进行比较，以调整运动的时机和力度。小脑受损通常会导致共济失调，表现为步态不协调、肢体动作笨拙，但肌力基本保持正常。小脑在运动学习中的作用，得到了攀缘纤维将误差信号传入小脑这一现象的支持。小脑在认知和情绪方面的作用是当前活跃的研究领域，但与其在运动中的作用相比，证据尚不够确凿。\n\n脑功能偏侧化与大规模网络\n\n两个大脑半球在功能上并不完全相同。20 世纪 50 年代和 60 年代，由罗杰·斯佩里和迈克尔·加扎尼加领导的割裂脑研究表明，大多数人的左半球专门负责语言，而右半球更多地参与某些空间和视觉空间任务。在大多数右利手者中，语言优势具有明显的左侧化特点；在左利手者中，这种优势的分布则更加多样。流行观点认为人是\"左脑型\"或\"右脑型\"的说法，夸大了这些差异，因为大多数心理活动都会同时调动两个半球。\n\n更重要的是，大多数认知功能并不依赖单一脑区。功能成像和损伤研究表明，注意、记忆和决策等任务会调动分布式网络。对静息态活动的分析，例如叶及其同事在 2011 年的研究，识别出一组相互作用的大规模网络，包括默认模式网络、背侧注意网络和突显网络。因此，某个病灶造成的功能后果，既取决于受损的部位本身，也取决于该部位所参与的网络。" }, { "heading": "脊髓与反射回路", "text": "脊髓是中枢神经系统的尾侧部分。成人脊髓从颅底延伸至约第一腰椎的水平。它在大脑与身体之间传递信息，同时包含一些回路，能够在几乎不接受来自上级中枢输入的情况下产生运动。横切面上，灰质形成蝶形的核心。背角接收感觉输入，腹角包含驱动骨骼肌的运动神经元，中间带则含有中间神经元和自主神经元。包围这一核心的白质由成束的有髓轴突组成，这些轴突按柱状分组，沿脊髓上下传递信号。这些束即下文所讨论的传导束。\n\n上行与下行传导束\n\n上行束把感觉信息传向大脑。大多数上行通路遵循由三到四个神经元组成的链式结构。一级神经元通过背根神经节将来自感受器的信号传入脊髓。二级神经元位于脊髓或脑干内，把信号继续传递下去；三级神经元位于丘脑，将信号送至大脑皮层。不同通路传递不同的感觉模态。背柱系统负责传导精细触觉、振动觉和有意识的本体感觉，它在同侧上行，直至延髓。脊髓丘脑束传导痛觉、温度觉和粗略触觉，其二级纤维在进入脊髓后不久即交叉至对侧。脊髓小脑束则把无意识的本体感觉信息送至小脑。\n\n下行束传递运动指令。皮质脊髓束起源于运动皮层，是四肢随意运动和精细技能运动的主要通路。它的大部分纤维在延髓锥体处交叉至对侧，形成外侧皮质脊髓束，另有一条较小的前束在脊髓节段水平交叉。起源于脑干的下行束，包括网状脊髓束、前庭脊髓束、红核脊髓束和顶盖脊髓束，负责调节姿势、平衡、肌张力以及反射的增益。由于下行束在脊髓中间神经元和运动神经元上形成突触，脊髓承担了大多数随意运动的最后环节。\n\n单突触与多突触反射\n\n反射是脊髓回路最简单的例子。牵张反射是最直接的一种。当肌肉被拉长时，肌梭中对牵拉敏感的感受器放电增加。这些传入纤维进入背角，直接与支配同一块肌肉的α运动神经元形成突触，使该肌肉收缩以抵抗牵拉。牵张反射是单突触反射，其潜伏期在所有脊髓反射中最短。膝跳反射就是人们熟悉的例子。与此同时，传入输入的一个分支激活抑制性中间神经元，使拮抗肌舒张，这一过程称为交互抑制。γ运动神经元则调节肌梭的敏感性。\n\n缩肢反射是多突触反射。Aδ型伤害性纤维激活背角中的中间神经元。兴奋性中间神经元驱动同侧肢体的屈肌，抑制性中间神经元则使伸肌安静，从而使足或手迅速撤离有害刺激。交叉伸肌反射通常与之同时发生。中间神经元将信号传过中线，使对侧肢体伸展，在缩肢的同时支撑身体的重量。由于这些回路包含一个或多个中间神经元，其反应速度慢于牵张反射，但能够产生更加协调的反应。来自高级中枢的信号可以促进或抑制反射，但无法将其完全取消。\n\n中枢模式发生器\n\n中枢模式发生器（CPG）是一类产生节律性运动输出的脊髓中间神经元网络。这类网络能够产生行走时屈肌与伸肌交替活动的模式，类似的回路也是其他动物游泳和跳跃的基础。经典实验表明，某些动物分离出的脊髓无需来自大脑或感觉反馈的输入，也能产生节律性输出。然而在完整动物中，来自脑干和中脑的下行指令会启动运动，并调节其速度和模式，而来自肢体的感觉反馈则有助于确定每一步的时间安排。在猫身上，若将其支撑在跑步机上，即使脊髓已被完全横断，后肢的迈步仍可重新出现。部分脊髓损伤后，迈步功能的恢复部分依赖于经训练塑造的脊髓中枢模式发生器内的可塑性变化。目前关于人类中枢模式发生器的证据较为间接，相关研究正在探索神经调制能否在损伤后重新激活这些网络。\n\n脊髓损伤\n\n脊髓损伤会中断连接大脑与身体的传导束，因此功能丧失会出现在损伤平面以下。颈段损伤通常影响手臂和腿部，而胸段或腰段损伤一般不影响手臂。完全性损伤会使损伤平面以下的随意运动和感觉全部消失，同时还会破坏膀胱、肠道、性功能和血压的调节，这些功能依赖于自主神经通路。在急性期，损伤平面以下的许多反射会受到抑制，这种状态称为脊休克。随着时间推移，部分反射可能因下行抑制的丧失而变得过度活跃。不完全性损伤会保留残留的通路，从而支持部分功能恢复，康复策略的目标即是利用那些仍然保留的脊髓回路。这类中枢神经系统损伤不同于外周神经损伤，因为脊髓同时包含了传导束以及连接二者的反射回路。" }, { "heading": "感觉输入与运动输出", "text": "感觉输入与运动输出构成神经系统控制回路的两端。皮肤、肌肉、关节和感觉器官中的感受器将物理和化学事件转换为电信号，下行通路则把中枢的决策转化为肌肉收缩。两端之间，有中枢神经系统中的上行中继，以及在运动过程中实时纠正动作的反馈回路。\n\n感受器与转导\n\n感受器通常按其所探测的刺激类型分类。机械感受器对形变和压力作出反应，温度感受器对温度作出反应，光感受器对光作出反应。化学感受器对化学化合物作出反应，包括嗅觉中的气味分子；伤害感受器则对有损伤或可能造成损伤的刺激作出反应，这些刺激会被感知为疼痛。渗透压感受器监测体液的溶质浓度，血管壁中的压力感受器感知牵张，使神经系统能够跟踪血压。一些学者把这一体系归并为四种大类：化学、机械、光和温度。\n\n转导是刺激的能量转变为膜电位变化的过程，通常通过开启或关闭细胞膜上的离子通道实现。不同感觉方式的机制各不相同。在机械感受器中，通道蛋白本身受力门控，因此膜的形变直接改变离子流动。骨骼肌中含有两类本体感受器，分别称为肌梭和高尔基腱器官，它们分别将肌肉长度和肌肉力量转换为电信号。脊椎动物的光感受器则走向相反的过程：在脊椎动物光感受器中，视觉色素被光激活后会刺激cGMP的水解，使环核苷酸门控通道关闭，细胞发生超极化。相比之下，成熟的耳蜗毛细胞缺乏电压门控钠通道，因此其转导电流产生的是分级感受器电位（幅度可达约40 mV），而非动作电位。感受器电位是一种分级电信号，其幅度随沿膜传播的距离而减小。在许多体感末梢中，这种分级去极化本身就是输入信号：一旦达到阈值，便会沿轴突触发动作电位。\n\n上行通路与感觉图谱\n\n大多数体感神经元的胞体位于背根神经节，其轴突进入脊髓并向上行。背柱–内侧丘系通路负责传递精细触觉、振动觉和本体感觉。该通路的纤维在延髓交叉至对侧，在丘脑的腹后外侧核中继，最终到达中央后回的初级体感皮层。脊髓丘脑束传递痛觉和温度觉，纤维在进入脊髓后不久即交叉。视觉遵循类似的逻辑：视网膜信号经外侧膝状体抵达枕叶的初级视皮层；听觉则经脑干核团和内侧膝状体抵达听皮层。嗅觉是一个显著的例外，嗅觉信号无需丘脑中继即可到达皮层。\n\n每一个主要中继站都保持空间秩序。身体表面在大脑皮层上以躯体定位方式投射，感受器分布密集的部位，如手和嘴唇，在感觉小人中占据不成比例的大片区域。\n\n运动通路\n\n随意运动主要依赖初级运动皮层中的上运动神经元。Betz细胞的轴突所走行的两条下行通路是皮质延髓束和皮质脊髓束。这些纤维的交叉在解剖学上很重要：延髓–脊髓交界处的标志性结构是锥体交叉，皮质脊髓束的大部分纤维正是在此交叉到大脑的对侧。在脊髓内，外侧支支配四肢肌肉，而前皮质脊髓束支配躯干肌，其纤维在延髓不发生交叉。皮质延髓纤维终止于脑神经运动核，控制面部、头部和颈部肌肉的运动。\n\n上运动神经元在脑干和脊髓腹角与下运动神经元形成突触。这些神经元经脊神经投射，并在神经肌肉接头处与肌肉相连。这一输出的功能单位是运动单位。一个运动神经元与目标肌肉内的多根肌纤维相连，其比例随任务而变化：单个运动神经元所支配的纤维数量，取决于该肌肉所需的精细程度和力量大小。因此，负责精细控制的肌肉（如控制眼球或手指运动的肌肉）运动单位较小，而大型姿势肌的运动单位较大。脑干通路、基底神经节和小脑同样影响这一输出，相关内容将在别处讨论。\n\n本体感觉反馈\n\n运动输出会不断受到感觉反馈的调节。这些传入信息统称为本体感觉，它告知中枢神经系统身体和四肢在空间中的位置。在每块肌肉内，梭内肌纤维是位于肌梭内的本体感受器，它们是经过特化的肌纤维，仍具收缩能力，主要感知肌肉的牵拉和长度。肌梭传入纤维是人体传导最快的感觉纤维之一：每个肌梭由Ia类和II类传入纤维支配，传导速度可达120 m/s。当肌梭被过度拉伸时，其信号传至脊髓，驱动牵张反射（该反射回路将在脊髓一节中介绍）。γ运动神经元调节肌梭的敏感性，在肌肉活动中的本体感觉反馈中发挥关键作用。\n\n高尔基腱器官位于肌肉与肌腱的交界处，提供的是关于力量而非长度的互补信息。近期的建模研究表明，结合腱器官反馈后，肌梭反馈能够区分自身产生的力与外部施加的力。肌梭与腱器官信号的这种结合，是运动系统能够分辨自己对外界施加了多大拉力、而不仅仅是知道肢体位于何处的原因之一。" }, { "heading": "自主神经与肠神经系统的控制", "text": "两个分支及其联系方式\n\n自主神经系统（ANS）属于周围神经系统，但它是调控机体内环境的控制系统。它在中枢神经系统与心脏、肺、平滑肌以及外分泌腺和内分泌腺等器官之间传递指令，并且大部分过程无需意识参与。它调控肺、心脏、平滑肌以及外分泌腺和内分泌腺。自主神经系统在很大程度上不受意识控制地调节这些器官，能够持续监测这些不同系统的状态，并在需要时作出调整。\n\n两个分支的起源部位不同。副交感神经系统经由中枢神经系统的颅区和骶段发挥作用，交感神经系统则起源于脊髓 T1–L2 节段。两者都采用双神经元接力：中枢内的节前神经元与节后神经元形成突触，节后神经元再作用于靶器官。二者的解剖结构也因接力神经节的位置不同而有所区别：交感神经节靠近脊髓，而副交感神经节位于内脏效应器官之内或其附近。交感神经纤维的节前轴突短、节后轴突长；副交感神经纤维的节前轴突长、节后轴突短。\n\n对靶器官的作用\n\n两个分支常常对同一器官产生相反的作用，但这一规律并非绝对。许多器官主要受交感神经或副交感神经其中一支的控制。有时两个分支对同一器官的作用恰好相反：交感神经激活会使瞳孔散大、心率加快、心肌收缩力增强、气道松弛，并减弱肠道蠕动；副交感神经激活则使瞳孔缩小、心率减慢、气道收缩，并增强肠道蠕动。重要的是两者之间的比例，即所谓的自主神经张力，而不是某一方简单地关闭另一方。有些靶点，如汗腺、大多数血管和肾上腺髓质，只接受交感神经的输入，而没有与之相拮抗的副交感神经输入。\n\n中枢控制与反射\n\n自主神经的输出受到高位中枢的协调。自主神经系统的一个主要输出来自下丘脑，并经由网状结构实现。延髓和脑桥中的脑干核团也整合心血管和呼吸调节的信号；反射环路（如颈动脉窦和主动脉弓的压力感受器反馈）可在数秒内调节心率和血管张力，以维持血压稳定。临床病例表明，自主神经功能对脊髓以上中枢控制的依赖程度很高。脊髓损伤后，脊髓以上中枢对自主神经的影响中断，导致交感神经功能减弱、副交感神经占优势，进而可引起心律失常、全身性低血压以及肠道和膀胱功能障碍。\n\n肠神经系统\n\n肠神经系统（ENS）是嵌入肠壁内的致密神经网络，常被描述为一个半独立的“第二大脑”。它由分布于从食管到肛门肠壁中的超过1亿个神经细胞（神经元）组成。其神经元排列成神经节丛：黏膜下神经节和肌间神经节分布在纵行肌与环行肌之间。凭借这些神经成分，肠神经系统能够引发控制和协调肠道运动、分泌及血流的神经反射。局部感觉神经元感知肠腔内容物，并通过中间神经元驱动运动输出，因此蠕动和分泌可以在没有中枢输入的情况下进行。肠神经系统可以独立于脑和脊髓运作，这意味着即使失去意识，你仍然可以消化食物。\n\n外源性输入仍会调节肠道活动。肠神经系统受副交感神经系统（促进消化）和交感神经系统（抑制消化）的影响。肠神经系统的归类尚无定论。过去，它被视为自主神经系统的一部分，但现在通常被单独看待，有时被称为“第二大脑”。\n\n应激、运动与躯体协调\n\n自主神经系统并非单独工作。它维持机体正常的内脏功能，并可与躯体神经系统协同运作。在急性应激期间，交感神经的输出会迅速被募集。抵达肾上腺髓质的交感节前纤维释放乙酰胆碱，作用于嗜铬细胞上的烟碱型受体，嗜铬细胞进而分泌去甲肾上腺素和肾上腺素，介导“战斗或逃跑”反应。交感神经活动还会促进肝脏将糖原转化为葡萄糖，同时抑制消化，为“战斗或逃跑”提供能量。运动时，同样的模式支持工作中的肌肉：心率和血压升高，以增加骨骼肌的血流；副交感神经对心脏的影响减弱，而肠道血流和蠕动减少。这些变化与躯体系统的运动指令相互协调，使心血管和呼吸的调节与运动需求相匹配。" }, { "heading": "保护屏障与脑脊液", "text": "骨骼与脑膜\n\n大脑和脊髓被包裹在骨骼之中：颅骨包围大脑，椎骨柱包围脊髓。在骨性外壳内部，三层称为脑膜的膜包裹着中枢神经系统。最外层为硬脑膜，质地厚实、富含纤维，起固定大脑的作用，其中还包含硬脑膜静脉窦，用于引流大脑的血液。中间层为蛛网膜，较薄且无血管，其名称来自从它伸向软膜的细小结缔组织丝。最内层为软膜，紧贴大脑和脊髓表面，并携带血管。蛛网膜与软膜常合称为软脑脊膜（leptomeninges），二者之间的空间即蛛网膜下腔，充满脑脊液。骨骼和脑膜共同限制机械性损伤，而脑脊液则缓冲柔软的组织，使其在运动时不会撞击颅骨。\n\n脑脊液的产生、循环与引流\n\n脑脊液（CSF）是一种透明、低蛋白的液体。其中大部分由脉络丛产生。脉络丛是一簇毛细血管和特化的室管膜上皮细胞，位于侧脑室的壁上以及第三脑室和第四脑室的顶部。脑脊液的生成既包括血液的滤过，也包括上皮细胞的主动分泌，这也是其成分与血浆不同的原因。脉络丛上皮细胞之间的紧密连接调控水分和溶质从毛细血管进入脑室的过程。\n\n脑脊液从侧脑室经室间孔流入第三脑室，再经中脑导水管流入第四脑室。随后，它经第四脑室的外侧孔和正中孔离开，进入围绕脑和脊髓的蛛网膜下腔，同时也充满脊髓的中央管。成人脑脊液的总量约为125–150毫升，每天约产生500毫升，因此全部脑脊液每天会被更新数次。\n\n大部分脑脊液通过蛛网膜颗粒回流入血液。蛛网膜颗粒是蛛网膜向外突出、伸入硬脑膜静脉窦的囊状结构。较次要的途径包括脉络丛本身以及血管周围通路。经典观点认为脑脊液沿着一条\"河流般\"的单一路径，从脉络丛流向蛛网膜颗粒，但这一观点受到了质疑：手术抑制脑脊液的产生，并不能可靠地缓解脑积水的症状；一些计算研究则提出，水分是在脑实质中依据斯塔林力（Starling-type forces）移动的。因此，其机制仍是活跃的研究课题。引流主要由蛛网膜下腔与静脉窦之间的压力差驱动，当脑脊液压力降至较低水平时，重吸收随之减慢。当引流功能受损时，液体便会积聚、压力升高，这种情况称为脑积水。\n\n血脑屏障\n\n血脑屏障（BBB）是位于脑毛细血管处的一种功能性界面，而非通常意义上的膜结构。其核心是脑毛细血管的内皮，该内皮没有窗孔，内皮细胞之间通过紧密连接相互封闭。这些紧密连接包含claudin-5、occludin和ZO-1等蛋白质，共同形成一道扩散屏障，将大多数血源性分子拒之门外。小分子脂溶性物质可以被动穿过，而葡萄糖、氨基酸及其他营养物质则由特定的转运蛋白运送通过。外排转运蛋白还会主动将许多化合物从内皮细胞泵回血液。\n\n嵌入基底膜中的周细胞有助于调控紧密连接的数量，并影响星形胶质细胞足突的极化。关于星形胶质细胞的作用，学界仍有争议。一些综述认为它们对诱导和维持内皮屏障至关重要，另一些则指出，它们并不被认为本身能够提供屏障作用。激光消融实验发现，去除星形胶质细胞足突并不会立即导致渗漏，然而缺乏星形胶质细胞缝隙连接蛋白的小鼠却表现出屏障功能障碍。目前的观点是，星形胶质细胞支持并调节屏障功能，而非单独将其封闭。\n\n脉络丛构成了独立的血–脑脊液屏障，蛛网膜也参与屏障功能。因此，血脑屏障与血–脑脊液屏障在位置和细胞组成上各不相同。\n\n对药物递送和感染的影响\n\n由于血脑屏障会排斥大多数大分子或极性分子，许多作用于中枢神经系统的药物难以透过该屏障，这也是中枢神经系统药物研发成功率较低的原因之一。应对这一问题的策略包括：设计小分子脂溶性化合物，利用内源性转运系统，将药物直接注入脑脊液（鞘内给药），以及借助聚焦超声等技术暂时打开屏障。\n\n同样的选择性也限制了病原体和毒素从血液中进入大脑。然而，感染和全身性炎症可能改变紧密连接、胶质细胞功能及转运过程，从而增加通透性。炎症介质（如细胞因子）是外周感染影响大脑的途径之一。脑膜感染（如脑膜炎）则直接累及充满脑脊液的腔隙，屏障破坏也被认为与神经退行性疾病及其他神经系统疾病有关。" }, { "heading": "从神经管开始的发育", "text": "神经胚形成\n\n脊椎动物神经系统的发育始于神经胚形成（neurulation）。这一过程将胚胎外胚层转化为神经管，神经管最终发育为脑和脊髓。轴向中胚层的细胞向其上方的外胚层发出诱导信号，这些信号激活相关基因，使外胚层增厚并形成多层的神经上皮。诱导机制较为复杂，由轴向中胚层细胞分泌的诱导性物质引导。形成的神经板首先出现在头端，随后向后延伸，并不断招募更多的神经外胚层细胞。在人类中，这一过程发生在第三周：神经板的两侧边缘隆起，形成围绕中央凹槽的神经褶。\n\n闭合既是力学过程，也是分子层面的事件。神经板的两侧升起并在背侧中线相遇，在此融合成封闭的管道，管道两端的开口则在妊娠第四周末封闭。神经胚形成分两个阶段进行。在两栖类、鸟类和哺乳类中，初级神经胚形成沿头尾轴的大部分区域发生；而次级神经胚形成则涉及浓缩的尾芽细胞，仅发生在尾侧的下骶部和尾骨区域。在小鼠中，闭合从若干位点开始，然后向两个方向推进，这一过程常被称为“拉链式”闭合，这也意味着不同物种的闭合位点并不完全相同。该过程出现障碍会导致神经管缺陷，这是最常见的严重先天性畸形之一。\n\n神经嵴\n\n位于神经褶边缘、未进入管道的细胞会形成神经嵴。神经嵴是一种短暂存在的多能细胞群，起源于背侧神经管。这些细胞随后在胚胎内广泛迁移。神经嵴细胞可分化为外周神经系统的神经元和神经胶质细胞，以及遍布全身的黑素细胞。颅神经嵴还参与形成外间充质组织，包括软骨、骨和脂肪组织，这些组织通常被认为起源于中胚层。神经嵴的分化潜能非常广泛：在人类中，已确定至少47种细胞类型属于神经嵴衍生物。\n\n细胞的命运受其在身体轴上位置的影响。雪旺细胞、黑素细胞以及感觉神经元和交感神经元都可以来源于神经管的躯干区域，而某些衍生细胞则起源于神经嵴的特定区域，例如肠神经节来源于迷走区和骶区。在鸡胚中进行的克隆标记实验表明，单个早期神经嵴细胞可以具有多能性：被注射细胞的克隆后代分布于神经嵴细胞迁移所到达的许多或全部位置，包括感觉和交感神经节、外周运动神经和皮肤；表型分析也显示，至少部分神经嵴细胞在体内具有多能性。之后，这些细胞逐渐分化为不同的亚谱系，分别产生特定的分化衍生细胞。\n\n神经发生、迁移与轴突导向\n\n神经管形成后，其管壁由不断增殖的祖细胞构成。神经元由这些祖细胞分裂产生，新生神经元从其出生位置迁移至最终位置，迁移过程常由放射状胶质细胞的纤维引导。随后，每个神经元会伸出一条必须找到远处靶点的轴突。轴突的生长端，即生长锥，是关键的感知结构。一个多世纪前，Ramón y Cajal就在延伸轴突的顶端识别出生长锥，并提出它能感知细胞外的化学信号，并产生用于轴突导向的作用力。\n\n引导生长锥的分子信号可分为几个家族。在无脊椎动物和脊椎动物的模式系统中，人们已广泛研究了作用于四类主要轴突导向信号（netrin、semaphorin、ephrin和slit）下游的信号机制。netrin既可以作为吸引因子，也可以作为排斥因子：对netrin的吸引或排斥反应取决于生长锥上表达的受体，一种受体类型介导吸引，而另一种受体组合则介导排斥。semaphorin的作用范围较短，可使轴突生长锥偏离特定区域，并校正其路径。netrin作为可扩散梯度发挥作用的经典观点已受到质疑，部分研究表明，局部的近距离作用可能更为重要。由于有限的一组信号必须精确规定极其复杂的神经连接，导向信号以组合方式作用于轴突生长锥，并且常以非加和的方式整合，使得它们的联合效应不同于各自单独作用的效果。\n\n过量产生、修剪与活动依赖的精细化\n\n发育中的神经回路并非仅靠精确定位而建成。产生的神经元和突触远多于成熟神经系统所保留的数量，许多细胞通过程序性细胞死亡而消失。这一过程长期以来被认为与争夺靶组织提供的有限营养支持（如神经生长因子）有关。在人类的许多大脑皮质区域，突触密度在幼儿早期达到峰值，随后随着连接被消除而显著下降。修剪会清除较弱或不恰当的突触，在某些系统中，包括小胶质细胞在内的神经胶质细胞以及补体蛋白会帮助标记并清除这些突触。神经活动是决定哪些连接得以保留的主要依据：在视觉系统中，同时放电的视网膜输入倾向于保留，而放电不同步的输入则会减弱。由此可见，神经连接的持续精细化把早期的遗传程序与“可塑性”一节中讨论的经验依赖性调整联系起来。" }, { "heading": "可塑性、学习与记忆", "text": "突触并非一成不变。其传递效率会随活动模式而改变，这种能力通常被称为突触可塑性，被认为是学习和记忆的主要细胞基础之一。研究最充分的模型是长时程增强（LTP），它于1966年首次在兔的海马中被描述。与之相对的是长时程抑制（LTD），它会削弱连接。二者共同使神经元的输入能够在数小时到数年的时间尺度上被增强或减弱。LTP和LTD的具体机制大多是在海马CA1区的谷氨酸能突触上研究清楚的。在该区域，短暂的高频刺激串可以产生持续数小时甚至更久的增强效应。\n\n细胞模型：LTP与LTD\n\n在CA1区，NMDA型谷氨酸受体充当符合性检测器。它的激活可以引起谷氨酸能突触效率的长期改变。在该区域，NMDA受体介导LTP的诱导，而增强状态的维持则被认为主要依赖于AMPA受体介导的传递增加。诱导过程要求突触前的谷氨酸释放与突触后的强去极化同时发生。去极化会解除NMDA通道的镁离子阻断，使钙离子进入树突棘。钙信号激活CaMKII等激酶，促使额外的AMPA受体插入突触后膜，并增大树突棘的体积和强度。20世纪90年代及之后的实验表明，NMDA受体的亚基组成会影响LTP诱导的难易程度：含NR2A和含NR2B的受体作用不同，突触外的NMDA受体也可能影响增强的阈值。相比之下，LTD则出现在低频刺激之后，这种刺激引起的钙离子升高较为温和，从而有利于磷酸酶的活性，并使AMPA受体从突触上移除。\n\n赫布原理与协同变化\n\n唐纳德·赫布于1949年提出：当一个细胞反复参与激发另一个细胞时，二者之间的连接就会得到加强。用现代的话说，这是一条关联活动原理：突触根据突触前与突触后事件的时间和同时性而发生改变。尖峰时间依赖的可塑性是这一思想的更精确版本，其中尖峰的先后顺序决定突触是增强还是减弱。赫布规则有时被称为联想性规则，因为LTP具有联想性、协同性和输入特异性等特征：一个较弱的刺激与一个较强的刺激配对时，可以被增强；变化仅限于活跃的突触，而不会扩散到整个细胞。这些特征使LTP成为存储共现事件信息的合理机制，不过它仍是一个模型，尚未被证实为任何特定记忆的确切解释。\n\n关键期与经验依赖的神经连接\n\n有些神经回路在特定的发育时期对经验特别敏感。1960年代，休伯尔和维泽尔的研究显示，在早期生活中剥夺一只眼的输入，会使视皮层的反应偏向未被剥夺的那只眼；如果剥夺始于成年期，这种效应则基本消失。言语声音的感知和第一语言的习得也存在类似的敏感期：幼儿期接触语言通常比晚些时候接触能带来更完整的掌握。关键期被认为反映了抑制性回路的成熟以及细胞外基质的稳定化，二者共同关闭了重新布线的时间窗口。因此，感觉经验的作用不仅是调节已有的回路，它还决定哪些连接得以保留。这一主题与本词条发育部分所述的修剪过程相互关联。\n\n结构可塑性、神经发生与巩固\n\n学习还会改变神经元的物理结构。树突棘可以在数小时到数天内形成、增大并消失，持续的训练也与树突棘数量和形态的变化相关。其中一些结构变化只有在学习后的关键时间段内发生蛋白质合成时才能稳定下来，这也是许多记忆巩固模型依赖转录和翻译过程的原因。巩固还被认为涉及跨系统的重组：记忆最初依赖海马，随后逐渐转由分布式的新皮层网络支持，这一过程被认为借助于睡眠期间的活动重放。在成年哺乳动物中，新神经元只在有限的区域产生，最明确的是齿状回的颗粒下层和侧脑室内衬的脑室下区，这些新神经元随后整合进已有的回路。成年海马神经发生对人类的功能意义仍有争议，不同研究对其规模的估计也差异较大。" }, { "heading": "神经内分泌与神经免疫相互作用", "text": "下丘脑-垂体-肾上腺轴\n\n激素性应激控制主要围绕下丘脑、垂体和肾上腺皮质展开。对不良应激的急性神经内分泌反应表现为三条应激轴的三重激活：交感神经系统、对肾上腺皮质的直接神经支配，以及下丘脑激素信使的级联反应。激素分支始于下丘脑室旁核中的一群细胞，它们将促肾上腺皮质激素释放激素和加压素分泌到供应垂体的血管中（下丘脑室旁核的神经分泌神经元将促肾上腺皮质激素释放激素和精氨酸加压素一同释放到垂体的门脉循环中）。这两种因子共同作用于垂体细胞，使促肾上腺皮质激素释放入血。该激素随后与肾上腺皮质中的黑素皮质素受体结合，触发糖皮质激素的重新合成：人类为皮质醇，啮齿类动物为皮质酮（ACTH激活肾上腺皮质束状带中的黑素皮质素2型受体，启动糖皮质激素的从头合成与释放）。\n\n糖皮质激素的分泌并非恒定不变。它遵循昼夜节律，静息期水平较低，在接近醒来时达到峰值；在这一昼夜节律之上，还叠加着近乎每小时一次的脉冲式分泌（HPA轴的活动呈现独特的昼夜节律：静息期糖皮质激素水平较低，在接近醒来时升至峰值。这一昼夜节律的基础是糖皮质激素释放中高度动态的超昼夜节律）。脉冲的时机很重要，因为脉冲式信号调控肝脏和大脑中的转录（糖皮质激素的脉冲性对于肝脏和大脑中靶基因的动态转录调控十分重要）。这些激素也会反馈作用于该系统：由于其受体广泛分布于大脑和外周组织，它们会抑制轴的进一步激活（糖皮质激素通过广泛分布于大脑和外周组织的胞内受体，抑制HPA轴的进一步激活）。当这种调节出现偏移时，后果可能十分严重。慢性失调可表现为皮质醇反应过强或过弱（活动亢进指HPA轴反应过度，即使在非应激时期皮质醇水平也偏高。反应迟钝则指对应激源的皮质醇反应减弱）。长期暴露于高水平糖皮质激素也与影响记忆的海马体变化有关（长期应激伴随高水平糖皮质激素，可能导致海马体萎缩）。\n\n细胞因子、患病行为与脑功能\n\n免疫信号通过多种途径到达大脑。感染会促使活化的固有免疫细胞从头产生细胞因子，这些分子既改变生理功能，也改变行为。最为人所知的模式是患病行为：患者活动减少、对外界刺激的反应变弱、嗜睡、进食减少并表现出社交退缩（活动减少、对外界刺激反应下降、嗜睡、食欲减退和社交退缩，通常是微生物感染的典型表现）。白细胞介素-1和肿瘤坏死因子α是这一反应的核心：它们在大脑中的作用被认为会产生一种有组织的动机状态（这些变化源于促炎细胞因子如白细胞介素-1（IL-1）和肿瘤坏死因子α（TNFα）在大脑中的作用，代表了一种组织良好的中枢动机状态的表现）。\n\n目前已提出几种进入途径。细胞因子可能通过饱和性转运机制穿越血脑屏障，也可能作用于缺乏屏障的室周器官，或激活迷走神经传入神经元（可能的途径包括：细胞因子通过饱和性转运机制直接穿越血脑屏障进入大脑；细胞因子与缺乏血脑屏障的室周器官相互作用，如终板血管器和极后区；以及激活迷走神经的传入神经元）。在应对免疫挑战时，外周细胞因子和T细胞等免疫细胞也可以借助多种主动转运系统穿过具有保护作用的血脑屏障（在应对免疫挑战时，外周细胞因子和T细胞等免疫细胞可以通过多种主动转运系统穿过保护性血脑屏障）。大脑中的细胞，如小胶质细胞，也会在局部产生细胞因子，从而引发神经炎症（小胶质细胞和脑内肥大细胞等细胞在血脑屏障的脑侧分泌细胞因子，其主要后果是神经炎症）。外周细胞因子一部分经由HPA轴、一部分经由迷走神经输入到达大脑（外周来源的细胞因子可通过作用于下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴，或经由迷走神经的传入输入来调节中枢神经系统）。这一循环也存在反向作用。内源性糖皮质激素和加压素会减弱细胞因子的致病样效应（细胞因子的致病样效应受到多种内源性神经肽和激素的下调，包括加压素和糖皮质激素）。当外周免疫激活持续不减时，例如在全身性感染、癌症或自身免疫性疾病中，免疫信号向大脑的传递可能加重患病症状，并在易感人群中引发抑郁症状（当外周免疫系统的激活持续不断时，例如在全身性感染、癌症或自身免疫性疾病期间，免疫信号向大脑的传递会导致患病症状加重，并在易感个体中出现抑郁症状）。\n\n感觉神经元与屏障组织中的免疫细胞\n\n皮肤、肺和肠道等屏障组织是神经末梢与免疫细胞最为密集相遇的地方。这些部位的感觉神经元曾被视为被动的探测器，但现有证据支持一种新模型：它们是主动的免疫哨兵，可直接影响皮肤、肺和胃肠道的组织免疫（感觉神经元在皮肤、肺和胃肠道中直接影响组织免疫）。伤害感受器携带识别病原体信号和细胞因子的受体，因此能够直接感知感染和组织损伤（伤害感受器和瘙痒感受器表达多种免疫感知受体，包括Toll样受体、细胞因子受体和警报素传感器）。这种通讯是双向的：免疫细胞通过细胞因子和警报素改变神经元的兴奋性，而活化的神经元则释放神经肽，重塑免疫细胞的行为（免疫细胞也通过细胞因子和警报素改变神经元的兴奋性，在屏障组织中形成双向回路）。主要的神经肽包括P物质、降钙素基因相关肽和血管活性肠肽，它们各自通过不同的受体通路发挥作用（神经元分泌P物质、降钙素基因相关肽（CGRP）和血管活性肠肽（VIP），它们分别作用于不同的受体通路并启动不同的免疫程序）。\n\n在皮肤中，P物质激活受体，驱动钙信号传导和肥大细胞脱颗粒（P物质激活G蛋白偶联受体，诱导Ca2+信号传导和肥大细胞脱颗粒）。皮肤神经元的不同亚群可以将免疫反应推向相反方向：含P物质的肽能神经元与含谷氨酸的非肽能神经元相互拮抗，共同调节皮肤中肥大细胞的反应性。在肺中，气道主要由迷走神经感觉神经元支配，而不是像皮肤那样主要由背根神经节支配（近期的示踪研究表明，肺部神经分布稀疏，绝大多数肺感觉神经支配来自迷走神经节）。迷走神经元能够抑制过敏性炎症：CGRPβ抑制致病性2型固有淋巴样细胞（ILC2）的反应以及过敏性肺炎症。在肠道中，TRPV1+伤害感受器整合肠腔和炎症刺激，以调节黏膜免疫稳态。这些相互作用并非简单的单向传递，其结果取决于具体情境和时机，炎症可能随之加剧或消退（炎症可能加剧或消退，取决于具体情境和时机。由此，神经免疫通讯并非线性的接力过程）。" }, { "heading": "动物间的演化", "text": "目前的综述认为，神经系统的起源可以追溯到刺胞动物或与其亲缘关系极近的祖先。刺胞动物的神经系统结构简单，神经系统很可能正是在这一类群或其近缘祖先中首次演化出现的。它们的基本结构是弥散的细胞网络，在某些部位变得更为密集：基本模式是神经网，在某些位置凝聚形成神经丛，或形成环形、纵向的神经束。在海葵 Nematostella vectensis 中，神经元在身体轴线的口端和反口端更为集中。刺胞动物的细胞也往往具有多种功能：在超微结构层面，许多细胞同时兼具感觉细胞、运动细胞、中间神经元和神经分泌细胞的特征，这使一些研究者提出，这类细胞可能类似于高等动物中特化神经元的祖先。\n\n神经网并非刺胞动物独有的特征。栉水母（栉板动物）在常见的动物学教科书中同样被列为具有\"神经网\"的动物。然而，对一种栉水母的电子显微镜观察表明，其上皮下神经元共享连续的细胞膜并形成合胞体，这说明栉水母与刺胞动物及两侧对称动物的神经网结构存在根本差异。神经网究竟是单一的祖先设计，还是多次独立出现，目前仍未有定论。在遗传层面，一些发育机制是共享的：在刺胞动物中，Wnt 和骨形态发生蛋白（BMP）信号通路以及 Sox 基因在神经元分化中发挥关键作用，而且这一调控网络的大部分在两侧对称动物中是保守的。\n\n两侧对称动物的集中化与头化\n\n两侧对称动物具有左右对称的身体结构，是发育出带有头部区域的集中式神经系统的谱系。主流观点认为，中枢神经系统只演化了一次，即出现在两侧对称动物的祖先之中。即便如此，这一图景仍存在争议。两侧对称动物的祖先究竟已经拥有中枢神经系统，还是只有神经网，这一问题争议很大，而答案决定了原口动物和后口动物是继承了共同的中枢神经系统，还是各自独立构建了中枢神经系统。另一种相互竞争的观点认为，脊索动物的中枢神经系统起源于类半索动物的后口动物祖先的外胚层神经网。还有一种假说认为，两侧对称动物的中枢神经系统可能是从许多刺胞动物类群中发现的\"环状神经节\"发展而来。发育研究还表明，脊椎动物脑的前后组织中心与祖先后口动物中的同源基因网络相关，不过其中一些中心在无脊椎脊索动物的神经系统中已经消失。\n\n软体动物以另一种形式呈现出同样的趋势。在最简单的软体动物中，神经节发育较差，只有一个简单的神经环环绕食道，每侧有小型的脑神经节。在许多物种中，纵向神经索通过横向连合相连，形成梯状结构。集中化似乎是平行发生的：对软体动物的一项分析得出结论，其神经系统的演化至少经历了四次独立事件。\n\n节肢动物、头足类和脊椎动物中的趋同演化\n\n鞘亚纲头足类（章鱼、鱿鱼和墨鱼）是趋同复杂化最明显的例子。它们拥有无脊椎动物中最大的神经系统，其中普通章鱼（Octopus vulgaris）的脑包含30多个分化的叶。比较解剖学将头足类的神经系统描述为类似于脊椎动物的大脑皮层、丘脑、基底神经节、小脑、下丘脑和脑干，不过两者真正的对应程度仍有争议。一些研究者进一步认为，章鱼的腕神经索在功能和结构上类似于脊椎动物的脊髓，而不是简单的外周结构。\n\n视觉是最为人熟知的例子。由于末次共同祖先中不存在能形成图像的眼睛，相机式眼睛是独立演化出来的。两者的设计有所不同：在头足类中，光线直接到达感光细胞；相比之下，脊椎动物的视网膜是\"倒置\"的。头足类的视网膜也更为简单，只有一种杆状体型感光细胞朝向入射光，并有支持细胞，但没有中间神经元。在基因组层面，章鱼的两类基因家族出现了大规模扩张，此前这两类基因家族被认为是脊椎动物独有的扩增：一类是调控神经元发育的原钙黏蛋白（protocadherins），另一类是 C2H2 超家族的锌指转录因子。趋同也延伸到了功能层面：头足类与昆虫、脊椎动物在学习和记忆相关的神经回路组织上出现了趋同。即便如此，两者在分子层面的解决方案仍不相同：章鱼的视觉系统使用的多巴胺受体，其功能与脊椎动物的不同。\n\n跨物种共享的遗传程序\n\n比较遗传学表明，相似的发育基因在远缘谱系中被反复利用。转录因子 Pax6 是研究最多的例子。它的突变会破坏哺乳动物和昆虫的眼睛发育，而且目前已经从哺乳动物、鱼类、鱿鱼、线虫和涡虫等多个门类中分离出真正的 Pax6 基因。由于在大多数物种的眼睛形成过程中都能观察到几乎普遍的 Pax6 参与，它被视为眼睛具有单一演化起源的证据之一。这一观点有时还与水母 Tripedalia 幼体中发现的单细胞有色感光细胞联系在一起。Pax 基因也存在于刺胞动物中，而刺胞动物是最基础的、拥有眼睛的动物之一。\n\n这些结论存在局限。共享的序列并不保证共享的功能：正如一篇综述所言，蛋白质编码区的序列保守并不一定意味着其在眼部形态发生中的功能在演化中也是保守的。因此，这类比较必须依赖各物种中的功能实验，而不能仅凭基因序列下结论。" }, { "heading": "研究历史", "text": "神经系统的研究始于古代。公元二世纪，帕加马的盖伦主要以动物为研究对象，通过切断神经并观察由此产生的瘫痪，将大脑和脊髓与运动及感觉联系起来。此后数百年间，解剖学家不断完善这一认识，而神经组织如何组织起来的争论也逐渐成为核心问题。\n\n第一场重大的理论争论发生在网状学说与神经元学说之间。1873年卡米洛·高尔基引入的银染法，以前所未有的细节显示了单个神经细胞，但高尔基本人却认为，these神经细胞的突起会融合成一个连续的网络。高尔基的“网状”学说提出，神经系统可以形成由相连神经纤维构成的合胞体，神经冲动可借此在弥散的网络中传播。从1887年起，圣地亚哥·拉蒙-卡哈尔使用同样的染色法，却得出了相反的结论。1888年，他报告称鸟类大脑中的神经细胞彼此并不连续。“神经元”一词于1891年由威廉·瓦尔德耶推广，卡哈尔的观点随之成为神经元学说，即认为神经系统由彼此独立的细胞构成。后来，查尔斯·谢灵顿为相邻神经元之间的连接处创造了“突触”一词。高尔基与卡哈尔于1906年共同获得诺贝尔生理学或医学奖，但两人之间的争论仍在继续。直到电子显微镜应用于神经系统之后，神经元学说才得到更为确凿的证实，因为在此之前，该学说无法得到正式证明。高尔基对分布式系统如何产生整合活动的关注至今仍具有现实意义，而卡哈尔1934年发表的最后一篇论文，则是对反对网状学说之证据的综述。\n\n下一阶段的研究关注信号如何沿单个细胞传导。20世纪初，尤利乌斯·伯恩斯坦提出，神经冲动是细胞膜的一种瞬时击穿。艾伦·霍奇金与安德鲁·赫胥黎利用巨型鱿鱼轴突对这一观点提出了挑战。1939年，研究者首次使用细胞内电极从鱿鱼巨轴突记录到动作电位。他们的测量结果表明，电位可以超过零电位，这意味着细胞膜并非简单地塌陷。借助电压钳技术，他们于1952年建立了一个模型，用以定量描述支撑动作电位的通透性变化。该模型描述了钠电流和钾电流各自在电压和时间依赖性门控变量的控制下，如何共同产生动作电位的峰值。霍奇金与赫胥黎与约翰·埃克尔斯共同获得1963年诺贝尔奖，埃克尔斯曾研究突触传递。该奖项认可了这些贡献，认为它们是研究可兴奋细胞信号传导的概念基础。伯纳德·卡茨研究了神经肌肉接头处的递质释放，他因相关工作也获得了诺贝尔奖。关于离子机制本身，可参见动作电位和离子通道。\n\n当承载这些电流的蛋白质能够被分离和测序时，分子时代便开始了。从那时起，对离子通道的认识进入了分子时代。1982年，沼正作（Shosaku Numa）领导的研究组从加州电鳐（Torpedo californica）中克隆出烟碱型乙酰胆碱受体通道；1984年，该研究组又从电鳗（Electrophorus electricus）中克隆出电压门控钠通道。同一研究组随后于1986年分离出完整的cDNA转录本，并在非洲爪蟾卵母细胞中表达出具有功能的通道。后续研究表明，电压门控钠通道基因家族包含九个同源成员。该实验室还将这一方法扩展到钙通道。克隆研究表明，乙酰胆碱受体等配体门控通道属于一类家族，这类通道能在递质结合后数毫秒内开放：配体结合时，它们发生快速的构象变化，在1–100毫秒的时间范围内打开一个完整的孔道。这些分子层面的结果将受体和通道家族与前文所述的突触及电生理学联系起来，并成为后来研究突触蛋白以及神经系统疾病遗传病因的基础。" }, { "heading": "研究方法与成像", "text": "研究神经系统的方法多种多样，既有记录单个离子通道电流的，也有绘制电路中每一个突触的。每种方法回答的问题各不相同，大多数已发表的研究结论都需要综合运用其中几种方法。\n\n电生理记录\n\n膜片钳技术由 Erwin Neher 和 Bert Sakmann 于 1970 年代中期发明，他们最初的应用是测量去神经支配的青蛙肌纤维中神经肌肉接头处的离子通道电流。该方法将一根细玻璃微吸管的尖端封接在一小块膜片上，从而可以直接读取通过这块膜片的电流。几种记录构型使研究者既能测量整个细胞的宏观电流，也能测量微小膜片上的单通道电流。这项技术后来被推广到脑组织切片，在一些研究中还用于活体动物。二人因发展膜片钳技术而获得 1991 年诺贝尔生理学或医学奖。\n\n细胞外记录采取了不同的思路。将电极置于神经元外侧，不刺入细胞，即可检测一个或几个邻近细胞的动作电位。由于电极始终位于细胞外，这种方法很适合长时间记录清醒动物的活动。多电极阵列和四极丝（tetrode）一次可记录数十至数百个神经元，随后再通过放电分类（spike sorting）算法将不同细胞的信号区分开来。\n\n神经影像：fMRI 与 PET\n\n功能性磁共振成像（fMRI）并不直接测量神经活动，而是通过血流来推断神经活动。研究者根据 BOLD 信号推断该脑区的神经元激活情况，而 BOLD 信号反映的是含氧血红蛋白的变化。其时间分辨率约为秒级，空间分辨率约为一毫米。BOLD-fMRI 是对神经功能的半定量指标，不能在不同脑区、不同受试者或不同成像站点之间直接比较。2025 年的一项研究还报告，在任务期间出现显著 BOLD 变化的体素中，约 40% 的氧代谢变化方向与之相反，这对该信号的简单解释提出了挑战。\n\n正电子发射断层扫描（PET）则借助放射性示踪剂而非磁场工作。最常用的示踪剂 FDG 是一种葡萄糖类似物，因此 FDG-PET 是一种完全定量的神经活动指标，它捕捉的是主要定位于突触处的脑葡萄糖摄取。与 fMRI 不同，PET 能够显示特定分子在脑内的分布，包括受体和神经递质相关靶点，这使其在神经递质及药理学研究中很有价值。其缺点包括存在辐射暴露，并且需要使用放射性物质。由于 PET 单次扫描的信噪比较好，它适用于无法多次重复的罕见事件；而 fMRI 通常需要大量重复采集，才能从噪声中分辨出微弱信号。\n\n遗传工具：光遗传学与钙成像\n\n光遗传学将光敏蛋白导入特定类型的细胞，使研究者能够用光开启或关闭这些细胞。其关键蛋白通道视紫红质-2（channelrhodopsin-2）最初是在绿藻莱茵衣藻（Chlamydomonas reinhardtii）中发现的。2005 年，Karl Deisseroth、Edward Boyden 和 Feng Zhang 证明，在小鼠海马神经元中表达该蛋白后，细胞在受到蓝光照射时会产生动作电位。由于响应发生在毫秒量级，该技术可以检验特定细胞中的特定放电模式是否会引发某种行为。Deisseroth、Peter Hegemann 和 Georg Nagel 因“关于光门控离子通道与光遗传学的发现”共同获得了诺贝尔奖。\n\n钙成像则采取相反的思路：它报告活动而非控制活动。基因编码的钙指示剂在细胞内钙离子浓度升高时会发出荧光，而神经元放电时会有钙离子内流。因此，对这些指示剂成像（通常借助双光子显微镜）可以在活体组织中同时监测大量神经元，不过其信号在时间上比电记录更慢，精度也更低。\n\n连接组学\n\n连接组学旨在单个突触的水平上绘制神经回路的连接图谱。该方法依赖连续电子显微镜技术：对薄层组织切片成像，再重建为细胞及其连接关系的三维图谱。已有项目完成了小型动物（如果蝇幼虫和成年果蝇）的完整连接组，也有研究重建了一立方毫米的小鼠视觉皮层。连接组记录的是结构而非活动，通常也无法揭示神经递质的类型或每个连接的强度。因此，将连接组与功能成像及光遗传学实验相结合，是理解连接方式如何产生行为的主要策略，而这一问题目前仍未解决。" }, { "heading": "神经及精神疾病", "text": "卒中\n\n卒中是指大脑某一部分突然失去血液供应。它主要有两种类型，发生机制不同。缺血性卒中约占全部卒中病例的83%，此时血管被堵塞，神经元缺乏氧气和葡萄糖，受影响的组织会在几分钟内开始死亡。出血性卒中约占17%，由血管壁变弱后破裂、血液渗入周围脑组织引起，流出的血液会压迫邻近组织。出血可分为脑内出血和蛛网膜下腔出血。常见诱因包括长期高血压、动脉瘤以及动静脉畸形（即一簇形态异常的血管）。两种类型之间也可能相互转化：缺血性卒中在再灌注后可能转变为出血性卒中。\n\n关于两种类型各自所占比例，学界一直存在争议。20世纪70年代和80年代的流行病学研究报告，缺血性卒中占73%至86%，出血性卒中仅占8%至18%，其余病例往往无法分类，因为当时没有进行CT扫描或尸检。后来一项来自单一机构、包含757名患者的登记研究发现，出血性卒中的比例要高得多，其中出血性卒中占41.9%，缺血性卒中占58.1%。作者认为，这一差异可能与CT检查更加普及，以及抗血小板药物和华法林的使用更为广泛有关。\n\n阿尔茨海默病与帕金森病\n\n神经退行性疾病在很大程度上以异常蛋白质的积累来界定。富含β淀粉样蛋白（Aβ）的细胞外蛋白沉积物，以及富含聚集态tau蛋白的神经元内含物，是阿尔茨海默病的神经病理学标志。在阿尔茨海默病中，淀粉样斑块形成于细胞外，而过度磷酸化的tau蛋白则在神经元内蓄积。帕金森病的特征是出现称为路易小体（LBs）和路易神经突（LNs）的内含物，它们由受损的细胞器、脂质以及聚集的α-突触核蛋白（aSyn）构成。中脑多巴胺能神经元的丢失导致典型的运动症状，而认知功能下降可能出现在较晚的阶段。\n\n这些病理变化常常相互重叠。在约50%的阿尔茨海默病病例中，尸检时常可见aSyn病理；反过来，在约50%的帕金森病病例中，tau病理也很常见。在路易小体相关疾病中，阿尔茨海默型改变同样普遍，二者并存与从运动症状出现到发展为痴呆的间隔缩短以及寿命缩短有关。一项2025年的队列研究采用脑脊液检测和PET成像，对284名Aβ阳性和308名Aβ阴性受试者进行了分析，结果显示α-突触核蛋白阳性与淀粉样蛋白相关的tau蛋白积累加快有关。这类观察结果属于相关性研究，并不能确立因果机制，但它们推动了人们对联合治疗靶点的兴趣。目前，借助正电子发射断层成像对淀粉样蛋白和tau蛋白进行成像，以及检测体液中的生物标志物，已在研究环境中为诊断提供支持。\n\n脱髓鞘疾病与周围神经病变\n\n多发性硬化是一种中枢神经系统的慢性免疫介导性疾病，以脱髓鞘、轴突丢失和神经炎症为特征，最终导致进行性神经功能障碍。炎症过程涉及血脑屏障的破坏：促炎细胞因子和基质金属蛋白酶会降解血脑屏障，使自身反应性淋巴细胞得以攻击髓鞘。在病灶内，慢性小胶质细胞活化会释放促炎细胞因子以及活性氧和活性氮，它们共同导致脱髓鞘、组织损伤和神经退行性变。抗体和补体激活也可能参与其中。该病通常起病于青壮年，全球约有200万人患病，其中多数人处于20至40岁之间。其病因仍不清楚，病灶形成的机制也仍有争议。目前的疾病修饰药物主要作用于免疫系统，其中一些药物通过阻止活化的T细胞浸润中枢神经系统来发挥作用。\n\n周围神经病变是指脑和脊髓以外的神经受损，可累及轴突，也可累及由施万细胞形成的髓鞘。常见病因包括糖尿病（最为常见）、某些化疗药物、遗传性疾病（如腓骨肌萎缩症）以及自身免疫性疾病（如吉兰-巴雷综合征）。症状通常从足部和手部开始，表现为麻木、刺痛、疼痛和无力。\n\n精神障碍\n\n抑郁症、精神分裂症和焦虑障碍的诊断依据是临床标准，而非某一单一病灶或实验室检查，相关研究结合了神经生物学、遗传学和临床研究等多个领域。早期理论认为抑郁症与血清素等单胺类物质的不足有关。提高这些递质水平的药物在数小时内即可起效，但其抗抑郁作用需要数周才能显现，这提示神经递质信号传导的下游变化以及神经可塑性同样重要。\n\n精神分裂症的研究主要集中在多巴胺和谷氨酸上。阻断多巴胺D2受体的抗精神病药物可以减轻幻觉和妄想等阳性症状。另外，NMDA拮抗剂能够产生类精神病样效应，这支持了NMDA受体功能减退参与该病发生的假说。双生子研究显示该病具有较高的遗传度，全基因组关联研究则发现了许多效应较小的常见变异，因此该病属于多基因遗传病。焦虑障碍涉及连接杏仁核与前额叶区域的神经环路，而GABA系统是苯二氮䓬类等抗焦虑药物的主要作用靶点。对于这三类疾病而言，分子层面的发现与临床诊断之间的联系仍不完整。" }, { "heading": "与人工神经网络的关系", "text": "早期的形式化模型\n\n在数字计算机出现之前，就已有人提出可以用逻辑语言描述神经组织。1943年，神经科学家沃伦·麦卡洛克与逻辑学家沃尔特·皮茨发表了论文《神经活动内在观念的逻辑演算》。该文提出了一个高度简化的单元，即如今所称的麦卡洛克–皮茨神经元。它对加权输入求和，当总和达到阈值时便发放信号。兴奋性和抑制性连接分别由正权重和负权重表示。作者证明，由这些单元组成的网络能够实现与、或、非等逻辑运算，并且原则上可以实现任何逻辑函数。该模型忽略了突触的时间特性、学习过程以及真实树突的非线性行为，但它使人们相信神经活动可以被视为一种计算。它的影响延伸到了后来的计算研究中，包括冯·诺依曼1956年关于如何用不可靠元件构建可靠计算的论述。\n\n感知机与联结主义\n\n下一步是让权重可以学习。弗兰克·罗森布拉特于1958年提出的感知机，会在输出错误时调整连接权重，使其成为第一个被广泛研究、能够从样例中学习的网络。1969年，马文·明斯基和西摩尔·帕普特证明，单层此类单元无法计算异或等函数，其局限性因此成为争论的焦点。20世纪80年代，联结主义模型使这一领域重新受到关注。在这类模型中，知识储存在连接强度的模式之中，而不是以显式符号的形式存在。其中关键的技术进展是用于训练多层网络的反向传播算法，它于1986年由大卫·鲁梅尔哈特、杰弗里·辛顿和罗纳德·威廉姆斯推广开来。在这一框架下，学习意味着改变连接权重。这一原则与赫布理论的思想大致相关，即同时活跃的神经元会增强它们之间的突触，不过反向传播使用的是全局误差信号，而非局部的共同激活。\n\n相似之处\n\n生物神经网络与人工神经网络共享若干组织原则：大量简单单元、分级的连接强度、分布式表征，以及由连接结构而非某个单一元件涌现出的计算能力。分层处理方式也存在相似之处。福岛邦彦于1980年提出的新认知机借鉴了休伯尔和维塞尔对视觉皮层的研究，它预示了后来成为卷积网络的分层、局部连接结构。深度学习则在此基础上，将大量可训练的层堆叠起来，并用于拟合规模庞大的数据集。以这种方式训练的一些系统会形成类似于某些感觉区神经活动的内部表征，这也是研究者将其用作感知模型的原因之一。不过，这些相似性是功能上的，而非字面意义上的；人工单元被称为\"神经元\"，在很大程度上只是一种比喻。\n\n学习规则的差异\n\n最严重的分歧在于学习的实现方式。反向传播要求每个权重都依据下游各层计算出的误差信号进行更新，并且假设反向传播所用的权重与前向传播的权重完全相同。然而，生物神经连接似乎并不提供这种对称的反馈通路，这一困难被称为权重传递问题。此外，反向传播将前向推理阶段与反向学习阶段分开，而大脑中的神经回路则是持续运作的。研究者已提出若干替代方案，例如使用局部信号或固定随机反馈的方法，包括反馈对齐、预测编码和符号对称规则等，但目前尚无一种方法能在大规模任务上达到反向传播的表现。大脑的学习还具有数据高效性，这是当前系统所不具备的：人和动物往往能从少量样例中归纳出规律，而许多深度网络则需要极其庞大的标注数据集。\n\n能耗与架构\n\n能耗是另一个主要差异。成年人脑的功耗约为20瓦，包含约860亿至890亿个神经元，以及约100万亿个突触的数量级。一篇物理学评论中的2020年前后比较估算，一个大脑的能量预算足以维持其运转数年，而同样的能量仅能支持语言模型BERT在64块GPU上训练约80小时。大型人工系统在训练和推理时的功耗则达到兆瓦级。两者的架构也不相同：大多数深度学习硬件将存储与运算分离，并依赖同步的稠密数值运算；而神经元是大规模并行的，主要通过离散脉冲进行通信，脉冲的时间信息本身即携带信息。脉冲神经网络与神经形态计算硬件正是为缩小这一差距而进行的尝试，目前仍是活跃的研究领域。\n\n类比的局限\n\n大脑与网络的比较既有用，也有局限。真实神经元包含树突计算、多样的细胞类型、神经调质作用，以及与神经胶质细胞和血液供应的相互作用，而这些在标准的人工单元中都不存在。此外，大脑在整个生命周期中不断生长和重组，而大多数人工网络的结构则是由工程师预先选定的、固定不变的。因此，机器学习领域的成功本身并不能说明大脑如何计算，神经科学的发现也不能自动地转化为工程应用。两个领域各自将对方作为提出假设的来源，但应当认识到：功能上的相似并不意味着机制上的相同。" }, { "heading": "未解决的问题", "text": "意识的神经基础\n\n神经科学家能够描述单个神经元和神经回路如何对刺激作出反应，但对于为什么某些神经活动伴随主观体验而另一些则不然，目前仍没有被普遍接受的解释。研究者提出了若干有关有意识知觉的候选神经关联，这些关联通常涉及跨越皮层网络的大范围活动，而非某个单一脑区。然而，这些提议主要显示哪些活动往往与意识同时出现，并未解释为什么任何物理过程会被感受到。物理描述与主观体验之间的这一鸿沟，使该问题同时成为认知科学与心灵哲学的研究对象，其实验检验也仍存在争议。\n\n神经编码\n\n神经元之间的通讯主要依靠一系列动作电位，而这些动作电位的幅度和形态都相同，因此信息必定蕴含在这些事件的模式之中。候选方案包括单个细胞的放电频率、相对于其他脉冲或持续振荡的精确放电时序、神经元群体的协同活动，以及突触连接的强度与排列方式。这些方案之间并不互相排斥，大脑可能在不同区域或为不同任务使用不同的编码方式。要区分这些方案，需要同时记录大量神经元的活动并将其与行为相联系，这在技术上颇具难度，而且即使面对重复的相同刺激，神经反应本身也存在变异，使问题更加复杂。\n\n中枢神经系统的再生\n\n成年哺乳动物中枢神经系统（CNS）的轴突在损伤后再生能力很差，这是脊髓损伤、创伤性脑损伤和中风常常留下持久功能缺损的主要原因。这一问题很早就被认识到：二十世纪初，拉蒙-卡哈尔（Ramón y Cajal）即主张成年中枢神经元无法再生。现代研究将这种失败归因于多种因素。成熟神经元启动生长程序的内在能力已经减弱。髓鞘含有抑制性蛋白，例如Nogo和髓鞘相关糖蛋白，它们会使生长锥塌陷。损伤后，反应性星形胶质细胞会形成胶质瘢痕，既构成物理屏障，也构成化学屏障。衰老会加重其中的若干因素。相比之下，成年外周神经能够长距离再生，功能也往往得以恢复。也有一些例外被报道，例如吻侧中缝核群的5-羟色胺能神经元，它们无需实验干预即可将轴突再生至前脑；还有转录组学证据表明，小鼠受损的皮质脊髓神经元会部分回复到类似胚胎的状态。这些观察能否转化为对人类有效的治疗方法，目前仍未有定论。\n\n连接组与个体差异\n\n连接组学旨在以电子显微镜的分辨率绘制神经系统中神经元与突触的图谱。2024年，FlyWire 团队发表了整个成年雌性果蝇大脑的突触级布线图，其中包含约14万个神经元和超过5000万个突触连接。同一时期，MICrONS 项目重建了约一立方毫米的小鼠视觉皮层。该项目将电子显微镜与对数万个神经元的钙成像相结合，检测到超过5亿个突触，不过完整重建的体积仍只占哺乳动物大脑的一小部分。这些数据集引出了两个尚未解决的问题。第一，静态的解剖图谱与动态功能之间是什么关系：连接组只捕捉某一时刻的结构，而活体神经回路会随活动、状态和学习而不断变化。第二，个体之间的差异。即使在同一物种之内，人与人之间大脑的具体布线也各不相同，而这种差异有多少源于经验、多少源于遗传，目前尚不清楚。要回答这一问题，需要来自众多个体的大规模、可相互比较的数据集，而这远比迄今为止得到的单一动物图谱难以获取。" } ], "links": [ "central-nervous-system", "neuron", "synapse", "glia", "hormone", "homeostasis", "medicine", "neuroscience", "ion-channel", "electrochemical-gradient", "action-potential", "dopamine", "pain", "cytokine", "axon", "immune-system", "neurotransmitter", "alzheimers-disease", "biomarker", "multiple-sclerosis", "myelin", "diabetes-mellitus", "neuroplasticity", "warren-mcculloch", "walter-pitts", "perceptron", "connectionism", "backpropagation", "hebbian-theory", "deep-learning", "cognitive-science", "philosophy-of-mind" ], "sources": [ { "title": "NEURON STRUCTURE AND CLASSIFICATION", "url": 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Biology LibreTexts", "url": "https://bio.libretexts.org/Bookshelves/Introductory_and_General_Biology/General_Biology_(Boundless)/35:_The_Nervous_System/35.03:_Neurons_and_Glial_Cells_-_Glia" }, { "title": "Glia", "url": "https://en.wikipedia.org/wiki/Glia" }, { "title": "Unipolar Neuron - an overview", "url": "https://www.sciencedirect.com/topics/neuroscience/unipolar-neuron" }, { "title": "Multipolar Neurons Are Motor and Interneurons, Not Sensory - ScienceInsights", "url": "https://scienceinsights.org/multipolar-neurons-are-motor-and-interneurons-not-sensory/" }, { "title": "Video: Nervous Tissue: Neuron Types", "url": "https://www.jove.com/science-education/v/14887/nervous-tissue-neuron-types" }, { "title": "Types of neurons", "url": "https://www.kenhub.com/en/library/physiology/types-of-neurons" }, { "title": "Resting Membrane Potentials - Free Sketchy MCAT Lesson", "url": "https://www.sketchy.com/mcat-lessons/resting-membrane-potentials" }, { "title": "The Membrane at Rest", 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