014 《神经科学(Neuroscience)原理与实践：面向初学者、进阶者与专家的全面解析》

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书籍大纲

▮▮ 1. 绪论：神经科学(Neuroscience)的学科概览
▮▮▮▮ 1.1 神经科学(Neuroscience)的定义与范畴
▮▮▮▮▮▮ 1.1.1 神经科学(Neuroscience)的学科定义
▮▮▮▮▮▮ 1.1.2 神经科学(Neuroscience)的研究范畴
▮▮▮▮▮▮ 1.1.3 神经科学(Neuroscience)的重要性与应用
▮▮▮▮ 1.2 神经科学(Neuroscience)的发展简史
▮▮▮▮▮▮ 1.2.1 古代神经科学的萌芽
▮▮▮▮▮▮ 1.2.2 近代神经科学的奠基
▮▮▮▮▮▮ 1.2.3 现代神经科学的快速发展
▮▮▮▮ 1.3 神经科学研究的基本方法
▮▮▮▮▮▮ 1.3.1 实验方法：从体外到体内研究
▮▮▮▮▮▮ 1.3.2 计算方法：建模与模拟
▮▮▮▮▮▮ 1.3.3 理论方法：构建神经科学理论框架
▮▮ 2. 细胞神经科学(Cellular Neuroscience)：神经元(Neuron)与神经胶质细胞(Glial Cell)
▮▮▮▮ 2.1 神经元(Neuron)的结构与功能
▮▮▮▮▮▮ 2.1.1 神经元(Neuron)的形态结构
▮▮▮▮▮▮ 2.1.2 神经元(Neuron)的细胞膜与细胞器
▮▮▮▮▮▮ 2.1.3 神经元(Neuron)的功能特性
▮▮▮▮ 2.2 神经胶质细胞(Glial Cell)的类型与功能
▮▮▮▮▮▮ 2.2.1 星形胶质细胞(Astrocyte)
▮▮▮▮▮▮ 2.2.2 少突胶质细胞(Oligodendrocyte)与雪旺氏细胞(Schwann Cell)
▮▮▮▮▮▮ 2.2.3 小胶质细胞(Microglia)与其他神经胶质细胞
▮▮▮▮ 2.3 神经元(Neuron)与神经胶质细胞(Glial Cell)的相互作用
▮▮▮▮▮▮ 2.3.1 胶质细胞对神经元发育的影响
▮▮▮▮▮▮ 2.3.2 胶质细胞对神经元功能的支持与调控
▮▮▮▮▮▮ 2.3.3 神经元活动对胶质细胞的调控
▮▮ 3. 神经信号传导(Neural Signaling)：动作电位(Action Potential)与突触传递(Synaptic Transmission)
▮▮▮▮ 3.1 动作电位(Action Potential)的产生与传导
▮▮▮▮▮▮ 3.1.1 静息膜电位(Resting Membrane Potential)
▮▮▮▮▮▮ 3.1.2 离子通道与动作电位(Action Potential)的阈值
▮▮▮▮▮▮ 3.1.3 动作电位(Action Potential)的去极化、复极化与超极化
▮▮▮▮▮▮ 3.1.4 动作电位(Action Potential)的传导：被动传导与跳跃传导
▮▮▮▮ 3.2 突触传递(Synaptic Transmission)：化学突触(Chemical Synapse)
▮▮▮▮▮▮ 3.2.1 化学突触(Chemical Synapse)的结构与功能
▮▮▮▮▮▮ 3.2.2 神经递质(Neurotransmitter)的合成、储存与释放
▮▮▮▮▮▮ 3.2.3 神经递质受体(Neurotransmitter Receptor)与突触后信号
▮▮▮▮▮▮ 3.2.4 突触传递(Synaptic Transmission)的终止与调控
▮▮▮▮ 3.3 突触传递(Synaptic Transmission)：电突触(Electrical Synapse)与其他形式的神经通讯
▮▮▮▮▮▮ 3.3.1 电突触(Electrical Synapse)的特点与功能
▮▮▮▮▮▮ 3.3.2 神经肽(Neuropeptide)与神经调质(Neuromodulator)
▮▮▮▮▮▮ 3.3.3 非突触性化学信号传递
▮▮ 4. 神经解剖学(Neuroanatomy)：神经系统的宏观结构
▮▮▮▮ 4.1 中枢神经系统(Central Nervous System, CNS)：大脑(Brain)的结构与功能
▮▮▮▮▮▮ 4.1.1 大脑皮层(Cerebral Cortex)的分区与功能
▮▮▮▮▮▮ 4.1.2 基底神经节(Basal Ganglia)的结构与功能
▮▮▮▮▮▮ 4.1.3 边缘系统(Limbic System)：海马(Hippocampus)与杏仁核(Amygdala)
▮▮▮▮▮▮ 4.1.4 间脑(Diencephalon)：丘脑(Thalamus)与下丘脑(Hypothalamus)
▮▮▮▮ 4.2 中枢神经系统(Central Nervous System, CNS)：脑干(Brainstem)与小脑(Cerebellum)
▮▮▮▮▮▮ 4.2.1 脑干(Brainstem)：中脑(Midbrain)、脑桥(Pons)与延髓(Medulla Oblongata)
▮▮▮▮▮▮ 4.2.2 小脑(Cerebellum)的结构与功能
▮▮▮▮ 4.3 中枢神经系统(Central Nervous System, CNS)：脊髓(Spinal Cord)与脑膜(Meninges)
▮▮▮▮▮▮ 4.3.1 脊髓(Spinal Cord)的结构与功能
▮▮▮▮▮▮ 4.3.2 脑膜(Meninges)与脑脊液(Cerebrospinal Fluid, CSF)
▮▮▮▮ 4.4 外周神经系统(Peripheral Nervous System, PNS)：躯体神经系统(Somatic Nervous System)与自主神经系统(Autonomic Nervous System)
▮▮▮▮▮▮ 4.4.1 躯体神经系统(Somatic Nervous System)：感觉神经(Sensory Nerve)与运动神经(Motor Nerve)
▮▮▮▮▮▮ 4.4.2 自主神经系统(Autonomic Nervous System)：交感神经(Sympathetic Nervous System)与副交感神经(Parasympathetic Nervous System)
▮▮▮▮▮▮ 4.4.3 肠神经系统(Enteric Nervous System)
▮▮ 5. 感觉系统(Sensory Systems)：感知外部世界
▮▮▮▮ 5.1 视觉系统(Visual System)：从光到视觉感知
▮▮▮▮▮▮ 5.1.1 眼睛的结构与光学原理
▮▮▮▮▮▮ 5.1.2 视网膜(Retina)的光感受器(Photoreceptor)与神经环路
▮▮▮▮▮▮ 5.1.3 视觉通路(Visual Pathway)与视觉皮层(Visual Cortex)的信息处理
▮▮▮▮▮▮ 5.1.4 颜色视觉、运动视觉与深度知觉
▮▮▮▮ 5.2 听觉系统(Auditory System)：声音的感知与加工
▮▮▮▮▮▮ 5.2.1 外耳、中耳与内耳的结构
▮▮▮▮▮▮ 5.2.2 耳蜗(Cochlea)的毛细胞(Hair Cell)与听觉换能
▮▮▮▮▮▮ 5.2.3 听觉通路(Auditory Pathway)与听觉皮层(Auditory Cortex)的信息处理
▮▮▮▮▮▮ 5.2.4 音调、响度与声音定位的神经机制
▮▮▮▮ 5.3 体感系统(Somatosensory System)：触觉、痛觉、温度觉与本体感觉
▮▮▮▮▮▮ 5.3.1 皮肤感受器(Cutaneous Receptor)：机械感受器(Mechanoreceptor)、温觉感受器(Thermoreceptor)与伤害感受器(Nociceptor)
▮▮▮▮▮▮ 5.3.2 本体感觉(Proprioception)与本体感觉感受器(Proprioceptor)
▮▮▮▮▮▮ 5.3.3 体感通路(Somatosensory Pathway)与体感皮层(Somatosensory Cortex)的信息处理
▮▮▮▮▮▮ 5.3.4 痛觉(Pain)的神经机制与调控
▮▮▮▮ 5.4 味觉系统(Gustatory System)与嗅觉系统(Olfactory System)：化学感觉
▮▮▮▮▮▮ 5.4.1 味觉系统(Gustatory System)：味蕾(Taste Bud)与味觉感受器(Taste Receptor)
▮▮▮▮▮▮ 5.4.2 嗅觉系统(Olfactory System)：嗅觉受体神经元(Olfactory Receptor Neuron)与嗅觉受体(Olfactory Receptor)
▮▮▮▮▮▮ 5.4.3 味觉通路(Gustatory Pathway)与味觉皮层(Gustatory Cortex)的信息处理
▮▮▮▮▮▮ 5.4.4 嗅觉通路(Olfactory Pathway)与嗅觉皮层(Olfactory Cortex)的信息处理
▮▮ 6. 运动系统(Motor Systems)：运动的控制与执行
▮▮▮▮ 6.1 骨骼肌(Skeletal Muscle)的结构与收缩机制
▮▮▮▮▮▮ 6.1.1 骨骼肌(Skeletal Muscle)的微观结构
▮▮▮▮▮▮ 6.1.2 骨骼肌收缩的分子机制：滑动丝状理论(Sliding Filament Theory)
▮▮▮▮▮▮ 6.1.3 兴奋-收缩耦联(Excitation-Contraction Coupling)
▮▮▮▮▮▮ 6.1.4 肌肉纤维类型与肌肉代谢
▮▮▮▮ 6.2 脊髓反射(Spinal Reflex)与运动控制的层次结构
▮▮▮▮▮▮ 6.2.1 脊髓反射(Spinal Reflex)的类型与神经环路
▮▮▮▮▮▮ 6.2.2 运动控制的层次结构：脊髓、脑干与小脑
▮▮▮▮▮▮ 6.2.3 运动控制的层次结构：基底神经节(Basal Ganglia)与运动皮层(Motor Cortex)
▮▮▮▮ 6.3 随意运动的计划与执行：运动皮层(Motor Cortex)的功能
▮▮▮▮▮▮ 6.3.1 初级运动皮层(Primary Motor Cortex, M1)的功能与神经编码
▮▮▮▮▮▮ 6.3.2 前运动皮层(Premotor Cortex, PMC)与辅助运动区(Supplementary Motor Area, SMA)的功能
▮▮▮▮▮▮ 6.3.3 运动学习与运动皮层的可塑性
▮▮▮▮ 6.4 基底神经节(Basal Ganglia)与小脑(Cerebellum)在运动控制中的作用
▮▮▮▮▮▮ 6.4.1 基底神经节(Basal Ganglia)环路与运动控制
▮▮▮▮▮▮ 6.4.2 小脑(Cerebellum)环路与运动控制
▮▮▮▮▮▮ 6.4.3 运动障碍疾病的神经机制
▮▮ 7. 认知神经科学(Cognitive Neuroscience)：高级脑功能
▮▮▮▮ 7.1 注意(Attention)与意识(Consciousness)的神经机制
▮▮▮▮▮▮ 7.1.1 注意(Attention)的不同类型与神经环路
▮▮▮▮▮▮ 7.1.2 意识(Consciousness)的定义与神经关联物(Neural Correlate of Consciousness, NCC)
▮▮▮▮▮▮ 7.1.3 注意与意识的相互关系
▮▮▮▮ 7.2 学习与记忆(Learning and Memory)的神经机制
▮▮▮▮▮▮ 7.2.1 记忆的类型：陈述性记忆(Declarative Memory)与非陈述性记忆(Non-declarative Memory)
▮▮▮▮▮▮ 7.2.2 突触可塑性(Synaptic Plasticity)：长时程增强(LTP)与长时程抑制(LTD)
▮▮▮▮▮▮ 7.2.3 海马(Hippocampus)与记忆巩固(Memory Consolidation)
▮▮▮▮▮▮ 7.2.4 工作记忆(Working Memory)与前额叶皮层(Prefrontal Cortex, PFC)
▮▮▮▮ 7.3 语言(Language)与执行功能(Executive Function)的神经机制
▮▮▮▮▮▮ 7.3.1 语言的理解与产生：布罗卡区(Broca's Area)与韦尼克区(Wernicke's Area)
▮▮▮▮▮▮ 7.3.2 执行功能(Executive Function)的类型与前额叶皮层(Prefrontal Cortex, PFC)
▮▮▮▮▮▮ 7.3.3 语言与执行功能的相互关系
▮▮▮▮ 7.4 情绪(Emotion)与社会认知(Social Cognition)的神经机制
▮▮▮▮▮▮ 7.4.1 情绪(Emotion)的类型与神经环路：杏仁核(Amygdala)与前额叶皮层(Prefrontal Cortex, PFC)
▮▮▮▮▮▮ 7.4.2 社会认知(Social Cognition)的类型与社会脑网络(Social Brain Network)
▮▮▮▮▮▮ 7.4.3 情绪与社会认知的相互关系
▮▮ 8. 发育神经科学(Developmental Neuroscience)：神经系统的发育与可塑性
▮▮▮▮ 8.1 神经系统的早期发育：神经发生(Neurogenesis)与神经元迁移(Neuronal Migration)
▮▮▮▮▮▮ 8.1.1 神经发生(Neurogenesis)：神经干细胞(Neural Stem Cell)的增殖与分化
▮▮▮▮▮▮ 8.1.2 神经元迁移(Neuronal Migration)：放射状迁移与切向迁移
▮▮▮▮▮▮ 8.1.3 神经系统早期发育的分子调控
▮▮▮▮ 8.2 神经环路的形成：轴突导向(Axon Guidance)与突触形成(Synaptogenesis)
▮▮▮▮▮▮ 8.2.1 轴突导向(Axon Guidance)：生长锥(Growth Cone)与导向分子
▮▮▮▮▮▮ 8.2.2 突触形成(Synaptogenesis)：突触前与突触后分化
▮▮▮▮▮▮ 8.2.3 神经环路形成的活动依赖性微调
▮▮▮▮ 8.3 髓鞘形成(Myelination)与神经系统发育的可塑性
▮▮▮▮▮▮ 8.3.1 髓鞘形成(Myelination)的过程与功能
▮▮▮▮▮▮ 8.3.2 神经系统发育的可塑性：经验依赖性可塑性(Experience-dependent Plasticity)
▮▮▮▮▮▮ 8.3.3 关键期(Critical Period)与神经发育障碍
▮▮▮▮ 8.4 神经发育障碍的遗传与环境因素
▮▮▮▮▮▮ 8.4.1 神经发育障碍的定义与分类
▮▮▮▮▮▮ 8.4.2 神经发育障碍的遗传因素
▮▮▮▮▮▮ 8.4.3 神经发育障碍的环境因素与基因-环境相互作用
▮▮ 9. 临床神经科学(Clinical Neuroscience)：神经系统疾病
▮▮▮▮ 9.1 神经退行性疾病(Neurodegenerative Disease)：阿尔茨海默病(Alzheimer's Disease)与帕金森病(Parkinson's Disease)
▮▮▮▮▮▮ 9.1.1 阿尔茨海默病(Alzheimer's Disease, AD)：病理特征与认知障碍
▮▮▮▮▮▮ 9.1.2 帕金森病(Parkinson's Disease, PD)：运动障碍与非运动症状
▮▮▮▮▮▮ 9.1.3 神经退行性疾病的治疗策略与研究进展
▮▮▮▮ 9.2 脑血管疾病(Cerebrovascular Disease)：卒中(Stroke)与血管性痴呆(Vascular Dementia)
▮▮▮▮▮▮ 9.2.1 卒中(Stroke)：缺血性卒中(Ischemic Stroke)与出血性卒中(Hemorrhagic Stroke)
▮▮▮▮▮▮ 9.2.2 血管性痴呆(Vascular Dementia, VaD)：病因与认知功能障碍
▮▮▮▮▮▮ 9.2.3 脑血管疾病的预防与康复
▮▮▮▮ 9.3 癫痫(Epilepsy)与神经感染性疾病(Neuroinfectious Disease)
▮▮▮▮▮▮ 9.3.1 癫痫(Epilepsy)：发作类型与抗癫痫药物治疗
▮▮▮▮▮▮ 9.3.2 神经感染性疾病：脑膜炎(Meningitis)与脑炎(Encephalitis)
▮▮▮▮▮▮ 9.3.3 朊病毒病(Prion Disease)：克雅病(Creutzfeldt-Jakob Disease, CJD)
▮▮▮▮ 9.4 神经肿瘤(Neurotumor)与精神疾病(Psychiatric Disorder)
▮▮▮▮▮▮ 9.4.1 神经肿瘤(Neurotumor)：胶质瘤(Glioma)与脑膜瘤(Meningioma)
▮▮▮▮▮▮ 9.4.2 精神疾病(Psychiatric Disorder)：精神分裂症(Schizophrenia)与抑郁症(Depression)
▮▮▮▮▮▮ 9.4.3 精神疾病(Psychiatric Disorder)：双相情感障碍(Bipolar Disorder)与焦虑障碍(Anxiety Disorder)
▮▮ 10. 神经科学研究前沿与未来展望
▮▮▮▮ 10.1 脑科学计划(Brain Initiative)与神经科学研究的新范式
▮▮▮▮▮▮ 10.1.1 全球脑科学计划的兴起与发展
▮▮▮▮▮▮ 10.1.2 脑科学计划的技术创新：新型神经技术(Neurotechnology)
▮▮▮▮▮▮ 10.1.3 脑科学计划对神经科学研究范式的变革
▮▮▮▮ 10.2 人工智能(Artificial Intelligence)与神经科学的交叉融合
▮▮▮▮▮▮ 10.2.1 人工智能在神经科学研究中的应用
▮▮▮▮▮▮ 10.2.2 神经科学对人工智能发展的启示：类脑计算(Neuromorphic Computing)
▮▮▮▮▮▮ 10.2.3 脑机接口(Brain-Computer Interface, BCI)的神经科学基础与应用
▮▮▮▮ 10.3 神经技术(Neurotechnology)的应用与伦理问题
▮▮▮▮▮▮ 10.3.1 神经技术在疾病诊断与治疗中的应用
▮▮▮▮▮▮ 10.3.2 神经技术在认知增强(Cognitive Enhancement)与神经调控(Neuromodulation)中的应用
▮▮▮▮▮▮ 10.3.3 神经技术的伦理和社会影响：神经隐私(Neuroprivacy)与神经伦理(Neuroethics)
▮▮ 附录A: 神经科学研究常用技术与方法
▮▮ 附录B: 神经科学重要研究资源与数据库
▮▮ 附录C: 神经科学专业术语表
▮▮ 附录D: 参考文献与进一步阅读

1. 绪论：神经科学(Neuroscience)的学科概览

本章介绍神经科学(Neuroscience)的定义、发展历史、研究范畴和重要性，旨在为读者构建神经科学的整体知识框架，并激发学习兴趣。

1.1 神经科学(Neuroscience)的定义与范畴

定义神经科学，明确其作为交叉学科的性质，并概述其涵盖的主要研究领域，例如分子神经科学(molecular neuroscience)、细胞神经科学(cellular neuroscience)、系统神经科学(systems neuroscience)、行为神经科学(behavioral neuroscience)、认知神经科学(cognitive neuroscience)和临床神经科学(clinical neuroscience)。

1.1.1 神经科学(Neuroscience)的学科定义

神经科学(Neuroscience)，顾名思义，是研究神经系统(nervous system)的科学。但神经系统极其复杂，为了更精确地定义神经科学，我们需要从其研究对象和研究目的两个方面来阐述。

① 研究对象：神经科学的核心研究对象是神经系统。神经系统是一个庞大而精密的生物网络，遍布全身，调控着生物体几乎所有的生理活动和行为。从最简单的反射动作，到最高级的认知功能，都离不开神经系统的参与。神经系统主要包括两个大的组成部分：

▮▮▮▮ⓐ 中枢神经系统(central nervous system, CNS)：包括大脑(brain)和脊髓(spinal cord)。中枢神经系统是神经系统的“司令部”，负责接收、整合和处理来自全身各处的信息，并发出指令，调控机体的活动。
▮▮▮▮ⓑ 外周神经系统(peripheral nervous system, PNS)：包括神经(nerve)和神经节(ganglion)。外周神经系统是连接中枢神经系统和身体其他器官的桥梁，负责将感觉信息传递到中枢神经系统，并将运动指令从CNS传递到肌肉和腺体。

除了宏观的结构，神经系统还包括微观的组成单元，如神经元(neuron)和神经胶质细胞(glial cell)，以及更小的分子，如神经递质(neurotransmitter)和离子通道(ion channel)。神经科学的研究对象涵盖了从分子到细胞，再到系统和行为等多个层面，体现了生命科学研究的层次性(hierarchy)。

② 研究目的：神经科学的研究目的在于理解神经系统的结构、功能、发育、进化和病理机制。这是一个多维度、多层次的目标，具体可以细化为以下几个方面：

▮▮▮▮ⓐ 结构(structure)：理解神经系统的解剖结构(anatomy)，包括宏观的脑区划分、神经通路，以及微观的细胞形态、突触连接等。例如，绘制脑图谱(brain atlas)，解析神经环路(neural circuit)的连接模式，是结构研究的重要内容。
▮▮▮▮ⓑ 功能(function)：揭示神经系统如何执行各种功能，例如感觉、运动、认知、情绪等。这需要研究神经信号如何产生、传递和整合，神经环路如何实现信息处理，以及不同脑区如何协同工作，完成复杂的行为和认知任务。
▮▮▮▮ⓒ 发育(development)：阐明神经系统如何从受精卵发育成为一个复杂的网络。这涉及到神经发生(neurogenesis)、神经元迁移(neuronal migration)、轴突导向(axon guidance)、突触形成(synaptogenesis)、髓鞘形成(myelination)等一系列精细调控的发育过程。研究神经发育对于理解先天性神经系统疾病具有重要意义。
▮▮▮▮ⓓ 进化(evolution)：探讨神经系统在进化过程中的起源和演变。通过比较不同物种的神经系统，可以揭示神经系统结构和功能的多样性，以及适应环境的进化机制。这有助于我们理解人类神经系统的独特性。
▮▮▮▮ⓔ 病理机制(pathological mechanism)：解析神经系统疾病的发病机制(pathogenesis)，例如阿尔茨海默病(Alzheimer's disease)、帕金森病(Parkinson's disease)、抑郁症(depression)等。这需要从分子、细胞、环路等多个层面，揭示疾病发生发展的 биологические 过程，为疾病的诊断、治疗和预防提供理论基础。

综上所述，神经科学是一门交叉学科(interdisciplinary science)，它整合了生物学、化学、物理学、计算机科学、心理学、医学等多个学科的理论和方法，旨在全面、深入地理解神经系统的奥秘。神经科学的研究不仅关乎人类自身，也对人工智能、生物医学工程等领域的发展具有重要推动作用。

1.1.2 神经科学(Neuroscience)的研究范畴

神经科学的研究范畴非常广泛，根据研究的层面和侧重点不同，可以划分为多个子领域。这些子领域之间既有明确的界限，又相互联系、相互渗透，共同构成了神经科学的完整知识体系。

① 分子神经科学(molecular neuroscience)：分子神经科学是神经科学研究的微观层面，主要关注神经系统中的分子，例如基因、蛋白质、神经递质、受体、离子通道等。分子神经科学的研究目的是：

▮▮▮▮ⓐ 揭示这些分子的结构(structure)、功能(function)和相互作用(interaction)。例如，研究离子通道的蛋白结构、门控机制和离子选择性；研究神经递质的合成、释放、代谢和受体结合；研究基因表达调控和蛋白质修饰在神经元功能中的作用。
▮▮▮▮ⓑ 理解分子机制在神经系统发育(nervous system development)、神经信号传递(neural signaling)、突触可塑性(synaptic plasticity)等过程中的作用。例如，研究神经营养因子(neurotrophic factor)在神经元存活和分化中的作用；研究突触受体在长时程增强(long-term potentiation, LTP)和长时程抑制(long-term depression, LTD)中的作用。
▮▮▮▮ⓒ 阐明神经系统疾病(nervous system disease)的分子病理机制。例如，研究阿尔茨海默病中 β-淀粉样蛋白(β-amyloid)和 tau 蛋白(tau protein)的异常聚集；研究帕金森病中 α-突触核蛋白(α-synuclein)的错误折叠和聚集。

分子神经科学的研究方法主要包括分子生物学技术(molecular biology techniques)、生物化学技术(biochemistry techniques)、遗传学技术(genetics techniques)等。例如，基因克隆、基因编辑、蛋白质表达与纯化、免疫组化、Western blotting、质谱分析等。

② 细胞神经科学(cellular neuroscience)：细胞神经科学的研究对象是神经系统的基本功能单元——神经元(neuron)和神经胶质细胞(glial cell)。细胞神经科学的研究目的是：

▮▮▮▮ⓐ 深入理解神经元和神经胶质细胞的形态结构(morphology)、生理特性(physiological properties)和功能(function)。例如，研究不同类型神经元的树突形态、轴突投射模式和电生理特性；研究星形胶质细胞(astrocyte)、少突胶质细胞(oligodendrocyte)、小胶质细胞(microglia)等不同类型神经胶质细胞的功能和相互作用。
▮▮▮▮ⓑ 揭示神经元和神经胶质细胞在神经信号产生(neural signal generation)、信息传递(information transmission)和信息整合(information integration)中的作用。例如，研究动作电位(action potential)的产生和传导机制；研究突触传递(synaptic transmission)的分子和细胞机制；研究神经元兴奋性和可塑性的调控机制。
▮▮▮▮ⓒ 阐明细胞功能异常与神经系统疾病(nervous system disease)的关系。例如，研究神经元凋亡(neuronal apoptosis)和坏死(necrosis)在神经退行性疾病中的作用；研究神经胶质细胞功能障碍在神经炎症和脱髓鞘疾病中的作用。

细胞神经科学的研究方法主要包括细胞生物学技术(cell biology techniques)、电生理学技术(electrophysiology techniques)、显微成像技术(microscopy techniques)等。例如，细胞培养、膜片钳记录(patch-clamp recording)、钙成像(calcium imaging)、免疫荧光染色、共聚焦显微镜、电子显微镜等。

③ 系统神经科学(systems neuroscience)：系统神经科学关注的是由多个神经元组成的神经环路(neural circuit)和神经系统(neural system)，以及它们如何协同工作，执行特定的功能。系统神经科学的研究目的是：

▮▮▮▮ⓐ 解析感觉系统(sensory system)、运动系统(motor system)、自主神经系统(autonomic nervous system)等不同神经系统的结构和功能。例如，研究视觉通路(visual pathway)、听觉通路(auditory pathway)、体感通路(somatosensory pathway)的信息处理；研究运动皮层(motor cortex)、基底神经节(basal ganglia)、小脑(cerebellum)在运动控制中的作用。
▮▮▮▮ⓑ 揭示神经环路和神经系统如何编码(encode)、处理(process)和传递信息(transmit information)。例如，研究神经元如何编码感觉刺激的特征；研究神经环路如何实现信息整合和决策；研究不同脑区之间如何进行信息交流和协同。
▮▮▮▮ⓒ 理解系统功能障碍与神经系统疾病(nervous system disease)的关系。例如，研究帕金森病中基底神经节环路功能紊乱；研究癫痫(epilepsy)中神经环路的异常同步放电。

系统神经科学的研究方法主要包括多通道电生理记录(multi-electrode array recording)、脑成像技术(brain imaging techniques)（如fMRI, EEG, MEG）、神经环路示踪技术(neural circuit tracing techniques)、光遗传学(optogenetics)、化学遗传学(chemogenetics)等。例如，在动物模型中记录多个脑区神经元的活动，利用fMRI研究人类大脑的功能连接，利用光遗传学技术操纵特定神经环路的活动。

④ 行为神经科学(behavioral neuroscience)：行为神经科学，也称为生理心理学(physiological psychology)或生物心理学(biological psychology)，研究神经系统与行为之间的关系。行为神经科学的研究目的是：

▮▮▮▮ⓐ 阐明行为的神经生物学基础(neurobiological basis of behavior)。例如，研究学习和记忆(learning and memory)、情绪(emotion)、动机(motivation)、睡眠(sleep)、社会行为(social behavior)等复杂行为的神经机制。
▮▮▮▮ⓑ 利用行为学方法(behavioral methods)来研究神经系统的功能。例如，通过行为实验来评估药物或基因操作对神经功能的影响；通过行为测试来诊断神经系统疾病。
▮▮▮▮ⓒ 理解行为异常与神经系统疾病(nervous system disease)和精神疾病(psychiatric disorder)的关系。例如，研究抑郁症的神经环路基础和行为学表现；研究自闭症谱系障碍(autism spectrum disorder, ASD)的社会行为障碍和神经机制。

行为神经科学的研究方法主要包括行为实验(behavioral experiment)、动物模型(animal model)、药理学干预(pharmacological intervention)、基因操作(genetic manipulation)、行为观察(behavioral observation)等。例如，设计迷宫实验研究动物的空间学习能力，利用条件反射实验研究动物的联想学习，利用药物或基因操作来改变神经递质系统或基因表达，观察行为的变化。

⑤ 认知神经科学(cognitive neuroscience)：认知神经科学是研究认知功能(cognitive function)的神经机制的学科。认知功能是指大脑高级的心理活动，例如注意(attention)、意识(consciousness)、语言(language)、思维(thinking)、决策(decision making)、执行功能(executive function)等。认知神经科学的研究目的是：

▮▮▮▮ⓐ 揭示认知功能的神经基础(neural basis of cognitive function)。例如，研究注意的神经环路和脑区；研究意识的神经关联物(neural correlate of consciousness, NCC)；研究语言的脑区定位和信息 processing 过程；研究工作记忆(working memory)和执行功能的神经机制。
▮▮▮▮ⓑ 利用认知心理学(cognitive psychology)的理论和实验方法，结合神经科学的技术手段，研究认知过程的神经机制。例如，利用心理物理学实验(psychophysical experiment)研究感觉和知觉的神经基础；利用认知任务(cognitive task)结合脑成像技术研究认知过程的脑活动模式。
▮▮▮▮ⓒ 阐明认知障碍与神经系统疾病(nervous system disease)和精神疾病(psychiatric disorder)的关系。例如，研究阿尔茨海默病患者的认知功能障碍和脑区萎缩；研究精神分裂症患者的认知缺陷和神经环路异常。

认知神经科学的研究方法主要包括认知心理学实验范式(cognitive psychology experimental paradigm)、脑成像技术(brain imaging techniques)（如fMRI, EEG, MEG, PET）、神经心理学评估(neuropsychological assessment)、计算建模(computational modeling)等。例如，设计 Stroop 任务研究注意的冲突控制，利用 fMRI 研究工作记忆的脑区激活模式，利用神经心理学测验评估患者的认知功能，构建计算模型模拟认知过程。

⑥ 临床神经科学(clinical neuroscience)：临床神经科学是神经科学与临床医学的交叉学科，关注神经系统疾病的诊断、治疗和预防。临床神经科学的研究目的是：

▮▮▮▮ⓐ 深入理解神经系统疾病的病理机制(pathological mechanism)。例如，研究神经退行性疾病的分子和细胞病理过程；研究脑血管疾病(cerebrovascular disease)的发病机制和危险因素；研究精神疾病的生物学基础。
▮▮▮▮ⓑ 开发新的神经系统疾病诊断方法(diagnostic method)。例如，开发基于生物标志物(biomarker)的早期诊断方法；利用神经影像技术进行疾病诊断和分型。
▮▮▮▮ⓒ 探索新的神经系统疾病治疗策略(therapeutic strategy)。例如，研发新的药物靶点和治疗药物；发展基因治疗、细胞治疗、神经调控等新型治疗方法；开展康复治疗和护理。
▮▮▮▮ⓓ 进行临床试验(clinical trial)，评估新的诊断方法和治疗策略的有效性和安全性。例如，进行药物临床试验，评估新药的疗效和副作用；进行神经调控技术临床试验，评估其治疗神经系统疾病的效果。

临床神经科学的研究方法主要包括临床观察(clinical observation)、病例分析(case analysis)、流行病学研究(epidemiological study)、临床试验(clinical trial)、转化医学研究(translational medicine research)等。例如，收集患者的临床资料和生物样本，进行基因分析、蛋白分析、影像学分析；进行临床药物试验，评估药物疗效；将基础研究成果转化为临床应用。

总而言之，神经科学的各个子领域既有各自的研究重点，又相互联系、相互支撑。分子和细胞神经科学为理解神经系统的微观基础提供了 essential 的 knowledge；系统和行为神经科学揭示了神经环路和神经系统如何执行功能；认知神经科学探索了高级认知功能的神经机制；临床神经科学则致力于解决神经系统疾病的临床问题。这些子领域共同推动了我们对神经系统的全面而深入的理解。

1.1.3 神经科学(Neuroscience)的重要性与应用

神经科学作为一门前沿学科，其研究成果不仅具有重要的科学意义(scientific significance)，也具有广泛的应用价值(application value)。神经科学的重要性主要体现在以下几个方面：

① 理解人类自身(understanding ourselves)：神经系统是人类智慧(intelligence)、情感(emotion)、意识(consciousness)的物质基础。理解神经系统的结构和功能，是理解人类自身，解答“我是谁？我从哪里来？要到哪里去？”等哲学终极问题的关键。神经科学的研究可以帮助我们：

▮▮▮▮ⓐ 认识人类认知能力的本质。例如，理解记忆、学习、语言、思维等认知功能的神经机制，揭示人类智慧的奥秘。
▮▮▮▮ⓑ 探索人类情感的生物学基础。例如，理解情绪的产生、表达和调节的神经环路，揭示人类情感的本质，例如爱、恨、喜、怒、哀、乐等。
▮▮▮▮ⓒ 揭示意识的奥秘。例如，研究意识的神经关联物，探索意识产生的机制，解答“意识是什么？”这一哲学和科学难题。
▮▮▮▮ⓓ 理解人类行为的动因。例如，研究动机、欲望、意志等心理过程的神经基础，揭示人类行为的生物学和社会学因素。
▮▮▮▮ⓔ 认识人类的潜能和局限性。例如，了解大脑的可塑性和学习能力，探索人类智能的极限，认识人类在认知、情感和行为方面的优势和不足。

通过神经科学的研究，我们可以更加深入地理解人类自身的本质，认识我们的大脑是如何工作的，我们是如何思考、感受和行动的，从而更好地认识自己，发展自我，提升人类的整体福祉。

② 治疗神经系统疾病(treating nervous system diseases)：神经系统疾病是严重威胁人类健康的重大疾病，例如阿尔茨海默病、帕金森病、卒中、癫痫、抑郁症、精神分裂症等。这些疾病不仅给患者带来巨大的痛苦，也给社会造成沉重的负担。神经科学的研究为神经系统疾病的诊断、治疗和预防提供了科学基础和技术手段。神经科学的应用可以：

▮▮▮▮ⓐ 改进疾病诊断。例如，利用脑成像技术进行疾病早期诊断和精准分型；开发基于生物标志物的血液或脑脊液检测方法，实现疾病的早期筛查和预警。
▮▮▮▮ⓑ 开发新的治疗方法。例如，研发针对特定疾病靶点的药物；发展基因治疗、细胞治疗等根治性疗法；应用神经调控技术，如深部脑刺激、经颅磁刺激等，改善疾病症状。
▮▮▮▮ⓒ 促进疾病康复。例如，设计个性化的康复方案，帮助患者恢复运动、语言、认知等功能；利用脑机接口技术，辅助瘫痪患者控制外部设备，提高生活质量。
▮▮▮▮ⓓ 预防疾病发生。例如，通过研究疾病的危险因素和发病机制，制定有效的预防策略；开展健康教育，提高公众对神经系统疾病的认识和预防意识。

神经科学的进步正在深刻地改变神经系统疾病的诊疗模式，为 millions of 患者带来新的希望。随着研究的深入，我们有理由相信，未来将会有更多有效的治疗方法问世，神经系统疾病将不再是不治之症。

③ 开发人工智能(developing artificial intelligence)：人工智能(artificial intelligence, AI)是当前科技发展的重要方向。人脑是自然界最精妙的智能系统，神经科学的研究为人工智能的发展提供了重要的启示和借鉴。神经科学的应用可以：

▮▮▮▮ⓐ 启发新的 AI 算法。例如，从人脑的学习和记忆机制中，发展出更高效的机器学习算法；从人脑的视觉和听觉 processing 机制中，改进计算机视觉和语音识别技术；从人脑的决策和控制机制中，发展智能控制和机器人技术。
▮▮▮▮ⓑ 构建类脑计算系统。例如，借鉴人脑的神经元网络结构和信息处理方式，研发类脑芯片和类脑计算机，实现更高效、更节能的计算。
▮▮▮▮ⓒ 开发脑机接口技术。例如，利用脑机接口技术，实现人脑与计算机的直接信息交流，拓展人机交互的新模式，应用于医疗、教育、娱乐等领域。
▮▮▮▮ⓓ 促进 AI 与神经科学的交叉融合。例如，利用 AI 技术分析神经科学大数据，加速神经科学研究；利用神经科学知识指导 AI 模型的设计和优化，提升 AI 性能。

神经科学与人工智能的交叉融合，正在孕育新的科技革命。未来，我们有望创造出更智能、更人性化的人工智能系统，服务于人类社会的发展。

④ 其他应用领域：除了上述几个主要方面，神经科学的研究成果还在教育(education)、法律(law)、经济(economy)、艺术(art)等领域展现出潜在的应用价值。例如：

▮▮▮▮ⓐ 教育神经科学(educational neuroscience)：将神经科学的研究成果应用于教育实践，例如，利用脑科学原理优化教学方法，提高学习效率；根据儿童青少年大脑发育特点，设计更科学的教育方案；针对学习障碍儿童，开发个性化的干预措施。
▮▮▮▮ⓑ 神经法学(neurolaw)：将神经科学证据应用于法律领域，例如，利用脑成像技术判断嫌疑人的犯罪意图和责任能力；利用神经科学知识评估证人证言的可靠性；探讨神经技术在司法审判中的应用伦理问题。
▮▮▮▮ⓒ 神经经济学(neuroeconomics)：将神经科学方法应用于经济学研究，例如，利用脑成像技术研究人类的决策过程和风险偏好；揭示情绪和认知因素在经济行为中的作用；探索神经营销(neuromarketing)的应用。
▮▮▮▮ⓓ 神经美学(neuroaesthetics)：从神经科学角度研究人类的审美体验，例如，利用脑成像技术研究艺术欣赏和创造的神经机制；揭示美的生物学基础；探索艺术治疗(art therapy)的应用。

总之，神经科学是一门既重要又充满希望的学科。它的研究成果不仅可以帮助我们理解自身，解决疾病难题，推动科技进步，还将在更广泛的领域改变我们的生活和社会。

1.2 神经科学(Neuroscience)的发展简史

回顾神经科学从古代到现代的发展历程，介绍重要的里程碑事件和关键人物，展现神经科学知识积累和范式转变的过程。

1.2.1 古代神经科学的萌芽

古代文明对大脑和神经系统的认识，虽然朴素，但却是神经科学的萌芽(germination)。古代的医生和哲学家已经开始关注大脑的功能，并留下了一些宝贵的记载。

① 古埃及(Ancient Egypt)：早在公元前1700年的《埃德温·史密斯纸草文稿(Edwin Smith Papyrus)》中，就记载了古埃及人对大脑的观察和描述。这份文献记录了48个外科病例，其中27个与头部损伤有关。古埃及的医生已经认识到大脑是身体的控制中心，并描述了脑膜、脑脊液等结构，以及脑损伤可能导致的身体功能障碍，如瘫痪、失语等。

② 古希腊(Ancient Greece)：古希腊是西方文明的摇篮，也是神经科学思想的重要发源地。古希腊的哲学家和医生对大脑的功能进行了深入的思考和探索。

▮▮▮▮ⓐ 希波克拉底(Hippocrates)（公元前460-370年）：被誉为“医学之父”的希波克拉底，明确指出大脑是智慧、意识、情感的中心。他在《论圣病(On the Sacred Disease)》中写道：“人应该知道，我们的快乐、愉悦、欢笑和玩笑，以及悲伤、痛苦、忧愁和眼泪，都来自大脑，而且只来自大脑。” 希波克拉底的观点颠覆了当时流行的“心脏中心论”，为大脑中心论的确立奠定了基础。
▮▮▮▮ⓑ 亚里士多德(Aristotle)（公元前384-322年）：亚里士多德是古希腊伟大的哲学家和科学家，但他却坚持“心脏中心论”，认为心脏是灵魂和智慧的中心，而大脑只是散热器官， охлаждающий кровь。亚里士多德的错误观点在西方思想界影响深远，直到文艺复兴时期才被逐渐纠正。
▮▮▮▮ⓒ 盖伦(Galen)（公元130-216年）：盖伦是古罗马时期著名的医生和解剖学家，他继承和发展了希波克拉底的“大脑中心论”。盖伦通过动物解剖实验，详细描述了大脑的结构，包括大脑、小脑、脑室、脑神经等。他认为脑室中的“动物精神(animal spirit)”是神经功能的物质基础，神经通过“动物精神”传递信息，控制肌肉运动和感觉。盖伦的解剖学著作在之后的1000多年里，一直是西方医学界的权威教材。

③ 古代中国(Ancient China)：古代中国在医学和哲学方面也取得了辉煌的成就。《黄帝内经(Huangdi Neijing)》是中医理论的经典著作，其中也包含了对大脑和神经功能的朴素认识。中医认为“脑为元神之府”，“髓海”（指脑髓）与智慧和精神活动密切相关。针灸(acupuncture)疗法也是中医的特色，通过刺激身体特定穴位，可以调节神经功能，治疗疾病。

总的来说，古代神经科学的萌芽时期，人们对大脑和神经系统的认识还非常有限，主要基于观察和思辨，缺乏实验证据。但是，古代的医生和哲学家已经开始关注大脑的功能，并提出了“大脑中心论”的思想，为后世神经科学的发展奠定了思想基础。

1.2.2 近代神经科学的奠基

从文艺复兴到19世纪，解剖学(anatomy)、生理学(physiology)和显微镜技术(microscopy techniques)的进步，极大地推动了神经科学的发展，奠定了近代神经科学的基础。

① 文艺复兴时期(Renaissance)：文艺复兴时期，人文主义(humanism)兴起，人们的思想从神学束缚中解放出来，开始重视观察和实验。维萨里(Andreas Vesalius)（1514-1564年）是文艺复兴时期最伟大的解剖学家，他的著作《人体的构造(De humani corporis fabrica)》，对盖伦的解剖学进行了修正和补充，纠正了盖伦的一些错误，例如，盖伦认为人脑和小脑各有7个脑神经，维萨里指出人脑有12对脑神经。维萨里的解剖学研究为后世神经科学的发展提供了更准确的解剖学基础。

② 17-18世纪：电生理学的早期探索(Early exploration of electrophysiology)：17-18世纪，电学(electricity)研究兴起，科学家们开始探索电与神经功能的关系。

▮▮▮▮ⓐ 伽伐尼(Luigi Galvani)（1737-1798年）：意大利生理学家伽伐尼通过青蛙腿实验，发现动物组织可以产生电流，并提出“动物电(animal electricity)”的概念。伽伐尼认为肌肉运动是由动物体内产生的电流驱动的。
▮▮▮▮ⓑ 伏打(Alessandro Volta)（1745-1827年）：意大利物理学家伏打对伽伐尼的“动物电”理论提出质疑，他发明了伏打电堆(voltaic pile)，证明电流可以由金属产生，而不是动物组织本身。伏打认为伽伐尼的青蛙腿实验中，电流是由两种金属之间的接触产生的。
▮▮▮▮ⓒ 杜布瓦-雷蒙(Emil du Bois-Reymond)（1818-1896年）：德国生理学家杜布瓦-雷蒙进一步研究了“动物电”，他证明神经和肌肉可以产生和传导电信号，并发现了动作电位(action potential)现象。杜布瓦-雷蒙被誉为“实验神经生理学之父”。

③ 19世纪：神经元学说的建立(Establishment of neuron doctrine)：19世纪是神经科学发展史上最重要的时期之一，神经元学说(neuron doctrine)的建立，彻底改变了人们对神经系统基本单位的认识。

▮▮▮▮ⓐ 施旺(Theodor Schwann)（1810-1882年）和 施莱登(Matthias Schleiden)（1804-1881年）：德国生物学家施旺和施莱登共同创立了细胞学说(cell theory)，认为细胞是生物体的基本结构和功能单位。细胞学说的提出，为神经元学说的建立奠定了理论基础。
▮▮▮▮ⓑ 高尔基(Camillo Golgi)（1843-1926年）：意大利医生高尔基发明了高尔基染色法(Golgi staining method)，也称为黑反应(black reaction)。这种染色法可以随机地将少数神经元完整地染色，清晰地显示神经元的形态结构，包括细胞体、树突和轴突。高尔基利用高尔基染色法，描绘了各种类型的神经元，并提出了“网状理论(reticular theory)”，认为神经系统是一个连续的、相互融合的网络，而不是由独立的细胞组成。
▮▮▮▮ⓒ 拉蒙-卡哈尔(Santiago Ramón y Cajal)（1852-1934年）：西班牙神经解剖学家拉蒙-卡哈尔，是神经元学说的最主要创立者。卡哈尔也使用高尔基染色法，但他改进了染色技术，并将其应用于不同年龄阶段的动物神经组织，观察神经系统的发育过程。卡哈尔通过对大量神经组织切片的观察和分析，确立了神经元学说，认为神经系统是由无数个独立的神经元组成的，神经元是神经系统的基本结构和功能单位，神经元之间通过突触(synapse)相互连接，信息在神经元之间以单向的方式传递。卡哈尔还详细描绘了各种类型的神经元，并提出了神经元极化(neuronal polarization)和动力学极化(dynamic polarization)原则。卡哈尔的神经元学说彻底推翻了高尔基的网状理论，为神经科学的发展奠定了坚实的基础。
▮▮▮▮ⓓ 谢灵顿(Charles Sherrington)（1857-1952年）：英国生理学家谢灵顿，对反射(reflex)和突触(synapse)进行了深入研究。谢灵顿命名了“突触”，并阐述了突触传递(synaptic transmission)的基本特征，例如突触延搁(synaptic delay)、突触单向传递、突触整合等。谢灵顿的工作，进一步完善了神经元学说，并为突触传递的研究开辟了道路。

高尔基和卡哈尔因为在神经系统结构研究方面的杰出贡献，共同获得了1906年的诺贝尔生理学或医学奖。然而，高尔基终身坚持网状理论，而卡哈尔则坚持神经元学说，两人在诺贝尔颁奖典礼上的演讲，仍然表达了各自的观点，成为科学史上的一段佳话。

近代神经科学的奠基时期，解剖学、生理学和显微镜技术的进步，为神经科学的发展提供了重要的工具和方法。神经元学说的建立，是神经科学发展史上的里程碑事件，它彻底改变了人们对神经系统基本单位的认识，为后世神经科学的研究奠定了坚实的基础。

1.2.3 现代神经科学的快速发展

20世纪以来，分子生物学(molecular biology)、遗传学(genetics)、电生理学(electrophysiology)、脑成像技术(brain imaging techniques)等新兴学科和技术的快速发展，极大地推动了神经科学进入快速发展阶段(rapid development stage)。

① 20世纪上半叶：神经生理学和神经化学的兴起(Rise of neurophysiology and neurochemistry)：20世纪上半叶，电生理学技术不断完善，神经化学(neurochemistry)开始兴起，科学家们开始深入研究神经信号的电化学特性(electrochemical properties)。

▮▮▮▮ⓐ 霍奇金(Alan Hodgkin)（1914-1998年）和 赫胥黎(Andrew Huxley)（1917-2012年）：英国生理学家霍奇金和赫胥黎，利用鱿鱼巨大轴突(squid giant axon)，发展了电压钳技术(voltage clamp technique)，深入研究了动作电位(action potential)的离子机制(ionic mechanism)。他们揭示了钠离子(sodium ion)和钾离子(potassium ion)在动作电位产生过程中的作用，提出了霍奇金-赫胥黎模型(Hodgkin-Huxley model)，这是神经生理学研究的经典模型。霍奇金和赫胥黎因发现动作电位的离子机制，共同获得了1963年的诺贝尔生理学或医学奖。
▮▮▮▮ⓑ 伯纳德·卡茨(Bernard Katz)（1911-2003年）：英国生物物理学家卡茨，研究了神经肌肉接头(neuromuscular junction)的突触传递(synaptic transmission)机制。他证明突触传递是化学性的，神经递质(neurotransmitter)在突触传递中起着关键作用，并揭示了钙离子(calcium ion)在神经递质释放中的作用。卡茨因发现神经递质释放的量子机制，与乌尔夫·冯·奥伊勒和朱利叶斯·阿克塞尔罗德共同获得了1970年的诺贝尔生理学或医学奖。
▮▮▮▮ⓒ 乌尔夫·冯·奥伊勒(Ulf von Euler)（1905-1983年）和 朱利叶斯·阿克塞尔罗德(Julius Axelrod)（1912-2004年）：瑞典生理学家冯·奥伊勒和美国生物化学家阿克塞尔罗德，发现了重要的神经递质——去甲肾上腺素(norepinephrine)，并阐明了去甲肾上腺素的合成、储存、释放、再摄取和代谢机制。他们的研究为理解神经递质在神经信号传递中的作用奠定了基础。冯·奥伊勒和阿克塞尔罗德与伯纳德·卡茨共同获得了1970年的诺贝尔生理学或医学奖。

② 20世纪下半叶至今：分子神经科学、认知神经科学和脑成像技术的蓬勃发展(Booming of molecular neuroscience, cognitive neuroscience and brain imaging techniques)：20世纪下半叶至今，分子生物学、遗传学、认知心理学和脑成像技术的飞速发展，推动神经科学进入了前所未有的繁荣时期。

▮▮▮▮ⓐ 分子神经科学的兴起：分子生物学和遗传学技术的应用，使得科学家们可以从分子水平(molecular level)研究神经系统的结构和功能。基因克隆(gene cloning)、基因编辑(gene editing)、转基因动物(transgenic animal)等技术，为研究基因在神经系统发育和功能中的作用提供了 powerful tools。蛋白质组学(proteomics)、代谢组学(metabolomics)等技术，为全面分析神经系统的分子组成和功能提供了可能。分子神经科学的研究成果，极大地深化了我们对神经系统分子机制的理解。
▮▮▮▮ⓑ 认知神经科学的诞生：认知心理学和神经科学的结合，催生了认知神经科学(cognitive neuroscience)这一新兴学科。认知心理学实验范式(cognitive psychology experimental paradigm)和脑成像技术(brain imaging techniques)（如fMRI, EEG, MEG, PET）的应用，使得科学家们可以在活体人脑中研究认知功能的神经机制。认知神经科学的研究，揭示了注意、意识、语言、记忆、执行功能等高级认知功能的脑区定位和神经环路，为理解人类智慧的奥秘提供了重要 insight。
▮▮▮▮ⓒ 脑成像技术的飞速发展：脑电图(electroencephalography, EEG)、脑磁图(magnetoencephalography, MEG)、正电子发射断层扫描(positron emission tomography, PET)、单光子发射计算机断层扫描(single-photon emission computed tomography, SPECT)、功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)、扩散张量成像(diffusion tensor imaging, DTI)等脑成像技术不断涌现和完善，为无创地研究人脑结构和功能提供了 powerful tools。脑成像技术在认知神经科学、临床神经科学、人工智能等领域得到了广泛应用，成为神经科学研究的重要支柱。
▮▮▮▮ⓓ 光遗传学和化学遗传学的革命：光遗传学(optogenetics)和化学遗传学(chemogenetics)是近年来兴起的新型神经调控技术。光遗传学利用基因工程技术，将光敏蛋白(light-sensitive protein)导入特定神经元，通过光刺激精确控制神经元的活动。化学遗传学利用化学方法，设计特异性受体(designer receptor exclusively activated by designer drugs, DREADDs)，通过特定药物精确调控特定神经元的活动。光遗传学和化学遗传学技术，为精确操纵神经环路活动，研究神经环路功能提供了革命性的工具，被誉为“神经科学研究的 game changer”。

现代神经科学的快速发展，得益于多学科的交叉融合和新技术的不断涌现。神经科学的研究范式也发生了深刻的变革，从还原论(reductionism)向整合论(integrationism)转变，从单细胞研究向环路和网络研究转变，从疾病导向研究向健康导向研究转变。

展望未来，神经科学研究将继续深入发展，未来的趋势可能包括：

▮▮▮▮ⓐ 脑科学计划(brain initiative)的深入推进：全球范围内的脑科学计划，例如美国脑计划(BRAIN Initiative)、欧盟人脑计划(Human Brain Project)、中国脑计划等，将持续投入大量资源，推动神经科学研究的快速发展。
▮▮▮▮ⓑ 人工智能与神经科学的深度融合：人工智能和神经科学将更加紧密地结合，相互促进，共同发展。人工智能技术将应用于神经科学研究，神经科学的原理将启发人工智能的创新。
▮▮▮▮ⓒ 神经技术(neurotechnology)的广泛应用和伦理思考：神经技术将在疾病诊疗、认知增强、人机交互等领域得到更广泛的应用，同时也引发了伦理、法律和社会问题，需要进行深入的伦理思考和社会讨论。
▮▮▮▮ⓓ 个体化神经科学(personalized neuroscience)和精准神经医学(precision neuromedicine)：随着基因组学、影像组学等技术的发展，未来的神经科学研究将更加注重个体差异，实现个体化的疾病诊断和治疗，迈向精准神经医学时代。

神经科学的未来，充满机遇和挑战，让我们拭目以待。

1.3 神经科学研究的基本方法

概述神经科学研究中常用的基本方法，包括实验方法、计算方法和理论方法，为后续章节的学习奠定方法论基础。

1.3.1 实验方法：从体外到体内研究

实验方法是神经科学研究的基石。根据实验对象和实验环境的不同，神经科学的实验方法可以分为体外实验(in vitro experiment)和体内实验(in vivo experiment)。

① 体外实验(in vitro experiment)：体外实验是指在活体生物之外进行的实验，例如在细胞培养皿(cell culture dish)、脑片(brain slice)等环境中进行的实验。体外实验的优点是实验条件易于控制，可以精确地操纵和测量细胞或组织的活动，伦理限制较少。体外实验常用的技术和方法包括：

▮▮▮▮ⓐ 细胞培养(cell culture)：将神经元或神经胶质细胞从动物组织中分离出来，在体外培养基中进行培养。细胞培养可以用于研究细胞的形态、生理特性、分子机制等。例如，利用原代培养(primary culture)研究神经元的分化和发育；利用细胞系(cell line)研究特定基因或蛋白的功能；利用共培养(co-culture)研究神经元与神经胶质细胞之间的相互作用。
▮▮▮▮ⓑ 脑片研究(brain slice study)：将动物大脑或脊髓组织切成薄片（通常为几百微米厚），在体外灌流系统中维持活性。脑片研究可以保留一定的神经环路结构，用于研究神经环路的电生理特性、突触传递、可塑性等。例如，利用脑片电生理记录研究LTP和LTD的机制；利用脑片药理学实验研究药物对神经环路功能的影响。
▮▮▮▮ⓒ 电生理记录(electrophysiological recording)：利用微电极(microelectrode)记录神经细胞或组织的电活动。膜片钳记录(patch-clamp recording)是一种高分辨率的电生理技术，可以记录单个离子通道(single ion channel)的电流，或细胞膜电位(membrane potential)的变化。细胞外记录(extracellular recording)可以记录多个神经元的群体放电活动。电生理记录是研究神经信号产生和传递的重要手段。
▮▮▮▮ⓓ 分子生物学技术(molecular biology techniques)：体外实验中也可以应用各种分子生物学技术，例如基因转染(gene transfection)、基因敲除(gene knockout)、RNA干扰(RNA interference, RNAi)等，改变细胞的基因表达或蛋白功能，研究基因或蛋白在神经功能中的作用。

② 体内实验(in vivo experiment)：体内实验是指在完整的活体生物体内进行的实验，例如在动物模型(animal model)或人体(human)中进行的实验。体内实验的优点是更接近生理状态，可以研究整体神经系统的功能和行为。体内实验常用的技术和方法包括：

▮▮▮▮ⓐ 动物模型(animal model)：利用动物（例如小鼠、大鼠、猴子等）模拟人类的神经系统疾病或生理现象。动物模型可以用于研究疾病的发病机制、药物的疗效、行为的神经基础等。例如，利用转基因小鼠模型研究阿尔茨海默病；利用帕金森病动物模型研究运动障碍；利用条件反射动物模型研究学习和记忆。
▮▮▮▮ⓑ 药理学干预(pharmacological intervention)：给动物或人体施用药物，改变神经递质系统或神经环路的功能，观察行为或生理指标的变化。药理学干预可以用于研究药物对神经系统疾病的治疗作用，神经递质在行为中的作用等。例如，利用多巴胺受体激动剂治疗帕金森病；利用抗抑郁药治疗抑郁症；利用药物阻断特定神经递质受体，研究该神经递质在学习或情绪中的作用。
▮▮▮▮ⓒ 基因操作(genetic manipulation)：利用基因工程技术，改变动物的基因表达，例如基因敲除(gene knockout)、基因敲入(gene knock-in)、转基因(transgene)等，研究基因在神经系统发育和功能中的作用。例如，利用基因敲除小鼠研究特定基因缺失对行为的影响；利用转基因动物表达光敏蛋白，进行光遗传学研究。
▮▮▮▮ⓓ 光遗传学(optogenetics)：将光敏蛋白基因导入特定神经元，利用光刺激精确控制神经元的活动。光遗传学可以用于激活或抑制特定神经环路的活动，研究神经环路在行为中的作用。例如，利用光遗传学激活奖赏环路，研究奖赏在学习和动机中的作用；利用光遗传学抑制运动皮层神经元，研究运动控制的机制。
▮▮▮▮ⓔ 化学遗传学(chemogenetics)：利用化学方法，设计特异性受体(DREADDs)，通过特定药物精确调控特定神经元的活动。化学遗传学与光遗传学类似，但化学遗传学使用药物作为调控手段，具有更高的时空分辨率。
▮▮▮▮ⓕ 脑成像技术(brain imaging techniques)：利用脑电图(EEG)、脑磁图(MEG)、功能性磁共振成像(fMRI)等技术，无创地记录人脑的电活动、磁活动或代谢活动。脑成像技术可以用于研究人脑的认知功能、情绪、意识等，诊断神经系统疾病。例如，利用fMRI研究工作记忆的脑区激活模式；利用EEG研究癫痫发作的脑电活动；利用PET研究脑肿瘤的代谢特征。
▮▮▮▮ⓖ 神经调控技术(neuromodulation techniques)：利用经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation, TMS)、经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation, tDCS)、深部脑刺激(deep brain stimulation, DBS)等技术，非侵入性或微创地调控人脑的神经活动。神经调控技术可以用于治疗神经系统疾病，认知增强等。例如，利用TMS治疗抑郁症；利用tDCS改善工作记忆；利用DBS治疗帕金森病。

体外实验和体内实验各有优缺点，在神经科学研究中常常结合使用，相互补充。体外实验可以深入研究细胞和分子的机制，体内实验可以研究整体神经系统的功能和行为。

1.3.2 计算方法：建模与模拟

计算方法在神经科学研究中发挥着越来越重要的作用。计算神经科学(computational neuroscience)是神经科学的一个重要分支，利用数学建模、计算机模拟、数据分析和机器学习等方法，研究神经系统的结构、功能和动力学。计算方法可以：

① 建立神经元模型(neuron model)：利用数学方程描述神经元的电生理特性，例如膜电位、离子通道、动作电位等。霍奇金-赫胥黎模型(Hodgkin-Huxley model)是最经典的神经元模型。神经元模型可以用于模拟神经元的电活动，研究离子通道的功能，预测药物或基因操作对神经元活动的影响。

② 构建神经环路模型(neural circuit model)：将多个神经元模型连接起来，模拟神经环路的结构和功能。神经环路模型可以用于研究神经环路的信息处理机制，预测神经环路活动对行为的影响，设计神经调控策略。例如，利用神经环路模型研究基底神经节在运动控制中的作用；利用神经网络模型模拟视觉通路的信息 processing。

③ 进行网络模拟(network simulation)：利用计算机模拟大规模神经元网络(large-scale neural network)的活动。网络模拟可以用于研究大脑皮层的功能，模拟认知过程，开发类脑计算系统。例如，利用大规模神经网络模型模拟视觉皮层的信息处理；利用深度学习模型模拟人类的语言理解。

④ 分析神经科学大数据(neuroscience big data)：神经科学研究产生了大量的实验数据，例如电生理数据、脑成像数据、基因组数据、行为数据等。数据分析和机器学习技术可以用于挖掘神经科学大数据中的规律和模式，发现新的科学知识。例如，利用机器学习算法分析脑电图数据，辅助癫痫诊断；利用深度学习模型分析 fMRI 数据，解码脑活动模式；利用基因组关联分析(genome-wide association study, GWAS)研究神经系统疾病的遗传风险因素。

⑤ 构建理论框架(theoretical framework)：计算神经科学也致力于构建神经科学的理论框架，例如信息处理理论(information processing theory)、动态系统理论(dynamic systems theory)、贝叶斯脑理论(Bayesian brain theory)等。这些理论框架可以指导神经科学研究，解释神经系统的复杂现象，预测新的实验结果。

计算方法与实验方法相互结合，共同推动神经科学的发展。计算方法可以验证实验结果，预测实验结果，解释实验现象，指导实验设计。实验数据可以验证计算模型，优化计算模型，提供新的建模思路。

1.3.3 理论方法：构建神经科学理论框架

理论在科学研究中具有重要的指导意义。神经科学理论(neuroscience theory)旨在解释神经系统的结构、功能和动力学，构建神经科学的 conceptual framework。神经科学理论可以：

① 整合已有的实验结果：神经科学研究积累了大量的实验数据，但这些数据往往是零散的、局部的。神经科学理论可以将这些零散的数据整合起来，形成一个 coherent 的整体，揭示数据背后的普遍规律。

② 预测新的实验结果：好的科学理论不仅可以解释已有的现象，还可以预测新的现象。神经科学理论可以指导实验设计，预测实验结果，验证理论的正确性。

③ 指导研究方向：神经科学研究领域非常广泛，研究方向众多。神经科学理论可以指导研究方向，指明重要的科学问题，帮助科学家选择有意义的研究课题。

④ 促进学科发展：科学理论的进步是学科发展的重要标志。神经科学理论的不断完善和发展，将推动神经科学学科的进步，引领神经科学研究的未来方向。

神经科学领域已经涌现出一些重要的理论框架，例如：

① 信息处理理论(information processing theory)：将神经系统视为信息处理系统，类比计算机的信息 processing 过程。信息处理理论强调神经系统接收、编码、存储、处理和输出信息的功能，关注神经环路的信息流和信息转换。认知神经科学的研究，很大程度上是基于信息处理理论的框架。

② 动态系统理论(dynamic systems theory)：将神经系统视为复杂的动态系统，强调神经系统的自组织性、非线性、涌现性。动态系统理论认为神经系统的功能不是预先设定的，而是在系统与环境的相互作用中动态涌现的。动态系统理论为理解大脑的复杂性和可塑性提供了新的视角。

③ 贝叶斯脑理论(Bayesian brain theory)：将大脑视为一个贝叶斯推理机(Bayesian inference machine)，强调大脑的预测编码(predictive coding)和概率推理(probabilistic inference)功能。贝叶斯脑理论认为大脑不断地根据先验知识和感觉输入，进行概率推理，构建对世界的最佳解释。贝叶斯脑理论为理解知觉、认知和行为的神经机制提供了新的理论框架。

④ 全局工作空间理论(global workspace theory)：是意识的神经科学理论之一。该理论认为意识是一种全局性的信息整合和广播机制，大脑中存在一个“全局工作空间(global workspace)”，意识内容是进入全局工作空间的信息，这些信息可以被大脑的各个模块访问和处理。全局工作空间理论为研究意识的神经关联物和神经机制提供了理论指导。

⑤ 整合信息理论(integrated information theory, IIT)：也是意识的神经科学理论之一。该理论认为意识与整合信息(integrated information)的量和质有关，任何具有整合信息的系统都具有意识，意识的程度与整合信息的量成正比，意识的体验类型与整合信息的结构有关。整合信息理论试图从物理学的角度定义和测量意识，为意识的客观研究提供了新的思路。

构建神经科学的理论框架是一个长期而艰巨的任务，需要科学家们不断地探索和创新。随着神经科学研究的深入，我们期待着更多更完善的理论框架的出现，引领神经科学走向更加辉煌的未来。

2. 细胞神经科学(Cellular Neuroscience)：神经元(Neuron)与神经胶质细胞(Glial Cell)

概述

本章深入探讨神经系统(nervous system)的基本组成单元——神经元(Neuron)和神经胶质细胞(Glial Cell)，包括它们的结构、功能、类型和相互作用，为理解神经环路(neural circuit)和信息传递奠定基础。

2.1 神经元(Neuron)的结构与功能

概述

详细介绍神经元(Neuron)的主要结构组成部分（细胞体(soma)、树突(dendrite)、轴突(axon)、轴突末梢(axon terminal)）及其各自的功能，以及神经元(Neuron)的细胞膜(cell membrane)特性和细胞器(organelle)。

2.1.1 神经元(Neuron)的形态结构

概述

详细描述神经元(Neuron)的典型形态结构，包括细胞体(soma)、树突(dendrite)、轴突(axon)和轴突末梢(axon terminal)，并介绍不同类型神经元(Neuron)的形态差异。

① 细胞体(Soma)：也称为胞体(cell body)或perikaryon，是神经元(Neuron)的代谢和营养中心，包含细胞核(nucleus)和大部分细胞器(organelle)。
▮▮▮▮ⓑ 细胞核(Nucleus)：含有神经元(Neuron)的遗传物质DNA，控制着细胞的生长、发育和功能。
▮▮▮▮ⓒ 细胞质(Cytoplasm)：细胞核(nucleus)周围的凝胶状物质，包含各种细胞器(organelle)，如内质网(endoplasmic reticulum)、高尔基体(Golgi apparatus)、线粒体(mitochondria)和溶酶体(lysosome)等，执行细胞的各项生命活动。
④ 树突(Dendrite)：从细胞体(soma)延伸出的分支状突起，主要功能是接收来自其他神经元(Neuron)的信号。
▮▮▮▮ⓔ 树突棘(Dendritic spine)：许多神经元(Neuron)的树突(dendrite)表面有小的突起，称为树突棘(dendritic spine)，是突触(synapse)形成的主要部位，增加了神经元(Neuron)接收信号的表面积。
▮▮▮▮ⓕ 树突分支(Dendritic branching)：树突(dendrite)可以多次分支，形成复杂的树状结构，使得神经元(Neuron)能够整合来自多个突触(synapse)的输入信号。
⑦ 轴突(Axon)：通常只有一个，从细胞体(soma)或轴丘(axon hillock)发出，是神经元(Neuron)传递信号的主要结构。
▮▮▮▮ⓗ 轴丘(Axon hillock)：轴突(axon)起始部位，是动作电位(action potential)起始的关键区域，富含电压门控钠离子通道(voltage-gated sodium channel)。
▮▮▮▮ⓘ 髓鞘(Myelin sheath)：在许多神经元(Neuron)的轴突(axon)外包裹着一层髓鞘(myelin sheath)，由神经胶质细胞(glial cell)（在中枢神经系统(CNS)中是少突胶质细胞(oligodendrocyte)，在外周神经系统(PNS)中是雪旺氏细胞(Schwann cell)）形成，起到绝缘和加速神经信号传导的作用。
▮▮▮▮ⓙ 朗飞结(Nodes of Ranvier)：髓鞘(myelin sheath)并非连续的，轴突(axon)上每隔一段距离会存在没有髓鞘(myelin sheath)覆盖的区域，称为朗飞结(Nodes of Ranvier)，是动作电位(action potential)跳跃传导的关键部位。
⑪ 轴突末梢(Axon terminal)：轴突(axon)的末端分支，也称为突触末梢(synaptic terminal)或轴突终末(axon ending)，是神经元(Neuron)与其他神经元(Neuron)或效应细胞(effector cell)形成突触(synapse)的部位，负责释放神经递质(neurotransmitter)以传递信号。
▮▮▮▮ⓛ 突触小泡(Synaptic vesicle)：轴突末梢(axon terminal)内含有大量的突触小泡(synaptic vesicle)，储存着神经递质(neurotransmitter)。
▮▮▮▮ⓜ 突触前膜(Presynaptic membrane)：轴突末梢(axon terminal)的细胞膜(cell membrane)，与突触后神经元(postsynaptic neuron)或效应细胞(effector cell)的膜形成突触间隙(synaptic cleft)。

不同类型的神经元(Neuron)在形态上存在显著差异，以适应其在神经系统(nervous system)中的不同功能需求。根据形态结构，神经元(Neuron)可以大致分为以下几种类型：

⚝ 单极神经元(Unipolar neuron)：只有一个突起从细胞体(soma)发出，该突起同时充当轴突(axon)和树突(dendrite)。在哺乳动物中较少见，主要存在于无脊椎动物的神经系统(nervous system)中。
⚝ 假单极神经元(Pseudounipolar neuron)：在发育过程中，由双极神经元(bipolar neuron)演变而来，最初有两个突起，但后来融合为一个，从细胞体(soma)发出一个突起，然后分支成两个方向，一个分支延伸到外周，另一个分支进入中枢神经系统(CNS)。感觉神经元(sensory neuron)如背根神经节(dorsal root ganglion)的神经元(Neuron)通常是假单极神经元(pseudounipolar neuron)。
⚝ 双极神经元(Bipolar neuron)：有两个突起从细胞体(soma)发出，一个轴突(axon)和一个树突(dendrite)。主要分布在感觉系统中，例如视网膜(retina)的双极细胞(bipolar cell)、嗅觉上皮(olfactory epithelium)的嗅觉神经元(olfactory neuron)和内耳(inner ear)的前庭神经节(vestibular ganglion)和耳蜗神经节(spiral ganglion)的神经元(Neuron)。
⚝ 多极神经元(Multipolar neuron)：有多个树突(dendrite)和一个轴突(axon)从细胞体(soma)发出，是最常见的神经元(Neuron)类型，广泛分布于中枢神经系统(CNS)和外周神经系统(PNS)，例如脊髓(spinal cord)的运动神经元(motor neuron)、大脑皮层(cerebral cortex)的锥体神经元(pyramidal neuron)和浦肯野细胞(Purkinje cell)。

2.1.2 神经元(Neuron)的细胞膜(Cell Membrane)与细胞器(Organelle)

概述

介绍神经元(Neuron)细胞膜(cell membrane)的组成、离子通道(ion channel)和受体(receptor)，以及神经元(Neuron)特有的细胞器(organelle)，例如尼氏体(Nissl body)和神经纤维(neurofibril)。

① 细胞膜(Cell membrane)：神经元(Neuron)的细胞膜(cell membrane)是磷脂双分子层(phospholipid bilayer)结构，镶嵌着各种蛋白质，包括离子通道(ion channel)、受体(receptor)、转运蛋白(transporter)和酶(enzyme)等，具有重要的生理功能。
▮▮▮▮ⓑ 磷脂双分子层(Phospholipid bilayer)：构成细胞膜(cell membrane)的基本骨架，具有选择通透性，能够维持细胞内外的离子浓度梯度，形成膜电位(membrane potential)。
▮▮▮▮ⓒ 离子通道(Ion channel)：细胞膜(cell membrane)上允许特定离子通过的蛋白质通道，对神经元(Neuron)的电生理特性至关重要，包括电压门控离子通道(voltage-gated ion channel)、配体门控离子通道(ligand-gated ion channel)和机械门控离子通道(mechanically-gated ion channel)等。
▮▮▮▮ⓓ 受体(Receptor)：细胞膜(cell membrane)上能够识别并结合特定信号分子的蛋白质，介导细胞对外界信号的响应，包括神经递质受体(neurotransmitter receptor)、生长因子受体(growth factor receptor)和激素受体(hormone receptor)等。神经递质受体(neurotransmitter receptor)又可以分为离子型受体(ionotropic receptor)和代谢型受体(metabotropic receptor)。
⑤ 细胞器(Organelle)：神经元(Neuron)包含多种细胞器(organelle)，执行不同的细胞功能。
▮▮▮▮ⓕ 内质网(Endoplasmic reticulum, ER)：分为粗面内质网(rough endoplasmic reticulum, RER)和滑面内质网(smooth endoplasmic reticulum, SER)。粗面内质网(RER)上附着有核糖体(ribosome)，参与蛋白质合成；滑面内质网(SER)参与脂类合成、钙离子储存和解毒等。
▮▮▮▮ⓖ 高尔基体(Golgi apparatus)：负责蛋白质的加工、修饰、分类和包装，形成囊泡(vesicle)并运输到细胞内或细胞外。
▮▮▮▮ⓗ 线粒体(Mitochondria)：细胞的“能量工厂”，通过氧化磷酸化产生ATP，为神经元(Neuron)的各项活动提供能量。神经元(Neuron)对能量需求高，因此含有丰富的线粒体(mitochondria)。
▮▮▮▮ⓘ 溶酶体(Lysosome)：含有多种水解酶，负责降解细胞内不需要的或受损的细胞器(organelle)和物质，参与细胞的自噬(autophagy)过程。
▮▮▮▮ⓙ 核糖体(Ribosome)：合成蛋白质的场所，游离核糖体(free ribosome)合成胞质蛋白，附着在粗面内质网(RER)上的核糖体(ribosome)合成分泌蛋白和膜蛋白。
▮▮▮▮ⓚ 尼氏体(Nissl body)：神经元(Neuron)特有的一种细胞器(organelle)，实际上是粗面内质网(RER)和游离核糖体(free ribosome)聚集形成的嗜碱性颗粒，在神经元(Neuron)中大量存在，反映了神经元(Neuron)旺盛的蛋白质合成活动。
▮▮▮▮ⓛ 神经纤维(Neurofibril)：神经元(Neuron)细胞质(cytoplasm)中存在的纤维状结构，主要由神经丝(neurofilament)、微管(microtubule)和微丝(microfilament)组成，构成神经元的细胞骨架(cytoskeleton)，维持神经元(Neuron)的形态，并参与轴浆运输(axoplasmic transport)，将细胞体(soma)合成的物质运输到轴突(axon)和轴突末梢(axon terminal)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 神经丝(Neurofilament)：中间纤维(intermediate filament)的一种，是神经元(Neuron)中最丰富的细胞骨架(cytoskeleton)成分，具有机械支持和维持轴突(axon)直径的作用。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 微管(Microtubule)：由tubulin蛋白聚合而成，参与轴浆运输(axoplasmic transport)，为物质运输提供轨道。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 微丝(Microfilament)：由actin蛋白聚合而成，主要分布在轴突末梢(axon terminal)和树突棘(dendritic spine)，参与突触(synapse)的可塑性(plasticity)和细胞运动。

2.1.3 神经元(Neuron)的功能特性

概述

概述神经元(Neuron)的主要功能，包括接收、整合和传递信息，以及产生动作电位(action potential)和突触传递(synaptic transmission)等电生理特性。

① 接收信息(Receiving information)：神经元(Neuron)通过树突(dendrite)和细胞体(soma)上的受体(receptor)接收来自其他神经元(Neuron)或感觉细胞(sensory cell)的信号。这些信号通常以化学信号（神经递质(neurotransmitter)）或电信号（突触后电位(postsynaptic potential)）的形式传递到神经元(Neuron)。
② 整合信息(Integrating information)：神经元(Neuron)能够整合来自多个突触(synapse)的输入信号。突触后电位(postsynaptic potential)可以是兴奋性的(excitatory postsynaptic potential, EPSP)或抑制性的(inhibitory postsynaptic potential, IPSP)。神经元(Neuron)在轴丘(axon hillock)整合这些突触后电位(postsynaptic potential)。如果总和达到阈值(threshold)，则会产生动作电位(action potential)。
③ 传递信息(Transmitting information)：神经元(Neuron)通过轴突(axon)将整合后的信息传递到其他神经元(Neuron)、肌肉细胞(muscle cell)或腺体细胞(gland cell)。信息传递的主要形式是动作电位(action potential)和突触传递(synaptic transmission)。
▮▮▮▮ⓓ 动作电位(Action potential)：是一种快速、短暂的膜电位(membrane potential)变化，是神经元(Neuron)长距离传递信息的基本方式。动作电位(action potential)的产生和传导依赖于电压门控离子通道(voltage-gated ion channel)的开放和关闭。
▮▮▮▮ⓔ 突触传递(Synaptic transmission)：神经信号从一个神经元(Neuron)传递到另一个神经元(Neuron)或效应细胞(effector cell)的过程。突触传递(synaptic transmission)主要分为化学突触(chemical synapse)和电突触(electrical synapse)两种类型。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 化学突触(Chemical synapse)：通过释放神经递质(neurotransmitter)进行信号传递。当动作电位(action potential)到达轴突末梢(axon terminal)时，引起突触小泡(synaptic vesicle)释放神经递质(neurotransmitter)到突触间隙(synaptic cleft)，神经递质(neurotransmitter)与突触后膜(postsynaptic membrane)上的受体(receptor)结合，引起突触后神经元(postsynaptic neuron)产生突触后电位(postsynaptic potential)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 电突触(Electrical synapse)：通过缝隙连接(gap junction)直接传递离子电流(ionic current)。电突触(electrical synapse)的传递速度快，但可塑性(plasticity)较差。
⑧ 电生理特性(Electrophysiological properties)：神经元(Neuron)具有独特的电生理特性，包括静息膜电位(resting membrane potential)、动作电位(action potential)和各种离子电流(ionic current)。这些特性是神经元(Neuron)信息处理的基础。
▮▮▮▮ⓘ 静息膜电位(Resting membrane potential)：神经元(Neuron)在静息状态下，细胞膜(cell membrane)内外的电位差，通常为负值，约为-70mV。静息膜电位(resting membrane potential)的维持主要依赖于钠-钾泵(Na+/K+ pump)和钾离子通道(potassium ion channel)的活动。
▮▮▮▮ⓙ 动作电位(Action potential)：神经元(Neuron)受到刺激时产生的快速膜电位(membrane potential)变化，包括去极化(depolarization)、复极化(repolarization)和超极化(hyperpolarization)等阶段。动作电位(action potential)的产生和传导依赖于电压门控钠离子通道(voltage-gated sodium channel)和电压门控钾离子通道(voltage-gated potassium channel)。
▮▮▮▮ⓚ 离子电流(Ionic current)：离子通过细胞膜(cell membrane)离子通道(ion channel)形成的电流。不同类型的离子通道(ion channel)介导不同的离子电流(ionic current)，例如钠离子电流(sodium current)、钾离子电流(potassium current)和钙离子电流(calcium current)等，这些离子电流(ionic current)共同塑造了神经元(Neuron)的电生理特性。

2.2 神经胶质细胞(Glial Cell)的类型与功能

概述

介绍神经系统(nervous system)中不同类型的神经胶质细胞(glial cell)（星形胶质细胞(astrocyte)、少突胶质细胞(oligodendrocyte)、小胶质细胞(microglia)、室管膜细胞(ependymal cell)、雪旺氏细胞(Schwann cell)）及其各自的功能，强调胶质细胞(glial cell)在神经元(Neuron)支持、髓鞘形成(myelin sheath formation)、免疫防御和稳态维持中的重要作用。

2.2.1 星形胶质细胞(Astrocyte)

概述

详细介绍星形胶质细胞(astrocyte)的形态结构和主要功能，包括营养支持、离子和神经递质稳态调节、血脑屏障(blood-brain barrier)的形成和突触传递(synaptic transmission)的调控。

① 形态结构(Morphology)：星形胶质细胞(astrocyte)是中枢神经系统(CNS)中最丰富的胶质细胞(glial cell)类型，呈星状形态，胞体(soma)较小，但具有大量的突起，这些突起可以包裹神经元(Neuron)的突触(synapse)和血管(blood vessel)。
▮▮▮▮ⓑ 原浆型星形胶质细胞(Protoplasmic astrocyte)：主要分布在大脑灰质(gray matter)中，突起分支丰富，形态不规则，与神经元(Neuron)和突触(synapse)紧密接触。
▮▮▮▮ⓒ 纤维型星形胶质细胞(Fibrous astrocyte)：主要分布在大脑白质(white matter)中，突起细长而分支较少，与轴突(axon)和血管(blood vessel)接触。
▮▮▮▮ⓓ 放射状胶质细胞(Radial glia)：在神经系统(nervous system)发育早期起重要作用，作为神经元(Neuron)迁移的支架，并可以分化为神经元(Neuron)和胶质细胞(glial cell)。在成体大脑中，放射状胶质细胞(radial glia)主要存在于特定区域，如室管膜下区(subventricular zone, SVZ)和齿状回下颗粒层(subgranular zone, SGZ)，参与成年神经发生(adult neurogenesis)。
⑤ 营养支持(Nutritional support)：星形胶质细胞(astrocyte)通过多种方式为神经元(Neuron)提供营养支持。
▮▮▮▮ⓕ 葡萄糖代谢(Glucose metabolism)：星形胶质细胞(astrocyte)可以储存糖原(glycogen)，并在神经元(Neuron)活动增强时，将糖原(glycogen)分解为乳酸(lactate)提供给神经元(Neuron)作为能量来源，即星形胶质细胞-神经元乳酸穿梭(astrocyte-neuron lactate shuttle)假说。
▮▮▮▮ⓖ 神经递质前体(Neurotransmitter precursor)：星形胶质细胞(astrocyte)参与合成一些神经递质(neurotransmitter)的前体物质，例如谷氨酰胺(glutamine)是谷氨酸(glutamate)的前体，星形胶质细胞(astrocyte)将谷氨酰胺(glutamine)释放到细胞外，被神经元(Neuron)摄取后合成谷氨酸(glutamate)。
▮▮▮▮ⓗ 神经营养因子(Neurotrophic factor)：星形胶质细胞(astrocyte)可以分泌多种神经营养因子(neurotrophic factor)，例如脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)、神经生长因子(nerve growth factor, NGF)和胶质细胞源性神经营养因子(glial cell line-derived neurotrophic factor, GDNF)，促进神经元(Neuron)的生长、分化、存活和突触可塑性(synaptic plasticity)。
⑨ 离子和神经递质稳态调节(Ion and neurotransmitter homeostasis regulation)：星形胶质细胞(astrocyte)在维持神经微环境的离子和神经递质稳态中发挥重要作用。
▮▮▮▮ⓙ 钾离子稳态(Potassium ion homeostasis)：星形胶质细胞(astrocyte)膜上表达高浓度的钾离子通道(potassium ion channel)，能够快速摄取细胞外液中过量的钾离子(potassium ion)，防止神经元(Neuron)过度兴奋，维持神经元(Neuron)周围钾离子浓度的稳定，称为钾离子缓冲(potassium buffering)作用。
▮▮▮▮ⓚ 谷氨酸清除(Glutamate clearance)：星形胶质细胞(astrocyte)表达谷氨酸转运体(glutamate transporter)，例如谷氨酸转运体-1 (glutamate transporter-1, GLT-1)和谷氨酸-天冬氨酸转运体(glutamate-aspartate transporter, GLAST)，能够快速清除突触间隙(synaptic cleft)中过量的谷氨酸(glutamate)，终止谷氨酸(glutamate)的信号传递，防止兴奋性毒性(excitotoxicity)。
▮▮▮▮ⓛ GABA清除(GABA clearance)：星形胶质细胞(astrocyte)也表达GABA转运体(GABA transporter)，清除突触间隙(synaptic cleft)中的γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid, GABA)，调节抑制性突触传递(inhibitory synaptic transmission)。
⑬ 血脑屏障(Blood-brain barrier, BBB)的形成(Formation of BBB)：星形胶质细胞(astrocyte)的终足(end-feet)包裹着脑毛细血管(brain capillary)，诱导血管内皮细胞(endothelial cell)形成紧密连接(tight junction)，构成血脑屏障(blood-brain barrier)，限制血液中大分子和有害物质进入脑组织，保护神经元(Neuron)免受损伤，维持脑内微环境的稳定。
⑭ 突触传递(Synaptic transmission)的调控(Regulation of synaptic transmission)：星形胶质细胞(astrocyte)通过多种方式调控突触传递(synaptic transmission)。
▮▮▮▮ⓞ 三方突触(Tripartite synapse)：星形胶质细胞(astrocyte)突起包裹突触前(presynaptic)和突触后(postsynaptic)结构，形成三方突触(tripartite synapse)，参与突触(synapse)的信号传递和可塑性(plasticity)调节。
▮▮▮▮ⓟ 胶质递质(Gliotransmitter)释放(Release of gliotransmitter)：星形胶质细胞(astrocyte)可以释放胶质递质(gliotransmitter)，例如谷氨酸(glutamate)、ATP、D-丝氨酸(D-serine)和肿瘤坏死因子α (tumor necrosis factor-alpha, TNF-α)，调控神经元(Neuron)的兴奋性(excitability)和突触传递(synaptic transmission)。例如，星形胶质细胞(astrocyte)释放的谷氨酸(glutamate)可以激活神经元(Neuron)的突触外受体(extrasynaptic receptor)，调节神经元(Neuron)的同步放电。星形胶质细胞(astrocyte)释放的D-丝氨酸(D-serine)是NMDA受体(NMDA receptor)的共激动剂(co-agonist)，增强NMDA受体(NMDA receptor)介导的突触传递(synaptic transmission)和突触可塑性(synaptic plasticity)。
▮▮▮▮ⓠ 突触形成(Synaptogenesis)和突触修剪(synaptic pruning)的调控(Regulation of synaptogenesis and synaptic pruning)：星形胶质细胞(astrocyte)分泌一些因子，例如 thrombospondins 和 hevin，促进突触形成(synaptogenesis)。在发育过程中，星形胶质细胞(astrocyte)也参与突触修剪(synaptic pruning)，吞噬过多的或功能较弱的突触(synapse)，精细化神经环路(neural circuit)。

2.2.2 少突胶质细胞(Oligodendrocyte)与雪旺氏细胞(Schwann Cell)

概述

比较少突胶质细胞(oligodendrocyte)和雪旺氏细胞(Schwann cell)的形态和功能，重点介绍它们在髓鞘(myelin sheath)形成中的作用，以及髓鞘(myelin sheath)对神经传导速度的影响。

① 髓鞘形成细胞(Myelin-forming cells)：少突胶质细胞(oligodendrocyte)和雪旺氏细胞(Schwann cell)是神经系统(nervous system)中两种主要的髓鞘形成细胞(myelin-forming cell)，它们都能够形成髓鞘(myelin sheath)包裹轴突(axon)，加速神经信号的传导。
▮▮▮▮ⓑ 少突胶质细胞(Oligodendrocyte)：中枢神经系统(CNS)中的髓鞘形成细胞(myelin-forming cell)。一个少突胶质细胞(oligodendrocyte)可以同时髓鞘化多个轴突(axon)的多个节段。
▮▮▮▮ⓒ 雪旺氏细胞(Schwann cell)：外周神经系统(PNS)中的髓鞘形成细胞(myelin-forming cell)。一个雪旺氏细胞(Schwann cell)只能髓鞘化一个轴突(axon)的一个节段。
④ 形态结构(Morphology)：少突胶质细胞(oligodendrocyte)和雪旺氏细胞(Schwann cell)在形态结构上有所不同。
▮▮▮▮ⓔ 少突胶质细胞(Oligodendrocyte)：胞体(soma)较小，突起数量较少，但分支复杂，每个突起可以包裹并髓鞘化一个轴突(axon)节段。髓鞘(myelin sheath)形成过程中，少突胶质细胞(oligodendrocyte)的膜螺旋式包裹轴突(axon)形成髓鞘(myelin sheath)。
▮▮▮▮ⓕ 雪旺氏细胞(Schwann cell)：胞体(soma)较大，呈梭形，围绕轴突(axon)形成髓鞘(myelin sheath)。髓鞘(myelin sheath)形成过程中，雪旺氏细胞(Schwann cell)的膜也螺旋式包裹轴突(axon)形成髓鞘(myelin sheath)。髓鞘(myelin sheath)外层包裹着雪旺氏细胞(Schwann cell)的细胞质(cytoplasm)和细胞核(nucleus)，形成神经膜(neurilemma)或称雪旺氏鞘(sheath of Schwann)。
⑦ 髓鞘(Myelin sheath)的成分(Composition of myelin sheath)：少突胶质细胞(oligodendrocyte)和雪旺氏细胞(Schwann cell)形成的髓鞘(myelin sheath)在成分上有所差异。
▮▮▮▮ⓗ 髓鞘碱性蛋白(Myelin basic protein, MBP)：少突胶质细胞(oligodendrocyte)和雪旺氏细胞(Schwann cell)都表达髓鞘碱性蛋白(MBP)，是髓鞘(myelin sheath)的主要成分之一，参与髓鞘(myelin sheath)的形成和稳定。
▮▮▮▮ⓘ 髓鞘少突胶质细胞糖蛋白(Myelin oligodendrocyte glycoprotein, MOG)：主要由少突胶质细胞(oligodendrocyte)表达，是中枢神经系统(CNS)髓鞘(myelin sheath)的特有成分。
▮▮▮▮ⓙ P0蛋白(Protein zero, P0)：主要由雪旺氏细胞(Schwann cell)表达，是外周神经系统(PNS)髓鞘(myelin sheath)的特有成分，在雪旺氏细胞(Schwann cell)髓鞘形成过程中起重要作用。
⑪ 髓鞘(Myelin sheath)的功能(Function of myelin sheath)：髓鞘(myelin sheath)的主要功能是绝缘轴突(axon)，减少离子泄漏，增加膜电阻，降低膜电容，从而加速动作电位(action potential)的传导速度。
▮▮▮▮ⓛ 跳跃传导(Saltatory conduction)：在有髓鞘(myelin sheath)的轴突(axon)中，动作电位(action potential)的产生只发生在没有髓鞘(myelin sheath)覆盖的朗飞结(Nodes of Ranvier)处，离子通道(ion channel)集中分布在朗飞结(Nodes of Ranvier)，动作电位(action potential)从一个朗飞结(Nodes of Ranvier)跳跃到下一个朗飞结(Nodes of Ranvier)进行传导，称为跳跃传导(saltatory conduction)。跳跃传导(saltatory conduction)大大提高了神经信号的传导速度，与无髓鞘(unmyelinated)轴突(axon)的连续传导(continuous conduction)相比，传导速度可以提高50倍以上。
▮▮▮▮ⓜ 能量效率(Energy efficiency)：髓鞘(myelin sheath)减少了轴突(axon)膜上的离子泄漏，降低了维持膜电位(membrane potential)所需的能量消耗，提高了神经信号传导的能量效率。
⑭ 髓鞘疾病(Myelin disease)：髓鞘(myelin sheath)的损伤或功能障碍会导致髓鞘疾病(myelin disease)，例如多发性硬化症(multiple sclerosis, MS)是一种中枢神经系统(CNS)的自身免疫性疾病，主要攻击少突胶质细胞(oligodendrocyte)和髓鞘(myelin sheath)，导致髓鞘脱失(demyelination)，影响神经信号传导，引起运动、感觉和认知功能障碍。格林-巴利综合征(Guillain-Barré syndrome, GBS)是一种外周神经系统(PNS)的自身免疫性疾病，攻击雪旺氏细胞(Schwann cell)和髓鞘(myelin sheath)，导致外周神经(peripheral nerve)髓鞘脱失(demyelination)，引起肌肉无力和感觉障碍。

2.2.3 小胶质细胞(Microglia)与其他神经胶质细胞(Glial Cell)

概述

介绍小胶质细胞(microglia)的免疫功能和在神经系统疾病中的作用，以及室管膜细胞(ependymal cell)和放射状胶质细胞(radial glia)的功能。

① 小胶质细胞(Microglia)：中枢神经系统(CNS)中的免疫细胞，起源于卵黄囊(yolk sac)的髓系祖细胞(myeloid progenitor cell)，具有免疫监视、吞噬清除和炎症反应等功能。
▮▮▮▮ⓑ 免疫监视(Immune surveillance)：小胶质细胞(microglia)在脑组织中不断巡逻，通过其突起扫描周围微环境，监测神经元(Neuron)和突触(synapse)的活动状态，以及是否有病原体入侵或组织损伤。
▮▮▮▮ⓒ 吞噬清除(Phagocytosis)：小胶质细胞(microglia)是中枢神经系统(CNS)的主要吞噬细胞(phagocyte)，能够吞噬清除细胞碎片、凋亡细胞、髓鞘碎片、突触碎片和病原体等。在神经系统(nervous system)发育过程中，小胶质细胞(microglia)参与突触修剪(synaptic pruning)，吞噬过多的或功能较弱的突触(synapse)。在神经系统(nervous system)损伤或疾病状态下，小胶质细胞(microglia)吞噬清除受损的神经元(Neuron)和组织碎片，促进组织修复。
▮▮▮▮ⓓ 炎症反应(Inflammatory response)：小胶质细胞(microglia)在神经系统(nervous system)炎症反应中起关键作用。当神经系统(nervous system)受到损伤或感染时，小胶质细胞(microglia)被激活，从静息态(resting state)转变为激活态(activated state)，释放炎症因子(inflammatory factor)，例如细胞因子(cytokine)和趋化因子(chemokine)，参与炎症反应，清除病原体和受损组织，但也可能导致神经炎症(neuroinflammation)和神经损伤。小胶质细胞(microglia)的激活状态可以分为M1型和M2型。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ M1型小胶质细胞(M1 microglia)：经典激活型，主要释放促炎因子(pro-inflammatory factor)，例如肿瘤坏死因子α (TNF-α)、白细胞介素-1β (interleukin-1β, IL-1β)和一氧化氮(nitric oxide, NO)，参与炎症反应和病原体清除，但也可能加重神经损伤。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ M2型小胶质细胞(M2 microglia)：替代激活型，主要释放抗炎因子(anti-inflammatory factor)和神经营养因子(neurotrophic factor)，例如白细胞介素-10 (interleukin-10, IL-10)和脑源性神经营养因子(BDNF)，参与炎症消退和组织修复，促进神经保护和神经再生。
▮▮▮▮ⓖ 神经系统疾病中的作用(Role in neurological diseases)：小胶质细胞(microglia)在多种神经系统疾病中发挥重要作用，例如阿尔茨海默病(Alzheimer's disease, AD)、帕金森病(Parkinson's disease, PD)、多发性硬化症(MS)、肌萎缩侧索硬化症(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)和卒中(stroke)等。在这些疾病中，小胶质细胞(microglia)的激活和功能失调可能导致慢性神经炎症(chronic neuroinflammation)和神经退行性变(neurodegeneration)。靶向调控小胶质细胞(microglia)的激活状态和功能，可能是治疗神经系统疾病的新策略。
⑧ 室管膜细胞(Ependymal cell)：一种上皮细胞(epithelial cell)， lining 脑室(ventricle)和脊髓中央管(central canal of spinal cord)的表面，形成室管膜(ependyma)。
▮▮▮▮ⓘ 脑脊液(Cerebrospinal fluid, CSF)的产生(Production of CSF)：室管膜细胞(ependymal cell)参与脑脊液(CSF)的产生。脉络丛(choroid plexus)是由室管膜细胞(ependymal cell)和血管(blood vessel)组成的结构，位于脑室(ventricle)内，是脑脊液(CSF)的主要产生部位。室管膜细胞(ependymal cell)通过主动转运和滤过作用，将血液中的水分和离子转运到脑室(ventricle)中，形成脑脊液(CSF)。
▮▮▮▮ⓙ 脑脊液(CSF)的循环(Circulation of CSF)：室管膜细胞(ependymal cell)表面覆盖着纤毛(cilia)，纤毛(cilia)的摆动驱动脑脊液(CSF)在脑室系统(ventricular system)和蛛网膜下腔(subarachnoid space)中循环流动，将营养物质输送到脑组织，并将代谢废物带走。
▮▮▮▮ⓚ 干细胞(Stem cell)功能(Stem cell function)：在某些脑区，例如室管膜下区(SVZ)，室管膜细胞(ependymal cell)具有干细胞(stem cell)的特性，可以分化为神经元(Neuron)和胶质细胞(glial cell)，参与成年神经发生(adult neurogenesis)和神经修复。
⑫ 放射状胶质细胞(Radial glia)：在神经系统(nervous system)发育早期起重要作用的胶质细胞(glial cell)，具有多种功能。在2.2.1 星形胶质细胞(Astrocyte) 已经介绍，此处不再重复。

2.3 神经元(Neuron)与神经胶质细胞(Glial Cell)的相互作用

概述

阐述神经元(Neuron)与神经胶质细胞(glial cell)之间的复杂相互作用，包括胶质细胞(glial cell)如何影响神经元(Neuron)的发育、功能和生存，以及神经元(Neuron)活动如何反过来调控胶质细胞(glial cell)的功能。

2.3.1 胶质细胞(Glial Cell)对神经元(Neuron)发育的影响

概述

介绍胶质细胞(glial cell)在神经发生(neurogenesis)、神经元迁移(neuronal migration)和突触形成(synaptogenesis)中的作用。

① 神经发生(Neurogenesis)：胶质细胞(glial cell)，特别是放射状胶质细胞(radial glia)在神经发生(neurogenesis)过程中起重要作用。
▮▮▮▮ⓑ 放射状胶质细胞(Radial glia)作为神经干细胞(neural stem cell)：在神经系统(nervous system)发育早期，放射状胶质细胞(radial glia)是主要的神经干细胞(neural stem cell)来源，能够通过不对称分裂(asymmetric division)产生神经元祖细胞(neuronal progenitor cell)和胶质祖细胞(glial progenitor cell)，进而分化为神经元(Neuron)和胶质细胞(glial cell)。
▮▮▮▮ⓒ 胶质细胞分泌的信号分子(Signaling molecules secreted by glial cells)：星形胶质细胞(astrocyte)和少突胶质细胞(oligodendrocyte)可以分泌一些信号分子，例如神经营养因子(neurotrophic factor)和细胞因子(cytokine)，调控神经干细胞(neural stem cell)的增殖、分化和存活，影响神经发生(neurogenesis)的进程。
④ 神经元迁移(Neuronal migration)：放射状胶质细胞(radial glia)在神经元迁移(neuronal migration)过程中起支架作用。
▮▮▮▮ⓔ 放射状胶质细胞(Radial glia)作为迁移支架(migration scaffold)：神经元(Neuron)沿着放射状胶质细胞(radial glia)的放射状突起进行迁移，从脑室带(ventricular zone, VZ)迁移到皮层板(cortical plate)，最终形成大脑皮层(cerebral cortex)的层状结构。放射状胶质细胞(radial glia)为神经元(Neuron)迁移提供物理支架和导向信号。
▮▮▮▮ⓕ 胶质细胞分泌的导向分子(Guidance molecules secreted by glial cells)：胶质细胞(glial cell)可以分泌一些导向分子，例如 Netrin、Slit 和 Semaphorin，引导神经元(Neuron)迁移的方向，确保神经元(Neuron)到达正确的位置。
⑦ 突触形成(Synaptogenesis)：星形胶质细胞(astrocyte)在突触形成(synaptogenesis)过程中发挥重要作用。
▮▮▮▮ⓗ 促进突触形成(Promoting synapse formation)：星形胶质细胞(astrocyte)分泌一些因子，例如 thrombospondins 和 hevin，促进突触前(presynaptic)和突触后(postsynaptic)结构的形成，诱导突触(synapse)的成熟。
▮▮▮▮ⓘ 突触修剪(Synaptic pruning)：星形胶质细胞(astrocyte)和小胶质细胞(microglia)参与突触修剪(synaptic pruning)，选择性地消除过多的或功能较弱的突触(synapse)，精细化神经环路(neural circuit)。星形胶质细胞(astrocyte)通过吞噬作用，吞噬突触碎片，而小胶质细胞(microglia)也参与突触修剪(synaptic pruning)，可能通过补体系统(complement system)介导的突触消除。

2.3.2 胶质细胞(Glial Cell)对神经元(Neuron)功能的支持与调控

概述

阐述胶质细胞(glial cell)如何通过调节离子浓度、神经递质浓度和能量代谢来支持和调控神经元(Neuron)的功能。

① 调节离子浓度(Regulation of ion concentration)：胶质细胞(glial cell)，特别是星形胶质细胞(astrocyte)在调节神经元(Neuron)周围微环境的离子浓度中起重要作用。
▮▮▮▮ⓑ 钾离子稳态(Potassium ion homeostasis)：星形胶质细胞(astrocyte)的钾离子缓冲(potassium buffering)作用，能够快速清除细胞外液中过量的钾离子(potassium ion)，维持神经元(Neuron)周围钾离子浓度的稳定，防止神经元(Neuron)过度兴奋，确保神经元(Neuron)正常的电生理活动。
▮▮▮▮ⓒ pH值调节(pH regulation)：星形胶质细胞(astrocyte)参与调节细胞外液的pH值，维持神经元(Neuron)周围微环境的酸碱平衡，影响神经元(Neuron)的兴奋性和突触传递(synaptic transmission)。
④ 调节神经递质浓度(Regulation of neurotransmitter concentration)：胶质细胞(glial cell)，特别是星形胶质细胞(astrocyte)在调节突触间隙(synaptic cleft)的神经递质浓度中起重要作用。
▮▮▮▮ⓔ 神经递质清除(Neurotransmitter clearance)：星形胶质细胞(astrocyte)表达多种神经递质转运体(neurotransmitter transporter)，例如谷氨酸转运体(glutamate transporter)和GABA转运体(GABA transporter)，能够快速清除突触间隙(synaptic cleft)中过量的神经递质(neurotransmitter)，终止神经递质(neurotransmitter)的信号传递，防止神经递质(neurotransmitter)的过度积累，维持突触传递(synaptic transmission)的精确性和高效性。
▮▮▮▮ⓕ 神经递质再循环(Neurotransmitter recycling)：星形胶质细胞(astrocyte)清除的神经递质(neurotransmitter)可以进行再循环利用。例如，星形胶质细胞(astrocyte)摄取的谷氨酸(glutamate)可以转化为谷氨酰胺(glutamine)，再释放到细胞外，被神经元(Neuron)摄取后重新合成谷氨酸(glutamate)。
⑦ 能量代谢支持(Energy metabolism support)：胶质细胞(glial cell)，特别是星形胶质细胞(astrocyte)为神经元(Neuron)提供能量代谢支持。
▮▮▮▮ⓗ 葡萄糖代谢(Glucose metabolism)：星形胶质细胞(astrocyte)通过星形胶质细胞-神经元乳酸穿梭(astrocyte-neuron lactate shuttle)为神经元(Neuron)提供能量。星形胶质细胞(astrocyte)摄取葡萄糖(glucose)后，进行糖酵解(glycolysis)产生乳酸(lactate)，乳酸(lactate)释放到细胞外，被神经元(Neuron)摄取后作为能量来源进行氧化代谢。
▮▮▮▮ⓘ 酮体代谢(Ketone body metabolism)：在饥饿状态下，星形胶质细胞(astrocyte)可以利用酮体(ketone body)作为能量来源，并为神经元(Neuron)提供酮体(ketone body)，作为神经元(Neuron)的替代能量来源。

2.3.3 神经元(Neuron)活动对胶质细胞(Glial Cell)的调控

概述

介绍神经元(Neuron)活动如何影响胶质细胞(glial cell)的信号通路、基因表达和功能，以及神经元-胶质细胞(neuron-glial cell)相互作用在神经环路(neural circuit)功能中的作用。

① 神经元(Neuron)释放的信号分子调控胶质细胞(Glial cell)：神经元(Neuron)活动可以释放一些信号分子，例如神经递质(neurotransmitter)和神经肽(neuropeptide)，调控胶质细胞(glial cell)的信号通路、基因表达和功能。
▮▮▮▮ⓑ 神经递质(Neurotransmitter)激活胶质细胞受体(glial cell receptor)：神经元(Neuron)释放的神经递质(neurotransmitter)，例如谷氨酸(glutamate)、GABA、乙酰胆碱(acetylcholine)和去甲肾上腺素(norepinephrine)，可以激活胶质细胞(glial cell)上的相应受体(receptor)，例如星形胶质细胞(astrocyte)表达多种神经递质受体(neurotransmitter receptor)，包括谷氨酸受体(glutamate receptor)、GABA受体(GABA receptor)和腺苷受体(adenosine receptor)等。神经递质(neurotransmitter)激活胶质细胞受体(glial cell receptor)后，可以引起胶质细胞(glial cell)内钙离子浓度变化、代谢活动改变和基因表达调控，进而影响胶质细胞(glial cell)的功能。
▮▮▮▮ⓒ 神经肽(Neuropeptide)调控胶质细胞(Glial cell)功能：神经元(Neuron)释放的神经肽(neuropeptide)，例如血管活性肠肽(vasoactive intestinal peptide, VIP)和生长抑素(somatostatin)，也可以调控胶质细胞(glial cell)的功能。例如，VIP可以激活星形胶质细胞(astrocyte)的VIP受体(VIP receptor)，促进星形胶质细胞(astrocyte)释放胶质递质(gliotransmitter)和神经营养因子(neurotrophic factor)。
④ 神经元(Neuron)活动依赖的胶质细胞(Glial cell)信号反馈调控神经元(Neuron)：胶质细胞(glial cell)受到神经元(Neuron)活动调控后，可以释放胶质递质(gliotransmitter)和神经营养因子(neurotrophic factor)等信号分子，反过来调控神经元(Neuron)的活动和突触传递(synaptic transmission)，形成神经元-胶质细胞(neuron-glial cell)环路，参与神经环路(neural circuit)的功能调节。
▮▮▮▮ⓔ 胶质递质(Gliotransmitter)调控突触传递(synaptic transmission)：星形胶质细胞(astrocyte)释放的胶质递质(gliotransmitter)，例如谷氨酸(glutamate)、ATP和D-丝氨酸(D-serine)，可以调控突触前(presynaptic)神经递质(neurotransmitter)释放和突触后(postsynaptic)受体(receptor)功能，调节突触传递(synaptic transmission)的强度和可塑性(plasticity)。例如，星形胶质细胞(astrocyte)释放的谷氨酸(glutamate)可以激活突触前(presynaptic)膜上的代谢型谷氨酸受体(metabotropic glutamate receptor)，抑制神经递质(neurotransmitter)释放。星形胶质细胞(astrocyte)释放的ATP可以激活突触后(postsynaptic)膜上的嘌呤受体(purinergic receptor)，调节突触后电位(postsynaptic potential)。
▮▮▮▮ⓕ 神经营养因子(Neurotrophic factor)促进神经元(Neuron)存活和功能：胶质细胞(glial cell)分泌的神经营养因子(neurotrophic factor)，例如BDNF和NGF，可以促进神经元(Neuron)的存活、生长和分化，增强突触可塑性(synaptic plasticity)和神经环路(neural circuit)功能。神经元(Neuron)活动可以调控胶质细胞(glial cell)神经营养因子(neurotrophic factor)的释放，形成活动依赖性的神经营养支持机制。
⑦ 神经元-胶质细胞(Neuron-glial cell)相互作用在神经环路(neural circuit)功能中的作用(Role of neuron-glial cell interaction in neural circuit function)：神经元(Neuron)和胶质细胞(glial cell)相互作用，共同参与神经环路(neural circuit)的信息处理和功能调节。神经元-胶质细胞(neuron-glial cell)相互作用不仅影响突触传递(synaptic transmission)的强度和可塑性(plasticity)，还参与神经环路(neural circuit)的兴奋性-抑制性平衡(excitation-inhibition balance)和神经元(Neuron)的同步放电，对认知、行为和神经系统疾病的发生发展具有重要影响。

3. 神经信号传导(Neural Signaling)：动作电位(Action Potential)与突触传递(Synaptic Transmission)

本章深入讲解神经信号产生的基本原理——动作电位(action potential)，以及神经信号在神经元之间传递的关键机制——突触传递(synaptic transmission)，包括电突触和化学突触，为理解神经环路的信息处理奠定基础。

3.1 动作电位(Action Potential)的产生与传导

详细解释动作电位的产生机制，包括膜电位、离子通道、去极化、复极化和超极化过程，以及动作电位在轴突上的传导机制（被动传导和跳跃传导）。

3.1.1 静息膜电位(Resting Membrane Potential)

解释静息膜电位的形成机制，包括离子浓度梯度和膜的离子通透性，以及Nernst方程和Goldman方程的应用。

静息膜电位(resting membrane potential) 是指神经元(neuron)或肌肉细胞等可兴奋细胞在静息状态下，细胞膜内外两侧存在的稳定的电位差。对于典型的哺乳动物神经元，静息膜电位大约为 -70 mV，细胞膜内侧相对于外侧为负。这种负电位的存在是细胞执行其生理功能，特别是神经信号传导的基础。

① 静息膜电位的形成机制主要依赖于以下两个关键因素：
▮▮▮▮ⓑ 离子浓度梯度(ion concentration gradient)：细胞膜内外不同离子的浓度差异是形成静息膜电位的首要条件。在神经元中，最重要的离子包括钠离子(Na\(^+\))、钾离子(K\(^+\))、氯离子(Cl\(^-\))和钙离子(Ca\(^{2+}\))。在静息状态下，细胞内钾离子浓度远高于细胞外，而细胞外钠离子、氯离子和钙离子浓度远高于细胞内。这种离子浓度梯度是由细胞膜上的离子泵(ion pump)，特别是钠-钾泵(Na\(^+\)-K\(^+\) pump) 主动运输维持的。钠-钾泵每消耗一个ATP分子，就将3个钠离子泵出细胞，同时将2个钾离子泵入细胞，从而建立并维持细胞内高钾、细胞外高钠的离子浓度梯度。
▮▮▮▮ⓒ 膜的离子通透性(membrane permeability to ions)：细胞膜对不同离子的通透性是选择性的。静息状态下，细胞膜对钾离子的通透性相对较高，而对钠离子和氯离子的通透性较低。这种选择性通透性主要由离子通道(ion channel) 决定。钾离子通道(potassium channel) 在静息状态下开放较多，使得钾离子可以顺着浓度梯度从细胞内向细胞外扩散，导致细胞膜内侧积累负电荷，外侧积累正电荷，从而形成膜电位。而静息状态下，钠离子通道(sodium channel) 和 氯离子通道(chloride channel) 开放较少，它们对静息膜电位的贡献相对较小。

② 能斯特方程(Nernst equation) 和 戈德曼方程(Goldman equation) 是定量描述膜电位形成机制的重要工具。
▮▮▮▮ⓑ 能斯特方程用于计算在膜两侧只有一种离子通透的情况下，达到电化学平衡(electrochemical equilibrium) 时的膜电位（也称为平衡电位(equilibrium potential)）。对于某种离子X，其能斯特方程可以表示为：
\[ E_X = \frac{RT}{zF} \ln \frac{[X]_{out}}{[X]_{in}} = \frac{2.303RT}{zF} \log_{10} \frac{[X]_{out}}{[X]_{in}} \]
▮▮▮▮⚝ 其中，\(E_X\) 是离子X的平衡电位；
▮▮▮▮⚝ \(R\) 是理想气体常数；
▮▮▮▮⚝ \(T\) 是绝对温度；
▮▮▮▮⚝ \(z\) 是离子X的价数（带电量）；
▮▮▮▮⚝ \(F\) 是法拉第常数；
▮▮▮▮⚝ \([X]_{out}\) 和 \([X]_{in}\) 分别是离子X在细胞外和细胞内的浓度。

在生理温度（约37℃）下，能斯特方程可以简化为：
\[ E_X \approx \frac{61.5}{z} \log_{10} \frac{[X]_{out}}{[X]_{in}} \text{ mV} \]

例如，对于钾离子(K\(^+\))，细胞外浓度 \([K^+]_{out}\) 约为 5 mM，细胞内浓度 \([K^+]_{in}\) 约为 150 mM。根据能斯特方程计算，钾离子的平衡电位 \(E_K\) 大约为：
\[ E_K \approx 61.5 \log_{10} \frac{5}{150} \approx -90 \text{ mV} \]
这表明如果细胞膜只对钾离子通透，膜电位将趋向于 -90 mV。

▮▮▮▮ⓑ 戈德曼方程（也称为 戈德曼-霍奇金-卡茨方程 (Goldman-Hodgkin-Katz equation, GHK equation)）是能斯特方程的扩展，用于计算在膜两侧有多种离子通透的情况下，静息膜电位的值。戈德曼方程考虑了膜对多种离子的通透性以及这些离子的浓度梯度。对于钠离子(Na\(^+\))、钾离子(K\(^+\))和氯离子(Cl\(^-\))，戈德曼方程可以表示为：
\[ V_m = \frac{RT}{F} \ln \frac{P_{K}[K^+]_{out} + P_{Na}[Na^+]_{out} + P_{Cl}[Cl^-]_{in}}{P_{K}[K^+]_{in} + P_{Na}[Na^+]_{in} + P_{Cl}[Cl^-]_{out}} \]
▮▮▮▮⚝ 其中，\(V_m\) 是膜电位；
▮▮▮▮⚝ \(P_K\)、\(P_{Na}\) 和 \(P_{Cl}\) 分别是细胞膜对钾离子、钠离子和氯离子的相对通透性。

在静息状态下，神经元细胞膜对钾离子的通透性远高于钠离子和氯离子，即 \(P_K \gg P_{Na}, P_{Cl}\)。因此，静息膜电位主要由钾离子的浓度梯度和钾离子的通透性决定，接近于钾离子的平衡电位 \(E_K\)，但由于膜对钠离子和氯离子也存在一定的通透性，静息膜电位会略高于 \(E_K\)，通常在 -70 mV 左右。

总结：静息膜电位是神经元静息状态下的膜内外电位差，主要由细胞膜内外钾离子浓度梯度和细胞膜对钾离子的选择性通透性共同决定。能斯特方程和戈德曼方程可以定量描述静息膜电位的形成机制，并预测在不同离子浓度和膜通透性条件下膜电位的大小。理解静息膜电位对于理解动作电位的产生和神经信号的传导至关重要。

3.1.2 离子通道与动作电位(Action Potential)的阈值

介绍电压门控钠离子通道(voltage-gated sodium channel)和电压门控钾离子通道(voltage-gated potassium channel)在动作电位产生中的作用，以及动作电位的阈值概念。

① 电压门控离子通道(voltage-gated ion channel) 是产生动作电位(action potential) 的核心分子机制。与静息膜电位主要依赖于非门控的钾离子通道不同，动作电位的产生和传导主要依赖于电压门控的钠离子通道(voltage-gated sodium channel, \(Na_V\)) 和 电压门控的钾离子通道(voltage-gated potassium channel, \(K_V\))。这些通道的特点是其开放和关闭状态受膜电位变化调控。

▮▮▮▮ⓐ 电压门控钠离子通道 (\(Na_V\))：
▮▮▮▮⚝ 结构：\(Na_V\) 通道是由一个大的 α 亚基和一个或多个 β 亚基组成的跨膜蛋白复合物。α 亚基形成离子通道孔道，并具有电压感受器和门控机制。
▮▮▮▮⚝ 功能：\(Na_V\) 通道在膜去极化(depolarization) 时被激活开放。当膜电位去极化达到一定程度时，通道的激活门(activation gate) 迅速开放，允许钠离子(Na\(^+\)) 快速涌入细胞内，导致膜电位进一步去极化，形成动作电位的上升支(rising phase)。
▮▮▮▮⚝ 失活：\(Na_V\) 通道在开放后不久会进入失活状态(inactivation)。通道的失活门(inactivation gate) 关闭，阻止钠离子继续内流，即使膜电位仍然去极化。\(Na_V\) 通道的失活是动作电位复极化(repolarization) 和 不应期(refractory period) 的重要机制。

▮▮▮▮ⓑ 电压门控钾离子通道 (\(K_V\))：
▮▮▮▮⚝ 结构：\(K_V\) 通道也是由 α 亚基和 β 亚基组成的跨膜蛋白复合物，α 亚基形成离子通道孔道和电压感受器。
▮▮▮▮⚝ 功能：\(K_V\) 通道在膜去极化时被激活开放，但其激活速度较慢，通常在 \(Na_V\) 通道激活之后才显著开放。\(K_V\) 通道开放后，允许钾离子(K\(^+\)) 顺浓度梯度流出细胞，导致膜电位复极化，恢复到静息膜电位水平，并进一步引起超极化(hyperpolarization)，形成动作电位的下降支(falling phase) 和 后超极化(after-hyperpolarization)。
▮▮▮▮⚝ 失活：某些类型的 \(K_V\) 通道也会失活，但通常失活速度较慢，或者不失活。

② 动作电位(action potential)的阈值(threshold) 是指引发动作电位的临界膜电位值。通常情况下，神经元的阈值在静息膜电位以上约 10-20 mV，即大约在 -55 mV 到 -50 mV 之间。

▮▮▮▮ⓐ 阈值的意义：阈值的存在确保了神经元只有在足够强度的刺激下才会产生动作电位，从而避免了神经元对微弱刺激的过度反应，保证了神经信号的特异性和可靠性。
▮▮▮▮ⓑ 阈值的产生机制：当神经元受到刺激，膜电位发生去极化时，最初主要是被动电位变化(passive electrical change)，即膜电位的变化幅度与刺激强度成正比。但当去极化达到阈值水平时，情况发生质变。此时，少量的 \(Na_V\) 通道被激活开放，钠离子内流开始增加，进一步导致膜电位去极化。这种去极化反过来又会激活更多的 \(Na_V\) 通道开放，形成正反馈环路(positive feedback loop)。正反馈环路迅速放大去极化过程，使得膜电位快速上升，最终引发动作电位。

可以用下图来描述正反馈环路：

                                
                                    

                            
1
                            
graph LR
                        

                            
2
                            
A[刺激导致膜去极化] --> B{膜电位达到阈值};
                        

                            
3
                            
B -- Yes --> C[少量 NaV 通道开放];
                        

                            
4
                            
C --> D[Na+ 内流增加];
                        

                            
5
                            
D --> E[膜电位进一步去极化];
                        

                            
6
                            
E --> F[更多 NaV 通道开放];
                        

                            
7
                            
F --> D;
                        

                            
8
                            
B -- No --> G[被动电位变化];
                        
                                
                            

▮▮▮▮ⓒ 阈值与 \(Na_V\) 通道：阈值的大小主要取决于 \(Na_V\) 通道的特性。
▮▮▮▮⚝ 通道密度：细胞膜上 \(Na_V\) 通道的密度越高，阈值越低，神经元越容易兴奋。
▮▮▮▮⚝ 通道激活特性：\(Na_V\) 通道的电压敏感性和激活速度也会影响阈值。激活电压更低、激活速度更快的 \(Na_V\) 通道会导致更低的阈值。

总结：电压门控钠离子通道和电压门控钾离子通道是动作电位产生的关键离子通道。电压门控钠离子通道的快速激活和失活，以及电压门控钾离子通道的延迟激活，共同塑造了动作电位的时程和幅度。动作电位的阈值是引发动作电位的临界膜电位值，由电压门控钠离子通道的特性和正反馈环路决定。理解离子通道和阈值概念对于理解神经兴奋性和神经信号产生机制至关重要。

3.1.3 动作电位(Action Potential)的去极化、复极化与超极化

详细描述动作电位的去极化、复极化和超极化阶段的离子机制，以及不应期(refractory period)的概念。

动作电位(action potential) 是神经元和肌肉细胞等可兴奋细胞产生的一种快速、短暂、可逆的膜电位变化。典型的动作电位过程可以分为去极化(depolarization)、复极化(repolarization) 和 超极化(hyperpolarization) 三个阶段。

① 去极化(Depolarization)：动作电位的上升支(rising phase)。
▮▮▮▮ⓑ 离子机制：当膜电位去极化达到阈值时，电压门控钠离子通道 (\(Na_V\)) 迅速激活开放。由于细胞外钠离子浓度远高于细胞内，钠离子(Na\(^+\)) 顺着电化学梯度快速涌入细胞内，携带正电荷进入细胞，导致细胞膜内侧的负电位迅速减小，膜电位快速正向偏移，即去极化。
▮▮▮▮ⓒ 正反馈环路：膜电位的去极化进一步激活更多的 \(Na_V\) 通道开放，形成正反馈环路，加速去极化过程，使膜电位快速上升至峰值，通常达到 +30 mV 到 +50 mV 左右。

② 复极化(Repolarization)：动作电位的下降支(falling phase)。
▮▮▮▮ⓑ 离子机制：在去极化峰值附近，电压门控钠离子通道 (\(Na_V\)) 迅速失活，钠离子内流停止。与此同时，电压门控钾离子通道 (\(K_V\)) 延迟激活开放。由于细胞内钾离子浓度远高于细胞外，钾离子(K\(^+\)) 顺着浓度梯度流出细胞，携带正电荷流出细胞，导致细胞膜内侧的正电位减小，膜电位负向偏移，即复极化。
▮▮▮▮ⓒ 负反馈调节：膜电位的复极化过程也具有一定的负反馈调节作用。膜电位下降会进一步加速 \(Na_V\) 通道的失活，并减缓 \(K_V\) 通道的激活，从而限制去极化幅度，促进复极化过程。

③ 超极化(Hyperpolarization)：动作电位的后超极化(after-hyperpolarization) 或 下冲(undershoot) 阶段。
▮▮▮▮ⓑ 离子机制：复极化过程通常会使膜电位超过静息膜电位水平，达到比静息膜电位更负的水平，即超极化。这主要是因为 \(K_V\) 通道的失活速度较慢，在膜电位恢复到静息水平后，仍有部分 \(K_V\) 通道保持开放状态，钾离子持续外流，导致膜电位进一步负向偏移。
▮▮▮▮ⓒ 恢复静息电位：超极化是短暂的。随着 \(K_V\) 通道逐渐失活关闭，以及钠-钾泵(Na\(^+\)-K\(^+\) pump) 的作用，膜电位最终恢复到静息膜电位水平。

④ 不应期(Refractory Period)：指在动作电位发生后的一段时间内，神经元不易再次兴奋或无法再次产生动作电位的时期。不应期分为 绝对不应期(absolute refractory period) 和 相对不应期(relative refractory period) 两个阶段。
▮▮▮▮ⓑ 绝对不应期：发生在动作电位的去极化和复极化阶段。在此期间，无论给予多强的刺激，都无法再次引发动作电位。机制：绝对不应期主要是由于电压门控钠离子通道 (\(Na_V\)) 处于失活状态。失活的 \(Na_V\) 通道无法被再次激活开放，因此即使膜电位再次去极化达到阈值，也无法产生新的动作电位。绝对不应期限制了动作电位的最大发放频率，并保证了动作电位只能单向传导。
▮▮▮▮ⓒ 相对不应期：发生在动作电位的超极化阶段。在此期间，神经元可以被再次兴奋，但需要给予更强的刺激才能达到阈值，引发动作电位。机制：相对不应期主要是由于膜电位处于超极化状态，更接近钾离子的平衡电位 \(E_K\)，远离钠离子通道的激活阈值。此外，虽然部分 \(Na_V\) 通道已经恢复到可激活状态，但仍有部分 \(K_V\) 通道保持开放，钾离子外流增加，也增加了膜电位的稳定性，需要更强的去极化刺激才能克服这些阻力，达到阈值。相对不应期影响了动作电位的发放频率和节律。

总结：动作电位的去极化、复极化和超极化三个阶段是由电压门控钠离子通道和电压门控钾离子通道的激活、失活和去激活过程以及离子跨膜流动共同决定的。不应期是动作电位发生后神经元不易再次兴奋的时期，分为绝对不应期和相对不应期，由钠离子通道的失活和钾离子通道的持续开放导致。理解动作电位各阶段的离子机制和不应期对于理解神经信号的产生、传导和信息编码至关重要。

3.1.4 动作电位(Action Potential)的传导：被动传导与跳跃传导

比较无髓鞘轴突的被动传导和有髓鞘轴突的跳跃传导，解释髓鞘在提高神经传导速度中的作用。

动作电位(action potential) 产生后，需要在神经纤维（轴突, axon）上进行传导(conduction)，才能将神经信号传递到远距离的目标细胞。动作电位在轴突上的传导方式主要有两种：被动传导(passive conduction) 和 跳跃传导(saltatory conduction)。

① 被动传导(Passive Conduction)：也称为 局部电流传导(local current conduction) 或 电紧张性传导(electrotonic conduction)，发生在无髓鞘轴突(unmyelinated axon) 中。
▮▮▮▮ⓑ 传导机制：当轴突膜上某一部位产生动作电位时，膜内侧带正电，膜外侧带负电。这种电位差会驱动局部电流(local current) 在轴突内部和外部流动。
▮▮▮▮⚝ 膜内电流：正电荷沿轴突内部从兴奋部位流向邻近的未兴奋部位。
▮▮▮▮⚝ 膜外电流：负电荷沿轴突外部从未兴奋部位流向兴奋部位。
▮▮▮▮⚝ 去极化邻近膜：局部电流向邻近的未兴奋膜区放电，导致邻近膜区膜电位去极化。当去极化达到阈值时，邻近膜区也产生动作电位。
▮▮▮▮⚝ 连续传导：动作电位沿着轴突膜连续地、逐点地产生和传导，就像多米诺骨牌一样，一个接一个地倒下。

▮▮▮▮ⓑ 传导特点：
▮▮▮▮⚝ 速度较慢：被动传导速度较慢，通常在 0.5-2 m/s 左右。这是因为动作电位需要轴突膜上每个点都产生，离子通道的激活和失活需要时间，且局部电流传导效率不高。
▮▮▮▮⚝ 衰减：随着传导距离增加，局部电流强度和去极化幅度会逐渐衰减。这是由于轴突膜的膜电阻(membrane resistance) 和轴浆的轴浆电阻(axoplasmic resistance) 导致电流泄漏和能量损耗。因此，被动传导不适合长距离的信号传递。
▮▮▮▮⚝ 无跳跃：动作电位在轴突膜上连续传播，没有跳跃现象。

② 跳跃传导(Saltatory Conduction)：发生在有髓鞘轴突(myelinated axon) 中。髓鞘(myelin sheath) 是由少突胶质细胞(oligodendrocyte)（在中枢神经系统, CNS）或雪旺氏细胞(Schwann cell)（在外周神经系统, PNS）形成的包裹在轴突外周的绝缘层(insulating layer)。髓鞘不是连续的，而是被 郎飞结(nodes of Ranvier) 分隔成段。郎飞结是轴突膜裸露的部位，富含电压门控钠离子通道 (\(Na_V\)) 和电压门控钾离子通道 (\(K_V\))。

▮▮▮▮ⓐ 传导机制：
▮▮▮▮⚝ 郎飞结产生动作电位：动作电位只在郎飞结处产生。当一个郎飞结产生动作电位时，局部电流会在轴突内部和外部流动。
▮▮▮▮⚝ 髓鞘下被动传导：由于髓鞘的绝缘作用，离子电流很难穿过髓鞘膜，局部电流主要沿着轴突内部快速被动地传导到下一个郎飞结。髓鞘层减少了离子泄漏，提高了电流传导效率。
▮▮▮▮⚝ 跳跃式传导：局部电流到达下一个郎飞结后，会使该郎飞结膜电位去极化达到阈值，引发新的动作电位。动作电位从一个郎飞结 “跳跃” 到下一个郎飞结，进行传导。

▮▮▮▮ⓑ 传导特点：
▮▮▮▮⚝ 速度快：跳跃传导速度非常快，通常在 10-100 m/s 甚至更快，比被动传导快得多。这是因为动作电位只需在郎飞结处产生，减少了离子通道激活和失活的时间，且髓鞘下的被动传导速度很快。
▮▮▮▮⚝ 衰减减少：髓鞘的绝缘作用减少了离子泄漏，减缓了局部电流的衰减，使得动作电位可以长距离、高效地传导。
▮▮▮▮⚝ 跳跃式：动作电位在郎飞结之间跳跃式传导，而不是连续传播。

③ 髓鞘(myelin sheath)在提高神经传导速度中的作用：
▮▮▮▮ⓑ 增加膜电阻，减少电流泄漏：髓鞘是一层高电阻的绝缘层，包裹在轴突外周，显著增加了轴突膜的膜电阻。膜电阻增加意味着离子电流更难穿过膜，从而减少了离子泄漏。局部电流更多地沿轴突内部传导，提高了电流传导效率。
▮▮▮▮ⓒ 减少膜电容，加快电荷移动速度：髓鞘层相当于增加了膜的厚度，降低了轴突膜的膜电容。膜电容降低意味着膜上积累电荷的能力下降，电荷移动速度加快。当局部电流向邻近膜区放电时，去极化速度更快，更快达到阈值。
▮▮▮▮ⓓ 郎飞结集中离子通道，保证动作电位幅度：电压门控钠离子通道 (\(Na_V\)) 和电压门控钾离子通道 (\(K_V\)) 高度集中在郎飞结处，郎飞结之间的髓鞘部位通道密度很低。这种分布模式保证了动作电位只在郎飞结处产生，且郎飞结处有足够的离子通道来维持动作电位的幅度，防止传导过程中信号衰减。

总结：动作电位在轴突上的传导方式分为被动传导和跳跃传导。被动传导发生在无髓鞘轴突，速度慢、易衰减；跳跃传导发生在有髓鞘轴突，速度快、衰减小。髓鞘通过增加膜电阻、减少膜电容和集中离子通道等机制，显著提高了神经传导速度。跳跃传导是脊椎动物神经系统快速信息传递的重要机制，对于快速感觉、运动控制和高级认知功能至关重要。

3.2 突触传递(Synaptic Transmission)：化学突触(Chemical Synapse)

深入讲解化学突触的结构和功能，包括神经递质的合成、释放、受体结合和信号终止，以及不同类型的神经递质和受体系统。

突触(synapse) 是神经元之间或神经元与效应细胞（如肌肉细胞、腺体细胞）之间传递信息的特化结构。根据信息传递方式的不同，突触可以分为 化学突触(chemical synapse) 和 电突触(electrical synapse) 两种主要类型。化学突触是神经系统中最常见的突触类型，其信息传递依赖于 神经递质(neurotransmitter) 作为化学信号。

3.2.1 化学突触(Chemical Synapse)的结构与功能

介绍化学突触的突触前膜、突触间隙和突触后膜的结构，以及突触传递的基本步骤：神经递质释放、扩散和受体结合。

化学突触(chemical synapse) 由 突触前神经元(presynaptic neuron)、突触后神经元(postsynaptic neuron) 和它们之间的 突触间隙(synaptic cleft) 组成。

① 结构组成：
▮▮▮▮ⓑ 突触前膜(presynaptic membrane)：是突触前神经元的轴突末梢(axon terminal) 的膜。突触前膜内侧富含 突触小泡(synaptic vesicle)，其中储存着神经递质。突触前膜上还分布着 电压门控钙离子通道(voltage-gated calcium channel, \(Ca_V\)) 和 突触小泡停泊和融合 所需的蛋白质。
▮▮▮▮ⓒ 突触间隙(synaptic cleft)：是突触前膜和突触后膜之间的狭窄间隙，宽度约为 20-50 nm。突触间隙内充满了 细胞外液(extracellular fluid) 和 细胞外基质(extracellular matrix)。神经递质从突触前膜释放后，需要扩散通过突触间隙，才能到达突触后膜。
▮▮▮▮ⓓ 突触后膜(postsynaptic membrane)：是突触后神经元的树突(dendrite) 或细胞体(soma) 的膜。突触后膜上分布着 神经递质受体(neurotransmitter receptor)，可以特异性地识别和结合神经递质。根据受体类型不同，突触后膜上还会分布着 离子通道(ion channel) 或 G蛋白(G protein) 等信号转导分子。
▮▮▮▮ⓔ 突触后密度区(postsynaptic density, PSD)：突触后膜内侧通常存在一层 电子致密物质，称为突触后密度区。PSD 富含 受体、离子通道、支架蛋白、信号转导酶 等多种蛋白质，是突触信号转导和突触可塑性的重要结构基础。

② 突触传递(synaptic transmission)的基本步骤：
化学突触的信息传递是一个复杂而有序的过程，主要包括以下几个步骤：
▮▮▮▮ⓐ 动作电位到达轴突末梢：当动作电位沿突触前神经元轴突传导至轴突末梢时，轴突末梢膜去极化。
▮▮▮▮ⓑ 电压门控钙离子通道 (\(Ca_V\)) 开放，钙离子(Ca\(^{2+}\)) 内流：轴突末梢膜的去极化激活电压门控钙离子通道 (\(Ca_V\)) 开放。由于细胞外钙离子浓度远高于细胞内，钙离子(Ca\(^{2+}\)) 顺着电化学梯度快速涌入轴突末梢。
▮▮▮▮ⓒ 突触小泡(synaptic vesicle)融合，神经递质释放：进入轴突末梢的钙离子(Ca\(^{2+}\)) 触发突触小泡与突触前膜的 融合(fusion)。突触小泡内的神经递质被 胞吐(exocytosis) 方式释放到突触间隙中。这个过程称为 神经递质释放(neurotransmitter release)。
▮▮▮▮ⓓ 神经递质扩散通过突触间隙：释放到突触间隙的神经递质分子，通过 扩散(diffusion) 作用，迅速穿过突触间隙，到达突触后膜。
▮▮▮▮ⓔ 神经递质与突触后膜受体结合：神经递质分子与突触后膜上特异性的 神经递质受体(neurotransmitter receptor) 结合。受体结合后，激活受体，引发突触后神经元的 膜电位变化 或 细胞内信号转导。
▮▮▮▮ⓕ 突触后膜电位变化：根据神经递质和受体类型不同，突触后膜电位变化可以是 兴奋性突触后电位(excitatory postsynaptic potential, EPSP) 或 抑制性突触后电位(inhibitory postsynaptic potential, IPSP)。
▮▮▮▮⚝ EPSP：突触后膜去极化，使突触后神经元兴奋性增高，更易产生动作电位。通常由 兴奋性神经递质(excitatory neurotransmitter) 如谷氨酸(glutamate) 引起。
▮▮▮▮⚝ IPSP：突触后膜超极化或稳定在静息膜电位，使突触后神经元兴奋性降低，不易产生动作电位。通常由 抑制性神经递质(inhibitory neurotransmitter) 如 γ-氨基丁酸(GABA) 或甘氨酸(glycine) 引起。
▮▮▮▮ⓖ 突触传递终止：为了确保神经信号的 时效性 和 精确性，突触传递必须及时终止。神经递质信号终止的机制包括 神经递质降解(neurotransmitter degradation)、神经递质重摄取(neurotransmitter reuptake) 和 神经递质扩散(neurotransmitter diffusion)。

总结：化学突触是神经系统中信息传递的主要方式。化学突触由突触前膜、突触间隙和突触后膜组成。突触传递的基本步骤包括动作电位到达轴突末梢、钙离子内流、神经递质释放、扩散、受体结合和突触后膜电位变化。化学突触传递具有 单向性、突触延迟 和 可塑性 等特点，是神经环路信息处理和神经功能调控的基础。

3.2.2 神经递质(Neurotransmitter)的合成、储存与释放

介绍不同类型神经递质的合成途径、在突触小泡(synaptic vesicle)中的储存和钙离子依赖的释放机制。

神经递质(neurotransmitter) 是化学突触信息传递的 化学信号分子。不同的神经递质在神经系统中发挥着不同的功能。根据化学结构和功能特点，神经递质可以分为多种类型，例如 小分子神经递质(small-molecule neurotransmitter) 和 神经肽(neuropeptide) 等。

① 神经递质的合成(synthesis)：不同类型的神经递质具有不同的合成途径。
▮▮▮▮ⓑ 小分子神经递质：如乙酰胆碱(acetylcholine, ACh)、谷氨酸(glutamate, Glu)、γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid, GABA)、多巴胺(dopamine, DA)、去甲肾上腺素(norepinephrine, NE)、5-羟色胺(serotonin, 5-HT) 等。
▮▮▮▮⚝ 合成酶(synthetic enzyme)：小分子神经递质通常在轴突末梢的细胞质内合成，需要特定的合成酶催化。例如，乙酰胆碱由胆碱乙酰转移酶(choline acetyltransferase, ChAT) 合成，GABA 由谷氨酸脱羧酶(glutamic acid decarboxylase, GAD) 合成。
▮▮▮▮⚝ 前体物质(precursor)：合成酶利用细胞代谢产生的中间产物或从细胞外摄取的物质作为前体。例如，乙酰胆碱的胆碱前体来自细胞外摄取，谷氨酸的前体是葡萄糖代谢的中间产物。
▮▮▮▮⚝ 合成场所：小分子神经递质的合成酶通常在细胞体(soma) 内合成，然后通过轴浆运输(axoplasmic transport) 到达轴突末梢。合成反应则发生在轴突末梢的细胞质内。

▮▮▮▮ⓑ 神经肽：如脑啡肽(enkephalin)、内啡肽(endorphin)、P物质(substance P)、神经降压素(neurotensin)、生长抑素(somatostatin)、血管活性肠肽(vasoactive intestinal peptide, VIP) 等。
▮▮▮▮⚝ 核糖体合成：神经肽是在细胞体内的核糖体(ribosome) 上合成的，属于蛋白质类分子。
▮▮▮▮⚝ 内质网和高尔基体加工：神经肽前体在内质网(endoplasmic reticulum) 和高尔基体(Golgi apparatus) 中进行加工、修饰和剪切，形成成熟的神经肽。
▮▮▮▮⚝ 轴浆运输：成熟的神经肽被包装在大的致密核心囊泡(large dense-core vesicle) 中，通过轴浆运输缓慢地运送到轴突末梢。

② 神经递质的储存(storage)：合成的神经递质需要被 储存 在突触小泡(synaptic vesicle) 中，以保护神经递质不被细胞质内的酶降解，并为神经递质的快速释放做好准备。
▮▮▮▮ⓑ 突触小泡类型：
▮▮▮▮⚝ 小而透明囊泡(small clear-core vesicle)：主要储存小分子神经递质，如乙酰胆碱、谷氨酸、GABA、甘氨酸等。
▮▮▮▮⚝ 大而致密核心囊泡(large dense-core vesicle)：主要储存神经肽。

▮▮▮▮ⓑ 小泡转运体(vesicular transporter)：神经递质进入突触小泡需要 小泡转运体 的帮助。小泡转运体位于突触小泡膜上，利用 质子泵(proton pump) 建立的 电化学梯度(electrochemical gradient)，将神经递质从细胞质 主动运输(active transport) 到小泡内。不同类型的神经递质有不同的特异性小泡转运体。例如，囊泡乙酰胆碱转运体(vesicular acetylcholine transporter, VAChT) 转运乙酰胆碱，囊泡谷氨酸转运体(vesicular glutamate transporter, VGLUT) 转运谷氨酸，囊泡GABA转运体(vesicular GABA transporter, VGAT) 转运GABA 和甘氨酸，囊泡单胺转运体(vesicular monoamine transporter, VMAT) 转运多巴胺、去甲肾上腺素、5-羟色胺等单胺类神经递质。

③ 神经递质的释放(release)：神经递质的释放是 钙离子(Ca\(^{2+}\)) 依赖 的过程。
▮▮▮▮ⓑ 钙离子内流：当动作电位到达轴突末梢，轴突末梢膜去极化，激活电压门控钙离子通道 (\(Ca_V\)) 开放，钙离子(Ca\(^{2+}\)) 内流。
▮▮▮▮ⓒ 突触小泡停泊与融合：内流的钙离子(Ca\(^{2+}\)) 与轴突末梢内侧的 钙离子感受器蛋白(calcium sensor protein) 结合，触发一系列分子事件，导致突触小泡 停泊(docking) 到突触前膜的 活性区(active zone)，并与突触前膜 融合(fusion)。参与突触小泡停泊和融合的关键蛋白质包括 SNARE 复合体(SNARE complex)（突触结合蛋白(synaptobrevin)、突触蛋白(syntaxin)、突触相关蛋白 25 (synaptosomal-associated protein 25, SNAP-25)）、突触融合蛋白(synaptotagmin) 等。
▮▮▮▮ⓓ 胞吐释放：突触小泡与突触前膜融合后，在突触前膜上形成 融合孔(fusion pore)，小泡内的神经递质通过融合孔 胞吐(exocytosis) 释放到突触间隙中。
▮▮▮▮ⓔ 不同类型的释放：神经递质释放可以是 经典释放(classical release) 或 非经典释放(non-classical release)。
▮▮▮▮⚝ 经典释放：突触小泡与突触前膜 完全融合(full fusion)，释放全部神经递质。主要由小分子神经递质通过小而透明囊泡释放。
▮▮▮▮⚝ 亲吻-奔跑式释放(kiss-and-run fusion)：突触小泡与突触前膜 短暂融合(transient fusion)，形成短暂的融合孔，释放部分神经递质，然后融合孔关闭，小泡与突触前膜分离，重新进入细胞质。主要由神经肽通过大而致密核心囊泡释放。
▮▮▮▮⚝ 补丁-咬噬式胞吐(patch-clamp exocytosis)：突触小泡与突触前膜融合后，只释放小泡膜的一小部分（补丁），释放部分神经递质，然后小泡膜被内吞回收。

总结：神经递质的合成、储存和释放是化学突触传递的关键环节。不同类型的神经递质具有不同的合成途径和储存方式。神经递质的释放是钙离子依赖的过程，涉及突触小泡的停泊、融合和胞吐。理解神经递质的合成、储存和释放机制对于理解神经信号传递和药物作用机制至关重要。

3.2.3 神经递质受体(Neurotransmitter Receptor)与突触后信号

分类介绍离子型受体(ionotropic receptor)和代谢型受体(metabotropic receptor)，以及它们介导的兴奋性突触后电位(EPSP)和抑制性突触后电位(IPSP)。

神经递质受体(neurotransmitter receptor) 是位于突触后膜上的 特异性蛋白质分子，能够 识别 并 结合 神经递质，并将神经递质的化学信号 转换为 突触后神经元的电信号或细胞内信号。根据结构和信号转导机制的不同，神经递质受体可以分为两大类：离子型受体(ionotropic receptor) 和 代谢型受体(metabotropic receptor)。

① 离子型受体(Ionotropic Receptor)：也称为 配体门控离子通道(ligand-gated ion channel)，是一类 通道蛋白(channel protein)，本身 构成离子通道。
▮▮▮▮ⓑ 结构：离子型受体通常是由多个亚基组成的 多聚体蛋白(multimeric protein)。每个亚基都具有 神经递质结合位点(neurotransmitter binding site) 和 跨膜区(transmembrane domain)，跨膜区共同构成离子通道孔道。
▮▮▮▮ⓒ 功能：当神经递质与离子型受体结合时，受体 构象发生改变(conformational change)，导致离子通道 开放 或 关闭，改变突触后膜的 离子通透性(ion permeability)，从而引起突触后膜电位 快速变化(fast postsynaptic potential)。
▮▮▮▮ⓓ 类型：常见的离子型受体包括：
▮▮▮▮⚝ 乙酰胆碱受体(acetylcholine receptor, AChR)：尼古丁型乙酰胆碱受体(nicotinic acetylcholine receptor, nAChR) 是离子型受体，通道对钠离子(Na\(^+\)) 和钾离子(K\(^+\)) 通透，激活后引起 兴奋性突触后电位(EPSP)。
▮▮▮▮⚝ 谷氨酸受体(glutamate receptor, GluR)：AMPA 受体(AMPA receptor, AMPAR)、红藻氨酸受体(kainate receptor, KAR) 和 NMDA 受体(NMDA receptor, NMDAR) 是离子型受体。AMPA 受体和红藻氨酸受体通道主要对钠离子(Na\(^+\)) 和钾离子(K\(^+\)) 通透，激活后引起 快速 EPSP。NMDA 受体通道对钠离子(Na\(^+\))、钾离子(K\(^+\)) 和钙离子(Ca\(^{2+}\)) 通透，激活后引起 慢速 EPSP，且具有 电压依赖性 和 钙离子通透性，在突触可塑性中发挥重要作用。
▮▮▮▮⚝ GABA\(_\text{A}\) 受体(GABA\(_\text{A}\) receptor)：是离子型受体，通道对氯离子(Cl\(^-\)) 通透，激活后引起 抑制性突触后电位(IPSP)。
▮▮▮▮⚝ 甘氨酸受体(glycine receptor)：是离子型受体，通道对氯离子(Cl\(^-\)) 通透，激活后引起 IPSP。

② 代谢型受体(Metabotropic Receptor)：也称为 G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor, GPCR)，是一类 膜受体蛋白(membrane receptor protein)，但不直接构成离子通道。
▮▮▮▮ⓑ 结构：代谢型受体是具有 七个跨膜区(seven transmembrane domain) 的 单亚基蛋白(single-subunit protein)。受体胞外区有 神经递质结合位点，胞内区与 G蛋白(G protein) 偶联。
▮▮▮▮ⓒ 功能：当神经递质与代谢型受体结合时，受体激活，激活与之偶联的 G蛋白。G蛋白进一步激活 细胞内信号转导通路(intracellular signaling pathway)，通过 二级信使(second messenger) 间接调控 离子通道 的开放或关闭，或影响细胞内的其他代谢过程。代谢型受体介导的突触后信号 缓慢而持久(slow and long-lasting postsynaptic potential)。
▮▮▮▮ⓓ G蛋白：G蛋白是由 α、β、γ 三个亚基组成的 异三聚体蛋白(heterotrimeric protein)。G蛋白的 α 亚基具有 GTP 酶活性(GTPase activity)，可以结合和水解鸟苷三磷酸(GTP)。G蛋白根据 α 亚基的不同，可以分为多种类型，如 \(G_s\)、\(G_i\)、\(G_q\) 等。
▮▮▮▮ⓔ 二级信使：常见的二级信使包括 环磷酸腺苷(cyclic AMP, cAMP)、环磷酸鸟苷(cyclic GMP, cGMP)、磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol, PI)、二酰甘油(diacylglycerol, DAG)、肌醇三磷酸(inositol trisphosphate, IP\(_\text{3}\))、钙离子(Ca\(^{2+}\)) 等。二级信使可以激活 蛋白激酶(protein kinase) 或 蛋白磷酸酶(protein phosphatase)，调控靶蛋白的磷酸化水平，最终影响离子通道的活性或细胞功能。
▮▮▮▮ⓕ 类型：常见的代谢型受体包括：
▮▮▮▮⚝ 乙酰胆碱受体(acetylcholine receptor, AChR)：毒蕈碱型乙酰胆碱受体(muscarinic acetylcholine receptor, mAChR) 是代谢型受体，通过 G蛋白和二级信使调控钾离子通道(K\(^+\) channel) 和钙离子通道(Ca\(^{2+}\) channel) 的活性，引起 慢速 EPSP 或 IPSP。
▮▮▮▮⚝ 谷氨酸受体(glutamate receptor, GluR)：代谢型谷氨酸受体(metabotropic glutamate receptor, mGluR) 是代谢型受体，通过 G蛋白和二级信使调控离子通道活性，或影响细胞代谢和基因表达。
▮▮▮▮⚝ GABA\(_\text{B}\) 受体(GABA\(_\text{B}\) receptor)：是代谢型受体，通过 G蛋白激活钾离子通道(K\(^+\) channel)，引起 慢速 IPSP。
▮▮▮▮⚝ 多巴胺受体(dopamine receptor, DR)：D\(_\text{1}\) 到 D\(_\text{5}\) 型多巴胺受体均为代谢型受体，通过 G蛋白和二级信使调控腺苷酸环化酶(adenylyl cyclase) 和磷脂酶 C (phospholipase C, PLC) 的活性，影响 cAMP 和 IP\(_\text{3}\)/DAG 信号通路。
▮▮▮▮⚝ 去甲肾上腺素受体(norepinephrine receptor, NR)：α 和 β 肾上腺素受体均为代谢型受体，通过 G蛋白和二级信使调控细胞内 cAMP 和 IP\(_\text{3}\)/DAG 水平。
▮▮▮▮⚝ 5-羟色胺受体(serotonin receptor, 5-HTR)：5-HTR 的大多数亚型是代谢型受体（除了 5-HT\(_\text{3}\) 受体是离子型受体），通过 G蛋白和二级信使调控多种细胞内信号通路。
▮▮▮▮⚝ 神经肽受体(neuropeptide receptor)：大多数神经肽受体是代谢型受体，通过 G蛋白和二级信使调控离子通道活性和细胞代谢。

③ 兴奋性突触后电位(EPSP) 与 抑制性突触后电位(IPSP)：
▮▮▮▮ⓑ EPSP：突触后膜 去极化 的电位变化，使突触后神经元 兴奋性增高，更易产生动作电位。
▮▮▮▮⚝ 离子机制：EPSP 通常是由 钠离子(Na\(^+\)) 内流 或 钾离子(K\(^+\)) 外流减少 引起。例如，nAChR 和 AMPAR 激活后，通道对 Na\(^+\) 和 K\(^+\) 通透，但 Na\(^+\) 内流的驱动力大于 K\(^+\) 外流的驱动力，净效应是 Na\(^+\) 内流，导致膜去极化，产生 EPSP。
▮▮▮▮⚝ 神经递质和受体：兴奋性神经递质如谷氨酸、乙酰胆碱（通过 nAChR）等，作用于离子型或代谢型兴奋性受体，引起 EPSP。

▮▮▮▮ⓑ IPSP：突触后膜 超极化 或 稳定在静息膜电位 的电位变化，使突触后神经元 兴奋性降低，不易产生动作电位。
▮▮▮▮⚝ 离子机制：IPSP 通常是由 氯离子(Cl\(^-\)) 内流 或 钾离子(K\(^+\)) 外流增加 引起。例如，GABA\(_\text{A}\) 受体和甘氨酸受体激活后，通道对 Cl\(^-\) 通透。如果突触后神经元的氯离子平衡电位 \(E_{Cl}\) 比静息膜电位更负，则 Cl\(^-\) 内流导致膜超极化，产生 IPSP。如果 \(E_{Cl}\) 与静息膜电位接近，则 Cl\(^-\) 通道的开放稳定膜电位，使其不易去极化，也起到抑制作用。GABA\(_\text{B}\) 受体激活后，通过 G蛋白激活钾离子通道，增加钾离子外流，导致膜超极化，产生 IPSP。
▮▮▮▮⚝ 神经递质和受体：抑制性神经递质如 GABA、甘氨酸等，作用于离子型或代谢型抑制性受体，引起 IPSP。

总结：神经递质受体分为离子型受体和代谢型受体。离子型受体是配体门控离子通道，介导快速突触后电位；代谢型受体是 G蛋白偶联受体，通过二级信使调控细胞内信号，介导缓慢突触后电位。突触后电位可以是兴奋性突触后电位 (EPSP) 或抑制性突触后电位 (IPSP)，分别引起突触后神经元的兴奋性增高或降低。不同类型的神经递质和受体系统在神经环路信息处理和神经功能调控中发挥着重要作用。

3.2.4 突触传递(Synaptic Transmission)的终止与调控

介绍神经递质信号终止的机制，包括酶降解、重摄取和扩散，以及突触可塑性(synaptic plasticity)的概念。

为了确保神经信号传递的 时效性 和 精确性，突触传递过程必须及时终止。神经递质信号终止的机制主要有三种：酶降解(enzymatic degradation)、重摄取(reuptake) 和 扩散(diffusion)。

① 酶降解(Enzymatic Degradation)：指突触间隙中的 酶(enzyme) 将神经递质 分解 失活。
▮▮▮▮ⓑ 乙酰胆碱酯酶(acetylcholinesterase, AChE)：是降解乙酰胆碱(ACh) 的主要酶，位于突触间隙和突触后膜上。AChE 可以快速将乙酰胆碱水解为 胆碱(choline) 和 乙酸(acetate)，终止乙酰胆碱的信号传递。胆碱可以通过 胆碱转运体(choline transporter) 重摄取回突触前神经元，用于重新合成乙酰胆碱。
▮▮▮▮ⓒ 单胺氧化酶(monoamine oxidase, MAO) 和 儿茶酚胺-O-甲基转移酶(catechol-O-methyltransferase, COMT)：是降解单胺类神经递质（如多巴胺(DA)、去甲肾上腺素(NE)、5-羟色胺(5-HT)）的主要酶，位于突触前神经元的 线粒体(mitochondria) 和细胞质中，以及神经胶质细胞中。MAO 和 COMT 将单胺类神经递质分解为 无活性的代谢产物，终止其信号传递。

② 重摄取(Reuptake)：指突触前神经元或神经胶质细胞通过 转运体(transporter) 将突触间隙中的神经递质 重新摄取 回细胞内，终止神经递质的信号传递。
▮▮▮▮ⓑ 突触前神经元重摄取：大多数小分子神经递质（如谷氨酸、GABA、甘氨酸、多巴胺、去甲肾上腺素、5-羟色胺）主要通过突触前神经元膜上的 神经递质转运体(neurotransmitter transporter) 重摄取。这些转运体是 钠离子(Na\(^+\)) 依赖 的 协同转运蛋白(symporter)，利用钠离子浓度梯度提供的能量，将神经递质从突触间隙 逆浓度梯度 运输回突触前神经元细胞质。重摄取的神经递质可以被 重新包装 进入突触小泡，重复利用。
▮▮▮▮⚝ 谷氨酸转运体(glutamate transporter, GluT)：主要位于神经元和星形胶质细胞(astrocyte) 膜上，重摄取突触间隙中的谷氨酸。神经元上的谷氨酸转运体包括兴奋性氨基酸转运体(excitatory amino acid transporter, EAAT) 1-5。星形胶质细胞上的谷氨酸转运体主要是 EAAT1 和 EAAT2。
▮▮▮▮⚝ GABA 转运体(GABA transporter, GAT)：主要位于神经元和神经胶质细胞膜上，重摄取突触间隙中的 GABA。神经元上的 GAT 包括 GAT1 和 GAT3。神经胶质细胞上的 GAT 主要是 GAT1。
▮▮▮▮⚝ 多巴胺转运体(dopamine transporter, DAT)、去甲肾上腺素转运体(norepinephrine transporter, NET) 和 5-羟色胺转运体(serotonin transporter, SERT)：分别位于多巴胺能、去甲肾上腺素能和 5-羟色胺能神经元轴突末梢膜上，重摄取相应的单胺类神经递质。

▮▮▮▮ⓑ 神经胶质细胞重摄取：神经胶质细胞，特别是 星形胶质细胞(astrocyte)，在突触传递终止中也发挥重要作用。星形胶质细胞膜上表达多种神经递质转运体，可以 摄取 突触间隙中的神经递质，例如谷氨酸和 GABA。摄取的神经递质在星形胶质细胞内可以被 代谢 或 重新循环 利用。例如，星形胶质细胞可以摄取谷氨酸，将其转化为 谷氨酰胺(glutamine)，然后释放回突触间隙，供神经元重新合成谷氨酸。

③ 扩散(Diffusion)：指神经递质分子从突触间隙 扩散 到周围的细胞外液中，稀释 神经递质浓度，降低其与突触后受体的结合概率，从而终止信号传递。扩散是所有神经递质信号终止的 基本机制，但对于大多数小分子神经递质来说，酶降解和重摄取是更主要的终止机制。对于某些神经肽，扩散可能是主要的终止机制。

④ 突触可塑性(Synaptic Plasticity)：指突触传递的 强度 和 效能 可以 长期 或 短期 地发生 可逆性改变 的特性。突触可塑性是神经系统 学习(learning) 和 记忆(memory) 的 细胞和分子机制 基础。
▮▮▮▮ⓑ 短期突触可塑性(short-term synaptic plasticity)：突触传递强度的改变持续 几秒到几分钟。主要机制包括 易化(facilitation)、增强(augmentation)、压抑(depression) 和 反弹后增强(post-tetanic potentiation, PTP)。短期突触可塑性主要与突触前轴突末梢的 钙离子浓度变化 和 突触小泡释放概率变化 有关。
▮▮▮▮ⓒ 长期突触可塑性(long-term synaptic plasticity)：突触传递强度的改变持续 几小时、几天甚至更长时间。主要机制包括 长时程增强(long-term potentiation, LTP) 和 长时程抑制(long-term depression, LTD)。长期突触可塑性主要与突触后膜 受体数量和功能变化，以及 突触结构改变 和 基因表达调控 有关。例如，LTP 的经典机制是突触后膜 NMDA 受体激活，钙离子内流，激活 钙调蛋白激酶 II (calcium/calmodulin-dependent protein kinase II, CaMKII) 和 蛋白激酶 C (protein kinase C, PKC) 等信号通路，导致突触后膜 AMPA 受体磷酸化、插入突触后膜，增加突触后膜对谷氨酸的反应，增强突触传递效能。

总结：神经递质信号终止的机制包括酶降解、重摄取和扩散。酶降解通过酶分解神经递质，重摄取通过转运体将神经递质摄取回细胞，扩散使神经递质浓度稀释。突触可塑性是突触传递强度可塑性改变的特性，分为短期和长期突触可塑性，是学习和记忆的细胞机制基础。突触传递的终止和调控对于维持神经环路稳态和实现神经功能至关重要。

3.3 突触传递(Synaptic Transmission)：电突触(Electrical Synapse)与其他形式的神经通讯

简述电突触的特点和功能，并介绍神经系统中其他形式的神经通讯方式，例如神经肽(neuropeptide)和神经调质(neuromodulator)的作用。

除了化学突触(chemical synapse) 外，神经系统中还存在 电突触(electrical synapse) 和其他形式的神经通讯方式，如 神经肽(neuropeptide) 和 神经调质(neuromodulator) 的作用，以及 非突触性化学信号传递(non-synaptic chemical signaling)。

3.3.1 电突触(Electrical Synapse)的特点与功能

介绍电突触的缝隙连接(gap junction)结构和快速传递的特性，以及电突触在神经环路中的作用。

电突触(electrical synapse) 是一种 直接电信号传递 的突触类型，与化学突触的信息传递方式显著不同。电突触主要通过 缝隙连接(gap junction) 结构实现神经元之间的 直接电耦合(electrical coupling)。

① 电突触的结构：缝隙连接(gap junction)
▮▮▮▮ⓑ 连接子(connexon)：缝隙连接是由 连接子(connexon) 组成的通道蛋白复合物。每个连接子是由 六个连接蛋白(connexin) 亚基围成的一个 半通道(hemichannel)。
▮▮▮▮ⓒ 缝隙连接通道(gap junction channel)：两个相邻神经元的细胞膜上的 两个连接子 首尾对接，形成一个 完整的跨膜通道(transmembrane channel)，即缝隙连接通道。缝隙连接通道直接 连接 两个神经元的细胞质，形成 细胞质连续性(cytoplasmic continuity)。
▮▮▮▮ⓓ 离子和小分子通透性：缝隙连接通道的孔径较大，允许 离子(ion) 和 小分子物质（如 ATP、二级信使分子等）在两个神经元之间 自由扩散。

② 电突触的功能：快速电信号传递
▮▮▮▮ⓑ 电流直接传递：当突触前神经元产生动作电位或膜电位变化时，离子电流 可以通过缝隙连接通道 直接 从突触前神经元 流向 突触后神经元，引起突触后神经元膜电位 快速变化。
▮▮▮▮ⓒ 双向传递：电突触的信号传递通常是 双向的(bidirectional)。电流可以从突触前神经元流向突触后神经元，也可以反向流动。信号传递方向主要取决于两个神经元之间的 膜电位梯度(membrane potential gradient)。
▮▮▮▮ⓓ 快速传递：电突触的信号传递 速度极快(very fast)，几乎 没有突触延迟(synaptic delay)。这是因为电信号是直接通过缝隙连接通道传递，不需要神经递质的释放、扩散和受体结合等中间环节。电突触的传递速度比化学突触快 一个数量级。

③ 电突触在神经环路中的作用：
▮▮▮▮ⓑ 同步化神经元活动(synchronization of neuronal activity)：电突触可以 快速、同步 地传递电信号，使 相互连接的神经元群体(neuronal population) 产生 同步化活动(synchronized activity)。电突触在 节律性神经环路(rhythmic neural circuit) 中发挥重要作用，例如控制呼吸、心脏节律和神经振荡的环路。
▮▮▮▮ⓒ 快速反射通路(fast reflex pathway)：在某些 快速反射通路 中，电突触可以实现 极速 的信息传递，例如 逃避反射(escape reflex) 和 防御反射(defense reflex)。
▮▮▮▮ⓓ 代谢和信号分子传递：缝隙连接通道不仅可以传递电信号，还可以传递 代谢物 和 信号分子，实现神经元之间的 代谢耦合(metabolic coupling) 和 信号耦合(signal coupling)。例如，缝隙连接可以传递 ATP、葡萄糖、氨基酸、二级信使分子（如 cAMP、IP\(_\text{3}\)）等，协调神经元群体的代谢和信号活动。
▮▮▮▮ⓔ 神经胶质细胞网络(glial cell network)：神经胶质细胞之间也存在 广泛的缝隙连接，形成 神经胶质细胞网络(glial cell network)。神经胶质细胞网络通过缝隙连接传递离子、代谢物和信号分子，参与神经元支持、离子和水分稳态维持、神经递质清除和神经信号调控等功能。

④ 电突触与化学突触的比较：

总结：电突触通过缝隙连接实现神经元之间的直接电耦合，具有快速传递、双向传递和同步化神经元活动等特点。电突触在特定神经环路中发挥重要作用，例如节律性环路、快速反射通路和神经胶质细胞网络。与化学突触相比，电突触传递速度快，但可塑性较低，功能相对简单。化学突触传递速度较慢，但具有高度可塑性，是神经系统信息整合和复杂功能调控的主要方式。

3.3.2 神经肽(Neuropeptide)与神经调质(Neuromodulator)

介绍神经肽作为神经递质的特点和功能，以及神经调质如何通过调节突触传递和神经元兴奋性来影响神经环路功能。

除了经典的小分子神经递质外，神经系统中还存在 神经肽(neuropeptide) 和 神经调质(neuromodulator) 等其他类型的化学信号分子，它们在神经通讯中发挥着重要作用。

① 神经肽(Neuropeptide)：是一类 短链多肽(short chain polypeptide)，作为 神经递质(neurotransmitter) 发挥作用。
▮▮▮▮ⓑ 合成与释放：神经肽在细胞体内合成，通过轴浆运输到轴突末梢，从 大而致密核心囊泡(large dense-core vesicle) 中释放。神经肽的释放通常需要 高频率 或 持续性 的神经元活动，以及 较高浓度 的钙离子(Ca\(^{2+}\)) 内流。
▮▮▮▮ⓒ 作用方式：神经肽主要作用于 代谢型受体(metabotropic receptor)，通过 G蛋白(G protein) 和 二级信使(second messenger) 调控突触后神经元的 离子通道活性、细胞代谢 和 基因表达。神经肽的作用通常 缓慢而持久(slow and long-lasting)，持续时间可达 几分钟到几小时。
▮▮▮▮ⓓ 功能特点：
▮▮▮▮⚝ 共释放(co-release)：神经肽常常与 小分子神经递质 共同储存在同一个神经元 中，并 共同释放(co-release)。神经元可以根据不同的神经活动模式和刺激强度，选择性地释放不同类型的神经递质组合，实现 复杂的信号编码(complex signal coding)。
▮▮▮▮⚝ 弥散性作用(diffuse action)：神经肽释放后，可以通过 扩散 到达 较远距离 的靶细胞，发挥 弥散性调控作用(diffuse modulatory action)，影响 大范围 的神经元群体活动。
▮▮▮▮⚝ 多功能性(multifunctionality)：同一种神经肽可以在不同的脑区和不同的生理条件下，发挥 多种不同的生理功能。例如，脑啡肽(enkephalin) 可以参与痛觉调控、情绪调节、奖赏系统和应激反应等多种功能。

▮▮▮▮ⓓ 常见神经肽类型：
▮▮▮▮⚝ 脑啡肽(enkephalin) 和 内啡肽(endorphin)：属于 内源性阿片肽(endogenous opioid peptide)，参与痛觉抑制、情绪调节和奖赏系统。
▮▮▮▮⚝ P物质(substance P)：参与痛觉传递和炎症反应。
▮▮▮▮⚝ 神经降压素(neurotensin)：参与多巴胺系统调控、体温调节和胃肠道功能。
▮▮▮▮⚝ 生长抑素(somatostatin)：抑制多种神经递质释放，参与神经内分泌调节和认知功能。
▮▮▮▮⚝ 血管活性肠肽(vasoactive intestinal peptide, VIP)：调节血管舒张、肠道运动和神经元兴奋性。
▮▮▮▮⚝ 胆囊收缩素(cholecystokinin, CCK)：参与饱腹感调节、焦虑和恐惧反应。
▮▮▮▮⚝ 神经肽 Y (neuropeptide Y, NPY)：促进食欲、抑制焦虑和应激反应。
▮▮▮▮⚝ 下丘脑释放激素(hypothalamic releasing hormone)：如促甲状腺激素释放激素(thyrotropin-releasing hormone, TRH)、促性腺激素释放激素(gonadotropin-releasing hormone, GnRH)、促肾上腺皮质激素释放激素(corticotropin-releasing hormone, CRH) 等，调控垂体激素释放，参与内分泌调节。

② 神经调质(Neuromodulator)：是一类 化学信号分子，不直接引起突触后膜电位的快速变化，而是通过 调节突触传递的强度 或 神经元的兴奋性，间接 地影响神经环路功能。
▮▮▮▮ⓑ 作用方式：神经调质通常作用于 代谢型受体(metabotropic receptor)，激活 细胞内信号转导通路(intracellular signaling pathway)，改变神经元的 膜电导(membrane conductance)、突触传递效能 和 细胞代谢。神经调质的作用通常 缓慢而持久(slow and long-lasting)，作用范围 广泛(widespread)。
▮▮▮▮ⓒ 类型：神经调质包括多种类型的化学分子，例如：
▮▮▮▮⚝ 单胺类神经递质(monoamine neurotransmitter)：多巴胺(DA)、去甲肾上腺素(NE)、5-羟色胺(5-HT) 等。虽然单胺类神经递质也可以作为经典神经递质，引起快速突触传递，但它们更重要的作用是作为神经调质，通过代谢型受体 广泛 地 调节 神经环路功能。例如，多巴胺调控运动、奖赏、动机和认知功能，去甲肾上腺素调控觉醒、注意力和情绪，5-羟色胺调控情绪、睡眠、食欲和认知。
▮▮▮▮⚝ 乙酰胆碱(acetylcholine, ACh)：毒蕈碱型乙酰胆碱受体(mAChR) 是代谢型受体，介导乙酰胆碱的神经调质作用，参与学习、记忆、注意力和睡眠-觉醒周期调控。
▮▮▮▮⚝ 腺苷(adenosine)：是一种嘌呤类核苷，作为神经调质发挥 抑制性 作用，调节睡眠、觉醒和神经元兴奋性。
▮▮▮▮⚝ 内源性大麻素(endocannabinoid)：如大麻素-2-花生四烯酸甘油酯(2-arachidonoylglycerol, 2-AG) 和花生四烯酸乙醇胺(anandamide, AEA) 等，是一类 脂类信号分子，作为 逆行信使(retrograde messenger)，从突触后神经元释放，作用于突触前神经元的 大麻素受体(cannabinoid receptor, CB receptor)，抑制 突触前神经递质释放，参与突触可塑性和神经环路调控。

▮▮▮▮ⓒ 神经调质的功能：
▮▮▮▮⚝ 调节神经元兴奋性：神经调质可以改变神经元的 静息膜电位、动作电位阈值、输入电阻 和 放电模式，调节神经元的 整体兴奋性水平。
▮▮▮▮⚝ 调控突触传递强度：神经调质可以调节 突触前神经递质释放概率、突触后受体敏感性 和 突触可塑性，调控突触传递的 长期效能。
▮▮▮▮⚝ 整合神经环路活动：神经调质系统通常 广泛投射 到多个脑区，通过 协调 不同脑区神经元群体的活动，整合 大脑的整体功能状态。

总结：神经肽是一类短链多肽神经递质，作用缓慢持久，功能多样，常常与小分子神经递质共释放，发挥弥散性调控作用。神经调质是一类化学信号分子，不直接引起快速突触后电位，而是通过调节突触传递和神经元兴奋性，间接调控神经环路功能。神经肽和神经调质在神经系统中发挥着重要的调控作用，参与多种生理和病理过程。

3.3.3 非突触性化学信号传递

简要介绍非突触性化学信号传递，如旁分泌(paracrine)和自分泌(autocrine)信号，以及气体信号分子（如一氧化氮(nitric oxide)）在神经通讯中的作用。

除了经典的突触传递外，神经系统中还存在 非突触性化学信号传递(non-synaptic chemical signaling)，也称为 容积传递(volume transmission) 或 外突触传递(extrasynaptic transmission)。非突触性化学信号传递是指神经递质或信号分子 不通过突触，而是通过 细胞外液(extracellular fluid) 扩散，作用于 远距离靶细胞 的一种信号传递方式。

① 旁分泌(Paracrine)信号：指信号分子从 信号释放细胞(signal-releasing cell) 释放出来，扩散到 邻近细胞(neighboring cell)，作用于邻近细胞的受体，引起邻近细胞的生理反应。
▮▮▮▮ⓑ 扩散范围：旁分泌信号的扩散范围通常 较局限，作用距离在 几个细胞直径 范围内。
▮▮▮▮ⓒ 信号分子类型：旁分泌信号可以由多种类型的信号分子介导，包括 生长因子(growth factor)、细胞因子(cytokine)、趋化因子(chemokine)、神经递质、神经肽 等。
▮▮▮▮ⓓ 神经系统中的旁分泌信号：在神经系统中，旁分泌信号参与 神经发育(neural development)、神经炎症(neuroinflammation)、神经胶质细胞通讯(glial cell communication) 和 突触调控(synaptic modulation) 等过程。例如，星形胶质细胞释放的 胶质传递素(gliotransmitter)（如 ATP、谷氨酸、D-丝氨酸）可以作为旁分泌信号，调控邻近神经元的突触传递和兴奋性。

② 自分泌(Autocrine)信号：指信号分子从 信号释放细胞 释放出来，作用于 自身细胞 的受体，引起自身细胞的生理反应。
▮▮▮▮ⓑ 反馈调节：自分泌信号通常作为一种 负反馈调节机制(negative feedback regulation mechanism)，限制信号释放细胞的过度活动。
▮▮▮▮ⓒ 信号分子类型：自分泌信号也可以由多种类型的信号分子介导，包括 生长因子、细胞因子、神经递质 等。
▮▮▮▮ⓓ 神经系统中的自分泌信号：在神经系统中，自分泌信号参与 神经元自稳态维持(neuronal homeostasis maintenance) 和 突触可塑性调控(synaptic plasticity regulation) 等过程。例如，神经元释放的 神经营养因子(neurotrophic factor)（如脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)）可以作为自分泌信号，促进神经元存活、生长和分化。

③ 气体信号分子(Gasotransmitter)：如 一氧化氮(nitric oxide, NO)、硫化氢(hydrogen sulfide, H\(_\text{2}\)S) 和 一氧化碳(carbon monoxide, CO) 等，是一类 小分子气体，可以作为 非经典 的 神经信号分子，参与神经通讯。
▮▮▮▮ⓑ 合成与释放：气体信号分子通常在细胞内 酶促合成(enzymatic synthesis)，合成后 自由扩散 出细胞，不需要囊泡储存和钙离子依赖的释放机制。
▮▮▮▮ⓒ 作用机制：气体信号分子具有 脂溶性(liposoluble)，可以 自由穿过细胞膜，进入靶细胞内，与靶蛋白 直接结合，调控靶蛋白的功能。例如，一氧化氮可以激活 鸟苷酸环化酶(guanylate cyclase, GC)，增加细胞内 环磷酸鸟苷(cyclic GMP, cGMP) 水平，激活下游信号通路。
▮▮▮▮ⓓ 一氧化氮(NO)在神经通讯中的作用：
▮▮▮▮⚝ 突触可塑性调控：NO 可以作为 逆行信使(retrograde messenger)，从突触后神经元释放，扩散到突触前神经元，增强突触前神经递质释放，参与 长时程增强(LTP) 的形成。
▮▮▮▮⚝ 血管舒张作用：NO 是一种强效 血管舒张剂(vasodilator)，可以舒张血管平滑肌，增加脑血流量，调节脑血管功能和神经元代谢。
▮▮▮▮⚝ 神经元保护作用：在 低浓度 下，NO 可以发挥 神经元保护作用(neuroprotective effect)，抗氧化、抗凋亡，保护神经元免受损伤。但在 高浓度 下，NO 也可以产生 神经毒性(neurotoxicity)，诱导神经元损伤。
▮▮▮▮⚝ 免疫和炎症反应：NO 参与神经系统免疫和炎症反应，可以促进炎症介质释放，加剧神经炎症损伤。

④ 非突触性化学信号传递的特点：
▮▮▮▮ⓑ 扩散传递：信号分子通过 细胞外液扩散 传递信号，而不是通过突触的精确靶向传递。
▮▮▮▮ⓒ 作用范围广：非突触性信号可以作用于 远距离 的靶细胞，影响 大范围 的神经元群体活动。
▮▮▮▮ⓓ 作用缓慢持久：非突触性信号的作用通常 缓慢而持久，持续时间较长。
▮▮▮▮ⓔ 调控神经环路功能：非突触性信号主要发挥 调控作用(modulatory role)，调节神经元兴奋性、突触传递强度和神经环路活动模式。

总结：非突触性化学信号传递是神经系统中重要的一种通讯方式，包括旁分泌、自分泌信号和气体信号分子。旁分泌信号作用于邻近细胞，自分泌信号作用于自身细胞，气体信号分子通过细胞膜自由扩散，作用于细胞内靶蛋白。非突触性信号传递作用范围广、作用缓慢持久，主要发挥调控神经环路功能的作用。与突触传递共同构成神经系统复杂而精细的信息交流网络。

4. 神经解剖学(Neuroanatomy)：神经系统的宏观结构

本章系统介绍神经系统的宏观解剖结构，包括中枢神经系统(central nervous system, CNS)和外周神经系统(peripheral nervous system, PNS)，以及大脑、脊髓、脑干、小脑等主要组成部分的结构和功能。

4.1 中枢神经系统(Central Nervous System, CNS)：大脑(Brain)的结构与功能

本节详细介绍大脑的宏观结构，包括大脑皮层(cerebral cortex)、基底神经节(basal ganglia)、海马(hippocampus)、杏仁核(amygdala)等主要区域，以及它们在认知、情感和行为中的作用。

4.1.1 大脑皮层(Cerebral Cortex)的分区与功能

介绍大脑皮层的 lobes (叶) (额叶(frontal lobe)、顶叶(parietal lobe)、颞叶(temporal lobe)、枕叶(occipital lobe))及其主要功能，以及皮层的功能定位和可塑性。

大脑皮层是覆盖在大脑半球表面的薄层灰质，是高级认知功能的核心结构。其高度褶皱，形成脑沟(sulci)和脑回(gyri)，显著增加了表面积，从而容纳了大量的神经元。大脑皮层在功能上并非均一，传统上根据其位置划分为四个主要的叶：额叶(frontal lobe)、顶叶(parietal lobe)、颞叶(temporal lobe)和枕叶(occipital lobe)，每个叶在特定功能中发挥着关键作用。

① 额叶(Frontal Lobe)：位于大脑的最前方，是人类大脑中进化最晚、面积最大的区域，也是高级认知功能，如计划、决策、工作记忆、语言产生（通过布罗卡区(Broca's area)）和运动控制（通过初级运动皮层(primary motor cortex)）的中心。
▮▮▮▮ⓑ 主要功能:
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 执行功能(Executive Function)：额叶前部，尤其是前额叶皮层(prefrontal cortex, PFC)，负责执行功能，包括计划、组织、工作记忆、认知灵活性、抑制控制和决策制定。这些功能使我们能够设定目标、制定策略并有效地执行复杂任务。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 运动控制(Motor Control)：初级运动皮层位于额叶的后部，负责控制身体的随意运动。身体的各个部分在运动皮层上有对应的区域，形成所谓的运动小人(motor homunculus)。前运动皮层(premotor cortex)和辅助运动区(supplementary motor area, SMA)在运动计划和序列运动中也发挥重要作用。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 语言产生(Language Production)：布罗卡区，通常位于左侧额叶，负责语言的产生和语法处理。布罗卡区损伤会导致表达性失语症(Broca's aphasia)，患者理解语言，但难以流利表达。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 人格与情绪(Personality and Emotion)：额叶也参与人格特征的塑造和情绪的调节。前额叶皮层与情绪处理、社交行为和冲动控制有关。额叶损伤可能导致人格改变、情绪不稳定和社交行为异常。

② 顶叶(Parietal Lobe)：位于大脑的上方和后方，额叶之后，枕叶之前。顶叶主要负责处理感觉信息，特别是来自身体的感觉（体感(somatosensation)），包括触觉、痛觉、温度觉、压力觉和本体感觉(proprioception)。顶叶还参与空间认知、注意和数字运算。
▮▮▮▮ⓑ 主要功能:
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 体感处理(Somatosensory Processing)：初级体感皮层(primary somatosensory cortex, S1)位于顶叶的前部，接收来自身体各部位的感觉信息。与运动皮层类似，体感皮层也存在体感小人，反映了身体各部位感觉的敏感程度。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 空间认知(Spatial Cognition)：顶叶在空间认知中起着至关重要的作用，包括空间定位、空间注意和空间导航。顶叶的后部区域，如顶后叶皮层(posterior parietal cortex, PPC)，参与处理空间关系和空间运动。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 注意(Attention)：顶叶，特别是右侧顶叶，在空间注意中发挥关键作用。顶叶损伤可能导致单侧空间忽略综合征(hemispatial neglect)，患者忽略身体或环境的一侧。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 数字运算(Numerical Processing)：顶叶也参与数字的理解和运算。顶内沟(intraparietal sulcus, IPS)被认为在数字认知和数学能力中起重要作用。

③ 颞叶(Temporal Lobe)：位于大脑的侧下方，顶叶和枕叶的下方。颞叶主要负责听觉信息的处理，包括声音的感知、识别和理解。颞叶还参与记忆，特别是陈述性记忆(declarative memory)和情绪处理，以及语言理解（通过韦尼克区(Wernicke's area)）。
▮▮▮▮ⓑ 主要功能:
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 听觉处理(Auditory Processing)：初级听觉皮层(primary auditory cortex, A1)位于颞叶的上部，接收来自耳朵的听觉信息。听觉皮层负责声音的感知、音调识别和声音定位。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 语言理解(Language Comprehension)：韦尼克区，通常位于左侧颞叶，负责语言的理解。韦尼克区损伤会导致接受性失语症(Wernicke's aphasia)，患者言语流利，但内容空洞，且难以理解他人言语。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 记忆(Memory)：颞叶内侧结构，特别是海马(hippocampus)和周围皮层，在陈述性记忆的形成和巩固中起着关键作用。海马对于情景记忆(episodic memory)和空间记忆(spatial memory)尤为重要。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 情绪与情感(Emotion and Affect)：杏仁核(amygdala)，位于颞叶深部，参与情绪处理，特别是恐惧和焦虑等负面情绪。颞叶的其他区域也与情绪和社会认知有关。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 视觉信息处理(Visual Information Processing)：颞叶的腹侧通路（腹侧视觉通路(ventral visual stream)）参与物体识别和面孔识别。颞叶损伤可能导致视觉失认症(visual agnosia)，患者无法识别物体或面孔。

④ 枕叶(Occipital Lobe)：位于大脑的后方，顶叶和颞叶的后方。枕叶主要负责视觉信息的处理。初级视觉皮层(primary visual cortex, V1)接收来自视网膜(retina)的视觉输入，并开始对视觉信息进行初步处理。枕叶的其他区域（V2, V3, V4, V5/MT等）进一步处理视觉信息的不同方面，如形状、颜色、运动和深度。
▮▮▮▮ⓑ 主要功能:
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 视觉处理(Visual Processing)：初级视觉皮层(V1)是视觉信息处理的第一个皮层区域，接收来自视网膜的视觉输入，并对视觉特征，如线条、边缘和方向进行编码。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 视觉信息整合(Visual Information Integration)：枕叶的其他视觉皮层区域（V2, V3, V4, V5/MT等）进一步处理视觉信息，整合来自V1的输入，并提取更复杂的视觉特征，如形状、颜色、运动和深度。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 视觉通路(Visual Pathway)：枕叶是背侧视觉通路(dorsal visual stream)（“where”通路，处理空间信息和运动信息）和腹侧视觉通路（“what”通路，处理物体识别和面孔识别）的终点。枕叶损伤可能导致各种视觉障碍，如视野缺损(visual field defect)、视觉失认症和颜色失认症(color agnosia)。

皮层功能定位与可塑性(Cortical Localization and Plasticity)：
虽然大脑皮层在功能上存在分区，但功能定位并非绝对固定不变。大脑具有显著的可塑性(plasticity)，即大脑结构和功能可以根据经验和环境发生改变。在发育过程中，大脑皮层的功能逐渐专门化，但在成年期，大脑仍然具有一定的可塑性。例如，在学习新技能或经历脑损伤后，大脑皮层可以发生重组，以适应新的需求。功能可塑性是大脑适应性和恢复能力的基础。

4.1.2 基底神经节(Basal Ganglia)的结构与功能

介绍基底神经节的主要核团（尾状核(caudate nucleus)、壳核(putamen)、苍白球(globus pallidus)、黑质(substantia nigra)、底丘脑核(subthalamic nucleus)）及其在运动控制、习惯学习和奖励系统中的作用。

基底神经节是一组位于大脑皮层下方的皮层下核团，包括尾状核(caudate nucleus)、壳核(putamen)、苍白球(globus pallidus)、黑质(substantia nigra)和底丘脑核(subthalamic nucleus)。基底神经节在运动控制、习惯学习、奖励系统、眼动和认知功能中发挥着关键作用。传统上认为基底神经节主要参与运动控制，但近年来研究表明，基底神经节也与多种非运动功能有关。

① 主要核团及其连接:
▮▮▮▮ⓑ 纹状体(Striatum)：纹状体是基底神经节的主要输入结构，接收来自大脑皮层、丘脑和脑干的输入。纹状体主要由尾状核和壳核组成，两者在结构和功能上紧密相连，合称为纹状体。腹侧纹状体包括伏隔核(nucleus accumbens)，在奖励和动机行为中起着关键作用。
▮▮▮▮ⓒ 苍白球(Globus Pallidus)：苍白球是基底神经节的主要输出结构之一，分为苍白球内侧部(globus pallidus interna, GPi)和苍白球外侧部(globus pallidus externa, GPe)。苍白球内侧部是基底神经节运动环路的主要输出核团，投射到丘脑，进而影响运动皮层。
▮▮▮▮ⓓ 黑质(Substantia Nigra)：黑质位于中脑，分为黑质致密部(substantia nigra pars compacta, SNpc)和黑质网状部(substantia nigra pars reticulata, SNpr)。黑质致密部产生多巴胺(dopamine)，投射到纹状体，调节纹状体的活动。黑质网状部与苍白球内侧部功能类似，也是基底神经节的输出核团之一。
▮▮▮▮ⓔ 底丘脑核(Subthalamic Nucleus, STN)：底丘脑核是基底神经节环路中的一个关键核团，接收来自苍白球外侧部和大脑皮层的输入，投射到苍白球内侧部和黑质网状部。底丘脑核在基底神经节的间接通路中起着重要作用。

② 基底神经节的环路:
▮▮▮▮ⓑ 直接通路(Direct Pathway)：直接通路主要由纹状体到苍白球内侧部/黑质网状部的投射组成。直接通路的激活促进运动的启动和执行。
▮▮▮▮ⓒ 间接通路(Indirect Pathway)：间接通路是一个更复杂的环路，涉及纹状体、苍白球外侧部、底丘脑核和苍白球内侧部/黑质网状部。间接通路的激活抑制运动，有助于运动的终止和选择。
▮▮▮▮ⓓ 多巴胺通路(Dopamine Pathway)：来自黑质致密部的多巴胺能神经元投射到纹状体，调节直接通路和间接通路的活动。多巴胺对直接通路有促进作用，对间接通路有抑制作用，从而整体上促进运动。

③ 主要功能:
▮▮▮▮ⓑ 运动控制(Motor Control)：基底神经节在运动的启动、选择、执行和终止中发挥着关键作用。基底神经节通过直接通路和间接通路调节运动皮层的活动，从而影响随意运动。基底神经节损伤会导致运动障碍，如帕金森病(Parkinson's disease)和亨廷顿舞蹈病(Huntington's disease)。
▮▮▮▮ⓒ 习惯学习(Habit Learning)：基底神经节，特别是纹状体，在习惯性行为的学习和执行中起着重要作用。习惯学习是一种无意识的、自动化的学习形式，通过重复和强化形成。基底神经节损伤会影响习惯学习能力。
▮▮▮▮ⓓ 奖励系统(Reward System)：腹侧纹状体，特别是伏隔核，是奖励环路的重要组成部分。伏隔核接收来自腹侧被盖区(ventral tegmental area, VTA)的多巴胺能输入，参与奖励预测、动机行为和成瘾行为。
▮▮▮▮ⓔ 认知功能(Cognitive Function)：基底神经节也参与多种认知功能，如工作记忆、决策制定、时间知觉和语言。基底神经节通过与前额叶皮层等皮层区域的环路连接，参与认知过程的调节。

4.1.3 边缘系统(Limbic System)：海马(Hippocampus)与杏仁核(Amygdala)

介绍边缘系统的主要组成部分，重点介绍海马在记忆形成中的作用和杏仁核在情绪处理，特别是恐惧反应中的作用。

边缘系统是一个大脑结构网络，位于大脑半球内侧缘，包括海马(hippocampus)、杏仁核(amygdala)、扣带回(cingulate gyrus)、下丘脑(hypothalamus)和前脑基底核(basal forebrain nuclei)等结构。边缘系统传统上被认为主要负责情绪、记忆和动机行为。虽然“边缘系统”作为一个统一的功能系统概念受到质疑，但其组成结构在情绪和记忆等功能中确实发挥着重要作用。本节重点介绍海马和杏仁核。

① 海马(Hippocampus)：海马位于颞叶内侧，因其形状类似于海马而得名。海马在记忆形成，特别是陈述性记忆的形成和巩固中起着至关重要的作用。海马对于情景记忆（个人经历的记忆）和空间记忆（关于环境和位置的记忆）尤为重要。
▮▮▮▮ⓑ 结构与环路:
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 海马结构: 海马主要由齿状回(dentate gyrus, DG)、海马固有层(hippocampus proper, 包括CA1, CA2, CA3区)和下托(subiculum)组成。这些区域以特定的方式相互连接，形成海马环路。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 海马环路: 海马的主要环路是三突触环路，信息从内嗅皮层(entorhinal cortex, EC)通过穿通纤维(perforant path)进入齿状回，齿状回苔状纤维(mossy fiber)投射到CA3区，CA3区Schaffer侧支(Schaffer collateral)投射到CA1区，CA1区神经元投射到下托，下托再投射回内嗅皮层，形成闭合环路。
▮▮▮▮ⓔ 主要功能:
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 陈述性记忆形成(Declarative Memory Formation)：海马对于陈述性记忆，即可以有意识回忆的记忆，如事实和事件的记忆，至关重要。海马参与新记忆的编码和短期存储。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 记忆巩固(Memory Consolidation)：海马被认为在记忆巩固过程中起着临时存储的作用。随着时间的推移，记忆逐渐从海马转移到大脑皮层长期存储。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 空间记忆(Spatial Memory)：海马在空间记忆和空间导航中发挥关键作用。海马中存在位置细胞(place cell)，这些神经元在动物位于特定空间位置时放电，形成环境的空间地图。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 情景记忆(Episodic Memory)：海马对于情景记忆，即个人经历的记忆，尤为重要。情景记忆包括时间、地点和情境信息。海马损伤会导致情景记忆障碍。

② 杏仁核(Amygdala)：杏仁核位于颞叶内侧，海马前方，呈杏仁状。杏仁核在情绪处理，特别是负面情绪如恐惧、焦虑和愤怒的处理中起着关键作用。杏仁核也参与情绪学习、情绪记忆和社会情绪行为。
▮▮▮▮ⓑ 结构与环路:
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 杏仁核核团: 杏仁核并非单一结构，而是一组核团的集合，主要包括基底外侧核(basolateral amygdala, BLA)、中央核(central amygdala, CeA)和内侧核(medial amygdala, MeA)。基底外侧核是杏仁核的主要输入核团，接收来自感觉皮层、丘脑和海马的输入。中央核是杏仁核的主要输出核团，投射到下丘脑和脑干，调节自主神经反应和行为反应。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 杏仁核环路: 杏仁核接收来自感觉系统的快速输入通路（“低通路(low road)”）和皮层系统的慢速输入通路（“高通路(high road)”）。低通路直接从丘脑到杏仁核，提供快速但粗略的情绪信息，触发快速的情绪反应。高通路从感觉皮层到杏仁核，提供更精细、更认知的情绪信息，进行更复杂的评估和调节。
▮▮▮▮ⓔ 主要功能:
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 情绪处理(Emotion Processing)：杏仁核在各种情绪处理中发挥作用，但尤其与负面情绪，如恐惧和焦虑有关。杏仁核激活与恐惧反应、焦虑反应和应激反应密切相关。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 恐惧学习(Fear Learning)：杏仁核在恐惧条件反射(fear conditioning)中起着核心作用。恐惧条件反射是一种学习过程，通过将中性刺激与厌恶刺激配对，使中性刺激引发恐惧反应。杏仁核损伤会损害恐惧学习能力。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 情绪记忆(Emotional Memory)：杏仁核参与情绪性事件的记忆编码和增强。情绪性事件比中性事件更容易被记住，这与杏仁核对记忆巩固的调节作用有关。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 社会情绪行为(Social Emotional Behavior)：杏仁核也参与社会情绪行为，如情绪识别、社会评价和社会决策。杏仁核在理解和回应他人情绪，以及在社会情境中做出适当行为方面发挥作用。

4.1.4 间脑(Diencephalon)：丘脑(Thalamus)与下丘脑(Hypothalamus)

介绍间脑的主要结构，包括丘脑作为感觉信息中继站的作用和下丘脑在内分泌调节、自主神经控制和稳态维持中的作用。

间脑位于大脑半球深部，大脑和脑干之间，是中枢神经系统的重要组成部分。间脑主要包括丘脑(thalamus)、下丘脑(hypothalamus)、上丘脑(epithalamus)和底丘脑(subthalamus)。本节重点介绍丘脑和下丘脑。

① 丘脑(Thalamus)：丘脑位于间脑背侧，大脑半球内侧，是感觉信息传递到大脑皮层的中继站，被称为“感觉门户(sensory gateway)”。几乎所有的感觉信息（除了嗅觉）在到达皮层之前都要经过丘脑的加工和中继。丘脑也参与运动、意识和认知功能。
▮▮▮▮ⓑ 结构与核团:
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 丘脑核团: 丘脑由多个核团组成，每个核团在功能上相对独立，并与特定的皮层区域相连。主要的丘脑核团包括：
▮▮▮▮ⓓ 感觉中继核(Sensory Relay Nuclei)：如外侧膝状体(lateral geniculate nucleus, LGN)（视觉）、内侧膝状体(medial geniculate nucleus, MGN)（听觉）和腹后外侧核(ventral posterolateral nucleus, VPL)和腹后内侧核(ventral posteromedial nucleus, VPM)（体感和味觉）。这些核团接收来自感觉系统的输入，并将信息投射到相应的初级感觉皮层。
▮▮▮▮ⓔ 运动核(Motor Nuclei)：如腹外侧核(ventral lateral nucleus, VL)和腹前核(ventral anterior nucleus, VA)。这些核团接收来自基底神经节和小脑的输入，并将信息投射到运动皮层和前运动皮层，参与运动控制。
▮▮▮▮ⓕ 边缘核(Limbic Nuclei)：如前核(anterior nucleus, AN)和背内侧核(dorsomedial nucleus, DM)。这些核团与边缘系统结构，如海马和杏仁核，相互连接，参与情绪和记忆功能。
▮▮▮▮ⓖ 联络核(Association Nuclei)：如背外侧核(dorsolateral nucleus, DL)和枕核(pulvinar)。这些核团与高级联络皮层相连，参与认知功能，如注意、语言和执行功能。
▮▮▮▮ⓗ 非特异性核(Non-specific Nuclei)：如髓板内核(intralaminar nuclei)。这些核团广泛投射到皮层，参与觉醒、意识和注意的调节。
▮▮▮▮ⓘ 主要功能:
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 感觉信息中继(Sensory Relay)：丘脑作为感觉信息的中继站，接收来自感觉系统的输入，并将信息传递到大脑皮层。丘脑不仅是简单的中继站，还会对感觉信息进行初步加工和筛选。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 运动调节(Motor Regulation)：丘脑的运动核接收来自基底神经节和小脑的输入，并将信息传递到运动皮层，参与运动的计划和执行。丘脑在运动环路中起着桥梁作用。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 意识与觉醒(Consciousness and Arousal)：丘脑的非特异性核，特别是髓板内核，参与觉醒状态的维持和意识水平的调节。丘脑损伤可能导致意识障碍。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 认知功能(Cognitive Function)：丘脑的联络核与前额叶皮层等高级联络皮层相连，参与认知功能，如注意、工作记忆和执行功能。丘脑在认知环路中也发挥作用。

② 下丘脑(Hypothalamus)：下丘脑位于丘脑下方，间脑腹侧，是调节内分泌系统、自主神经系统和维持机体内环境稳态的关键结构。下丘脑通过神经和内分泌途径，控制多种生理功能，如体温调节、摄食行为、饮水行为、睡眠-觉醒周期、情绪反应和生殖行为。
▮▮▮▮ⓑ 结构与核团:
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 下丘脑核团: 下丘脑也由多个核团组成，每个核团在功能上相对专门化。主要的下丘脑核团包括：
▮▮▮▮ⓓ 视上核(Suprachiasmatic Nucleus, SCN)：位于视交叉上方，是生物钟(biological clock)的核心，调节昼夜节律(circadian rhythm)。
▮▮▮▮ⓔ 室旁核(Paraventricular Nucleus, PVN)：参与应激反应、自主神经调节和内分泌调节，产生促肾上腺皮质激素释放激素(corticotropin-releasing hormone, CRH)和催产素(oxytocin)。
▮▮▮▮ⓕ 视前区(Preoptic Area, POA)：参与体温调节、睡眠调节和生殖行为。
▮▮▮▮ⓖ 腹内侧核(Ventromedial Nucleus, VMH)：参与摄食行为的抑制，即饱腹感。
▮▮▮▮ⓗ 外侧下丘脑区(Lateral Hypothalamic Area, LHA)：参与摄食行为的促进，即饥饿感，产生食欲素(orexin)。
▮▮▮▮ⓘ 乳头体(Mammillary Bodies)：参与记忆功能，特别是情景记忆，接收来自海马的输入。
▮▮▮▮ⓙ 弓状核(Arcuate Nucleus, ARC)：位于下丘脑底部，靠近垂体柄，是下丘脑调节内分泌功能的重要区域，参与能量平衡和代谢调节。
▮▮▮▮ⓚ 主要功能:
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 内分泌调节(Endocrine Regulation)：下丘脑通过垂体(pituitary gland)调节全身的内分泌功能。下丘脑产生多种释放激素和抑制激素，控制垂体前叶激素的释放。下丘脑的神经内分泌细胞还直接产生垂体后叶激素，如抗利尿激素(antidiuretic hormone, ADH)和催产素，并释放到血液循环中。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 自主神经控制(Autonomic Nervous System Control)：下丘脑调节自主神经系统的活动，控制心率、血压、呼吸、消化和排泄等生理功能。下丘脑的视前区和室旁核是自主神经控制的重要中枢。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 稳态维持(Homeostasis Maintenance)：下丘脑维持机体的内环境稳态，包括体温调节、水平衡、能量平衡和血糖平衡。下丘脑通过调节内分泌系统、自主神经系统和行为反应，维持机体内环境的稳定。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 摄食与饮水行为(Feeding and Drinking Behavior)：下丘脑的腹内侧核和外侧下丘脑区分别参与饱腹感和饥饿感的调节，控制摄食行为。下丘脑也调节饮水行为，维持水平衡。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 睡眠-觉醒周期(Sleep-Wake Cycle)：下丘脑的视上核是生物钟的核心，调节昼夜节律。下丘脑的其他区域，如视前区和外侧下丘脑区，也参与睡眠-觉醒周期的调节。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 情绪与动机(Emotion and Motivation)：下丘脑参与情绪反应和动机行为的调节。下丘脑与边缘系统结构相互连接，参与情绪的表达和体验。

4.2 中枢神经系统(Central Nervous System, CNS)：脑干(Brainstem)与小脑(Cerebellum)

本节介绍脑干（中脑(midbrain)、脑桥(pons)、延髓(medulla oblongata)）和小脑的结构和功能，强调它们在生命基本功能维持、运动协调和姿势控制中的作用。

4.2.1 脑干(Brainstem)：中脑(Midbrain)、脑桥(Pons)与延髓(Medulla Oblongata)

详细描述脑干各部分的结构和功能，包括脑干核团、脑神经(cranial nerve)的起源和传导通路，以及脑干在呼吸、心跳、睡眠-觉醒周期等生命基本功能中的作用。

脑干是位于大脑和脊髓之间的重要结构，连接大脑和脊髓，是生命维持中枢。脑干由上到下依次分为中脑(midbrain)、脑桥(pons)和延髓(medulla oblongata)。脑干包含大量的神经核团和神经纤维束，控制着呼吸、心跳、血压、睡眠-觉醒周期、意识水平等基本生命功能。脑干也是脑神经(cranial nerve)的起源地，负责头部和颈部的感觉和运动功能。

① 中脑(Midbrain, Mesencephalon)：中脑是脑干的最上部，位于脑桥上方，间脑下方。中脑主要包括大脑脚(cerebral peduncles)、四叠体(corpora quadrigemina)、黑质(substantia nigra)和红核(red nucleus)等结构。
▮▮▮▮ⓑ 主要结构与功能:
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 大脑脚(Cerebral Peduncles)：大脑脚是中脑腹侧部的两个大的神经纤维束，主要由皮质脊髓束(corticospinal tract)、皮质脑桥束(corticopontine tract)和皮质核束(corticobulbar tract)等下行运动通路组成，传递来自大脑皮层的运动指令到脑干和脊髓。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 四叠体(Corpora Quadrigemina)：四叠体位于中脑背侧，由上丘(superior colliculus)和下丘(inferior colliculus)组成。上丘参与视觉反射和眼动控制，下丘参与听觉反射和听觉通路的中继。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 黑质(Substantia Nigra)：黑质位于中脑腹侧部，是基底神经节的一部分，产生多巴胺，投射到纹状体，参与运动控制和奖励系统。黑质变性是帕金森病的主要病理特征。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 红核(Red Nucleus)：红核位于黑质附近，中脑中央灰质内，接收来自大脑皮层和基底神经节的输入，投射到脊髓和下橄榄核，参与运动协调和姿势控制。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 导水管周围灰质(Periaqueductal Gray, PAG)：导水管周围灰质包绕着中脑导水管，参与痛觉调控、防御行为和发声。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 脑神经核(Cranial Nerve Nuclei)：动眼神经核(oculomotor nerve nucleus, CN III)和滑车神经核(trochlear nerve nucleus, CN IV)位于中脑，分别控制眼外肌的运动。

② 脑桥(Pons, Metencephalon)：脑桥位于中脑下方，延髓上方，小脑前方。脑桥的主要结构包括脑桥基底部(basilar pons)、脑桥被盖(pontine tegmentum)和小脑中脚(middle cerebellar peduncle)。
▮▮▮▮ⓑ 主要结构与功能:
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 脑桥基底部(Basilar Pons)：脑桥基底部是脑桥腹侧部的膨大部分，主要由脑桥核(pontine nuclei)和横行的脑桥纤维组成。脑桥核接收来自大脑皮层的皮质脑桥束，并将信息投射到小脑皮层，通过小脑中脚形成皮质-脑桥-小脑通路，参与运动协调和运动学习。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 脑桥被盖(Pontine Tegmentum)：脑桥被盖是脑桥背侧部的区域，包含多个脑神经核和上行、下行神经纤维束，参与感觉和运动功能调节。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 脑神经核(Cranial Nerve Nuclei)：三叉神经脑桥核(trigeminal nerve pontine nucleus, CN V)、展神经核(abducens nerve nucleus, CN VI)和面神经核(facial nerve nucleus, CN VII)位于脑桥，分别控制面部感觉、眼外肌运动和面部表情。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 脑桥网状结构(Pontine Reticular Formation)：脑桥网状结构参与睡眠-觉醒周期的调节，特别是快速眼动睡眠(rapid eye movement sleep, REM sleep)的产生。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 呼吸调节(Respiratory Regulation)：脑桥内存在呼吸调节中枢，如呼吸调整中枢(pneumotaxic center)和长吸中枢(apneustic center)，与延髓的呼吸中枢协同调节呼吸节律和深度。

③ 延髓(Medulla Oblongata, Myelencephalon)：延髓是脑干的最下部，位于脑桥下方，脊髓上方。延髓是脑干中结构最复杂的区域，包含大量的生命维持中枢和脑神经核。延髓的主要结构包括延髓腹外侧部(ventrolateral medulla)、延髓背侧部(dorsal medulla)和下橄榄核(inferior olivary nucleus)。
▮▮▮▮ⓑ 主要结构与功能:
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 延髓腹外侧部(Ventrolateral Medulla)：延髓腹外侧部包含重要的生命维持中枢，如心血管中枢和呼吸中枢。心血管中枢调节心率、血压和血管张力，呼吸中枢控制呼吸节律和深度。延髓腹外侧部损伤可导致致命的心血管和呼吸功能障碍。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 延髓背侧部(Dorsal Medulla)：延髓背侧部包含多个脑神经核和上行感觉通路核团，如薄束核(nucleus gracilis)和楔束核(nucleus cuneatus)，接收来自脊髓的上行感觉信息，并将信息传递到丘脑。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 下橄榄核(Inferior Olivary Nucleus)：下橄榄核位于延髓腹侧部，接收来自脊髓、红核和大脑皮层的输入，投射到小脑皮层，通过下小脑脚(inferior cerebellar peduncle)形成橄榄小脑通路，参与运动学习和运动协调。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 脑神经核(Cranial Nerve Nuclei)：前庭神经核(vestibular nuclei, CN VIII)、舌咽神经核(glossopharyngeal nerve nucleus, CN IX)、迷走神经核(vagus nerve nucleus, CN X)、副神经核(accessory nerve nucleus, CN XI)和舌下神经核(hypoglossal nerve nucleus, CN XII)位于延髓，分别控制平衡觉、咽喉感觉和运动、内脏功能、肩颈肌肉运动和舌运动。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 孤束核(Nucleus Tractus Solitarius, NTS)：孤束核位于延髓背侧部，接收来自舌咽神经和迷走神经的内脏感觉信息，如味觉、血压和呼吸，并将信息传递到自主神经系统和内分泌系统，参与内脏功能的调节。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 最后区(Area Postrema)：最后区位于延髓背侧部，第四脑室底部，是脑内化学感受区(chemoreceptor trigger zone, CTZ)，可以检测血液中的毒素和化学物质，引发呕吐反射。

④ 脑神经(Cranial Nerves)：脑神经共有12对，从脑干发出，负责头部和颈部的感觉和运动功能，以及内脏功能的调节。大部分脑神经核位于脑干内。
▮▮▮▮ⓑ 脑神经类型:
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 感觉神经(Sensory Nerves)：嗅神经(olfactory nerve, CN I)、视神经(optic nerve, CN II)和前庭耳蜗神经(vestibulocochlear nerve, CN VIII)主要传递感觉信息。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 运动神经(Motor Nerves)：动眼神经(oculomotor nerve, CN III)、滑车神经(trochlear nerve, CN IV)、展神经(abducens nerve, CN VI)、副神经(accessory nerve, CN XI)和舌下神经(hypoglossal nerve, CN XII)主要控制肌肉运动。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 混合神经(Mixed Nerves)：三叉神经(trigeminal nerve, CN V)、面神经(facial nerve, CN VII)、舌咽神经(glossopharyngeal nerve, CN IX)和迷走神经(vagus nerve, CN X)既包含感觉纤维，也包含运动纤维，还可能包含副交感神经纤维。

脑干在维持生命基本功能中起着至关重要的作用。脑干损伤可能导致严重的生命危险，如呼吸停止、心脏骤停和意识丧失。

4.2.2 小脑(Cerebellum)的结构与功能

介绍小脑皮层(cerebellar cortex)和小脑深部核团的结构，以及小脑在运动协调、姿势平衡、运动学习和认知功能中的作用。

小脑位于脑干背侧，延髓和脑桥的后方，大脑的下方，是大脑中仅次于大脑皮层的第二大结构。小脑主要负责运动协调、姿势平衡和运动学习。近年来研究表明，小脑也参与认知功能和情绪调节。

① 小脑的宏观结构:
▮▮▮▮ⓑ 小脑半球(Cerebellar Hemispheres)：小脑分为左右两个小脑半球，由蚓部(vermis)连接。小脑半球表面高度褶皱，形成小脑沟(cerebellar sulci)和小脑叶(cerebellar lobules)，显著增加了表面积。
▮▮▮▮ⓒ 小脑脚(Cerebellar Peduncles)：小脑通过三对小脑脚与脑干相连，包括上小脑脚(superior cerebellar peduncle)、中小脑脚(middle cerebellar peduncle)和下小脑脚(inferior cerebellar peduncle)。小脑脚是小脑与脑干之间信息传递的主要通道。

② 小脑的微观结构:
▮▮▮▮ⓑ 小脑皮层(Cerebellar Cortex)：小脑皮层是覆盖在小脑半球表面的灰质层，由三层细胞组成，从外向内依次为分子层(molecular layer)、浦肯野细胞层(Purkinje cell layer)和颗粒层(granule cell layer)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 分子层(Molecular Layer)：分子层是小脑皮层最外层，细胞稀疏，主要包含星状细胞(stellate cell)和篮状细胞(basket cell)两种中间神经元，以及浦肯野细胞的树突和颗粒细胞的平行纤维(parallel fiber)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 浦肯野细胞层(Purkinje Cell Layer)：浦肯野细胞层是小脑皮层中间层，由单层排列的浦肯野细胞组成。浦肯野细胞是小脑皮层的主要输出神经元，投射到小脑深部核团。浦肯野细胞具有巨大的扇形树突，接受大量平行纤维和攀缘纤维(climbing fiber)的输入。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 颗粒层(Granule Layer)：颗粒层是小脑皮层最内层，细胞密度最高，主要由颗粒细胞(granule cell)和高尔基细胞(Golgi cell)组成。颗粒细胞是小脑皮层数量最多的神经元，其轴突向上进入分子层，分叉形成平行纤维。
▮▮▮▮ⓕ 小脑深部核团(Deep Cerebellar Nuclei)：小脑深部核团位于小脑白质深部，接收来自小脑皮层浦肯野细胞的抑制性输出，以及来自苔状纤维(mossy fiber)和攀缘纤维的兴奋性输入。小脑深部核团是小脑的主要输出结构，投射到脑干、丘脑和大脑皮层。主要的深部核团包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 齿状核(Dentate Nucleus)：齿状核是小脑最大的深部核团，形状呈齿状，接收来自小脑外侧半球的浦肯野细胞的输入，投射到丘脑腹外侧核，参与计划和随意运动的调节。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 中间核(Interposed Nuclei)：中间核位于齿状核内侧，包括球状核(globose nucleus)和栓状核(emboliform nucleus)，接收来自小脑中间带的浦肯野细胞的输入，投射到红核和丘脑，参与肢体运动的调节。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 顶核(Fastigial Nucleus)：顶核位于蚓部内侧，接收来自蚓部的浦肯野细胞的输入，投射到脑干前庭核和网状结构，参与姿势平衡和眼动控制。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 前庭小脑核(Vestibulocerebellar Nuclei)：前庭小脑核位于绒球小结叶(flocculonodular lobe)，接收来自前庭神经核的输入，投射到前庭神经核，参与平衡和眼动控制。

③ 小脑环路与功能:
▮▮▮▮ⓑ 小脑皮层环路(Cerebellar Cortical Circuit)：小脑皮层环路是小脑的基本功能单元，包括苔状纤维、攀缘纤维、颗粒细胞、平行纤维、浦肯野细胞和中间神经元。苔状纤维和攀缘纤维是小脑皮层的两种主要输入纤维。苔状纤维来源于脑干核团和脊髓，传递感觉和运动信息。攀缘纤维来源于下橄榄核，传递误差信号。颗粒细胞和平行纤维是小脑皮层的中间环节，浦肯野细胞是小脑皮层的输出神经元。
▮▮▮▮ⓒ 主要功能:
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 运动协调(Motor Coordination)：小脑在运动协调中起着核心作用。小脑接收来自感觉系统和运动系统的输入，比较运动指令和实际运动状态之间的差异，并通过调节运动皮层和脑干运动核的活动，纠正运动误差，实现平滑、协调的运动。小脑损伤会导致运动失调(ataxia)，表现为运动不协调、步态不稳和言语不清。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 姿势平衡(Posture and Balance)：小脑，特别是前庭小脑，参与姿势维持和平衡控制。小脑接收来自前庭系统的输入，调节躯干和肢体肌肉的活动，维持身体平衡。小脑损伤会导致平衡障碍和姿势不稳。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 运动学习(Motor Learning)：小脑在运动技能学习中发挥重要作用。小脑参与运动技能的程序性学习(procedural learning)，通过长期突触可塑性，如长时程抑制(long-term depression, LTD)，调整小脑环路的连接，优化运动控制。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 认知功能(Cognitive Function)：近年来研究表明，小脑也参与多种认知功能，如注意、工作记忆、语言和情绪调节。小脑通过与大脑皮层的环路连接，参与认知过程的调节。小脑损伤可能导致认知功能障碍，如执行功能障碍和语言障碍。

4.3 中枢神经系统(Central Nervous System, CNS)：脊髓(Spinal Cord)与脑膜(Meninges)

本节介绍脊髓的结构和功能，包括灰质、白质、脊神经(spinal nerve)和反射弧(reflex arc)，以及脑膜（硬脑膜(dura mater)、蛛网膜(arachnoid mater)、软脑膜(pia mater)）对中枢神经系统的保护作用。

4.3.1 脊髓(Spinal Cord)的结构与功能

介绍脊髓的节段性结构、灰质和白质的组成，以及脊髓的上行通路(ascending pathway)和下行通路(descending pathway)，以及脊髓反射(spinal reflex)的机制。

脊髓是中枢神经系统的下部，呈长圆柱形，位于椎管内，上端与延髓相连，下端终止于第一或第二腰椎水平。脊髓主要负责传递大脑和外周之间的神经信号，并完成一些简单的反射活动。

① 脊髓的节段性结构:
▮▮▮▮ⓑ 脊髓节段(Spinal Segments)：脊髓分为31个节段，每个节段与一对脊神经相连。脊髓节段从上到下依次为颈髓(cervical segments, C1-C8)、胸髓(thoracic segments, T1-T12)、腰髓(lumbar segments, L1-L5)、骶髓(sacral segments, S1-S5)和尾髓(coccygeal segments, Co1)。每个脊髓节段支配身体特定区域的感觉和运动功能。
▮▮▮▮ⓒ 脊神经根(Spinal Nerve Roots)：每对脊神经由前根(ventral root)和后根(dorsal root)组成。前根主要包含运动神经纤维，传出运动指令到骨骼肌和内脏。后根主要包含感觉神经纤维，传入感觉信息到脊髓。后根上存在后根神经节(dorsal root ganglion)，包含感觉神经元的细胞体。

② 脊髓的灰质与白质:
▮▮▮▮ⓑ 灰质(Gray Matter)：脊髓灰质位于脊髓中央，呈蝴蝶形或“H”形，主要由神经元细胞体、树突、轴突末梢和神经胶质细胞组成。灰质分为前角(anterior horn)、后角(posterior horn)和侧角(lateral horn)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 前角(Anterior Horn)：前角包含运动神经元(motor neuron)的细胞体，也称为α-运动神经元，其轴突通过前根传出，支配骨骼肌的运动。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 后角(Posterior Horn)：后角主要接收来自后根的感觉神经纤维的传入，包含感觉神经元的中间神经元和投射神经元，参与感觉信息的初步加工和传递。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 侧角(Lateral Horn)：侧角仅存在于胸髓和上腰髓节段，包含自主神经系统(autonomic nervous system)的交感神经(sympathetic nervous system)节前神经元的细胞体。
▮▮▮▮ⓕ 白质(White Matter)：脊髓白质包绕着灰质，主要由有髓神经纤维束组成，负责脊髓内和脊髓与大脑之间的信息传递。白质分为前索(anterior funiculus)、后索(posterior funiculus)和侧索(lateral funiculus)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 后索(Posterior Funiculus)：后索主要包含上行感觉通路，如薄束(fasciculus gracilis)和楔束(fasciculus cuneatus)，传递精细触觉、本体感觉和震动觉信息到脑干。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 侧索(Lateral Funiculus)：侧索包含上行感觉通路，如下丘脑脊髓束(spinothalamic tract)，传递痛觉和温度觉信息到丘脑；也包含下行运动通路，如皮质脊髓侧束(lateral corticospinal tract)，传递随意运动指令到脊髓运动神经元。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 前索(Anterior Funiculus)：前索包含上行感觉通路，如下丘脑脊髓前束(anterior spinothalamic tract)，传递粗触觉和压力觉信息到丘脑；也包含下行运动通路，如皮质脊髓前束(anterior corticospinal tract)，传递随意运动指令到脊髓运动神经元；还包含前庭脊髓束(vestibulospinal tract)和网状脊髓束(reticulospinal tract)，参与姿势控制和平衡调节。

③ 脊髓的上行通路与下行通路:
▮▮▮▮ⓑ 上行通路(Ascending Pathway, 感觉通路)：上行通路将外周感觉信息传递到大脑，主要包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 后索-内侧丘系通路(Dorsal Column-Medial Lemniscus Pathway)：传递精细触觉、本体感觉和震动觉信息，第一级神经元位于后根神经节，轴突进入脊髓后索，形成薄束和楔束，在延髓薄束核和楔束核换元，第二级神经元轴突交叉后形成内侧丘系，投射到丘脑腹后外侧核，第三级神经元投射到体感皮层。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 脊髓丘脑通路(Spinothalamic Tract)：传递痛觉、温度觉、粗触觉和压力觉信息，第一级神经元位于后根神经节，轴突进入脊髓后角，在后角换元，第二级神经元轴突交叉后形成脊髓丘脑束，投射到丘脑腹后外侧核和腹后内侧核，第三级神经元投射到体感皮层。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 脊髓小脑通路(Spinocerebellar Tract)：传递本体感觉信息到小脑，参与运动协调。
▮▮▮▮ⓕ 下行通路(Descending Pathway, 运动通路)：下行通路将大脑运动指令传递到脊髓运动神经元，主要包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 皮质脊髓束(Corticospinal Tract)：传递随意运动指令，起源于运动皮层，轴突下行通过内囊、大脑脚、脑桥基底部，大部分纤维在延髓锥体交叉，形成皮质脊髓侧束，支配对侧肢体远端肌肉的精细运动；少部分纤维不交叉，形成皮质脊髓前束，支配躯干和近端肌肉的运动。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 皮质核束(Corticobulbar Tract)：传递随意运动指令到脑干脑神经运动核，支配头部和颈部肌肉的运动。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 脑干下行通路(Brainstem Descending Pathways)：如红核脊髓束(rubrospinal tract)、前庭脊髓束、网状脊髓束和顶盖脊髓束(tectospinal tract)，参与姿势控制、平衡调节和反射性运动。

④ 脊髓反射(Spinal Reflex)：脊髓可以独立完成一些简单的反射活动，称为脊髓反射。脊髓反射不需要大脑的参与，反应快速、刻板。
▮▮▮▮ⓑ 反射弧(Reflex Arc)：脊髓反射的神经通路称为反射弧，通常包括五个基本组成部分：
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 感受器(Receptor)：感受刺激，如皮肤感受器。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 传入神经(Sensory Neuron)：将刺激信息传递到中枢神经系统，如感觉神经元。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 中枢(Center)：位于中枢神经系统，对传入信息进行整合和处理，如脊髓灰质中间神经元或运动神经元。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 传出神经(Motor Neuron)：将中枢指令传递到效应器，如运动神经元。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 效应器(Effector)：执行反射活动的器官，如肌肉或腺体。
▮▮▮▮ⓗ 常见的脊髓反射:
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 牵张反射(Stretch Reflex)：如膝跳反射，感受器为肌梭(muscle spindle)，传入神经和传出神经均为运动神经元，效应器为同一肌肉，功能是维持肌肉长度和姿势。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 屈肌反射(Flexion Reflex)：如缩手反射，感受器为皮肤伤害性感受器(nociceptor)，传入神经为感觉神经元，通过中间神经元激活屈肌运动神经元，抑制伸肌运动神经元，效应器为屈肌，功能是躲避有害刺激。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 交叉伸肌反射(Crossed Extensor Reflex)：与屈肌反射同时发生，当一侧肢体屈曲躲避刺激时，对侧肢体伸展以维持身体平衡。

4.3.2 脑膜(Meninges)与脑脊液(Cerebrospinal Fluid, CSF)

介绍脑膜的三层结构和功能，以及脑脊液的产生、循环和功能，包括保护、缓冲和营养作用。

脑和脊髓作为中枢神经系统的重要组成部分，受到多层保护结构的保护，包括骨性保护（颅骨和椎骨）、脑膜(meninges)和脑脊液(cerebrospinal fluid, CSF)。

① 脑膜(Meninges)：脑膜是覆盖在脑和脊髓表面的三层结缔组织膜，从外向内依次为硬脑膜(dura mater)、蛛网膜(arachnoid mater)和软脑膜(pia mater)。
▮▮▮▮ⓑ 硬脑膜(Dura Mater)：硬脑膜是最外层脑膜，厚而坚韧，紧贴颅骨内面和椎管内面。硬脑膜由两层组成：骨膜层(periosteal layer)和脑膜层(meningeal layer)。在颅内，这两层通常紧密贴合，但在某些区域分离形成硬脑膜窦(dural venous sinuses)，收集静脉血。硬脑膜在脊髓内为单层，与椎管骨膜分离，形成硬膜外腔(epidural space)。
▮▮▮▮ⓒ 蛛网膜(Arachnoid Mater)：蛛网膜位于硬脑膜内侧，软脑膜外侧，薄而透明，呈网状。蛛网膜与硬脑膜之间形成硬膜下腔(subdural space)，为潜在腔隙。蛛网膜与软脑膜之间形成蛛网膜下腔(subarachnoid space)，内含脑脊液、血管和神经根。蛛网膜突入硬脑膜窦形成蛛网膜颗粒(arachnoid granulations)，是脑脊液回吸收的主要部位。
▮▮▮▮ⓓ 软脑膜(Pia Mater)：软脑膜是最内层脑膜，薄而柔软，紧贴脑和脊髓表面，深入脑沟和裂隙。软脑膜富含血管，为神经组织提供营养。软脑膜与蛛网膜之间形成血管周围间隙(perivascular space)，也参与脑脊液的循环。

② 脑脊液(Cerebrospinal Fluid, CSF)：脑脊液是充满在脑室系统和蛛网膜下腔的无色透明液体。脑脊液由脑室脉络丛(choroid plexus)产生，循环于脑室系统和蛛网膜下腔，最终通过蛛网膜颗粒回吸收进入硬脑膜窦。
▮▮▮▮ⓑ 脑脊液的产生与循环:
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 产生: 脑脊液主要由脑室系统中的脉络丛产生。脉络丛是位于脑室壁上的血管丰富的绒毛状结构，由室管膜细胞(ependymal cell)和血管构成。室管膜细胞主动转运血液中的成分，形成脑脊液。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 循环: 脑脊液从侧脑室(lateral ventricles)产生，通过室间孔(interventricular foramina)流入第三脑室(third ventricle)，再通过中脑导水管(cerebral aqueduct)流入第四脑室(fourth ventricle)。脑脊液从第四脑室通过正中孔(median aperture, Magendie孔)和外侧孔(lateral apertures, Luschka孔)流入蛛网膜下腔，循环于脑和脊髓表面，最终通过蛛网膜颗粒回吸收进入上矢状窦(superior sagittal sinus)。
▮▮▮▮ⓔ 脑脊液的功能:
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 保护作用(Protection)：脑脊液作为缓冲垫，漂浮和悬浮脑和脊髓，减轻脑和脊髓在颅腔和椎管内的震动和冲击，起到机械保护作用，防止脑和脊髓组织受到损伤。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 缓冲作用(Buoyancy)：脑脊液降低了脑的有效重量，使脑组织悬浮在脑脊液中，减轻了脑组织对颅底的压力，避免脑组织受压变形。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 营养作用(Nutrition)：脑脊液为神经组织提供营养物质，如葡萄糖、氨基酸和离子，并清除代谢废物，维持神经组织的新陈代谢。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 稳态维持(Homeostasis)：脑脊液维持脑内环境的稳定，调节离子浓度、pH值和渗透压，维持神经元的正常功能。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 物质运输(Transport)：脑脊液参与神经递质、激素和药物等物质的运输，将这些物质从脑室系统或蛛网膜下腔输送到脑组织或血液循环。

脑膜和脑脊液共同构成中枢神经系统的保护屏障，保护脑和脊髓免受物理损伤和化学损伤，维持脑内环境的稳定，保障神经系统的正常功能。脑膜炎(meningitis)和脑积水(hydrocephalus)等疾病与脑膜和脑脊液的功能异常有关。

4.4 外周神经系统(Peripheral Nervous System, PNS)：躯体神经系统(Somatic Nervous System)与自主神经系统(Autonomic Nervous System)

本节介绍外周神经系统的组成，包括躯体神经系统和自主神经系统，以及它们的功能和神经通路，包括感觉神经、运动神经、交感神经和副交感神经。

外周神经系统(peripheral nervous system, PNS)是指中枢神经系统(CNS)以外的所有神经组织，包括神经、神经节和神经末梢。PNS的主要功能是将感觉信息从外周传递到CNS，并将运动指令从CNS传递到外周效应器。PNS在功能上分为躯体神经系统(somatic nervous system, SNS)和自主神经系统(autonomic nervous system, ANS)。

4.4.1 躯体神经系统(Somatic Nervous System)：感觉神经(Sensory Nerve)与运动神经(Motor Nerve)

介绍躯体神经系统的组成和功能，包括感觉神经传递感觉信息和运动神经控制骨骼肌运动，以及脑神经和脊神经的分类和功能。

躯体神经系统(somatic nervous system, SNS)主要负责与外部环境的相互作用，控制身体的随意运动和感知外部世界的感觉信息。SNS主要包括感觉神经(sensory nerve)和运动神经(motor nerve)。

① 感觉神经(Sensory Nerve)：感觉神经也称为传入神经(afferent nerve)，负责将来自感觉器官和感受器的感觉信息传递到中枢神经系统。感觉神经元的细胞体位于外周神经节（如后根神经节和脑神经感觉神经节），轴突传入CNS。
▮▮▮▮ⓑ 感觉神经的类型:
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 躯体感觉神经(Somatic Sensory Nerve)：传递来自皮肤、肌肉、关节和骨骼的感觉信息，如触觉、痛觉、温度觉、压力觉和本体感觉。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 特殊感觉神经(Special Sensory Nerve)：传递来自特殊感觉器官的感觉信息，如视觉、听觉、味觉、嗅觉和平衡觉。

② 运动神经(Motor Nerve)：运动神经也称为传出神经(efferent nerve)，负责将来自中枢神经系统的运动指令传递到骨骼肌，控制身体的随意运动。运动神经元的细胞体位于CNS的运动核（如脊髓前角运动神经元和脑干脑神经运动核），轴突传出到骨骼肌。
▮▮▮▮ⓑ 运动神经的类型:
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 躯体运动神经(Somatic Motor Nerve)：支配骨骼肌的运动，控制身体的随意运动。躯体运动神经元是α-运动神经元，轴突直接投射到骨骼肌，形成神经肌肉接头(neuromuscular junction)。

③ 脑神经(Cranial Nerves)：脑神经是起源于脑干的12对神经，属于PNS的一部分，但功能上既包含SNS成分，也包含ANS成分。脑神经既有感觉神经，也有运动神经，还有混合神经。
▮▮▮▮ⓑ 脑神经的分类与功能:
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 感觉性脑神经: 嗅神经(CN I)、视神经(CN II)和前庭耳蜗神经(CN VIII)主要传递特殊感觉信息，如嗅觉、视觉和听觉/平衡觉。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 运动性脑神经: 动眼神经(CN III)、滑车神经(CN IV)、展神经(CN VI)、副神经(CN XI)和舌下神经(CN XII)主要控制眼外肌、舌肌和肩颈肌肉的运动。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 混合性脑神经: 三叉神经(CN V)、面神经(CN VII)、舌咽神经(CN IX)和迷走神经(CN X)既包含感觉纤维，也包含运动纤维，还包含副交感神经纤维，负责面部感觉和运动、咀嚼、味觉、吞咽、发声、内脏功能调节等。

④ 脊神经(Spinal Nerves)：脊神经是起源于脊髓的31对神经，属于PNS的躯体神经部分，主要负责躯干和四肢的感觉和运动功能。脊神经均为混合神经，包含感觉纤维和运动纤维。
▮▮▮▮ⓑ 脊神经的组成:
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 后根(Dorsal Root)：包含感觉神经纤维，传入感觉信息到脊髓后角。后根上有后根神经节，包含感觉神经元的细胞体。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 前根(Ventral Root)：包含运动神经纤维，传出运动指令到骨骼肌。前根运动神经元的细胞体位于脊髓前角和侧角。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 脊神经干(Spinal Nerve Trunk)：后根和前根在椎间孔处汇合成脊神经干，为混合神经，包含感觉纤维和运动纤维。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 脊神经分支(Spinal Nerve Rami)：脊神经干发出前支(ventral ramus)和后支(dorsal ramus)。后支支配背部皮肤和深层肌肉的感觉和运动。前支支配躯干前外侧部和四肢皮肤和肌肉的感觉和运动，并参与形成神经丛(nerve plexus)。

躯体神经系统使我们能够感知外部世界，并控制身体的随意运动，与环境进行有效的互动。

4.4.2 自主神经系统(Autonomic Nervous System)：交感神经(Sympathetic Nervous System)与副交感神经(Parasympathetic Nervous System)

比较交感神经和副交感神经的解剖结构和生理功能，包括神经节的位置、神经递质和效应器官，以及它们在应激反应和稳态维持中的作用。

自主神经系统(autonomic nervous system, ANS)也称为内脏神经系统(visceral nervous system)或植物性神经系统(vegetative nervous system)，主要负责调节内脏器官的活动，维持机体内环境的稳态，如心率、血压、呼吸、消化、排泄、体温和代谢等。ANS的功能通常是无意识的、自动的，不受意志控制。ANS主要分为交感神经系统(sympathetic nervous system, SNS)和副交感神经系统(parasympathetic nervous system, PNS)。

① 交感神经系统(Sympathetic Nervous System, SNS)：SNS主要负责“战斗或逃跑(fight-or-flight)”反应，在应激状态下激活，使机体做好应对紧急情况的准备。SNS的神经节位于脊髓旁，神经节后纤维广泛分布到全身各器官。
▮▮▮▮ⓑ 解剖结构特点:
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 神经节位置: 交感神经节位于脊髓两侧的交感神经链(sympathetic chain ganglia)或椎前神经节(prevertebral ganglia)。交感神经链神经节与脊髓胸腰段节段性对应。椎前神经节位于腹腔动脉、肠系膜上动脉和肠系膜下动脉周围。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 神经通路: 交感神经通路通常由两级神经元组成：节前神经元(preganglionic neuron)和节后神经元(postganglionic neuron)。节前神经元细胞体位于脊髓侧角，轴突短，释放乙酰胆碱(acetylcholine, ACh)，与神经节内的节后神经元突触。节后神经元细胞体位于交感神经节，轴突长，释放去甲肾上腺素(norepinephrine, NE)，支配效应器官。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 节前神经元起源: 交感神经节前神经元起源于脊髓胸髓和腰髓节段（T1-L2/L3）。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 神经节后纤维分布: 交感神经节后纤维广泛分布到全身各器官，包括心脏、血管、支气管、胃肠道、肝脏、肾脏、膀胱、瞳孔、汗腺和立毛肌等。
▮▮▮▮ⓖ 生理功能:
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 应激反应(Stress Response)：SNS在应激状态下被激活，引起一系列生理反应，如心率加快、血压升高、呼吸加快、支气管扩张、血糖升高、瞳孔放大、汗腺分泌增加和立毛肌收缩。这些反应使机体做好应对紧急情况的准备。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 能量动员(Energy Mobilization)：SNS促进能量动员，分解肝糖原和脂肪，提高血糖水平，为肌肉活动提供能量。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 心血管系统调节(Cardiovascular Regulation)：SNS增加心率和心肌收缩力，收缩血管（皮肤、内脏血管），扩张骨骼肌血管和冠状动脉，提高血压，增加心输出量，改善血液循环。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 呼吸系统调节(Respiratory Regulation)：SNS扩张支气管，减少呼吸道阻力，增加通气量，提高氧气供应。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 消化系统抑制(Digestive System Inhibition)：SNS抑制消化道平滑肌蠕动和腺体分泌，减缓消化活动，将能量分配到更重要的器官。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 泌尿系统调节(Urinary System Regulation)：SNS收缩膀胱括约肌，抑制排尿。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 瞳孔调节(Pupillary Regulation)：SNS收缩瞳孔开大肌，使瞳孔放大，增加视觉灵敏度。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 汗腺与立毛肌调节(Sweat Glands and Piloerector Muscles Regulation)：SNS刺激汗腺分泌汗液，散热降温；收缩立毛肌，引起竖毛反射（起鸡皮疙瘩）。
▮▮▮▮ⓟ 神经递质与受体:
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 节前神经递质: 乙酰胆碱(ACh)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 节后神经递质: 去甲肾上腺素(NE)，少数节后神经元释放乙酰胆碱（支配汗腺）。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 受体: 节后神经元受体为烟碱型乙酰胆碱受体(nicotinic acetylcholine receptor, nAChR)。效应器官受体主要为肾上腺素能受体(adrenergic receptor)，包括α受体(α1, α2)和β受体(β1, β2, β3)。

② 副交感神经系统(Parasympathetic Nervous System, PNS)：PNS主要负责“休息与消化(rest-and-digest)”反应，在平静状态下激活，促进能量储存和身体恢复。PNS的神经节靠近或位于效应器官内，神经节后纤维分布范围较局限。
▮▮▮▮ⓑ 解剖结构特点:
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 神经节位置: 副交感神经节主要位于靠近或位于效应器官壁内的神经节（终末神经节(terminal ganglia)）。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 神经通路: 副交感神经通路也由两级神经元组成：节前神经元和节后神经元。节前神经元细胞体位于脑干脑神经核或脊髓骶髓节段，轴突长，释放乙酰胆碱，与神经节内的节后神经元突触。节后神经元细胞体位于副交感神经节，轴突短，释放乙酰胆碱，支配效应器官。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 节前神经元起源: 副交感神经节前神经元起源于脑干脑神经核（动眼神经核、面神经核、舌咽神经核和迷走神经背核）和脊髓骶髓节段（S2-S4）。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 神经节后纤维分布: 副交感神经节后纤维分布范围较局限，主要支配头颈部、胸腔和腹腔的内脏器官，如眼睛、唾液腺、心脏、肺、胃、肠、肝脏、胰腺和膀胱等。
▮▮▮▮ⓖ 生理功能:
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 能量储存与恢复(Energy Storage and Restoration)：PNS在平静状态下被激活，促进能量储存和身体恢复，如促进消化吸收、储存能量、减慢心率、降低血压和促进排泄。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 消化系统促进(Digestive System Promotion)：PNS促进消化道平滑肌蠕动和腺体分泌，增加消化液分泌，促进食物消化和吸收。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 心血管系统抑制(Cardiovascular System Inhibition)：PNS减慢心率，减弱心肌收缩力，降低血压，减小心脏负荷。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 呼吸系统调节(Respiratory System Regulation)：PNS收缩支气管，减少通气量，降低氧气需求。
▮▮▮▮▮▮▮▮❺ 泌尿系统调节(Urinary System Regulation)：PNS收缩逼尿肌，舒张膀胱括约肌，促进排尿。
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 瞳孔调节(Pupillary Regulation)：PNS收缩瞳孔括约肌，使瞳孔缩小，减少光线进入，保护视网膜，提高近视力。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 腺体分泌调节(Glandular Secretion Regulation)：PNS刺激唾液腺、泪腺和胃肠腺分泌，促进消化和湿润。
▮▮▮▮ⓞ 神经递质与受体:
▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 节前神经递质: 乙酰胆碱(ACh)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 节后神经递质: 乙酰胆碱(ACh)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 受体: 节后神经元受体为烟碱型乙酰胆碱受体(nAChR)。效应器官受体主要为毒蕈碱型乙酰胆碱受体(muscarinic acetylcholine receptor, mAChR)。

③ 交感神经与副交感神经的拮抗作用:
交感神经和副交感神经通常对同一器官发挥拮抗作用，共同调节器官的活动，维持内环境的动态平衡。例如，交感神经加快心率，副交感神经减慢心率；交感神经扩张支气管，副交感神经收缩支气管；交感神经抑制消化，副交感神经促进消化。这种拮抗作用使器官活动能够根据机体需要进行精细调节。在某些情况下，交感神经和副交感神经也可能协同作用，如在男性勃起和射精过程中。

4.4.3 肠神经系统(Enteric Nervous System)

简要介绍肠神经系统作为自主神经系统的一个分支，其独立性和对胃肠道功能的调控作用。

肠神经系统(enteric nervous system, ENS)有时被称为“第二大脑(second brain)”或“腹脑(brain in the gut)”，是自主神经系统的一个分支，但又具有相对的独立性。ENS主要位于胃肠道壁内，从食管到肛门，形成复杂的神经网络，控制胃肠道的运动、分泌、吸收和局部血液循环等功能。ENS可以独立于CNS的调控自主运行，但也受到交感神经和副交感神经的调节。

① ENS的结构特点:
▮▮▮▮ⓑ 神经丛(Nerve Plexuses)：ENS主要由两个主要的神经丛组成：肌间神经丛(myenteric plexus, Auerbach's plexus)和粘膜下神经丛(submucosal plexus, Meissner's plexus)。
▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 肌间神经丛: 位于纵行肌层和环形肌层之间，主要控制胃肠道的运动，如蠕动和混合运动。
▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 粘膜下神经丛: 位于粘膜下层，主要控制胃肠道的分泌、吸收和局部血液循环。
▮▮▮▮ⓔ 神经元类型: ENS包含多种类型的神经元，包括：
▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 感觉神经元(Sensory Neurons)：感受胃肠道内的机械刺激、化学刺激和渗透压刺激，将信息传递到ENS内的中间神经元和运动神经元。
▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 运动神经元(Motor Neurons)：控制胃肠道平滑肌的收缩和舒张，以及腺体的分泌活动。
▮▮▮▮▮▮▮▮❽ 中间神经元(Interneurons)：连接感觉神经元和运动神经元，参与ENS内的信息整合和环路调节。
▮▮▮▮▮▮▮▮❾ 分泌神经元(Secretomotor Neurons)：控制胃肠道腺体的分泌活动，如分泌消化酶、黏液和激素。
▮▮▮▮▮▮▮▮❿ 血管舒张神经元(Vasodilator Neurons)：调节胃肠道局部血管舒张，控制局部血液循环。
▮▮▮▮ⓚ 神经胶质细胞(Glial Cells)：ENS中也存在神经胶质细胞，如肠胶质细胞(enteric glia)，支持神经元的功能，参与神经元-胶质细胞相互作用，维持肠道微环境稳态。

② ENS的功能特点:
▮▮▮▮ⓑ 自主性(Autonomy)：ENS可以独立于CNS的调控自主运行，即使切断了与CNS的联系，ENS仍然可以维持胃肠道的基本功能，如蠕动和分泌。ENS的自主性主要依赖于其内在的神经环路和节律性活动。
▮▮▮▮ⓒ 复杂性(Complexity)：ENS的神经元数量庞大，神经环路复杂，神经递质种类繁多，使其能够进行复杂的局部信息处理和功能调节。ENS的神经元数量甚至超过了脊髓，被称为“第二大脑”。
▮▮▮▮ⓓ 多功能性(Multifunctionality)：ENS不仅控制胃肠道的运动、分泌、吸收和局部血液循环，还参与调节肠道免疫功能、肠道菌群平衡和肠脑轴(gut-brain axis)的互动。

③ ENS的神经递质:
ENS使用多种神经递质进行神经通讯，包括：
▮▮▮▮ⓐ 兴奋性神经递质: 乙酰胆碱(ACh)、速激肽(tachykinins)和血清素(serotonin, 5-HT)。
▮▮▮▮ⓑ 抑制性神经递质: 一氧化氮(nitric oxide, NO)、血管活性肠肽(vasoactive intestinal peptide, VIP)和γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid, GABA)。
▮▮▮▮ⓒ 神经肽(Neuropeptides)：如胆囊收缩素(cholecystokinin, CCK)、胃泌素(gastrin)、生长抑素(somatostatin)和脑肠肽(brain-gut peptides)。

④ ENS与CNS的相互作用:
ENS虽然具有自主性，但仍然受到CNS的调节，特别是受到交感神经和副交感神经的调节。
▮▮▮▮ⓐ 交感神经对ENS的调节: 交感神经通常抑制ENS的活动，减缓胃肠道运动和分泌，在应激状态下减弱消化功能。
▮▮▮▮ⓑ 副交感神经对ENS的调节: 副交感神经通常促进ENS的活动，增强胃肠道运动和分泌，在休息状态下促进消化功能。
▮▮▮▮ⓒ 肠脑轴(Gut-Brain Axis)：ENS与CNS之间存在双向通讯，称为肠脑轴。ENS可以通过迷走神经等神经通路，以及通过内分泌、免疫和代谢途径，将肠道信息传递到大脑。大脑也可以通过自主神经系统和内分泌系统，反过来影响肠道功能。肠脑轴在调节胃肠道功能、情绪、认知和行为方面发挥着重要作用。肠道菌群也参与肠脑轴的互动，影响神经系统功能。

ENS作为自主神经系统的一个重要组成部分，在维持胃肠道功能和整体健康中起着关键作用。ENS功能障碍与多种胃肠道疾病，如肠易激综合征(irritable bowel syndrome, IBS)和炎症性肠病(inflammatory bowel disease, IBD)有关。对ENS的研究有助于深入理解胃肠道生理和病理，以及开发新的治疗策略。

5. 感觉系统(Sensory Systems)：感知外部世界

本章旨在系统地介绍主要的五种感觉系统：视觉(vision)、听觉(audition)、体感(somatosensation)、味觉(gustation)和嗅觉(olfaction)，以及平衡觉(vestibular sense)和本体感觉(proprioception)。我们将深入探讨感觉信息如何被身体接收、编码，并最终传递到大脑，从而产生我们对外部世界的感知和理解。感觉系统是连接我们与周围环境的关键桥梁，使我们能够体验丰富多彩的世界，并对各种刺激做出适当的反应。

5.1 视觉系统(Visual System)：从光到视觉感知

视觉系统(visual system)是人类最重要的感觉系统之一，它使我们能够感知光线、颜色、形状、运动和空间关系，从而构建出我们周围世界的视觉图像。本节将详细介绍视觉系统的结构和功能，从眼睛的构造到视网膜的光感受器，再到视觉通路和视觉皮层的信息处理，以及颜色视觉、运动视觉和深度知觉的神经机制。

5.1.1 眼睛的结构与光学原理

眼睛(eye)是视觉系统的感觉器官，其复杂而精巧的结构使其能够有效地捕捉光线，并将光信号转换为神经信号。眼睛的主要结构包括：

① 角膜(cornea)：眼睛最外层的透明保护膜，呈凸透镜状，是光线进入眼睛的第一道关卡，具有很强的屈光能力，约占眼睛总屈光力的三分之二。
② 晶状体(lens)：位于虹膜(iris)和瞳孔(pupil)之后，是一个双凸透镜，其主要功能是通过调节自身的曲度（ Accommodation ）来聚焦不同距离的物体，使物像清晰地呈现在视网膜(retina)上。这个过程称为调节(accommodation)。
③ 虹膜(iris)：眼睛的有色部分，位于角膜和晶状体之间。虹膜中央有一个开口，称为瞳孔(pupil)。虹膜的功能是通过收缩和舒张来调节瞳孔的大小，从而控制进入眼睛的光线量。在明亮的环境中，瞳孔缩小以减少光线进入；在昏暗的环境中，瞳孔扩大以增加光线进入。
④ 瞳孔(pupil)：虹膜中央的黑色圆形开口，光线通过瞳孔进入眼睛内部。瞳孔的大小由虹膜括约肌和虹膜开大肌控制，受到光照强度和情绪状态等因素的影响。
⑤ 视网膜(retina)：眼睛的内层，覆盖眼球后部的内表面，是视觉系统的感觉换能器。视网膜包含光感受器(photoreceptor)细胞，能够将光信号转换为神经信号。视网膜还包含多层神经元，对光信号进行初步处理，并将处理后的信号传递给视神经(optic nerve)。

眼睛的光学原理类似于照相机。角膜和晶状体共同构成眼睛的透镜系统，将来自外界物体的光线聚焦在视网膜上，形成倒立、缩小的实像。这个过程可以用折射定律(law of refraction)来描述。当光线从一种介质（如空气）进入另一种介质（如角膜或晶状体）时，传播方向会发生改变，这种现象称为折射。眼睛的屈光系统正是利用光线的折射原理，将光线聚焦在视网膜上。

眼睛的屈光不正(refractive error)是指眼睛的屈光系统无法将光线准确地聚焦在视网膜上，导致视物模糊。常见的屈光不正包括：

⚝ 近视(myopia)：眼球前后径过长或角膜、晶状体屈光力过强，导致平行光线聚焦在视网膜前方。近视患者看近处物体清晰，看远处物体模糊。可以使用凹透镜(concave lens)进行矫正。
⚝ 远视(hyperopia)：眼球前后径过短或角膜、晶状体屈光力过弱，导致平行光线聚焦在视网膜后方。远视患者看远处物体可能比看近处物体清晰，但严重远视时看远看近都模糊。可以使用凸透镜(convex lens)进行矫正。
⚝ 散光(astigmatism)：角膜或晶状体表面弯曲度不均匀，导致光线在不同方向上的折射程度不同，无法形成清晰的焦点。散光患者看远处和近处物体都可能模糊或变形。可以使用柱镜(cylindrical lens)进行矫正。
⚝ 老花眼(presbyopia)：随着年龄增长，晶状体的弹性逐渐下降，调节能力减弱，导致近距离物体聚焦困难。老花眼通常在40岁以后出现，是一种生理性退化现象。可以使用凸透镜(convex lens)进行矫正。

视觉矫正(vision correction)旨在通过眼镜、隐形眼镜或屈光手术等方式，改变眼睛的屈光力，使光线能够准确地聚焦在视网膜上，从而提高视觉质量。

5.1.2 视网膜(Retina)的光感受器(Photoreceptor)与神经环路

视网膜(retina)是眼睛的感光部分，位于眼球的后部，是一层薄而复杂的多层神经组织。视网膜的主要功能是将光信号转换为神经信号，并将这些信号传递到大脑进行进一步处理。视网膜的结构分层且精细，主要包括以下几层细胞：

① 光感受器细胞层(photoreceptor layer)：视网膜的最外层，直接与色素上皮层(pigment epithelium)相邻。光感受器细胞(photoreceptor cell)是视网膜中负责感光的神经元，主要有两种类型：视杆细胞(rod cell) 和 视锥细胞(cone cell)。

⚝ 视杆细胞(rod cell)：数量多，约占视网膜光感受器细胞的95%，主要分布在视网膜的周边区域。视杆细胞对光线非常敏感，即使在微弱的光线下也能被激活，因此主要负责暗光视觉(scotopic vision)，即在夜间或昏暗环境中的视觉。视杆细胞不能分辨颜色，只能感知明暗，其视觉分辨能力较低。视杆细胞中含有一种感光色素，称为视紫红质(rhodopsin)，对波长为500nm左右的绿光最敏感。
⚝ 视锥细胞(cone cell)：数量较少，主要分布在视网膜的中央区域，尤其是在中央凹(fovea)区域密度最高。视锥细胞对光线敏感度较低，需要较强的光线才能被激活，因此主要负责明视觉(photopic vision)，即在白天或明亮环境中的视觉。视锥细胞能够分辨颜色，具有较高的视觉分辨能力。人类视网膜中主要有三种类型的视锥细胞，分别对不同波长的光线敏感：S-视锥细胞(S-cone) 对短波光（蓝光）敏感，M-视锥细胞(M-cone) 对中波光（绿光）敏感，L-视锥细胞(L-cone) 对长波光（红光）敏感。视锥细胞中含有不同的感光色素，称为视蛋白(photopsin)。

② 双极细胞层(bipolar cell layer)：位于光感受器细胞层和神经节细胞层之间，接收来自光感受器细胞的信号，并将信号传递给神经节细胞。双极细胞是视网膜神经环路中的中间神经元，根据其功能和连接方式，可以分为多种类型，例如弥散型双极细胞(diffuse bipolar cell)和 midget 双极细胞(midget bipolar cell)等。
③ 神经节细胞层(ganglion cell layer)：视网膜的最内层，其神经节细胞(ganglion cell)的轴突汇聚形成视神经(optic nerve)。神经节细胞接收来自双极细胞的信号，并将信号整合后产生动作电位(action potential)，通过视神经传递到大脑。视网膜神经节细胞(retinal ganglion cell, RGC)是视网膜的输出神经元，根据其形态、功能和投射靶点，可以分为多种类型，例如 M-型神经节细胞(M-type RGC)、P-型神经节细胞(P-type RGC) 和 非M-非P型神经节细胞(non-M-non-P RGC) 等。

⚝ M-型神经节细胞(M-type RGC)：又称 Magno细胞 或 大细胞，约占神经节细胞总数的5%，细胞体较大，树突分支广泛，轴突直径粗，传导速度快。M-型神经节细胞主要接收来自弥散型双极细胞的信号，对瞬时刺激和运动刺激敏感，感受野(receptive field)较大，空间分辨率较低，但不分辨颜色。M-型神经节细胞主要投射到外侧膝状体(lateral geniculate nucleus, LGN)的 大细胞层(magnocellular layer)，参与运动视觉和空间定位等功能。
⚝ P-型神经节细胞(P-type RGC)：又称 Parvo细胞 或 小细胞，约占神经节细胞总数的80%，细胞体较小，树突分支密集，轴突直径细，传导速度较慢。P-型神经节细胞主要接收来自 midget 双极细胞的信号，对持续刺激和颜色刺激敏感，感受野较小，空间分辨率较高，且分辨颜色。P-型神经节细胞主要投射到外侧膝状体(LGN)的 小细胞层(parvocellular layer)，参与颜色视觉、形状识别和精细视觉等功能。
⚝ 非M-非P型神经节细胞(non-M-non-P RGC)：约占神经节细胞总数的15%，是一类异质性较高的神经节细胞，包括多种亚型，例如 Konio细胞、内在光敏视网膜神经节细胞(intrinsically photosensitive retinal ganglion cell, ipRGC) 等。Konio细胞主要投射到外侧膝状体(LGN)的 Konio细胞层(koniocellular layer)，ipRGC含有 视黑素(melanopsin)，对蓝光敏感，参与调节昼夜节律和瞳孔反射等非视觉功能。

感受野(receptive field)是指视网膜神经节细胞能够响应的光刺激区域。每个神经节细胞都有一个特定的感受野，当感受野内的光刺激发生变化时，神经节细胞的放电活动会发生改变。典型的视网膜神经节细胞的感受野呈 中心-周围拮抗型(center-surround antagonism)，即感受野中心区域和周围区域对光刺激的反应相反。例如，On-中心型神经节细胞(On-center ganglion cell) 在感受野中心区域受到光照时兴奋，在周围区域受到光照时抑制；Off-中心型神经节细胞(Off-center ganglion cell) 则相反，在感受野中心区域受到光照时抑制，在周围区域受到光照时兴奋。中心-周围拮抗型感受野能够增强对图像边缘和对比度的敏感性，有助于提高视觉系统的分辨能力。

视网膜内部的神经环路非常复杂，除了光感受器细胞、双极细胞和神经节细胞之外，还包括 水平细胞(horizontal cell) 和 无长突细胞(amacrine cell) 等中间神经元，它们在视网膜的不同层次之间形成复杂的连接，对视觉信号进行精细的调节和整合。

5.1.3 视觉通路(Visual Pathway)与视觉皮层(Visual Cortex)的信息处理

视觉通路(visual pathway)是指视觉信息从视网膜传递到大脑皮层的神经通路。视觉信息从视网膜神经节细胞发出后，沿着视神经(optic nerve)、视交叉(optic chiasm)、视束(optic tract)传递到外侧膝状体(lateral geniculate nucleus, LGN)，再由外侧膝状体投射到视觉皮层(visual cortex)进行进一步处理。

① 视神经(optic nerve)：由视网膜神经节细胞的轴突汇聚而成，从眼球后部穿出，将视网膜的神经信号传递到大脑。每只眼睛都有一条视神经。
② 视交叉(optic chiasm)：两条视神经在颅底交汇的部位，位于垂体(pituitary gland)的前上方。在视交叉处，来自每侧视网膜鼻侧半(nasal hemiretina)的轴突交叉到对侧，而来自颞侧半(temporal hemiretina)的轴突则不交叉，继续保持在同侧。
③ 视束(optic tract)：视交叉之后，交叉和未交叉的轴突重新组合形成视束。每条视束包含来自双眼视野对侧的信息。例如，右侧视束包含来自左眼鼻侧半视网膜和右眼颞侧半视网膜的信息，即来自左侧视野的信息。
④ 外侧膝状体(lateral geniculate nucleus, LGN)：位于丘脑(thalamus)的后外侧，是视觉通路中的重要中继站。来自视束的绝大部分轴突投射到外侧膝状体，并在其中形成突触连接。外侧膝状体将接收到的视觉信息进行初步处理和整合，然后投射到视觉皮层。外侧膝状体具有分层结构，人类的外侧膝状体有六层细胞层，从腹侧到背侧依次为1-6层。其中，1层和2层为 大细胞层(magnocellular layer)，接收来自 M-型神经节细胞的投射，主要负责运动和空间信息处理；3-6层为 小细胞层(parvocellular layer)，接收来自 P-型神经节细胞的投射，主要负责颜色和形状信息处理。此外，在外侧膝状体各层之间还存在 Konio细胞层(koniocellular layer)，接收来自 Konio细胞的投射，参与颜色视觉和昼夜节律调节。
⑤ 视辐射(optic radiation)：从外侧膝状体发出，投射到视觉皮层的神经纤维束。视辐射分为上支和下支，分别投射到视觉皮层的不同区域。
⑥ 视觉皮层(visual cortex)：位于大脑枕叶(occipital lobe)，是视觉信息处理的最终目的地。视觉皮层主要分为 初级视觉皮层(primary visual cortex, V1) 和 高级视觉皮层(higher visual cortex) 两个区域。

⚝ 初级视觉皮层(V1)：又称 纹状皮层(striate cortex) 或 17区，是视觉信息进入大脑皮层的第一个区域。V1 接收来自外侧膝状体(LGN)的视辐射，对视觉信息进行初步分析和编码。V1 具有 视 топографическая 组织(retinotopic organization)，即视网膜上的相邻区域在 V1 上也有相邻的代表区域，形成视网膜的皮层地图。V1 中的神经元对特定的视觉特征敏感，例如 方向选择性(orientation selectivity)、空间频率选择性(spatial frequency selectivity) 和 颜色选择性(color selectivity) 等。V1 的功能柱(functional column)结构非常明显，例如 眼优势柱(ocular dominance column) 和 方向选择性柱(orientation column)。
⚝ 高级视觉皮层(higher visual cortex)：包括 V2、V3、V4、V5/MT 等多个区域，位于 V1 的前方和周围，负责对视觉信息进行更高级的加工和整合。V2 接收来自 V1 的投射，进一步处理 V1 传递来的信息，并开始整合颜色、形状和运动等视觉特征。V3 主要参与形状和运动的感知。V4 主要负责颜色和形状的复杂特征识别。V5/MT (middle temporal area) 是运动视觉的关键区域，对运动方向和速度非常敏感。

视觉信息在视觉通路中进行分层处理。从视网膜的光感受器细胞开始，经过双极细胞、神经节细胞的初步处理，再经过外侧膝状体的中继和整合，最终到达视觉皮层进行高级分析和解释。在视觉皮层中，信息处理进一步细化，从 V1 的基本特征检测到高级视觉皮层的复杂物体识别和场景理解，逐步构建出我们对视觉世界的完整感知。视觉信息处理的通路主要可以分为两条平行的通路：腹侧通路(ventral stream) 和 背侧通路(dorsal stream)。

⚝ 腹侧通路(ventral stream)：又称 “what”通路，主要负责物体识别和视觉认知。腹侧通路从 V1 出发，经过 V2、V4，最终到达颞叶(temporal lobe)的 下颞叶皮层(inferior temporal cortex, IT)。IT 皮层中的神经元对复杂的物体形状、人脸和物体类别等高度特异的视觉刺激敏感。腹侧通路主要处理视觉信息中的 “是什么(what)”，例如物体的形状、颜色、身份等。
⚝ 背侧通路(dorsal stream)：又称 “where”通路 或 “how”通路，主要负责空间定位、运动感知和视觉引导的动作。背侧通路从 V1 出发，经过 V2、V3、V5/MT，最终到达顶叶(parietal lobe)的 后顶叶皮层(posterior parietal cortex, PPC)。PPC 皮层中的神经元对物体的位置、运动和空间关系等信息敏感，参与视觉引导的运动控制和空间认知。背侧通路主要处理视觉信息中的 “在哪里(where)” 和 “如何做(how)”，例如物体的位置、运动轨迹、如何抓取物体等。

腹侧通路和背侧通路虽然功能不同，但在视觉信息处理过程中相互协作，共同完成复杂的视觉任务。例如，当我们看到一个苹果时，腹侧通路负责识别它是“苹果”，而背侧通路则负责确定苹果在空间中的位置，并引导我们伸手去拿苹果。

5.1.4 颜色视觉、运动视觉与深度知觉

视觉系统除了感知物体的形状和位置外，还能够感知颜色、运动和深度，这些都是构成我们丰富视觉体验的重要组成部分。

颜色视觉(color vision) 是指我们感知物体颜色的能力。颜色不是物体本身固有的属性，而是物体表面反射或发射的光线被我们的视觉系统感知后产生的心理感受。人类的颜色视觉是 三色视觉(trichromatic vision)，即我们有三种类型的视锥细胞，分别对短波（蓝光）、中波（绿光）和长波（红光）的光线敏感。颜色视觉的理论主要有两种：

① 三色理论(trichromatic theory)：又称 Young-Helmholtz 理论，认为颜色视觉是由三种类型的视锥细胞的活动模式决定的。不同波长的光线会以不同的比例激活这三种视锥细胞，大脑根据这三种视锥细胞的相对活动水平来解码颜色信息。例如，红光主要激活 L-视锥细胞，绿光主要激活 M-视锥细胞，蓝光主要激活 S-视锥细胞，而黄光则同时激活 L-视锥细胞和 M-视锥细胞。三色理论能够很好地解释颜色混合现象，例如红光和绿光混合可以产生黄光。
② 对色理论(opponent-process theory)：认为颜色视觉是由三种对立的颜色通道决定的：红-绿通道(red-green channel)、蓝-黄通道(blue-yellow channel) 和 黑-白通道(black-white channel)。每个通道包含两种对立的颜色，例如红和绿是对立的，蓝和黄是对立的，黑和白是对立的。当一个通道中的一种颜色被激活时，另一种颜色就会被抑制。例如，当我们看到红色时，红-绿通道中的红色被激活，绿色被抑制；当我们看到绿色时，红-绿通道中的绿色被激活，红色被抑制。对色理论能够更好地解释颜色后效(color aftereffect)和颜色对比(color contrast)等现象。

现代颜色视觉理论认为，三色理论和对色理论是互补的，分别描述了颜色视觉的不同阶段。颜色编码首先在视网膜视锥细胞水平进行三色编码，然后在视网膜神经节细胞和外侧膝状体水平转换为对色编码，最后在视觉皮层进行更高级的颜色信息处理。

运动视觉(motion vision) 是指我们感知物体运动的能力。运动视觉对于我们理解周围环境、导航和躲避危险至关重要。运动视觉的神经机制主要涉及视觉通路中的背侧通路，特别是 V5/MT 区域。V5/MT 区域的神经元对运动方向和速度非常敏感，能够检测视野中物体的运动。运动视觉的感知依赖于视觉系统对物体位置随时间变化的检测。当物体在视网膜上移动时，会依次激活不同的感受器，视觉系统通过分析这些感受器的激活顺序和时间间隔，来判断物体的运动方向和速度。

深度知觉(depth perception) 是指我们感知物体三维空间位置和距离的能力。由于我们的视网膜是二维的，我们看到的图像是平面的，但我们却能够感知到三维的世界。深度知觉的形成依赖于多种线索，可以分为 单眼线索(monocular cue) 和 双眼线索(binocular cue) 两类。

① 单眼线索(monocular cue)：只需要一只眼睛就能提供的深度信息。单眼线索包括：

⚝ 遮挡(occlusion)：当一个物体遮挡住另一个物体时，被遮挡的物体看起来更远。
⚝ 相对大小(relative size)：当两个物体大小相同，但一个物体看起来比另一个物体小时，较小的物体看起来更远。
⚝ 线性透视(linear perspective)：平行线在远处会汇聚于一点，例如铁轨、道路等。
⚝ 纹理梯度(texture gradient)：近处的纹理看起来粗糙，远处的纹理看起来细密。
⚝ 空气透视(aerial perspective)：远处的物体由于空气中悬浮颗粒的散射作用，看起来模糊、颜色偏蓝。
⚝ 运动视差(motion parallax)：当我们移动时，近处的物体移动速度比远处的物体快。
⚝ accommodation (调节)：眼睛晶状体在调节焦距时，可以提供物体距离的信息，但只在近距离有效。

② 双眼线索(binocular cue)：需要双眼共同提供的深度信息。双眼线索主要包括：

⚝ 视轴辐合(convergence)：当我们看近处物体时，两眼视轴会向内辐合；看远处物体时，视轴则趋于平行。视轴辐合的角度可以提供物体距离的信息，但只在近距离有效。
⚝ 双眼视差(binocular disparity)：由于两只眼睛在水平方向上有一定的距离（约 6-7 厘米），因此两眼看到的物体图像略有不同，这种差异称为双眼视差。大脑通过分析双眼视差来计算物体的深度信息。双眼视差是深度知觉最重要的线索，尤其在近距离时非常有效。

深度知觉的形成是一个复杂的过程，需要整合多种单眼和双眼线索。大脑视觉系统通过对这些线索进行分析和整合，最终构建出我们对三维空间的感知。

5.2 听觉系统(Auditory System)：声音的感知与加工

听觉系统(auditory system)是感知声音的感觉系统，使我们能够听到周围世界的声音，包括语言、音乐、自然界的声音等。听觉不仅是我们与人交流的重要方式，也是我们感知环境、获取信息和体验情感的重要途径。本节将详细介绍听觉系统的结构和功能，从外耳、中耳、内耳的结构，到耳蜗(cochlea)的毛细胞(hair cell)换能，再到听觉通路(auditory pathway)和听觉皮层(auditory cortex)的信息处理，以及音调、响度和声音定位的神经机制。

5.2.1 外耳、中耳与内耳的结构

听觉系统可以分为三个主要部分：外耳(outer ear)、中耳(middle ear)和内耳(inner ear)。

① 外耳(outer ear)：包括 耳廓(pinna) 和 外耳道(external auditory canal)。

⚝ 耳廓(pinna)：位于头部两侧，是可见的软骨结构，具有收集声音、定向声源和增强特定频率声音的功能。耳廓的形状复杂，可以有效地收集来自不同方向的声音，并将其导入外耳道。耳廓的褶皱和凹陷对不同频率的声音具有不同的反射和散射作用，有助于我们判断声源的方位，特别是垂直方向的声源定位。
⚝ 外耳道(external auditory canal)：从耳廓延伸到鼓膜(tympanic membrane)的管道，长约 2.5 厘米，直径约 0.7 厘米。外耳道具有保护鼓膜和共振放大声音的功能。外耳道并非笔直，而是略微弯曲，可以防止灰尘和昆虫等异物进入。外耳道本身是一个共振腔，对频率在 2-4 kHz 的声音具有共振放大作用，这正好是人类语音频率范围，有助于提高我们对语言的听觉敏感性。外耳道内壁皮肤含有 耵聍腺(ceruminous gland)，分泌耵聍(cerumen)，俗称耳屎，具有保护外耳道和抗菌的作用。

② 中耳(middle ear)：是一个充满空气的小腔，位于鼓膜和内耳之间。中耳的主要结构包括 鼓膜(tympanic membrane) 和 听小骨(ossicles)。

⚝ 鼓膜(tympanic membrane)：又称耳膜，位于外耳道末端，是一层薄而有弹性的膜。鼓膜接收来自外耳道的声音振动，并将其传递给听小骨。鼓膜的面积约为 55 平方毫米，呈轻微的锥形，尖端朝向中耳腔。鼓膜对声音的振动非常敏感，即使是微弱的声音也能引起鼓膜的振动。
⚝ 听小骨(ossicles)：中耳腔内有三块微小的骨头，从外到内依次为 锤骨(malleus)、砧骨(incus) 和 镫骨(stapes)。锤骨柄附着在鼓膜上，砧骨连接锤骨和镫骨，镫骨底板嵌入 卵圆窗(oval window)。听小骨链起到 阻抗匹配(impedance matching) 的作用，将空气中的声波振动有效地传递到内耳的液体介质中。由于空气和内耳淋巴液的阻抗差异很大，如果声音直接从空气传递到淋巴液，大部分声能会被反射掉，只有少部分能进入内耳。听小骨链通过杠杆作用和面积集中作用，将鼓膜的振动放大，并将其集中到面积较小的卵圆窗上，从而有效地克服阻抗差异，提高声能传递效率。听小骨链的放大作用约为 20 倍左右。中耳腔内还有两块肌肉，镫骨肌(stapedius muscle) 和 鼓膜张肌(tensor tympani muscle)，它们可以通过收缩来减弱听小骨链的振动，起到 听觉保护作用(acoustic reflex)，防止强声对内耳的损伤。听觉保护反射通常在强声刺激后 50-100 毫秒发生，对瞬时强声的保护作用有限。

③ 内耳(inner ear)：位于颞骨(temporal bone)岩部内，结构复杂，包括 耳蜗(cochlea) 和 前庭系统(vestibular system)。耳蜗是听觉感受器所在之处，负责声音的感受和换能；前庭系统负责平衡和姿势的维持，与听觉系统在解剖结构上紧密相连，但功能不同。

⚝ 耳蜗(cochlea)：呈螺旋形管道，盘绕约 2.5 圈，形似蜗牛壳，因此得名。耳蜗内部充满淋巴液，被膜迷路(membranous labyrinth)分隔成三个平行的腔：前庭阶(scala vestibuli)、中阶(scala media) 和 鼓阶(scala tympani)。前庭阶和鼓阶之间通过耳蜗顶部的 蜗孔(helicotrema) 相连，都充满外淋巴液(perilymph)，成分类似于细胞外液；中阶位于前庭阶和鼓阶之间，又称 蜗管(cochlear duct)，充满内淋巴液(endolymph)，成分类似于细胞内液，富含钾离子。中阶的底壁是 基底膜(basilar membrane)，是听觉感受器—— Corti 器官(organ of Corti) 的支撑结构。卵圆窗与前庭阶相连，圆窗与鼓阶相连。
⚝ 前庭系统(vestibular system)：由 半规管(semicircular canal) 和 椭圆囊(utricle)、球状囊(saccule) 组成，负责感知头部运动和姿势变化，维持身体平衡。半规管感知旋转运动，椭圆囊和球状囊感知线性加速度和重力。前庭系统的感受器是 毛细胞(hair cell)，与听觉系统的毛细胞类似，但功能不同。

5.2.2 耳蜗(Cochlea)的毛细胞(Hair Cell)与听觉换能

耳蜗(cochlea)是听觉系统的核心结构，声音的感受和换能都发生在耳蜗内的 Corti 器官(organ of Corti) 中。Corti 器官位于中阶(scala media)的基底膜(basilar membrane)上，是由 毛细胞(hair cell) 和支持细胞组成的复杂结构。毛细胞是听觉感受器，能够将机械振动转换为神经电信号，实现 听觉换能(auditory transduction)。Corti 器官主要包括以下结构：

① 基底膜(basilar membrane)：位于中阶的底壁，是一条狭长的膜状结构，从耳蜗底部延伸到顶部。基底膜的宽度和厚度沿耳蜗长度方向变化：在耳蜗底部（靠近卵圆窗）最窄最薄，越往耳蜗顶部（蜗孔处）越宽越厚。基底膜的这种结构特点使其对不同频率的声音产生不同的振动响应，实现 频率分析(frequency analysis) 或 音调分解(tonotopic decomposition)。高频声音主要引起基底膜底部（窄而薄的区域）的振动，低频声音则主要引起基底膜顶部（宽而厚的区域）的振动。
② 毛细胞(hair cell)：Corti 器官中的感觉细胞，排列在基底膜上，分为 内毛细胞(inner hair cell, IHC) 和 外毛细胞(outer hair cell, OHC) 两类。

⚝ 内毛细胞(inner hair cell, IHC)：只有一排，约 3500 个，靠近耳蜗轴侧。内毛细胞是主要的听觉感受器，负责将声信号转换为神经信号，并将信号传递给听觉神经(auditory nerve)。内毛细胞的顶部有 纤毛束(hair bundle)，由排列成 V 字形的 立体纤毛(stereocilia) 组成，高度从短到长依次排列。当基底膜振动时，纤毛束发生弯曲，导致毛细胞膜上的 механически-чувствительные ионные каналы (mechanosensitive ion channels) 开放，引起细胞膜电位的变化，最终释放神经递质，激活传入听觉神经纤维。
⚝ 外毛细胞(outer hair cell, OHC)：有三排，约 12000 个，靠近耳蜗外侧壁。外毛细胞虽然也具有感受声音振动的功能，但其主要作用是 耳蜗放大器(cochlear amplifier)，通过主动运动来增强基底膜的振动，提高听觉系统的灵敏度和频率分辨能力。外毛细胞也具有纤毛束，但其纤毛束的排列方式和功能与内毛细胞不同。外毛细胞的胞体可以发生伸缩运动，这种运动是由 运动蛋白(motor protein)——prestin 驱动的。当外毛细胞接受来自大脑的 传出神经纤维(efferent nerve fiber) 的调控时，其胞体可以发生收缩或舒张，从而改变基底膜的振动模式，增强对弱声信号的放大作用，并抑制对强声信号的放大作用，实现 动态范围压缩(dynamic range compression)。

③ 盖膜(tectorial membrane)：位于 Corti 器官的上方，是一层凝胶状膜，覆盖在毛细胞的纤毛束之上。盖膜与基底膜平行，但只在一端固定，另一端自由悬空。当基底膜振动时，毛细胞的纤毛束会受到盖膜的剪切力作用而发生弯曲。对于外毛细胞，其最长的纤毛顶端直接嵌入盖膜；对于内毛细胞，其纤毛与盖膜之间存在空隙，可能通过内淋巴液的流动间接受到盖膜的影响。
④ 支持细胞(supporting cell)：Corti 器官中除了毛细胞之外的其他细胞，包括 柱细胞(pillar cell)、指状细胞(phalangeal cell)、边界细胞(border cell) 和 Hensen 细胞(Hensen's cell) 等。支持细胞起到支撑和保护毛细胞、维持 Corti 器官结构稳定、以及营养供应和离子稳态调节等作用。

听觉换能(auditory transduction) 的过程可以概括为：

① 声波传入：声音通过外耳、中耳传递到内耳，引起卵圆窗的振动。
② 淋巴液波动：卵圆窗的振动传入前庭阶，引起耳蜗内淋巴液的波动。
③ 基底膜振动：淋巴液的波动传递到中阶，引起基底膜的振动。不同频率的声音在基底膜上引起最大振幅的位置不同，高频声音在基底膜底部振幅最大，低频声音在基底膜顶部振幅最大。
④ 纤毛弯曲：基底膜的振动导致 Corti 器官整体运动，毛细胞的纤毛束受到盖膜的剪切力作用而发生弯曲。
⑤ 离子通道开放：纤毛束的弯曲导致毛细胞顶部机械敏感性离子通道的开放。这些通道主要是 机械门控钾离子通道(mechanically gated potassium channel) 和 机械门控钙离子通道(mechanically gated calcium channel)。由于中阶内淋巴液富含钾离子，外淋巴液钾离子浓度较低，当钾离子通道开放时，钾离子从内淋巴液流入毛细胞内，引起毛细胞的 去极化(depolarization)。
⑥ 神经递质释放：毛细胞的去极化导致电压门控钙离子通道(voltage-gated calcium channel)开放，钙离子内流，触发突触小泡(synaptic vesicle)释放神经递质，主要是 谷氨酸(glutamate)，作用于传入听觉神经纤维，引起听觉神经纤维的兴奋，产生动作电位。
⑦ 信号传递：听觉神经纤维将神经信号传递到大脑听觉通路，进行进一步处理。

外毛细胞的胞体运动可以增强基底膜的振动，提高听觉灵敏度和频率分辨能力。外毛细胞的运动机制是一个 электромеханическое преобразование (electromechanical transduction) 过程，即细胞膜电位的变化可以驱动细胞的机械运动。当外毛细胞去极化时，prestin 蛋白收缩，导致细胞缩短；当外毛细胞复极化或超极化时，prestin 蛋白舒张，导致细胞伸长。外毛细胞的这种主动运动可以放大基底膜的振动，特别是对微弱声音的放大作用更为明显。

5.2.3 听觉通路(Auditory Pathway)与听觉皮层(Auditory Cortex)的信息处理

听觉通路(auditory pathway)是指听觉信息从耳蜗传递到大脑皮层的神经通路。听觉信息从耳蜗毛细胞发出后，沿着听神经(auditory nerve)、脑干核团、下丘(inferior colliculus)、内侧膝状体(medial geniculate nucleus, MGN)传递到听觉皮层(auditory cortex)进行进一步处理。

① 听神经(auditory nerve)：又称 耳蜗神经(cochlear nerve) 或 第VIII对脑神经(cranial nerve VIII)，由听神经节(spiral ganglion)神经元的轴突汇聚而成，从耳蜗穿出，将耳蜗毛细胞的神经信号传递到脑干。听神经主要由传入神经纤维组成，负责将听觉信息从耳蜗传递到中枢神经系统。
② 脑干核团(brainstem nuclei)：听神经纤维进入脑干后，主要投射到 耳蜗核(cochlear nucleus, CN) 和 上橄榄复合体(superior olivary complex, SOC)。耳蜗核是听觉通路中的第一个中继站，位于延髓(medulla oblongata)的背外侧。耳蜗核分为背侧耳蜗核(dorsal cochlear nucleus, DCN)和腹侧耳蜗核(ventral cochlear nucleus, VCN)两个亚核。上橄榄复合体位于脑桥(pons)的下部，主要由外侧上橄榄核(lateral superior olive, LSO)、内侧上橄榄核(medial superior olive, MSO) 和中间核(medial nucleus of the trapezoid body, MNTB) 等核团组成。脑干核团在听觉信息处理中起着重要的作用，例如频率分析、强度编码、时间编码和双耳整合等。
③ 下丘(inferior colliculus, IC)：位于中脑(midbrain)的背侧，是听觉通路中的重要中继站。来自耳蜗核和上橄榄复合体的轴突投射到下丘，并在其中形成突触连接。下丘整合来自脑干核团的听觉信息，参与声音定位、频率分辨和听觉反射等功能。
④ 内侧膝状体(medial geniculate nucleus, MGN)：位于丘脑(thalamus)的腹侧，是听觉通路中的丘脑中继站。来自下丘的轴突投射到内侧膝状体，并在其中形成突触连接。内侧膝状体将接收到的听觉信息进行初步处理和整合，然后投射到听觉皮层。内侧膝状体也具有分核结构，不同亚核负责不同的听觉信息处理，例如腹侧内侧膝状体(ventral MGN)主要负责频率和强度信息处理，背侧内侧膝状体(dorsal MGN)主要负责复杂声音和情绪信息处理。
⑤ 听觉皮层(auditory cortex)：位于大脑颞叶(temporal lobe)，是听觉信息处理的最终目的地。听觉皮层主要包括 初级听觉皮层(primary auditory cortex, A1) 和 高级听觉皮层(higher auditory cortex) 两个区域。

⚝ 初级听觉皮层(A1)：又称 颞横回(Heschl's gyrus) 或 41区，是听觉信息进入大脑皮层的第一个区域。A1 接收来自内侧膝状体(MGN)的投射，对听觉信息进行初步分析和编码。A1 具有 音位 топографическая 组织(tonotopic organization) 或 频率 топографическая 组织(frequency map)，即耳蜗基底膜上的不同频率感受区域在 A1 上也有相应的代表区域，形成频率的皮层地图。低频声音主要激活 A1 的前外侧区域，高频声音主要激活 A1 的后内侧区域。A1 中的神经元对特定的声音特征敏感，例如频率、强度、时间模式和声音方向等。A1 的功能柱(functional column)结构相对不明显，但也有研究发现 A1 中存在对特定频率和双耳输入的偏好性柱状组织。
⚝ 高级听觉皮层(higher auditory cortex)：包括 A2、颞上回(superior temporal gyrus, STG)、颞中回(middle temporal gyrus, MTG) 和 颞下回(inferior temporal gyrus, ITG) 等多个区域，位于 A1 的周围，负责对听觉信息进行更高级的加工和整合。A2 接收来自 A1 的投射，进一步处理 A1 传递来的信息，并开始整合声音的复杂特征。颞上回 (STG) 包括 前颞上回(anterior STG, aSTG) 和 后颞上回(posterior STG, pSTG)，aSTG 主要参与语音识别和语义加工，pSTG 主要参与声音定位和运动感知。颞中回 (MTG) 和 颞下回 (ITG) 等更高级的听觉皮层区域参与音乐欣赏、声音记忆和听觉认知等复杂功能。

听觉信息在听觉通路中进行分层处理。从耳蜗的毛细胞开始，经过听神经、脑干核团、下丘、内侧膝状体的逐级传递和处理，最终到达听觉皮层进行高级分析和解释。在听觉皮层中，信息处理进一步细化，从 A1 的基本声音特征检测到高级听觉皮层的复杂声音识别和语义理解，逐步构建出我们对听觉世界的完整感知。听觉信息处理的通路主要可以分为两条平行的通路：腹侧通路(ventral stream) 和 背侧通路(dorsal stream)，类似于视觉系统的通路。

⚝ 腹侧通路(ventral stream)：又称 “what”通路，主要负责声音识别和语义理解。腹侧通路从 A1 出发，经过 A2、aSTG，最终到达颞叶前部(anterior temporal lobe, ATL) 和额下回(inferior frontal gyrus, IFG)。腹侧通路主要处理听觉信息中的 “是什么(what)”，例如声音的身份、语义、情感意义等，参与语音识别、语言理解和音乐欣赏等功能。
⚝ 背侧通路(dorsal stream)：又称 “where”通路 或 “how”通路，主要负责声音定位、运动感知和听觉引导的动作。背侧通路从 A1 出发，经过 A2、pSTG，最终到达顶叶后部(posterior parietal lobe, PPL) 和额叶前部(frontal eye field, FEF)。背侧通路主要处理听觉信息中的 “在哪里(where)” 和 “如何做(how)”，例如声源的位置、运动方向、如何对声音做出反应等，参与声音定位、空间听觉和听觉引导的运动控制等功能。

腹侧通路和背侧通路虽然功能不同，但在听觉信息处理过程中相互协作，共同完成复杂的听觉任务。例如，当我们听到一段语音时，腹侧通路负责识别语音的内容，理解语义；背侧通路则负责定位声源的位置，并引导我们转向声源。

5.2.4 音调、响度与声音定位的神经机制

听觉系统除了感知声音的频率和强度外，还能够感知音调(pitch)、响度(loudness)和声音定位(sound localization)等重要的听觉属性。

音调(pitch) 是指我们感知声音高低的感觉，主要与声音的频率有关。频率越高，音调越高；频率越低，音调越低。音调编码的神经机制主要有两种理论：

① 位置理论(place theory)：认为音调编码是由基底膜上不同位置的振动引起的。不同频率的声音在基底膜上引起最大振幅的位置不同，高频声音在基底膜底部振幅最大，低频声音在基底膜顶部振幅最大。不同位置的毛细胞被激活后，将频率信息转换为位置信息，传递到听觉神经和听觉皮层，从而实现音调编码。音位 топографическая 组织(tonotopic organization)是位置理论的神经生理学基础。位置理论能够很好地解释高频声音的音调编码，但对于低频声音的音调编码解释力不足，因为低频声音在基底膜上的振动范围较广，位置特异性不强。
② 时间理论(temporal theory)：又称 频率理论(frequency theory) 或 volley theory，认为音调编码是由听觉神经纤维的放电时间模式决定的。听觉神经纤维的放电频率可以同步于低频声音的周期，例如，对于 500 Hz 的声音，听觉神经纤维可以以 500 Hz 的频率放电，大脑根据听觉神经纤维的放电频率来解码音调信息。时间理论能够很好地解释低频声音的音调编码，但对于高频声音的音调编码解释力不足，因为听觉神经纤维的放电频率无法同步于高频声音的周期（神经纤维的动作电位存在不应期，无法以太高的频率放电）。

现代音调编码理论认为，位置理论和时间理论是互补的，分别描述了音调编码的不同机制。对于高频声音（> 4 kHz），音调编码主要依赖于位置理论；对于低频声音（< 400 Hz），音调编码主要依赖于时间理论；对于中频声音（400 Hz - 4 kHz），音调编码可能同时依赖于位置理论和时间理论。

响度(loudness) 是指我们感知声音强弱的感觉，主要与声音的强度或声压级有关。强度越高，响度越大；强度越低，响度越小。响度编码的神经机制主要与听觉神经纤维的放电频率和激活的神经元数量有关。

① 神经元放电频率理论(firing rate theory)：认为响度编码是由听觉神经纤维的放电频率决定的。声音强度越大，听觉神经纤维的放电频率越高，大脑感知到的响度也越大。
② 神经元数量理论(population theory)：认为响度编码是由激活的听觉神经元数量决定的。声音强度越大，激活的听觉神经元数量越多，大脑感知到的响度也越大。

实际上，响度编码可能同时依赖于神经元放电频率和激活的神经元数量。随着声音强度的增加，听觉神经纤维的放电频率逐渐饱和，此时响度编码可能更多地依赖于激活的神经元数量。此外，外毛细胞的耳蜗放大器功能也参与响度编码，通过增强对弱声信号的放大作用，提高听觉系统的动态范围。

声音定位(sound localization) 是指我们确定声源在空间中位置的能力。声音定位对于我们感知环境、导航和躲避危险至关重要。声音定位的神经机制主要依赖于双耳听觉信息处理，利用双耳之间的时间差(interaural time difference, ITD) 和强度差(interaural level difference, ILD) 线索。

① 双耳时间差(ITD)：指声音到达两耳的时间差。当声源位于中线两侧时，声音会先到达离声源较近的一侧耳朵，后到达离声源较远的一侧耳朵，形成时间差。双耳时间差主要用于定位低频声音，因为低频声音的波长较长，容易绕过头部，形成明显的时间差。内侧上橄榄核(MSO) 是脑干中处理双耳时间差的关键核团，MSO 神经元对来自两耳的输入信号的时间符合性敏感，即只有当来自两耳的信号几乎同时到达时，MSO 神经元才会被强烈激活。
② 双耳强度差(ILD)：指声音到达两耳的强度差。当声源位于中线两侧时，由于头部的遮挡效应，声音到达离声源较远的一侧耳朵时强度会减弱，形成强度差。双耳强度差主要用于定位高频声音，因为高频声音的波长较短，容易被头部阻挡，形成明显的强度差。外侧上橄榄核(LSO) 是脑干中处理双耳强度差的关键核团，LSO 神经元对来自同侧耳朵的兴奋性输入和来自对侧耳朵的抑制性输入进行比较，强度差越大，LSO 神经元的激活程度越高。

除了双耳时间差和强度差之外，耳廓的形状也参与声音定位，特别是垂直方向的声音定位。耳廓的褶皱和凹陷对不同频率的声音具有不同的反射和散射作用，形成 频谱线索(spectral cue)，大脑可以通过分析频谱线索来判断声源的垂直位置。

声音定位是一个复杂的过程，需要整合双耳时间差、强度差和频谱线索等多种信息。大脑听觉系统通过对这些线索进行分析和整合，最终构建出我们对声源空间位置的感知。

5.3 体感系统(Somatosensory System)：触觉、痛觉、温度觉与本体感觉

体感系统(somatosensory system)是感知身体感觉的感觉系统，包括触觉(touch)、痛觉(pain)、温度觉(temperature sense) 和本体感觉(proprioception) 等多种感觉形式。体感系统使我们能够感知身体与外界环境的接触，体验疼痛和温度变化，以及感知身体的姿势和运动状态。体感信息对于我们的日常生活至关重要，例如识别物体、保护身体免受伤害、调节体温和维持姿势平衡等。本节将详细介绍体感系统的结构和功能，从皮肤感受器(cutaneous receptor)、本体感觉感受器(proprioceptor)，到体感通路(somatosensory pathway)和体感皮层(somatosensory cortex)的信息处理，以及触觉、痛觉、温度觉和本体感觉的神经机制。

5.3.1 皮肤感受器(Cutaneous Receptor)：机械感受器(Mechanoreceptor)、温觉感受器(Thermoreceptor)与伤害感受器(Nociceptor)

皮肤(skin)是人体最大的感觉器官，含有多种类型的 皮肤感受器(cutaneous receptor)，能够感知各种机械刺激、温度刺激和伤害性刺激。根据感受刺激的类型，皮肤感受器主要分为 机械感受器(mechanoreceptor)、温觉感受器(thermoreceptor) 和 伤害感受器(nociceptor) 三类。

① 机械感受器(mechanoreceptor)：感知机械刺激，例如触摸、压力、振动、拉伸等。机械感受器主要分布在皮肤的真皮层(dermis)和表皮层(epidermis)，根据其形态结构、适应特性和感受刺激类型，可以分为多种类型：

⚝ 梅克尔细胞-神经末梢复合体(Merkel cell-neurite complex)：位于表皮深层，与表皮细胞紧密相连，是一种 缓慢适应型(slowly adapting, SA) 机械感受器，对持续的轻触和压力刺激敏感，特别对边缘、曲率和纹理等静态特征敏感，空间分辨率较高，主要参与精细触觉和形状识别。梅克尔细胞-神经末梢复合体的感受野较小，边界清晰。
⚝ 迈斯纳小体(Meissner's corpuscle)：位于真皮乳头层(dermal papillae)，是一种 快速适应型(rapidly adapting, RA) 机械感受器，对轻触和低频振动（10-50 Hz）刺激敏感，特别对运动物体和表面纹理变化敏感，时间分辨率较高，主要参与运动触觉和纹理感知。迈斯纳小体的感受野较小，边界清晰。
⚝ 帕西尼小体(Pacinian corpuscle)：位于真皮深层和皮下组织(subcutaneous tissue)，是一种 极快速适应型(very rapidly adapting, VR) 或 快速适应型II型(RAII) 机械感受器，对深层压力和高频振动（50-500 Hz）刺激敏感，特别对快速变化的机械刺激和振动敏感，时间分辨率极高，主要参与振动觉和快速变形的感知。帕西尼小体的感受野较大，边界模糊。
⚝ 鲁菲尼小体(Ruffini ending)：位于真皮深层和皮下组织，是一种 缓慢适应型II型(SAII) 机械感受器，对皮肤拉伸和持续压力刺激敏感，特别对皮肤的侧向拉伸和关节运动引起的皮肤变形敏感，主要参与皮肤拉伸觉和姿势觉。鲁菲尼小体的感受野较大，边界模糊。
⚝ 毛囊感受器(hair follicle receptor)：位于毛囊周围，是一种 快速适应型(RA) 机械感受器，对毛发的弯曲和运动刺激敏感，主要参与轻触觉和运动方向感知。毛囊感受器可以检测到皮肤表面的轻微触摸和物体的运动方向。
⚝ 自由神经末梢(free nerve ending)：分布广泛，在表皮和真皮层都有分布，可以作为机械感受器，也可以作为温觉感受器和伤害感受器。作为机械感受器时，自由神经末梢主要感知粗糙触觉、痒觉和轻微压力。

机械感受器的换能机制主要是 机械门控离子通道(mechanically gated ion channel)。当皮肤受到机械刺激时，皮肤变形，机械感受器周围的细胞膜或细胞外基质发生形变，导致机械门控离子通道开放，离子（主要是钠离子和钙离子）内流，引起感受器膜电位的去极化，产生 感受器电位(receptor potential)。如果感受器电位达到阈值，就会在传入感觉神经纤维上产生动作电位，将机械刺激信息传递到中枢神经系统。

② 温觉感受器(thermoreceptor)：感知温度刺激，包括冷觉和温觉。温觉感受器是 自由神经末梢(free nerve ending)，分布在皮肤的真皮层和表皮层，主要有两类：

⚝ 冷觉感受器(cold receptor)：对温度下降敏感，感受温度范围约为 10-35 ℃，最敏感温度约为 20-25 ℃。冷觉感受器在温度下降时兴奋，温度升高时抑制。
⚝ 温觉感受器(warm receptor)：对温度升高敏感，感受温度范围约为 30-45 ℃，最敏感温度约为 37-40 ℃。温觉感受器在温度升高时兴奋，温度下降时抑制。

温度感受的换能机制涉及 温度敏感性离子通道(temperature-sensitive ion channel)，也称为 瞬时受体电位通道(transient receptor potential channel, TRP channel)。TRP 通道是一个超家族的阳离子通道，其中一些亚型对温度变化敏感，例如 TRPM8 通道对冷刺激敏感，TRPV1 通道对热刺激和辣椒素敏感，TRPV3 通道对温热刺激敏感，TRPV4 通道对温暖刺激和渗透压变化敏感。当温度刺激作用于温觉感受器时，相应的 TRP 通道开放，阳离子内流，引起感受器膜电位的变化，产生感受器电位，最终在传入感觉神经纤维上产生动作电位，将温度信息传递到中枢神经系统。

③ 伤害感受器(nociceptor)：感知伤害性刺激，例如强烈的机械刺激、极端温度刺激、化学刺激等，引起痛觉。伤害感受器是 自由神经末梢(free nerve ending)，分布在皮肤、肌肉、关节和内脏等组织中，主要有两类：

⚝ 机械性伤害感受器(mechanical nociceptor)：对强烈的机械刺激（例如切割、穿刺、挤压）敏感。
⚝ 多模式伤害感受器(polymodal nociceptor)：对多种伤害性刺激（例如强烈的机械刺激、极端温度刺激、化学刺激）敏感。

伤害感受的换能机制涉及多种离子通道和受体，包括 机械门控离子通道(mechanically gated ion channel)、温度敏感性离子通道(temperature-sensitive ion channel, TRP 通道) 和 化学敏感性受体(chemosensitive receptor)，例如 酸敏感性离子通道(acid-sensing ion channel, ASIC)、辣椒素受体(capsaicin receptor, TRPV1) 和 缓激肽受体(bradykinin receptor) 等。当伤害性刺激作用于伤害感受器时，相应的离子通道或受体被激活，离子内流或细胞内信号通路激活，引起感受器膜电位的变化，产生感受器电位，最终在传入感觉神经纤维上产生动作电位，将伤害性信息传递到中枢神经系统。

5.3.2 本体感觉(Proprioception)与本体感觉感受器(Proprioceptor)

本体感觉(proprioception) 是指我们感知自身身体姿势、运动和位置的感觉，也称为 肌肉运动觉(kinesthesia) 或 位置觉(position sense)。本体感觉使我们能够在闭上眼睛的情况下也能知道身体各部分的位置和运动状态，对于维持姿势平衡、协调运动和执行精细动作至关重要。本体感觉感受器(proprioceptor) 主要分布在肌肉、肌腱和关节等运动系统中，包括 肌梭(muscle spindle)、高尔基腱器官(Golgi tendon organ) 和 关节感受器(joint receptor) 三类。

① 肌梭(muscle spindle)：位于骨骼肌(skeletal muscle)内部，是一种梭形的感受器，平行于肌纤维(muscle fiber)排列。肌梭主要感知肌肉的长度变化和拉伸速度，是 牵张反射(stretch reflex) 的感受器。肌梭由 梭内肌纤维(intrafusal muscle fiber) 和 感觉神经末梢(sensory nerve ending) 组成。梭内肌纤维分为 核袋纤维(nuclear bag fiber) 和 核链纤维(nuclear chain fiber) 两种类型，感觉神经末梢缠绕在梭内肌纤维上，主要有 Ia 类感觉神经纤维(group Ia sensory fiber) 和 II 类感觉神经纤维(group II sensory fiber) 两种类型。Ia 类纤维对肌肉长度变化和拉伸速度都敏感，是一种快速适应型感受器，主要负责检测肌肉拉伸的动态变化。II 类纤维主要对肌肉长度变化敏感，是一种缓慢适应型感受器，主要负责检测肌肉拉伸的静态状态。当肌肉被拉伸时，梭内肌纤维被拉长，刺激感觉神经末梢，产生神经冲动，将肌肉长度和拉伸速度信息传递到中枢神经系统。

② 高尔基腱器官(Golgi tendon organ, GTO)：位于肌腱(tendon)和肌肉的连接处，是一种梭形的感受器，串联于肌纤维排列。高尔基腱器官主要感知肌肉的张力变化，是 反牵张反射(reverse stretch reflex) 的感受器。高尔基腱器官由胶原纤维束和 Ib 类感觉神经纤维(group Ib sensory fiber) 组成。Ib 类纤维缠绕在胶原纤维束之间。当肌肉收缩或被拉伸时，肌腱张力增加，挤压胶原纤维束，刺激 Ib 类纤维，产生神经冲动，将肌肉张力信息传递到中枢神经系统。高尔基腱器官对肌肉张力变化非常敏感，能够防止肌肉过度收缩，起到保护肌肉和肌腱的作用。

③ 关节感受器(joint receptor)：位于关节囊(joint capsule)和韧带(ligament)中，感知关节的位置和运动状态。关节感受器主要有四种类型：鲁菲尼小体样末梢(Ruffini-like ending)、帕西尼小体样末梢(Pacinian corpuscle-like ending)、高尔基腱器官样末梢(Golgi tendon organ-like ending) 和 自由神经末梢(free nerve ending)。不同类型的关节感受器对关节运动的不同方面敏感，例如关节角度、运动速度和运动方向等。关节感受器与肌梭和高尔基腱器官共同合作，提供全面的本体感觉信息，使我们能够感知身体各部分的相对位置和运动状态。

本体感觉的换能机制与机械感受器类似，主要是 机械门控离子通道(mechanically gated ion channel)。当肌肉被拉伸、肌腱张力增加或关节运动时，本体感觉感受器周围的组织变形，机械门控离子通道开放，离子内流，引起感受器膜电位的变化，产生感受器电位，最终在传入感觉神经纤维上产生动作电位，将本体感觉信息传递到中枢神经系统。

5.3.3 体感通路(Somatosensory Pathway)与体感皮层(Somatosensory Cortex)的信息处理

体感通路(somatosensory pathway)是指体感信息从外周感受器传递到大脑皮层的神经通路。体感通路主要有两条主要的传导通路：背柱-内侧丘系通路(dorsal column-medial lemniscus pathway) 和 脊髓丘脑通路(spinothalamic tract)。

① 背柱-内侧丘系通路(dorsal column-medial lemniscus pathway)：主要传递精细触觉、振动觉和本体感觉信息。

⚝ 一级传入神经元(first-order neuron)：感觉神经元的细胞体位于 背根神经节(dorsal root ganglion, DRG) 或 脑神经感觉神经节(cranial nerve sensory ganglion)。轴突进入脊髓(spinal cord)或脑干(brainstem)，在 后索(dorsal column) 中上行，到达延髓(medulla oblongata)的 薄束核(gracile nucleus) 和 楔束核(cuneate nucleus)。来自下半身的触觉和本体感觉信息主要在薄束核中中继，来自上半身的触觉和本体感觉信息主要在楔束核中中继。
⚝ 二级传入神经元(second-order neuron)：细胞体位于薄束核和楔束核。轴突交叉到对侧，形成 内侧丘系(medial lemniscus)，上行到达丘脑(thalamus)的 腹后外侧核(ventral posterolateral nucleus, VPL) 和 腹后内侧核(ventral posteromedial nucleus, VPM)。VPL 主要接收来自躯干和四肢的体感信息，VPM 主要接收来自头面部的体感信息。
⚝ 三级传入神经元(third-order neuron)：细胞体位于丘脑的 VPL 和 VPM 核。轴突投射到大脑皮层的 初级体感皮层(primary somatosensory cortex, S1)。

② 脊髓丘脑通路(spinothalamic tract)：主要传递痛觉、温度觉和粗糙触觉信息。

⚝ 一级传入神经元(first-order neuron)：感觉神经元的细胞体位于背根神经节或脑神经感觉神经节。轴突进入脊髓或脑干，在 后角(dorsal horn) 中与二级传入神经元形成突触连接。
⚝ 二级传入神经元(second-order neuron)：细胞体位于脊髓后角。轴突交叉到对侧，形成 脊髓丘脑束(spinothalamic tract)，上行到达丘脑的 VPL 和 VPM 核，以及其他丘脑核团，例如 内侧丘脑核群(medial thalamic nuclei) 和 后丘脑核群(posterior thalamic nuclei)。脊髓丘脑束分为 新脊髓丘脑束(neospinothalamic tract) 和 古脊髓丘脑束(paleospinothalamic tract)。新脊髓丘脑束主要投射到丘脑 VPL 和 VPM 核，传递定位明确的快速痛觉和温度觉；古脊髓丘脑束主要投射到丘脑内侧核群和后丘脑核群，传递定位不明确的慢性痛觉和情绪性痛觉。
⚝ 三级传入神经元(third-order neuron)：细胞体位于丘脑的 VPL、VPM 和其他核团。轴突投射到大脑皮层的 初级体感皮层(S1) 和 次级体感皮层(secondary somatosensory cortex, S2)，以及其他皮层区域，例如 前扣带回(anterior cingulate cortex, ACC) 和 岛叶(insula)。

体感皮层(somatosensory cortex) 位于大脑顶叶(parietal lobe)，主要包括 初级体感皮层(S1) 和 次级体感皮层(S2)。

⚝ 初级体感皮层(S1)：又称 躯体感觉皮层I区 或 3, 1, 2区，位于中央后回(postcentral gyrus)，是体感信息进入大脑皮层的第一个区域。S1 接收来自丘脑 VPL 和 VPM 核的投射，对体感信息进行初步分析和编码。S1 具有 躯体 топографическая 组织(somatotopic organization) 或 体感小人(somatosensory homunculus)，即身体不同部位在 S1 上有相应的代表区域，形成身体的皮层地图。身体各部位在 S1 上的代表区域大小与该部位的感觉灵敏度成正比，例如手指和嘴唇在 S1 上的代表区域较大，感觉灵敏度较高；躯干和小腿在 S1 上的代表区域较小，感觉灵敏度较低。S1 主要处理精细触觉、振动觉、本体感觉和定位明确的痛觉和温度觉。S1 可以进一步细分为 3a区、3b区、1区 和 2区 四个亚区，各亚区的功能略有不同。3a 区主要接收本体感觉信息，3b 区主要接收精细触觉信息，1 区主要接收纹理信息，2 区主要接收形状和大小信息。
⚝ 次级体感皮层(S2)：又称 躯体感觉皮层II区 或 40区，位于外侧裂(lateral fissure)的上缘，S1 的后外侧。S2 接收来自 S1 和丘脑的投射，对体感信息进行更高级的加工和整合。S2 也具有躯体 топографическая 组织，但不如 S1 精细。S2 主要参与整合来自身体两侧的体感信息，处理复杂的触觉刺激，例如物体识别和空间触觉。S2 还参与学习和记忆触觉信息。

体感信息在体感通路中进行分层处理。从皮肤感受器和本体感觉感受器开始，经过一级、二级和三级传入神经元的逐级传递和处理，最终到达体感皮层进行高级分析和解释。在体感皮层中，信息处理进一步细化，从 S1 的基本感觉特征检测到 S2 的复杂物体识别和空间触觉，逐步构建出我们对身体感觉的完整感知。体感信息处理的通路也存在腹侧通路和背侧通路，类似于视觉和听觉系统，但不如视觉和听觉系统那样明确和独立。体感腹侧通路可能主要参与触觉识别和物体辨认，体感背侧通路可能主要参与空间触觉和运动控制。

5.3.4 痛觉(Pain)的神经机制与调控

痛觉(pain) 是一种复杂的感觉体验，既包括感觉成分（疼痛的强度、性质、位置和持续时间），也包括情感和认知成分（疼痛引起的不愉快感、情绪反应和行为反应）。痛觉是一种保护性机制，警告我们身体组织可能正在或即将受到损伤，促使我们采取措施避免进一步损伤。痛觉的神经机制非常复杂，涉及外周感受器、传入神经通路和中枢神经系统多个层面的参与。

① 痛觉感受器(nociceptor)：即伤害感受器，分布在皮肤、肌肉、关节和内脏等组织中，感知伤害性刺激，启动痛觉信号的产生。伤害感受器主要有机械性伤害感受器和多模式伤害感受器两种类型，对强烈的机械刺激、极端温度刺激和化学刺激敏感。
② 传入神经通路(afferent pathway)：痛觉信息由 Aδ 纤维(A-delta fiber) 和 C 纤维(C fiber) 两种传入神经纤维传递到中枢神经系统。

⚝ Aδ 纤维(A-delta fiber)：直径较粗，有髓鞘(myelin sheath)，传导速度较快（5-30 m/s），主要传递定位明确的 快速痛(fast pain) 或 第一痛(first pain)。快速痛通常是对伤害性刺激的初始反应，感觉尖锐、刺痛，能够迅速引起保护性反射。Aδ 纤维主要由机械性伤害感受器和部分温觉伤害感受器激活。
⚝ C 纤维(C fiber)：直径细，无髓鞘，传导速度较慢（0.5-2 m/s），主要传递定位不明确的 慢性痛(slow pain) 或 第二痛(second pain)。慢性痛通常在快速痛之后出现，感觉灼烧、钝痛，持续时间较长，伴随不愉快的情绪反应。C 纤维主要由多模式伤害感受器激活。

Aδ 纤维和 C 纤维的传入神经元细胞体位于背根神经节或脑神经感觉神经节，轴突进入脊髓后角，与脊髓后角的二级传入神经元形成突触连接，构成脊髓丘脑通路，将痛觉信息传递到丘脑和大脑皮层。

③ 中枢神经通路(central pathway)：痛觉信息主要通过脊髓丘脑通路传递到丘脑和大脑皮层。脊髓丘脑通路分为新脊髓丘脑束和古脊髓丘脑束，分别传递不同类型的痛觉信息。新脊髓丘脑束主要传递定位明确的快速痛觉，投射到丘脑 VPL 和 VPM 核，再投射到初级体感皮层 S1，参与痛觉的感觉辨别成分。古脊髓丘脑束主要传递定位不明确的慢性痛觉和情绪性痛觉，投射到丘脑内侧核群和后丘脑核群，再投射到前扣带回 ACC、岛叶和前额叶皮层 PFC 等区域，参与痛觉的情感和认知成分。

痛觉调控(pain modulation) 是指中枢神经系统对痛觉信号的抑制和增强作用。痛觉调控机制非常复杂，包括上行通路调控和下行通路调控。

① 上行通路调控(ascending pathway modulation)：在脊髓水平，非伤害性触觉刺激(non-noxious tactile stimulus) 可以抑制伤害性刺激引起的痛觉，这种现象称为 门控理论(gate control theory)。门控理论认为，脊髓后角存在一个“门控”机制，非伤害性触觉刺激激活的 Aβ 纤维可以激活脊髓后角的抑制性中间神经元，抑制伤害性刺激激活的 Aδ 纤维和 C 纤维的传入，从而减轻痛觉。摩擦或按摩疼痛部位可以减轻疼痛，就是门控理论的体现。
② 下行通路调控(descending pathway modulation)：大脑可以发出下行信号，调控脊髓后角的痛觉传递，抑制或增强痛觉。下行抑制系统(descending inhibitory system) 主要由 脑干灰质周围区(periaqueductal gray, PAG)、延髓脑干腹内侧区(rostral ventromedial medulla, RVM) 和 蓝斑核(locus coeruleus, LC) 等脑区组成。PAG 接收来自前额叶皮层、杏仁核和下丘脑等脑区的输入，激活 RVM 和 LC，RVM 和 LC 释放 内源性阿片肽(endogenous opioid peptide) 和 去甲肾上腺素(norepinephrine) 等神经递质，作用于脊髓后角的中间神经元和传入神经纤维，抑制痛觉信号的传递。应激性镇痛(stress-induced analgesia) 和 安慰剂效应(placebo effect) 都与下行抑制系统的激活有关。

慢性疼痛(chronic pain) 是指持续时间超过 3 个月以上的疼痛，通常与组织损伤愈合无关，严重影响患者的生活质量。慢性疼痛的神经机制非常复杂，涉及外周敏化(peripheral sensitization)、中枢敏化(central sensitization) 和神经环路重塑(neural circuit remodeling) 等多种机制。外周敏化是指外周伤害感受器的敏感性增高，对刺激的阈值降低，反应增强。中枢敏化是指脊髓和大脑中枢神经元的兴奋性增高，对传入信号的放大作用增强。神经环路重塑是指慢性疼痛可以引起神经环路的结构和功能发生改变，形成疼痛记忆和疼痛病理。慢性疼痛的治疗策略包括药物治疗、物理治疗、心理治疗和神经调控技术等多种方法，但慢性疼痛的治疗仍然是一个挑战。

5.4 味觉系统(Gustatory System)与嗅觉系统(Olfactory System)：化学感觉

味觉系统(gustatory system) 和 嗅觉系统(olfactory system) 是感知化学刺激的感觉系统，也称为 化学感觉(chemical sense)。味觉系统主要感知食物的味道，包括甜、酸、苦、咸和鲜五种基本味觉；嗅觉系统主要感知空气中的气味分子，能够分辨数千种不同的气味。味觉和嗅觉在食物选择、营养摄取、社会交流和情感体验等方面起着重要的作用。本节将介绍味觉和嗅觉系统的结构和功能，从味觉感受器(taste receptor)、嗅觉感受器(olfactory receptor)，到味觉通路(gustatory pathway)、嗅觉通路(olfactory pathway) 和味觉皮层(gustatory cortex)、嗅觉皮层(olfactory cortex) 的信息处理。

5.4.1 味觉系统(Gustatory System)：味蕾(Taste Bud)与味觉感受器(Taste Receptor)

味觉系统(gustatory system) 是感知食物味道的感觉系统，主要功能是辨别食物的化学成分，评估食物的营养价值和潜在危害，引导食物的选择和摄取。味觉器官是 味蕾(taste bud)，主要分布在舌头(tongue)的 味乳头(taste papilla) 上，也分布在口腔(oral cavity) 的软腭(soft palate)、咽后壁(pharyngeal wall) 和会厌(epiglottis) 等部位。舌头上的味乳头主要有四种类型：

① 轮廓乳头(circumvallate papilla)：位于舌根部，呈倒 V 字形排列，数量较少，但体积最大，每个轮廓乳头周围有数百个味蕾。轮廓乳头主要感知苦味。
② 叶状乳头(foliate papilla)：位于舌侧缘后部，呈叶片状褶皱，每个叶状乳头含有数十个味蕾。叶状乳头主要感知酸味和咸味。
③ 菌状乳头(fungiform papilla)：分布在舌尖和舌前部，呈蘑菇状突起，数量较多，每个菌状乳头顶部含有一个或数个味蕾。菌状乳头对各种味觉都有反应，但主要感知甜味和咸味。
④ 丝状乳头(filiform papilla)：分布在舌背前部，呈细丝状突起，数量最多，但不含味蕾，主要功能是增加舌头的摩擦力，帮助食物的抓取和移动。

味蕾(taste bud) 是味觉系统的基本功能单位，呈卵圆形结构，由 味觉感受细胞(gustatory receptor cell) 和 支持细胞(supporting cell) 组成，周围被基底细胞(basal cell) 包围。每个味蕾包含约 50-100 个味觉感受细胞，味觉感受细胞根据其形态和功能，可以分为 I 型细胞(type I cell)、II 型细胞(type II cell)、III 型细胞(type III cell) 和 IV 型细胞(type IV cell) 四种类型。味觉感受细胞的顶部有 味孔(taste pore)，化学物质通过味孔进入味蕾，与味觉感受细胞上的 味觉受体(taste receptor) 结合，启动味觉信号的转导。

味觉受体(taste receptor) 位于味觉感受细胞的细胞膜上，能够识别不同的味觉分子，启动味觉信号的转导。目前已知的味觉受体主要分为两类：离子通道型受体(ionotropic receptor) 和 代谢型受体(metabotropic receptor)。

① 离子通道型受体(ionotropic receptor)：直接与离子通道相连，化学物质与受体结合后，直接引起离子通道的开放或关闭，改变细胞膜的离子通透性，产生感受器电位。咸味(salty taste) 和 酸味(sour taste) 的信号转导主要通过离子通道型受体。

⚝ 咸味(salty taste)：主要由 钠离子(Na+) 引起。咸味感受细胞 (可能主要是 I 型细胞) 膜上存在 上皮钠通道(epithelial sodium channel, ENaC)，钠离子通过 ENaC 通道直接进入细胞，引起细胞膜的去极化，产生感受器电位。高浓度的钠盐还可以通过激活 瞬时受体电位通道 TRPV1 (transient receptor potential vanilloid 1) 引起痛觉。
⚝ 酸味(sour taste)：主要由 氢离子(H+) 或 酸性物质 引起。酸味感受细胞 (可能主要是 III 型细胞) 膜上存在 酸敏感性离子通道 ASIC (acid-sensing ion channel) 和 瞬时受体电位通道 TRPV1，氢离子可以通过 ASIC 通道直接进入细胞，也可以通过阻断 钾离子通道(potassium channel) 间接引起细胞膜的去极化，产生感受器电位。

② 代谢型受体(metabotropic receptor)：与 G 蛋白(G protein) 偶联，化学物质与受体结合后，激活 G 蛋白，启动细胞内信号转导通路，最终引起离子通道的开放或关闭，产生感受器电位。甜味(sweet taste)、苦味(bitter taste) 和 鲜味(umami taste) 的信号转导主要通过代谢型受体。

⚝ 甜味(sweet taste)：主要由 糖类、糖精、氨基酸 和 人工甜味剂 等引起。甜味感受细胞 (主要是 II 型细胞) 膜上存在 T1R2 + T1R3 异二聚体受体(T1R2 + T1R3 heterdimer receptor)。甜味分子与 T1R2 + T1R3 受体结合后，激活 G 蛋白 gustducin，启动 cAMP 信号通路，最终引起 瞬时受体电位通道 TRPM5 (transient receptor potential melastatin 5) 开放，钠离子和钙离子内流，细胞膜去极化，释放神经递质 ATP。
⚝ 苦味(bitter taste)：主要由 生物碱、毒素 和 某些药物 等引起。苦味感受细胞 (主要是 II 型细胞) 膜上存在 T2R 受体家族(T2R receptor family)，人类约有 25 种不同的 T2R 受体，能够识别多种不同的苦味分子。苦味分子与 T2R 受体结合后，激活 G 蛋白 gustducin，启动 PLCβ2 信号通路，最终引起 瞬时受体电位通道 TRPM5 开放，钠离子和钙离子内流，细胞膜去极化，释放神经递质 ATP。
⚝ 鲜味(umami taste)：主要由 谷氨酸盐 和 核苷酸 等引起。鲜味感受细胞 (主要是 II 型细胞) 膜上存在两种受体：T1R1 + T1R3 异二聚体受体(T1R1 + T1R3 heterdimer receptor) 和 代谢型谷氨酸受体 mGluR4 (metabotropic glutamate receptor 4)。谷氨酸盐 (例如味精 MSG) 主要激活 T1R1 + T1R3 受体，核苷酸 (例如肌苷酸 IMP 和鸟苷酸 GMP) 可以增强谷氨酸盐对 T1R1 + T1R3 受体的激活作用。T1R1 + T1R3 受体激活后，信号转导通路与甜味受体类似，最终引起 TRPM5 通道开放，释放神经递质 ATP。mGluR4 受体的信号转导通路尚不完全清楚。

味觉感受细胞释放的神经递质主要是 ATP (三磷酸腺苷) 和 5-羟色胺 (serotonin)。ATP 主要作用于传入味觉神经纤维上的 P2X 和 P2Y 受体，5-羟色胺的作用尚不完全清楚。

5.4.2 嗅觉系统(Olfactory System)：嗅觉受体神经元(Olfactory Receptor Neuron)与嗅觉受体(Olfactory Receptor)

嗅觉系统(olfactory system) 是感知空气中气味分子(odorant) 的感觉系统，能够分辨数千种不同的气味，对识别食物、寻找配偶、躲避危险和社交交流等方面起着重要的作用。嗅觉器官是 嗅上皮(olfactory epithelium)，位于鼻腔(nasal cavity) 的顶部，覆盖鼻甲(nasal concha) 和鼻中隔(nasal septum) 的上部，面积约 2-4 平方厘米。嗅上皮由三种类型的细胞组成：嗅觉受体神经元(olfactory receptor neuron, ORN)、支持细胞(supporting cell) 和 基底细胞(basal cell)。

① 嗅觉受体神经元(olfactory receptor neuron, ORN)：又称 嗅细胞(olfactory cell)，是嗅觉系统的感觉神经元，也是唯一可以直接与外界环境接触的中枢神经元。ORN 呈双极神经元形态，细胞体位于嗅上皮层内，顶端伸出 嗅纤毛(olfactory cilia)，末端伸出 轴突(axon)。嗅纤毛突出于黏液层(mucus layer) 中，是气味分子与嗅觉受体相互作用的部位。轴突穿过筛板(cribriform plate) 进入颅腔，汇聚形成 嗅丝(olfactory fila)，最终投射到 嗅球(olfactory bulb)。ORN 是可更新的神经元，具有神经发生(neurogenesis) 能力，其寿命约为 4-8 周，基底细胞可以不断分化产生新的 ORN。
② 支持细胞(supporting cell)：又称 嗅鞘细胞(sustentacular cell)，是一种柱状上皮细胞，位于 ORN 之间，起到支撑和保护 ORN、分泌黏液、清除代谢废物和维持离子稳态等作用。支持细胞的顶端有微绒毛(microvilli)，表面覆盖黏液层。
③ 基底细胞(basal cell)：位于嗅上皮层的基底层，是一种干细胞(stem cell)，可以分化产生新的 ORN 和支持细胞，维持嗅上皮的再生和更新。

嗅觉受体(olfactory receptor, OR) 位于嗅觉受体神经元(ORN) 的嗅纤毛膜上，能够识别不同的气味分子，启动嗅觉信号的转导。嗅觉受体是 G 蛋白偶联受体(G protein-coupled receptor, GPCR) 超家族成员，属于 7-跨膜受体(7-transmembrane receptor)。人类基因组中约有 400 个功能性的嗅觉受体基因，构成庞大的嗅觉受体基因家族，是哺乳动物基因家族中最大的基因家族之一。每个 ORN 只表达一种类型的嗅觉受体基因，但一种嗅觉受体可以识别多种结构相似的气味分子，一种气味分子也可以激活多种不同的嗅觉受体。嗅觉受体的多样性和组合编码机制是嗅觉系统能够分辨数千种不同气味的基础。

嗅觉信号转导(olfactory signal transduction) 的过程可以概括为：

① 气味分子吸附：气味分子通过鼻腔气流进入嗅区，溶解在覆盖在嗅上皮表面的黏液层中，并扩散到嗅纤毛表面。
② 受体结合：气味分子与嗅纤毛膜上的嗅觉受体(OR) 结合，激活嗅觉受体。
③ G 蛋白激活：嗅觉受体激活后，激活 G 蛋白 Golf (olfactory-specific G protein)。
④ 腺苷酸环化酶激活：Golf 激活 腺苷酸环化酶(adenylyl cyclase, AC)，催化 ATP 生成 环磷酸腺苷(cyclic AMP, cAMP)。
⑤ cAMP 通道开放：cAMP 作为第二信使，结合并激活嗅觉受体神经元膜上的 环核苷酸门控通道(cyclic nucleotide-gated channel, CNG channel)。CNG 通道是一种非选择性阳离子通道，对钠离子、钙离子和钾离子都具有通透性，但主要以内流钠离子和钙离子为主。
⑥ 细胞膜去极化：CNG 通道开放后，钠离子和钙离子内流，引起嗅觉受体神经元膜的 去极化(depolarization)，产生 感受器电位(receptor potential)，也称为 嗅觉受体电流(olfactory receptor current, ORC)。
⑦ 动作电位产生：如果感受器电位达到阈值，就会在嗅觉受体神经元的轴突起始段产生 动作电位(action potential)，将嗅觉信息传递到中枢神经系统。嗅觉受体神经元的动作电位频率与气味分子的浓度呈正相关。

嗅觉信号的终止机制包括气味分子的代谢降解、黏液层中酶的分解、嗅觉受体的脱敏和嗅觉受体神经元的适应等。

嗅觉编码(olfactory coding) 是指嗅觉系统如何编码和区分不同的气味。嗅觉编码主要依赖于 组合编码(combinatorial coding) 或 模式编码(pattern coding) 机制。

⚝ 组合编码(combinatorial coding)：认为每种气味分子可以激活多种不同的嗅觉受体，每种嗅觉受体也可以被多种不同的气味分子激活。大脑通过分析不同嗅觉受体的组合激活模式来区分不同的气味。例如，气味 A 激活受体 1、2、3，气味 B 激活受体 2、4、5，气味 C 激活受体 1、3、5 等，大脑可以根据不同的受体激活模式来区分气味 A、B、C。组合编码机制可以大大增加嗅觉系统可以分辨的气味数量。
⚝ 气味 топографическая 组织(odorotopic map)：嗅球(olfactory bulb) 中的 嗅小球(olfactory glomerulus) 具有气味 топографическая 组织，即表达相同类型嗅觉受体的 ORN 的轴突会汇聚到同一个或少数几个嗅小球中，形成气味分子与嗅小球之间的对应关系。不同的气味分子激活不同的嗅小球组合，大脑可以通过分析嗅小球的激活模式来解码气味信息。

5.4.3 味觉通路(Gustatory Pathway)与味觉皮层(Gustatory Cortex)的信息处理

味觉通路(gustatory pathway) 是指味觉信息从味蕾传递到大脑皮层的神经通路。味觉信息从味蕾的味觉感受细胞发出后，通过三条脑神经(cranial nerve) 传递到脑干核团，再经过丘脑(thalamus) 中继，最终到达味觉皮层(gustatory cortex) 进行进一步处理。

① 传入味觉神经(afferent gustatory nerve)：味觉信息主要通过三条脑神经传入中枢神经系统：

⚝ 面神经(facial nerve, 第VII对脑神经)：支配舌前 2/3 的味蕾，包括菌状乳头和叶状乳头。面神经的味觉纤维主要位于 鼓索神经(chorda tympani nerve) 分支。
⚝ 舌咽神经(glossopharyngeal nerve, 第IX对脑神经)：支配舌后 1/3 的味蕾，包括轮廓乳头和叶状乳头，以及咽后壁的味蕾。
⚝ 迷走神经(vagus nerve, 第X对脑神经)：支配会厌和咽喉部等部位的味蕾。

② 脑干核团(brainstem nuclei)：传入味觉神经纤维进入脑干后，汇聚到 孤束核(nucleus of the solitary tract, NTS)，位于延髓(medulla oblongata) 的背侧。孤束核是味觉通路中的第一个中继站，接收来自面神经、舌咽神经和迷走神经的味觉信息，并进行初步处理和整合。孤束核还接收来自内脏感觉器官的信息，参与调节内脏功能和反射，例如唾液分泌、吞咽反射和恶心呕吐反射等。
③ 丘脑核团(thalamic nuclei)：来自孤束核的轴突投射到丘脑的 腹后内侧核(ventral posteromedial nucleus, VPM) 的 内侧部(medial part, VPMpc)，也称为 味觉丘脑(gustatory thalamus)。VPMpc 是味觉通路中的丘脑中继站，将接收到的味觉信息传递到味觉皮层。
④ 味觉皮层(gustatory cortex)：位于大脑岛叶(insula) 的前部和额叶(frontal lobe) 的眶额皮层(orbitofrontal cortex, OFC)，是味觉信息处理的最终目的地。

⚝ 岛叶味觉皮层(insular gustatory cortex)：位于岛叶前部的 前岛叶(anterior insula, AI) 和 岛盖(opercular insula, OI) 区域，是初级味觉皮层(primary gustatory cortex)，也称为 G 区。AI/OI 接收来自丘脑 VPMpc 的投射，对味觉信息进行初步分析和编码。AI/OI 具有 味觉 топографическая 组织(gustotopic organization)，即舌头上的不同味觉感受区域在 AI/OI 上也有相应的代表区域，形成味觉的皮层地图。AI/OI 中的神经元对不同的基本味觉（甜、酸、苦、咸、鲜）和味觉强度等特征敏感。AI/OI 主要参与味觉的感觉辨别成分，例如味觉识别、味觉强度感知和味觉偏好性判断等。
⚝ 眶额皮层味觉皮层(orbitofrontal gustatory cortex, OFC)：位于额叶腹侧的眶额皮层，是高级味觉皮层(secondary gustatory cortex)，也称为 GO 区。OFC 接收来自岛叶味觉皮层 AI/OI 和嗅球(olfactory bulb) 的投射，整合味觉、嗅觉和其他感觉信息，形成 多感觉整合(multisensory integration) 的味觉感知。OFC 主要参与味觉的享乐性(hedonicity) 和动机性(motivation) 成分，例如味觉愉悦感、味觉奖励学习和味觉决策等。OFC 还参与味觉的记忆和情绪加工。

味觉信息在味觉通路中进行分层处理。从味蕾的味觉感受细胞开始，经过传入味觉神经、脑干孤束核、丘脑 VPMpc 的逐级传递和处理，最终到达味觉皮层进行高级分析和解释。在味觉皮层中，信息处理进一步细化，从岛叶味觉皮层的基本味觉特征检测到眶额皮层味觉皮层的多感觉整合和享乐性评估，逐步构建出我们对食物味道的完整感知。味觉信息处理通路也与情绪、记忆和动机等脑区相互联系，参与食物选择、摄食行为和营养调节等复杂功能。

5.4.4 嗅觉通路(Olfactory Pathway)与嗅觉皮层(Olfactory Cortex)的信息处理

嗅觉通路(olfactory pathway) 是指嗅觉信息从嗅上皮(olfactory epithelium) 传递到大脑皮层的神经通路。嗅觉信息从嗅觉受体神经元(ORN) 发出后，直接投射到 嗅球(olfactory bulb)，再经过嗅束(olfactory tract) 传递到嗅觉皮层(olfactory cortex) 和其他脑区进行进一步处理。嗅觉通路与其他感觉系统不同，不经过丘脑中继，直接投射到皮层，是一种 直接感觉通路(direct sensory pathway)。

① 嗅球(olfactory bulb, OB)：位于颅前窝(anterior cranial fossa) 的筛板(cribriform plate) 上方，左右各一个，是嗅觉通路中的第一个中继站。嗅球呈卵圆形结构，由多个神经元和神经纤维层组成，主要结构包括 嗅小球层(glomerular layer)、外网状层(external plexiform layer)、僧帽细胞层(mitral cell layer)、内网状层(internal plexiform layer) 和 颗粒细胞层(granule cell layer)。表达相同类型嗅觉受体的 ORN 的轴突汇聚到同一个或少数几个嗅小球(olfactory glomerulus) 中，与嗅球内的 僧帽细胞(mitral cell) 和 簇状细胞(tufted cell) 的树突形成突触连接。每个嗅球约有 2000 个嗅小球，每个嗅小球接收来自约 25000 个 ORN 的轴突输入。嗅小球是嗅觉信息处理的基本功能单位，也是气味 топографическая 组织(odorotopic map) 的形成部位。嗅球内的神经环路复杂，包括兴奋性神经元（僧帽细胞和簇状细胞）、抑制性神经元（颗粒细胞和周细胞）和神经调质(neuromodulator) 等，参与嗅觉信号的增强、精细化和调控。
② 嗅束(olfactory tract, OT)：由嗅球僧帽细胞和簇状细胞的轴突汇聚而成，从嗅球后部发出，向后外侧延伸，最终投射到嗅觉皮层和其他脑区。嗅束可以分为 外侧嗅束(lateral olfactory tract, LOT) 和 内侧嗅束(medial olfactory tract, MOT)。外侧嗅束是主要的嗅觉通路，投射到初级嗅觉皮层和杏仁核等脑区；内侧嗅束较小，主要投射到对侧嗅球和前联合(anterior commissure)。

③ 嗅觉皮层(olfactory cortex)：位于大脑颞叶内侧面，靠近海马(hippocampus) 和杏仁核(amygdala)，是嗅觉信息处理的皮层区域。嗅觉皮层主要包括 梨状皮层(piriform cortex, PC)、嗅结节(olfactory tubercle, OT)、杏仁核皮质核(cortical nucleus of amygdala, CoA)、内嗅皮层(entorhinal cortex, EC) 和 嗅前核(anterior olfactory nucleus, AON) 等多个区域，也称为 初级嗅觉皮层(primary olfactory cortex)。

⚝ 梨状皮层(piriform cortex, PC)：又称 前梨状皮层(anterior PC, APC) 和 后梨状皮层(posterior PC, PPC)，是嗅觉皮层中最大的区域，接收来自嗅球外侧嗅束(LOT) 的主要投射。梨状皮层是初级嗅觉皮层的主要成分，对嗅觉信息进行初步分析和编码。梨状皮层具有 气味 топографическая 组织(odorotopic map)，但不如嗅球嗅小球那样清晰和规则，更倾向于 分布式编码(distributed coding)，即每种气味激活梨状皮层内多个神经元的集合，不同的气味激活不同的神经元集合。梨状皮层主要参与嗅觉的识别和辨别，以及嗅觉记忆的形成。
⚝ 嗅结节(olfactory tubercle, OT)：位于嗅束下方，接收来自嗅球外侧嗅束的投射。嗅结节参与嗅觉信息与运动、奖励和动机的整合，可能与嗅觉引导的行为和决策有关。
⚝ 杏仁核皮质核(cortical nucleus of amygdala, CoA)：位于杏仁核的前外侧，接收来自嗅球外侧嗅束的投射。杏仁核皮质核参与嗅觉信息的情感加工，特别是与气味相关的恐惧和厌恶情绪反应。
⚝ 内嗅皮层(entorhinal cortex, EC)：位于海马旁回(parahippocampal gyrus) 的前部，接收来自梨状皮层的投射。内嗅皮层是嗅觉信息进入海马的重要门户，参与嗅觉记忆的巩固和提取，以及嗅觉与空间认知的整合。
⚝ 嗅前核(anterior olfactory nucleus, AON)：位于嗅球的前部，接收来自嗅球的投射，并将信息投射回嗅球，形成 嗅球-嗅前核环路(olfactory bulb-anterior olfactory nucleus loop)，参与调节嗅球的活动，控制嗅觉输入的强度和模式。

嗅觉信息在嗅觉通路中进行分层处理，但与其他感觉系统不同，嗅觉通路的信息处理更加分散和并行。从嗅上皮的嗅觉受体神经元开始，经过嗅球的初步处理和编码，再经过嗅束传递到嗅觉皮层和其他脑区进行高级分析和整合。在嗅觉皮层中，信息处理进一步细化，从梨状皮层的基本气味特征检测到眶额皮层、杏仁核和海马等脑区的多感觉整合、情感加工和记忆存储，逐步构建出我们对气味世界的完整感知。嗅觉通路与情绪、记忆、动机和内分泌系统等脑区相互联系，参与食物摄取、社交行为、情绪反应和激素调节等复杂功能。嗅觉信息处理通路也存在腹侧通路和背侧通路，类似于视觉和听觉系统，但不如视觉和听觉系统那样明确和独立。嗅觉腹侧通路可能主要参与气味识别和辨别，嗅觉背侧通路可能主要参与空间嗅觉和嗅觉引导的行为。

6. 运动系统(Motor Systems)：运动的控制与执行

本章系统介绍运动系统的结构和功能，包括骨骼肌(skeletal muscle)的结构和收缩机制、脊髓反射(spinal reflex)、运动皮层(motor cortex)、基底神经节(basal ganglia)和小脑(cerebellum)在运动控制中的作用，以及运动学习和运动障碍的神经机制。

6.1 骨骼肌(Skeletal Muscle)的结构与收缩机制

详细介绍骨骼肌的结构，包括肌纤维(muscle fiber)、肌原纤维(myofibril)、肌节(sarcomere)和肌丝(myofilament)，以及骨骼肌收缩的分子机制——滑动丝状理论(sliding filament theory)，包括兴奋-收缩耦联(excitation-contraction coupling)和肌球蛋白-肌动蛋白相互作用。

6.1.1 骨骼肌(Skeletal Muscle)的微观结构

介绍骨骼肌的层次结构，包括肌纤维、肌原纤维、肌节和肌丝，以及肌节的组成成分——肌动蛋白细丝(actin filament)和肌球蛋白粗丝(myosin filament)。

① 骨骼肌的层次结构

骨骼肌是执行运动功能的主要组织，其结构具有高度的层次性，从宏观到微观依次为：

⚝ 肌肉 (Muscle)：一块骨骼肌由许多肌纤维束(fascicle)组成，肌肉外层包裹着外膜(epimysium)，由致密结缔组织构成，具有保护和支持作用。

⚝ 肌纤维束 (Fascicle)：肌纤维束是肌肉的基本结构单元，由许多肌纤维(muscle fiber)组成，每个肌纤维束被肌束膜(perimysium)包裹，肌束膜也是结缔组织，内含血管和神经。

⚝ 肌纤维 (Muscle Fiber)：肌纤维即肌细胞(muscle cell)，是骨骼肌的功能细胞，呈长柱状，多核。每个肌纤维被肌内膜(endomysium)包绕，肌内膜为薄层结缔组织，含有毛细血管和神经末梢，直接与肌纤维进行物质交换。肌纤维膜称为肌膜(sarcolemma)，肌膜内为肌浆(sarcoplasm)，肌浆中含有大量的细胞器，如线粒体(mitochondria)、肌浆网(sarcoplasmic reticulum)和肌原纤维(myofibril)。

⚝ 肌原纤维 (Myofibril)：肌原纤维是肌纤维内执行收缩功能的基本单位，占据肌纤维的大部分体积，呈纵向排列。肌原纤维由重复排列的肌节(sarcomere)组成，肌节是肌肉收缩的结构和功能单位。

⚝ 肌节 (Sarcomere)：肌节是肌原纤维的结构和功能单位，相邻两个Z线(Z-line)之间的区域为一个肌节。肌节内含有两种主要的蛋白质丝：肌动蛋白细丝(actin filament)和肌球蛋白粗丝(myosin filament)，它们相互重叠排列，形成肌节的条带结构。

⚝ 肌丝 (Myofilament)：肌丝是构成肌节的蛋白质分子，包括细丝（肌动蛋白细丝）和粗丝（肌球蛋白粗丝）。

② 肌节的条带结构

在显微镜下观察，肌节呈现出明暗相间的条带，这些条带是由肌动蛋白细丝和肌球蛋白粗丝的排列方式决定的：

⚝ A带 (A-band, Anisotropic band)：暗带，肌球蛋白粗丝的长度，其中央部分含有肌球蛋白粗丝和肌动蛋白细丝重叠区域，两侧为仅有肌球蛋白粗丝的H区(H-zone)。

⚝ I带 (I-band, Isotropic band)：明带，位于两个A带之间，由肌动蛋白细丝构成，中央为Z线(Z-line)。

⚝ H区 (H-zone)：位于A带中央，较浅的区域，仅含有肌球蛋白粗丝。

⚝ M线 (M-line)：位于H区中央，连接相邻肌球蛋白粗丝的蛋白质线。

⚝ Z线 (Z-line)：位于I带中央，垂直于肌丝的细线，是肌节的边界，也是肌动蛋白细丝的附着点。

③ 肌丝的组成成分

⚝ 肌动蛋白细丝 (Actin Filament)：主要由肌动蛋白(actin)分子组成，呈双螺旋结构。肌动蛋白细丝还包含调节蛋白，如原肌球蛋白(tropomyosin)和肌钙蛋白复合体(troponin complex)，它们在肌肉收缩的调节中起重要作用。

⚝ 肌球蛋白粗丝 (Myosin Filament)：主要由肌球蛋白(myosin)分子组成，每个肌球蛋白分子由尾部和头部组成，头部具有ATP酶活性和与肌动蛋白结合的能力。肌球蛋白分子聚集形成粗丝，头部向周围伸出，形成横桥(cross-bridge)。

6.1.2 骨骼肌收缩的分子机制：滑动丝状理论(Sliding Filament Theory)

详细解释滑动丝状理论，包括肌球蛋白头部与肌动蛋白结合、驱动肌丝滑动和肌节缩短的过程，以及ATP在肌肉收缩中的作用。

① 滑动丝状理论的基本原理

滑动丝状理论(sliding filament theory)是解释肌肉收缩分子机制的经典理论。该理论认为，肌肉收缩并非肌丝本身缩短，而是肌动蛋白细丝和肌球蛋白粗丝之间发生相对滑动，导致肌节缩短，从而引起肌肉收缩。

② 肌肉收缩的周期

肌肉收缩是一个周期性的过程，包括以下几个步骤：

⚝ 横桥形成 (Cross-bridge Formation)：在静息状态下，肌球蛋白头部已水解ATP，处于“高能”状态，并与肌动蛋白上的结合位点弱结合。当肌浆中Ca²⁺浓度升高时，Ca²⁺与肌钙蛋白结合，引起原肌球蛋白构象变化，暴露出肌动蛋白上的肌球蛋白结合位点，肌球蛋白头部与肌动蛋白上的结合位点牢固结合，形成肌动蛋白-肌球蛋白横桥。

⚝ 力量冲程 (Power Stroke)：横桥形成后，肌球蛋白头部释放水解ADP和无机磷酸，头部构象发生改变，牵拉肌动蛋白细丝向肌节中央滑动，类似于划船的桨叶划水，此过程称为力量冲程。力量冲程导致肌动蛋白细丝向肌节M线方向滑动，肌节缩短。

⚝ 横桥分离 (Cross-bridge Detachment)：力量冲程结束后，新的ATP分子结合到肌球蛋白头部，导致肌球蛋白头部与肌动蛋白的结合力减弱，横桥分离。

⚝ 横桥重置 (Cross-bridge Reset)：ATP水解为ADP和无机磷酸，释放能量，使肌球蛋白头部恢复到“高能”状态，为下一个收缩周期做准备。如果肌浆中Ca²⁺浓度仍然较高，则肌球蛋白头部可以再次与肌动蛋白结合，开始下一个收缩周期。

③ ATP在肌肉收缩中的作用

三磷酸腺苷 (ATP) 在肌肉收缩中发挥至关重要的作用，主要体现在以下几个方面：

⚝ 提供能量用于肌球蛋白头部运动：ATP水解为ADP和无机磷酸，释放的能量驱动肌球蛋白头部构象变化，产生力量冲程，牵拉肌动蛋白细丝滑动。

⚝ 促进横桥分离：新的ATP分子结合到肌球蛋白头部，降低肌球蛋白头部与肌动蛋白的亲和力，促进横桥分离，使肌肉进入下一个收缩周期或舒张状态。

⚝ 维持肌浆网钙泵功能：肌浆网膜上的Ca²⁺-ATP酶（钙泵）需要ATP水解提供的能量，将肌浆中的Ca²⁺泵回肌浆网，降低肌浆Ca²⁺浓度，使肌肉舒张。

因此，ATP是肌肉收缩的直接能量来源，维持肌肉收缩和舒张的正常循环。肌肉细胞内ATP主要通过有氧呼吸(aerobic respiration)和无氧呼吸(anaerobic respiration)产生。

6.1.3 兴奋-收缩耦联(Excitation-Contraction Coupling)

介绍神经肌肉接头(neuromuscular junction)的结构和功能，以及动作电位如何从运动神经元传递到肌纤维，并触发肌肉收缩的过程，包括终板电位(end-plate potential, EPP)和肌纤维动作电位。

① 神经肌肉接头 (Neuromuscular Junction, NMJ) 的结构与功能

神经肌肉接头(neuromuscular junction, NMJ) 是运动神经元(motor neuron)与骨骼肌纤维之间传递神经信号的特化突触结构，也称为运动终板(motor end plate)。NMJ的主要结构包括：

⚝ 突触前末梢 (Presynaptic Terminal)：运动神经元的轴突末梢分支形成突触小球(synaptic bouton)，内含大量的突触小泡(synaptic vesicle)，突触小泡内储存神经递质乙酰胆碱(acetylcholine, ACh)。突触前膜(presynaptic membrane)富含电压门控钙离子通道 (voltage-gated calcium channel)。

⚝ 突触间隙 (Synaptic Cleft)：突触前膜与突触后膜之间的狭窄间隙，宽度约为20-50nm，内含基膜(basal lamina)和乙酰胆碱酯酶 (acetylcholinesterase, AChE)，AChE可以快速水解突触间隙中的ACh，终止信号传递。

⚝ 突触后膜 (Postsynaptic Membrane)：肌纤维膜在NMJ部位特化形成运动终板，突触后膜表面形成许多皱褶，称为接头后皱褶 (junctional folds)，增大突触后膜的表面积。突触后膜富含乙酰胆碱受体 (acetylcholine receptor, AChR)，AChR是配体门控离子通道 (ligand-gated ion channel)，属于烟碱型乙酰胆碱受体 (nicotinic acetylcholine receptor, nAChR)，可以结合ACh并引起离子通道开放。

NMJ的功能是将运动神经元的动作电位转换为肌纤维的电信号，最终触发肌肉收缩。

② 兴奋-收缩耦联的过程

兴奋-收缩耦联 (excitation-contraction coupling) 是指动作电位从肌膜传导到肌原纤维，最终触发肌肉收缩的一系列过程。其主要步骤如下：

▮▮▮▮▮▮▮▮❶ 动作电位到达突触前末梢：运动神经元的动作电位沿轴突传导至突触前末梢，导致突触前膜电压门控钙离子通道开放，细胞外Ca²⁺内流。

▮▮▮▮▮▮▮▮❷ 乙酰胆碱释放：Ca²⁺内流触发突触小泡与突触前膜融合，释放神经递质乙酰胆碱 (ACh) 到突触间隙。

▮▮▮▮▮▮▮▮❸ 终板电位 (End-Plate Potential, EPP) 产生：ACh扩散到突触后膜，与突触后膜上的乙酰胆碱受体 (AChR) 结合，导致AChR通道开放，Na⁺内流和K⁺外流，产生终板电位 (EPP)。EPP是一种局部去极化电位，类似于兴奋性突触后电位 (EPSP)，但EPP的幅度通常足够大，可以达到肌纤维动作电位的阈值。

▮▮▮▮▮▮▮▮❹ 肌纤维动作电位产生与传导：当EPP达到阈值时，触发肌膜上电压门控钠离子通道 (voltage-gated sodium channel) 开放，产生肌纤维动作电位 (muscle fiber action potential)。肌纤维动作电位沿肌膜和横小管 (transverse tubule, T-tubule) 系统传导。T-tubule是肌膜向肌纤维内部凹陷形成的管道系统，与肌浆网紧密相连。

▮▮▮▮▮▮▮▮❺ Ca²⁺释放：肌纤维动作电位沿T-tubule传导，激活T-tubule膜上的电压敏感二氢吡啶受体 (dihydropyridine receptor, DHPR)，DHPR通过机械方式或信号传递，激活肌浆网膜上的钙释放通道——兰尼碱受体 (ryanodine receptor, RyR)，导致肌浆网储存的Ca²⁺大量释放到肌浆中，肌浆Ca²⁺浓度迅速升高。

▮▮▮▮▮▮▮▮❻ 肌肉收缩：肌浆中高浓度的Ca²⁺与肌钙蛋白结合，启动肌球蛋白-肌动蛋白相互作用，发生肌肉收缩。

▮▮▮▮▮▮▮▮❼ 肌肉舒张：当运动神经元停止发放动作电位时，突触前末梢停止释放ACh，突触间隙中的ACh被乙酰胆碱酯酶 (AChE) 水解，EPP消失，肌纤维膜复极化，肌浆网膜上的钙泵 (Ca²⁺-ATPase) 将肌浆中的Ca²⁺主动运输回肌浆网，肌浆Ca²⁺浓度降低，肌肉舒张。

6.1.4 肌肉纤维类型与肌肉代谢

介绍不同类型的肌肉纤维，包括慢肌纤维(slow muscle fiber)和快肌纤维(fast muscle fiber)，以及它们的代谢特性和功能差异，以及肌肉疲劳的机制。

① 肌肉纤维的类型

骨骼肌纤维根据其收缩速度、代谢特性和肌球蛋白重链 (myosin heavy chain, MHC) 同工酶类型的不同，可以分为不同的类型，主要分为两大类：慢肌纤维 (slow muscle fiber, Type I) 和 快肌纤维 (fast muscle fiber, Type II)。快肌纤维又可以进一步细分为 快肌纤维 (Type IIa) 和 快肌纤维 (Type IIb) (或Type IIx)。

⚝ 慢肌纤维 (Type I)：也称为红肌纤维或氧化型肌纤维，特点是：
▮▮▮▮⚝ 收缩速度慢，但耐疲劳能力强。
▮▮▮▮⚝ 线粒体含量丰富，毛细血管密度高，肌红蛋白含量高，呈红色。
▮▮▮▮⚝ 主要通过有氧代谢 (aerobic metabolism) 供能，利用脂肪酸和葡萄糖氧化供能。
▮▮▮▮⚝ 适用于长时间、低强度的活动，如维持姿势、马拉松等。

⚝ 快肌纤维 (Type IIa)：也称为中间型肌纤维或氧化-糖酵解型肌纤维，特点是：
▮▮▮▮⚝ 收缩速度较快，耐疲劳能力中等。
▮▮▮▮⚝ 线粒体含量和毛细血管密度中等，肌红蛋白含量较少。
▮▮▮▮⚝ 可以通过有氧代谢和无氧代谢 (anaerobic metabolism) 供能，糖酵解能力较强。
▮▮▮▮⚝ 适用于中等强度、持续时间较长的活动，如快走、游泳等。

⚝ 快肌纤维 (Type IIb/IIx)：也称为白肌纤维或糖酵解型肌纤维，特点是：
▮▮▮▮⚝ 收缩速度最快，但耐疲劳能力最差，容易疲劳。
▮▮▮▮⚝ 线粒体含量少，毛细血管密度低，肌红蛋白含量低，呈白色。
▮▮▮▮⚝ 主要通过无氧代谢 (糖酵解) 供能，糖酵解酶活性高，糖原储备丰富。
▮▮▮▮⚝ 适用于短时间、高强度的爆发性活动，如短跑、举重等。

② 肌肉代谢

肌肉活动需要消耗能量，能量主要来源于ATP的水解。肌肉细胞内ATP的产生途径主要有三种：

⚝ 磷酸原系统 (Phosphagen System)：利用磷酸肌酸 (creatine phosphate) 快速再生ATP，供能时间短，约10-15秒，适用于短时间、高强度的爆发性活动，如短跑、跳跃。

⚝ 糖酵解 (Glycolysis)：分解葡萄糖或肌糖原产生ATP，可以有氧糖酵解和无氧糖酵解两种方式。无氧糖酵解产生乳酸，供能时间较短，约1-2分钟，适用于高强度、短时间的活动，如400米跑。有氧糖酵解在氧气充足条件下进行，最终产物为二氧化碳和水，可以持续供能较长时间。

⚝ 有氧氧化 (Oxidative Phosphorylation)：利用氧气氧化分解糖、脂肪酸和氨基酸等物质产生ATP，供能效率高，供能时间长，适用于长时间、低强度的活动，如马拉松、长跑。

不同类型的肌肉纤维具有不同的代谢特性，慢肌纤维主要依赖有氧代谢，快肌纤维 (Type IIb) 主要依赖无氧代谢，快肌纤维 (Type IIa) 兼具两种代谢方式。

③ 肌肉疲劳的机制

肌肉疲劳 (muscle fatigue) 是指肌肉在持续或重复收缩后，收缩能力暂时性下降的现象。肌肉疲劳的机制复杂，涉及多种因素，主要包括：

⚝ 能量物质消耗：长时间或高强度运动导致肌肉细胞内ATP、磷酸肌酸和糖原等能量物质消耗殆尽，能量供应不足，影响肌肉收缩。

⚝ 代谢产物积累：无氧代谢产生乳酸，乳酸积累导致肌浆pH值降低，影响酶的活性和肌肉收缩蛋白的功能。此外，ADP、无机磷酸等代谢产物的积累也可能抑制肌肉收缩。

⚝ 离子紊乱：肌肉活动过程中，肌浆和T-tubule系统中K⁺和Na⁺浓度梯度发生改变，影响动作电位的产生和传导。同时，肌浆网Ca²⁺释放和重摄取功能可能受损，导致兴奋-收缩耦联障碍。

⚝ 中枢神经系统疲劳：长时间运动可能导致中枢神经系统疲劳，运动神经元兴奋性降低，对肌肉的驱动减弱。

肌肉疲劳是一种保护机制，防止肌肉过度活动造成损伤。休息可以恢复肌肉的能量储备和离子平衡，消除代谢产物，使肌肉功能恢复。

6.2 脊髓反射(Spinal Reflex)与运动控制的层次结构

介绍脊髓反射的类型和神经环路，例如牵张反射(stretch reflex)和屈肌反射(flexion reflex)，以及运动控制的层次结构，包括脊髓、脑干、小脑、基底神经节和运动皮层在运动控制中的作用和相互关系。

6.2.1 脊髓反射(Spinal Reflex)的类型与神经环路

介绍牵张反射、屈肌反射、交叉伸肌反射(crossed extensor reflex)等常见的脊髓反射，以及它们的感受器、传入神经、中间神经元、传出神经和效应器的组成，以及脊髓反射在姿势维持和保护性运动中的作用。

① 反射与反射弧

反射 (reflex) 是指机体在神经系统的参与下，对内外环境刺激产生的有规律的、非意识性的反应。反射是生命体最基本的神经活动形式，是维持机体稳态和适应环境的重要机制。

反射弧 (reflex arc) 是完成反射活动的神经通路，包括五个基本组成部分：

⚝ 感受器 (Receptor)：感受刺激，产生兴奋的结构，通常是感觉神经末梢或特化的感觉细胞，例如肌梭 (muscle spindle)、皮肤感受器 (cutaneous receptor)。

⚝ 传入神经 (Sensory Neuron)：将感受器产生的兴奋传导至中枢神经系统的神经，例如感觉神经元 (sensory neuron) 的轴突。

⚝ 神经中枢 (Central Nervous System)：处理传入信息，产生传出指令的结构，在脊髓反射中，神经中枢位于脊髓灰质 (spinal cord gray matter)，可以包含中间神经元 (interneuron)。

⚝ 传出神经 (Motor Neuron)：将神经中枢产生的指令传导至效应器的神经，例如运动神经元 (motor neuron) 的轴突。

⚝ 效应器 (Effector)：执行神经中枢指令，产生反应的结构，通常是肌肉或腺体，在运动反射中，效应器是骨骼肌 (skeletal muscle)。

② 常见的脊髓反射类型

脊髓反射是指神经中枢位于脊髓的反射，具有快速、刻板的特点，在维持姿势、保护性运动等方面发挥重要作用。常见的脊髓反射类型包括：

⚝ 牵张反射 (Stretch Reflex)：也称为肌紧张反射或腱反射，是一种单突触反射 (monosynaptic reflex)。当肌肉受到牵拉时，肌梭感受器兴奋，传入冲动通过感觉神经元传回脊髓，直接兴奋运动神经元，使受牵拉的肌肉收缩，对抗牵拉，维持肌肉长度和关节角度的稳定。例如，膝跳反射 (knee-jerk reflex) 就是一种牵张反射。

▮▮▮▮⚝ 感受器：肌梭 (muscle spindle)，感受肌肉长度的变化和牵拉速度。
▮▮▮▮⚝ 传入神经：Ia类感觉神经纤维 (Ia afferent fiber)，粗大、髓鞘化，传导速度快。
▮▮▮▮⚝ 神经中枢：脊髓灰质前角 (anterior horn of spinal cord)，传入神经元直接与运动神经元形成突触，无中间神经元。
▮▮▮▮⚝ 传出神经：α运动神经元 (α-motor neuron)，支配同一块肌肉的梭外肌纤维 (extrafusal muscle fiber)。
▮▮▮▮⚝ 效应器：梭外肌纤维 (extrafusal muscle fiber)，受牵拉的肌肉。

⚝ 屈肌反射 (Flexion Reflex)：也称为痛反射，是一种多突触反射 (polysynaptic reflex)。当皮肤等感受器受到伤害性刺激（如疼痛、高温）时，传入冲动通过感觉神经元传回脊髓，激活脊髓中间神经元，兴奋支配屈肌的运动神经元，抑制支配伸肌的运动神经元，使受刺激部位的肢体屈曲，远离伤害性刺激。例如，缩手反射 (withdrawal reflex) 就是一种屈肌反射。

▮▮▮▮⚝ 感受器：皮肤伤害感受器 (nociceptor)，感受疼痛、温度等伤害性刺激。
▮▮▮▮⚝ 传入神经：Aδ和C类感觉神经纤维 (Aδ and C afferent fibers)，细小、髓鞘化或无髓鞘，传导速度较慢。
▮▮▮▮⚝ 神经中枢：脊髓灰质后角和中间带 (posterior horn and intermediate zone of spinal cord)，传入神经元通过多个中间神经元与运动神经元联系，形成复杂神经环路。
▮▮▮▮⚝ 传出神经：支配屈肌的α运动神经元 (α-motor neuron)，和抑制支配伸肌的α运动神经元 (通过抑制性中间神经元)。
▮▮▮▮⚝ 效应器：屈肌 (flexor muscle)，使肢体屈曲的肌肉。

⚝ 交叉伸肌反射 (Crossed Extensor Reflex)：通常与屈肌反射伴随发生，也是一种多突触反射。当一侧肢体发生屈肌反射时，对侧肢体发生伸肌反射，以维持身体平衡。例如，当脚踩到钉子时，受伤的腿屈曲抬起，另一条腿伸直支撑身体，防止摔倒。

▮▮▮▮⚝ 感受器：与屈肌反射相同，皮肤伤害感受器。
▮▮▮▮⚝ 传入神经：与屈肌反射相同，Aδ和C类感觉神经纤维。
▮▮▮▮⚝ 神经中枢：脊髓灰质，神经环路复杂，跨越脊髓中线，影响对侧脊髓运动神经元。
▮▮▮▮⚝ 传出神经：对侧肢体支配伸肌的α运动神经元，和同侧肢体支配屈肌的α运动神经元。
▮▮▮▮⚝ 效应器：对侧肢体的伸肌，和同侧肢体的屈肌。

③ 脊髓反射的功能

脊髓反射具有重要的生理意义，主要功能包括：

⚝ 姿势维持：牵张反射维持肌肉张力，维持身体姿势和关节稳定。例如，站立时，身体轻微晃动会牵拉肌肉，引起牵张反射，自动调整肌肉收缩，维持身体平衡。

⚝ 保护性运动：屈肌反射和交叉伸肌反射使机体快速躲避伤害性刺激，保护身体免受损伤。例如，缩手反射和缩腿反射。

⚝ 节律性运动的基础：脊髓内存在中央模式发生器 (central pattern generator, CPG) 神经环路，可以产生节律性运动模式，如行走、游泳等，脊髓反射是CPG的基础。

脊髓反射是简单、快速、刻板的运动反应，是运动控制的基础。更复杂的运动行为需要脑干和高级中枢的参与和调控。

6.2.2 运动控制的层次结构：脊髓、脑干与小脑

阐述脊髓在简单反射和节律性运动中的作用，脑干在姿势控制和平衡维持中的作用，以及小脑在运动协调和运动学习中的作用。

运动控制是一个复杂的层次系统，由多个脑区协同参与完成，从低级到高级，形成一个运动控制的层次结构 (hierarchical organization of motor control)。主要的运动控制中枢包括：脊髓 (spinal cord)、脑干 (brainstem)、小脑 (cerebellum)、基底神经节 (basal ganglia) 和 运动皮层 (motor cortex)。

① 脊髓在运动控制中的作用

脊髓是运动控制的最低级中枢，主要负责：

⚝ 脊髓反射：如牵张反射、屈肌反射等，完成快速、刻板的保护性运动和姿势维持。

⚝ 节律性运动：脊髓内存在中央模式发生器 (CPG) 神经环路，可以产生节律性运动模式，如行走、跑步、游泳、呼吸等。CPG可以在没有高级中枢指令的情况下自主产生节律性运动，但通常受到脑干和高级中枢的调控。

⚝ 简单运动模式的执行：脊髓运动神经元直接支配肌肉，执行简单的运动指令，如肌肉的收缩和舒张。

脊髓的运动控制功能相对简单和自动化，是维持基本运动功能的基础。

② 脑干在运动控制中的作用

脑干是运动控制的中级中枢，位于脊髓上方，主要负责：

⚝ 姿势控制和平衡维持：脑干内含有多个与姿势和平衡相关的核团，如前庭核 (vestibular nuclei)、网状结构 (reticular formation)、红核 (red nucleus) 和 上丘 (superior colliculus) 等。这些核团接收来自前庭系统、视觉系统和本体感觉系统的感觉信息，整合处理后，通过网状脊髓束 (reticulospinal tract)、前庭脊髓束 (vestibulospinal tract) 和 红核脊髓束 (rubrospinal tract) 等下行通路，调控脊髓运动神经元的活动，维持身体姿势和平衡。

⚝ 眼球运动控制：脑干内动眼神经核 (oculomotor nucleus)、滑车神经核 (trochlear nucleus) 和 外展神经核 (abducens nucleus) 控制眼外肌的运动，上丘参与眼球的扫视运动，内侧纵束 (medial longitudinal fasciculus, MLF) 协调眼球运动和头部运动。

⚝ 基本运动模式的调控：脑干可以调控脊髓CPG产生的节律性运动，如调节步速、步幅等。

脑干的运动控制功能比脊髓复杂，主要负责姿势、平衡和眼球运动的控制，是维持基本运动协调性的重要中枢。

③ 小脑在运动控制中的作用

小脑在运动控制中发挥协调和精细调节作用，主要负责：

⚝ 运动协调 (motor coordination)：小脑接收来自运动皮层、脊髓和脑干的运动指令和感觉反馈信息，比较运动计划和实际运动执行的差异，产生误差信号 (error signal)，通过小脑皮层-深部核团环路 (cerebellar cortex-deep nuclei circuit)，修正运动指令，使运动更加协调、平稳和精确。

⚝ 姿势平衡 (postural balance)：小脑前庭小脑 (vestibulocerebellum) 接收来自前庭系统的信号，参与维持身体平衡和眼球运动的协调。

⚝ 运动学习 (motor learning)：小脑参与程序性运动技能学习 (procedural motor skill learning)，如骑自行车、弹钢琴等。通过长时程抑制 (long-term depression, LTD) 等突触可塑性机制，调整小脑环路，优化运动模式，提高运动技能。

⚝ 运动时序控制 (motor timing)：小脑参与运动的时间精确控制，如运动的起始、终止和节律的掌握。

小脑的运动控制功能主要是协调和精细调节运动，使运动更加准确、平稳和协调，是运动学习和技能掌握的重要中枢。

6.2.3 运动控制的层次结构：基底神经节(Basal Ganglia)与运动皮层(Motor Cortex)

介绍基底神经节在运动计划、运动启动和运动选择中的作用，以及运动皮层在随意运动的计划、执行和精细运动控制中的作用，以及皮层脊髓束(corticospinal tract)的结构和功能。

① 基底神经节在运动控制中的作用

基底神经节 (basal ganglia) 是一组位于大脑深部的神经核团，主要包括纹状体 (striatum) (尾状核(caudate nucleus)和壳核(putamen))、苍白球 (globus pallidus)、黑质 (substantia nigra) 和 底丘脑核 (subthalamic nucleus)。基底神经节在运动控制中发挥重要作用，主要负责：

⚝ 运动计划 (motor planning)：基底神经节参与运动计划的准备和选择，尤其是在习惯性运动 (habitual movement) 和 序列运动 (sequence movement) 的计划中起重要作用。

⚝ 运动启动 (motor initiation)：基底神经节通过直接通路 (direct pathway) 促进运动的启动，解除对运动的抑制，使运动得以执行。

⚝ 运动选择 (action selection)：基底神经节参与运动方案的选择，抑制不必要的运动，选择合适的运动方案执行。

⚝ 运动学习 (motor learning)：基底神经节参与习惯性运动技能学习 (habitual motor skill learning)，通过多巴胺 (dopamine) 调控的突触可塑性机制，形成和巩固习惯性运动模式。

基底神经节的运动控制功能主要集中在运动计划、启动和选择方面，尤其是在习惯性运动和序列运动中发挥关键作用。基底神经节功能障碍会导致运动障碍疾病，如帕金森病 (Parkinson's disease) 和 亨廷顿舞蹈病 (Huntington's disease)。

② 运动皮层在运动控制中的作用

运动皮层 (motor cortex) 是大脑皮层中负责运动控制的主要区域，位于额叶 (frontal lobe) 的后部，包括初级运动皮层 (primary motor cortex, M1)、前运动皮层 (premotor cortex, PMC) 和 辅助运动区 (supplementary motor area, SMA)。运动皮层在随意运动控制中发挥核心作用，主要负责：

⚝ 随意运动的计划 (planning of voluntary movement)：前运动皮层 (PMC) 和辅助运动区 (SMA) 参与复杂随意运动的计划和准备，尤其是在序列运动、姿势运动和意向性运动的计划中起重要作用。

⚝ 随意运动的启动 (initiation of voluntary movement)：初级运动皮层 (M1) 发出运动指令，启动随意运动的执行。

⚝ 随意运动的执行 (execution of voluntary movement)：初级运动皮层 (M1) 通过皮层脊髓束 (corticospinal tract) 等下行通路，直接支配脊髓运动神经元和脑干运动核，控制骨骼肌的收缩，执行随意运动。

⚝ 精细运动控制 (fine motor control)：初级运动皮层 (M1) 参与精细运动的控制，尤其是手指和手部的精细运动。

⚝ 运动学习 (motor learning)：运动皮层参与陈述性运动技能学习 (declarative motor skill learning) 和 运动适应 (motor adaptation)，通过长时程增强 (long-term potentiation, LTP) 等突触可塑性机制，优化运动控制，提高运动技能。

运动皮层的运动控制功能主要集中在随意运动的计划、启动、执行和精细控制方面，是随意运动的最高级中枢。运动皮层损伤会导致随意运动障碍，如偏瘫 (hemiplegia)。

③ 皮层脊髓束 (Corticospinal Tract) 的结构与功能

皮层脊髓束 (corticospinal tract) 是运动皮层发出的主要下行运动通路，也称为锥体束 (pyramidal tract)，是控制随意运动，特别是精细运动的最重要的通路。皮层脊髓束的结构和功能特点：

⚝ 起源：主要起源于初级运动皮层 (M1)，也来自前运动皮层 (PMC)、辅助运动区 (SMA) 和 体感皮层 (somatosensory cortex)。

⚝ 路径：皮层脊髓束神经纤维从运动皮层发出，下行穿过内囊 (internal capsule)、大脑脚 (cerebral peduncle)、脑桥基底部 (basilar pons) 和 延髓锥体 (medullary pyramid)。在延髓下部，约90%的纤维在延髓锥体交叉 (pyramidal decussation) 处交叉到对侧，形成外侧皮层脊髓束 (lateral corticospinal tract)，支配对侧肢体远端肌肉，主要负责精细运动。约10%的纤维不交叉，继续下行，形成前皮层脊髓束 (anterior corticospinal tract)，支配躯干和近端肌肉，主要负责姿势和躯干运动。

⚝ 终止：外侧皮层脊髓束纤维主要终止于脊髓灰质前角的中间神经元 (interneuron) 和 α运动神经元 (α-motor neuron)，前皮层脊髓束纤维主要终止于脊髓灰质前角的中间神经元。

⚝ 功能：皮层脊髓束是控制随意运动，特别是精细运动的主要通路。外侧皮层脊髓束控制肢体远端肌肉的精细运动，如手指的独立运动、手部的精细操作。前皮层脊髓束控制躯干和近端肌肉的姿势和躯干运动。

运动控制的层次结构是一个相互联系、协同工作的复杂系统。脊髓、脑干、小脑、基底神经节和运动皮层各司其职，又相互协作，共同完成各种复杂的运动行为。脊髓负责简单反射和节律性运动，脑干负责姿势平衡和眼球运动，小脑负责运动协调和精细调节，基底神经节负责运动计划、启动和选择，运动皮层负责随意运动的计划、执行和精细控制。

6.3 随意运动的计划与执行：运动皮层(Motor Cortex)的功能

深入讲解运动皮层的功能，包括初级运动皮层(primary motor cortex, M1)、前运动皮层(premotor cortex, PMC)和辅助运动区(supplementary motor area, SMA)在随意运动的计划、启动和执行中的作用，以及运动皮层的神经编码和运动学习的可塑性。

6.3.1 初级运动皮层(Primary Motor Cortex, M1)的功能与神经编码

介绍初级运动皮层的功能定位和体感运动小人(motor homunculus)，以及运动皮层神经元的发放模式和运动方向的神经编码，以及运动皮层的微刺激技术。

① 初级运动皮层 (M1) 的功能定位

初级运动皮层 (primary motor cortex, M1) 位于中央前回 (precentral gyrus)，是运动皮层最主要的区域，在随意运动的执行中起核心作用。M1具有明确的功能定位 (somatotopic organization)，身体不同部位的运动在M1皮层上有对应的代表区域，形成 体感运动小人 (motor homunculus)。

⚝ 体感运动小人 (Motor Homunculus)：是M1功能定位的可视化表示，根据不同身体部位在M1皮层上占据的面积大小和位置关系绘制而成。体感运动小人的特点：
▮▮▮▮⚝ 倒立：身体下部的代表区位于皮层上部 (靠近纵裂)，身体上部的代表区位于皮层下部 (靠近外侧裂)。
▮▮▮▮⚝ 不成比例：身体不同部位在M1皮层上占据的面积大小与该部位运动的精细程度和复杂程度有关，而不是与身体部位的实际大小成比例。例如，手、手指、面部和舌头等精细运动控制的部位在M1皮层上占据的面积较大，而躯干和腿部等粗大运动控制的部位在M1皮层上占据的面积较小。
▮▮▮▮⚝ 连续性：身体相邻部位的代表区在M1皮层上也相邻排列，形成连续的功能图谱。

体感运动小人反映了M1对身体不同部位运动的控制权重，精细运动控制的部位在M1皮层上具有更大的代表区和更强的控制能力。

② 运动皮层神经元的发放模式与运动方向的神经编码

运动皮层神经元的活动与运动的执行密切相关，研究表明，运动皮层神经元的发放模式 (firing pattern) 可以编码运动的多种参数，如运动方向 (movement direction)、运动力 (movement force)、运动速度 (movement velocity) 和 运动幅度 (movement amplitude) 等。

⚝ 运动方向的神经编码 (Directional Coding)：研究发现，M1神经元的发放率 (firing rate) 与运动方向之间存在方向调谐 (directional tuning) 关系。每个M1神经元对特定的 preferred direction (偏好方向) 最敏感，当运动方向与神经元的偏好方向一致时，神经元发放率最高；当运动方向偏离偏好方向时，神经元发放率逐渐降低。

▮▮▮▮⚝ 群体编码 (Population Coding)：单个M1神经元的方向调谐曲线 (directional tuning curve) 比较宽泛，对多个方向都有反应，但偏好方向不同。运动方向的精确编码是由大量M1神经元群体活动 (population activity) 共同完成的。通过向量求和 (vector summation) 或 重心法 (center of mass method) 等方法，可以将M1神经元群体发放向量 (population firing vector) 解码为运动方向。

⚝ 其他运动参数的神经编码：研究还发现，M1神经元的发放率、发放时间、发放模式等还可以编码运动力、运动速度和运动幅度等参数。例如，运动力越大，M1神经元发放率越高；运动速度越快，M1神经元发放频率越高。

运动皮层的神经编码是一个复杂的问题，目前的研究主要集中在运动方向的编码，其他运动参数的编码机制还在深入研究中。

③ 运动皮层的微刺激技术 (Microstimulation)

运动皮层微刺激技术 (motor cortex microstimulation) 是一种研究运动皮层功能和神经编码的重要工具。通过微电极 (microelectrode) 刺激M1皮层的特定区域，可以诱发特定的运动反应，例如肢体的运动或肌肉的收缩。

⚝ M1微刺激诱发运动：在动物实验中，通过微电极刺激M1皮层的不同区域，可以诱发不同身体部位的运动。刺激强度越大，诱发的运动幅度越大；刺激部位不同，诱发的运动类型和方向也不同。

⚝ M1微刺激用于脑机接口 (Brain-Computer Interface, BCI)：M1微刺激技术也被用于脑机接口的开发。通过解码M1神经元的活动，预测运动意图，然后通过微刺激技术，将运动指令直接传递给瘫痪病人的肌肉或外部设备，帮助病人恢复运动功能。

运动皮层微刺激技术是研究运动皮层功能和神经编码的重要工具，也是脑机接口技术的基础。

6.3.2 前运动皮层(Premotor Cortex, PMC)与辅助运动区(Supplementary Motor Area, SMA)的功能

比较前运动皮层和辅助运动区的功能差异，以及它们在运动计划、运动序列学习和内部驱动运动中的作用。

前运动皮层 (premotor cortex, PMC) 和 辅助运动区 (supplementary motor area, SMA) 都是运动皮层的重要组成部分，位于初级运动皮层 (M1) 的前方，在随意运动的计划和准备中起重要作用。PMC和SMA在功能上既有重叠，又有差异，共同构成运动皮层的前部区域，参与复杂随意运动的控制。

① 前运动皮层 (PMC) 的功能

前运动皮层 (premotor cortex, PMC) 位于M1的前方，主要功能包括：

⚝ 外部线索驱动的运动计划 (externally-cued movement planning)：PMC在外部感觉线索 (external sensory cues) 指导下的运动计划和准备中起重要作用。例如，根据视觉或听觉信号指示，做出特定的运动反应。PMC神经元在运动准备阶段，特别是接收到外部线索后，活动显著增强。

⚝ 姿势运动控制 (postural control)：PMC参与姿势运动的控制，特别是姿势的准备和调整 (postural preparation and adjustment)。在执行随意运动前，PMC可以预先调整姿势，为运动的顺利进行做准备。

⚝ 镜像神经元系统 (mirror neuron system)：PMC中存在镜像神经元 (mirror neuron)，当个体执行某个动作，或观察到他人执行相同动作时，镜像神经元都会放电。镜像神经元被认为与动作理解 (action understanding)、模仿学习 (imitation learning) 和 社会认知 (social cognition) 等功能有关。

⚝ 运动序列学习 (motor sequence learning)：PMC参与复杂运动序列的学习 (learning of complex motor sequences)，特别是与外部线索相关的运动序列。

PMC的功能主要集中在外部线索驱动的运动计划、姿势控制、镜像神经元系统和运动序列学习等方面。PMC损伤会导致姿势控制障碍 (postural control deficits) 和 外部线索驱动的运动障碍 (externally-cued movement deficits)。

② 辅助运动区 (SMA) 的功能

辅助运动区 (supplementary motor area, SMA) 位于M1和PMC的内侧面，主要功能包括：

⚝ 内部驱动的运动计划 (internally-generated movement planning)：SMA在内部驱动 (internally-generated) 的随意运动计划和准备中起重要作用。例如，根据记忆或意愿，自主发起运动，而不是根据外部信号的指示。SMA神经元在运动准备阶段，特别是自主发起运动前，活动显著增强。

⚝ 序列运动计划 (sequence movement planning)：SMA参与复杂运动序列的计划和组织 (planning and organization of complex motor sequences)，特别是记忆性运动序列 (memorized motor sequences)。SMA神经元在序列运动的准备和执行阶段，表现出序列特异性的活动模式。

⚝ 双侧协调运动控制 (bimanual coordination)：SMA参与双侧肢体协调运动 (bimanual coordination) 的控制，例如双手协同操作，SMA在协调双侧肢体运动节律和时序方面起重要作用。

⚝ 运动想象 (motor imagery)：SMA在运动想象 (motor imagery) 过程中活动增强，即在头脑中想象执行某个动作，但实际没有运动发生。运动想象被认为与运动计划和运动学习有关。

SMA的功能主要集中在内部驱动的运动计划、序列运动计划、双侧协调运动控制和运动想象等方面。SMA损伤会导致内部驱动的运动障碍 (internally-generated movement deficits)、序列运动障碍 (sequence movement deficits) 和 双侧协调运动障碍 (bimanual coordination deficits)。

③ PMC与SMA的功能差异与协同

PMC和SMA在功能上既有差异，又有协同，共同参与复杂随意运动的控制。

⚝ 功能差异：
▮▮▮▮⚝ 驱动方式不同：PMC主要负责外部线索驱动 (externally-cued) 的运动，SMA主要负责内部驱动 (internally-generated) 的运动。
▮▮▮▮⚝ 运动类型不同：PMC更侧重于姿势运动 (postural movement) 和 与外部环境互动的运动 (movement interacting with external environment)，SMA更侧重于序列运动 (sequence movement) 和 双侧协调运动 (bimanual coordination)。
▮▮▮▮⚝ 神经元活动模式不同：PMC神经元在运动准备阶段，特别是接收到外部线索后，活动增强；SMA神经元在运动准备阶段，特别是自主发起运动前，活动增强。

⚝ 功能协同：
▮▮▮▮⚝ 运动计划的协同：PMC和SMA在运动计划阶段相互协作，共同完成复杂随意运动的计划和准备。PMC负责根据外部线索制定运动计划，SMA负责组织运动序列和协调双侧肢体运动。
▮▮▮▮⚝ 信息交流：PMC和SMA之间存在广泛的神经连接，通过信息交流，协同完成运动控制功能。
▮▮▮▮⚝ 共同参与运动学习：PMC和SMA都参与运动学习，PMC参与与外部线索相关的运动序列学习，SMA参与记忆性运动序列学习。

PMC和SMA的功能既有分工，又有合作，共同构成运动皮层的前部区域，参与复杂随意运动的计划、准备和执行。PMC更侧重于外部驱动的运动和姿势控制，SMA更侧重于内部驱动的运动和序列运动控制，两者协同工作，完成各种复杂的随意运动行为。

6.3.3 运动学习与运动皮层的可塑性

介绍运动学习的不同类型，包括程序性学习(procedural learning)和陈述性学习(declarative learning)，以及运动皮层在运动技能学习中的可塑性变化，例如皮层重塑和突触可塑性。

运动学习 (motor learning) 是指通过练习和经验，运动技能逐渐提高和熟练的过程。运动学习是神经系统可塑性的重要体现，运动皮层在运动学习过程中发生显著的结构和功能可塑性变化。

① 运动学习的类型

运动学习可以分为不同的类型，根据学习的内容和神经机制，主要分为 程序性学习 (procedural learning) 和 陈述性学习 (declarative learning) 两种类型。

⚝ 程序性学习 (Procedural Learning)：也称为技能学习 (skill learning) 或 内隐学习 (implicit learning)，是指学习如何执行运动技能，如骑自行车、游泳、弹钢琴等。程序性学习的特点：
▮▮▮▮⚝ 内隐性 (implicit)：学习过程和结果通常是无意识的，难以用语言描述。
▮▮▮▮⚝ 缓慢渐进 (slow and gradual)：技能的提高是一个缓慢渐进的过程，需要大量的练习。
▮▮▮▮⚝ 持久性 (long-lasting)：一旦技能掌握，可以长期保持，不易遗忘。
▮▮▮▮⚝ 自动化 (automatic)：技能熟练后，执行动作变得自动化，不需要有意识的控制。
▮▮▮▮⚝ 神经基础：主要与基底神经节 (basal ganglia)、小脑 (cerebellum) 和 运动皮层 (motor cortex) 等脑区有关。

⚝ 陈述性学习 (Declarative Learning)：也称为事实学习 (fact learning) 或 外显学习 (explicit learning)，是指学习关于运动的知识和规则，如运动的步骤、技巧和策略等。陈述性学习的特点：
▮▮▮▮⚝ 外显性 (explicit)：学习过程和结果是有意识的，可以用语言描述。
▮▮▮▮⚝ 快速学习 (fast learning)：知识的掌握可以比较快速，通过阅读、听讲等方式即可学习。
▮▮▮▮⚝ 易遗忘 (forgettable)：学到的知识容易遗忘，需要复习巩固。
▮▮▮▮⚝ 灵活运用 (flexible)：学到的知识可以灵活运用，指导运动实践。
▮▮▮▮⚝ 神经基础：主要与海马 (hippocampus)、前额叶皮层 (prefrontal cortex) 和 运动皮层 (motor cortex) 等脑区有关。

在实际运动学习过程中，程序性学习和陈述性学习往往相互结合，共同促进运动技能的提高。

② 运动皮层的可塑性变化

运动皮层在运动技能学习过程中发生显著的结构和功能可塑性变化，主要包括 皮层重塑 (cortical reorganization) 和 突触可塑性 (synaptic plasticity) 两个方面。

⚝ 皮层重塑 (Cortical Reorganization)：指运动皮层的功能图谱 (如体感运动小人) 发生改变，不同身体部位的代表区面积大小和位置关系发生变化。运动技能学习可以引起运动皮层代表区的扩大，特别是与所学技能相关的身体部位的代表区。例如，钢琴家手指在运动皮层上的代表区比普通人更大。皮层重塑反映了运动皮层功能定位的动态可塑性，是运动技能学习的结构基础。

⚝ 突触可塑性 (Synaptic Plasticity)：指运动皮层神经元之间的突触连接强度发生持久性改变，包括长时程增强 (long-term potentiation, LTP) 和 长时程抑制 (long-term depression, LTD)。运动技能学习可以引起运动皮层突触连接的加强和优化，提高神经环路的效率和功能。例如，运动技能学习可以增强M1-脊髓运动神经元突触的传递效率，提高运动控制的精确性和速度。突触可塑性是运动技能学习的细胞和分子机制。

③ 运动皮层可塑性的机制

运动皮层可塑性的机制复杂，涉及多种分子和细胞过程，主要包括：

⚝ 突触结构可塑性 (Synaptic Structural Plasticity)：运动学习可以引起运动皮层突触的形态结构 (morphological structure) 发生改变，如突触棘 (dendritic spine) 的数量、大小和形状发生变化，突触前末梢和突触后密度 (postsynaptic density, PSD) 的结构和组成发生改变。突触结构可塑性是突触功能可塑性的结构基础。

⚝ 突触功能可塑性 (Synaptic Functional Plasticity)：运动学习可以引起运动皮层突触的功能特性 (functional properties) 发生改变，如突触传递效率 (synaptic transmission efficacy)、突触传递强度 (synaptic strength) 和 突触可塑性阈值 (synaptic plasticity threshold) 发生变化。突触功能可塑性是运动学习的直接神经机制。

⚝ 神经发生 (Neurogenesis) 和 神经元存活 (neuronal survival)：在成年动物的大脑中，成年神经发生 (adult neurogenesis) 主要发生在海马齿状回 (dentate gyrus of hippocampus) 和 嗅球 (olfactory bulb) 等特定脑区，运动皮层是否发生成年神经发生尚有争议。但运动学习可以影响运动皮层神经元的存活和凋亡 (apoptosis)，优化神经元网络结构。

⚝ 胶质细胞 (Glial Cell) 的作用：星形胶质细胞 (astrocyte) 和 少突胶质细胞 (oligodendrocyte) 等胶质细胞在运动皮层可塑性中也发挥重要作用。星形胶质细胞可以调节突触传递和突触可塑性，少突胶质细胞可以参与髓鞘形成和神经环路重塑。

运动皮层的可塑性是运动学习的神经基础，通过皮层重塑和突触可塑性等机制，运动皮层可以根据经验和练习，不断优化运动控制，提高运动技能。运动皮层的可塑性不仅发生在发育期，也持续存在于成年期，为运动技能的终身学习和保持提供了神经基础。

6.4 基底神经节(Basal Ganglia)与小脑(Cerebellum)在运动控制中的作用

详细介绍基底神经节和小脑在运动控制中的作用，包括基底神经节在运动计划、运动启动和运动选择中的作用，以及小脑在运动协调、姿势平衡和运动学习中的作用，以及基底神经节和小脑环路的结构和功能。

6.4.1 基底神经节(Basal Ganglia)环路与运动控制

介绍基底神经节的直接通路和间接通路，以及它们在运动启动和运动抑制中的作用，以及基底神经节环路的功能障碍与帕金森病(Parkinson's disease)和亨廷顿舞蹈病(Huntington's disease)等运动障碍疾病的关系。

① 基底神经节的环路结构

基底神经节 (basal ganglia) 主要由纹状体 (striatum)、苍白球 (globus pallidus)、黑质 (substantia nigra) 和 底丘脑核 (subthalamic nucleus) 等核团组成，形成复杂的神经环路，在运动控制、认知和情感等方面发挥重要作用。基底神经节的运动控制环路主要包括：

⚝ 皮层-基底神经节-丘脑-皮层环路 (Cortex-Basal Ganglia-Thalamus-Cortex Loop)：是基底神经节运动控制的主要环路，信息从大脑皮层 (主要是运动皮层、前额叶皮层和感觉皮层) 输入到基底神经节，经过基底神经节内部的加工处理，再通过丘脑 (thalamus) 返回到大脑皮层，形成一个闭环环路。

⚝ 直接通路 (Direct Pathway)：从纹状体 (striatum) 直接投射到苍白球内侧部 (globus pallidus interna, GPi) 和 黑质网状部 (substantia nigra pars reticulata, SNr)，GPi/SNr是基底神经节环路的输出核团，直接通路激活后，抑制GPi/SNr的活动，解除GPi/SNr对丘脑的抑制，增强丘脑对皮层的兴奋性，促进运动的启动和执行 (promote movement initiation and execution)。

⚝ 间接通路 (Indirect Pathway)：从纹状体 (striatum) 投射到苍白球外侧部 (globus pallidus externa, GPe)，再投射到底丘脑核 (subthalamic nucleus, STN)，STN兴奋GPi/SNr，GPi/SNr增强对丘脑的抑制，降低丘脑对皮层的兴奋性，抑制不必要的运动 (suppress unwanted movement)，选择合适的运动方案。

⚝ 多巴胺通路 (Dopamine Pathway)：黑质致密部 (substantia nigra pars compacta, SNc) 的多巴胺神经元 (dopamine neuron) 投射到纹状体 (striatum)，释放神经递质 多巴胺 (dopamine, DA)，调控直接通路和间接通路的活动，调节运动的平衡和协调 (modulate movement balance and coordination)。多巴胺对直接通路有兴奋作用 (D1受体介导)，对间接通路有抑制作用 (D2受体介导)，整体上促进运动。

② 基底神经节环路的功能

基底神经节环路在运动控制中主要发挥以下功能：

⚝ 运动启动 (Movement Initiation)：直接通路激活后，解除GPi/SNr对丘脑的抑制，促进运动皮层活动，启动运动的执行。

⚝ 运动抑制 (Movement Suppression)：间接通路激活后，增强GPi/SNr对丘脑的抑制，抑制不必要的运动，选择合适的运动方案。

⚝ 运动选择 (Action Selection)：基底神经节参与运动方案的选择，通过直接通路促进选择的运动方案，通过间接通路抑制竞争的运动方案，实现运动方案的优化选择。

⚝ 运动序列学习 (Motor Sequence Learning)：基底神经节参与习惯性运动技能学习，通过多巴胺调控的突触可塑性机制，形成和巩固习惯性运动模式。

⚝ 奖励学习 (Reward Learning)：基底神经节参与奖励学习 (reward-based learning)，多巴胺信号在奖励预测误差编码中起重要作用，通过奖励学习，个体可以学会选择能够获得奖励的运动行为。

基底神经节环路通过直接通路和间接通路的平衡活动，以及多巴胺的调控作用，实现运动的启动、抑制、选择和学习等功能，维持运动的平衡和协调。

③ 基底神经节功能障碍与运动障碍疾病

基底神经节环路功能障碍会导致多种运动障碍疾病，如 帕金森病 (Parkinson's disease, PD) 和 亨廷顿舞蹈病 (Huntington's disease, HD) 等。

⚝ 帕金森病 (Parkinson's Disease, PD)：是由于 黑质致密部 (SNc) 多巴胺神经元 (dopamine neuron) 变性死亡 (degeneration and death) 引起的神经退行性疾病。多巴胺神经元减少导致纹状体多巴胺水平降低，直接通路活动减弱，间接通路活动增强，基底神经节环路输出增加，对丘脑和运动皮层的抑制增强，导致运动减少和运动迟缓等症状。帕金森病的主要运动症状包括：
▮▮▮▮⚝ 静止性震颤 (resting tremor)：静止时出现肢体震颤。
▮▮▮▮⚝ 肌强直 (rigidity)：肌肉僵硬，被动运动时阻力增加。
▮▮▮▮⚝ 运动迟缓 (bradykinesia)：运动速度减慢，动作启动困难。
▮▮▮▮⚝ 姿势平衡障碍 (postural instability)：姿势不稳，容易跌倒。

帕金森病的治疗主要通过补充多巴胺，如使用 左旋多巴 (L-DOPA) 等药物，或进行 深部脑刺激 (deep brain stimulation, DBS) 手术，刺激底丘脑核 (STN) 或苍白球内侧部 (GPi)，调节基底神经节环路活动。

⚝ 亨廷顿舞蹈病 (Huntington's Disease, HD)：是一种遗传性神经退行性疾病，是由于 纹状体 (striatum) 神经元变性死亡 引起的。纹状体神经元变性导致间接通路活动减弱，GPe和STN活动降低，GPi/SNr抑制减弱，丘脑和运动皮层兴奋性增高，导致运动过多和舞蹈样动作等症状。亨廷顿舞蹈病的主要运动症状包括：
▮▮▮▮⚝ 舞蹈样动作 (chorea)：不自主的、快速的、无目的的、舞蹈样的肢体运动。
▮▮▮▮⚝ 肌张力低下 (hypotonia)：肌肉张力降低。
▮▮▮▮⚝ 运动协调障碍 (motor incoordination)：运动不协调，动作笨拙。

亨廷顿舞蹈病目前尚无有效治疗方法，主要是对症治疗，控制症状。

基底神经节环路功能障碍会导致多种运动障碍疾病，这些疾病的运动症状和神经病理机制各不相同，但都与基底神经节环路活动的失衡有关。深入研究基底神经节环路的结构和功能，有助于理解运动障碍疾病的发病机制，开发新的治疗方法。

6.4.2 小脑(Cerebellum)环路与运动控制

介绍小脑皮层和小脑深部核团的环路连接，以及小脑在运动协调、运动时序控制和运动误差校正中的作用，以及小脑损伤引起的运动失调(ataxia)等症状。

① 小脑的环路结构

小脑 (cerebellum) 位于脑干后方，是运动控制的重要中枢，主要负责运动协调、姿势平衡和运动学习等功能。小脑的环路结构主要包括：

⚝ 小脑皮层 (Cerebellar Cortex)：小脑皮层是小脑的外层结构，呈高度折叠的叶片状，由三层神经元组成：分子层 (molecular layer)、浦肯野细胞层 (Purkinje cell layer) 和 颗粒层 (granule cell layer)。小脑皮层的主要神经元类型包括 颗粒细胞 (granule cell)、浦肯野细胞 (Purkinje cell)、篮状细胞 (basket cell)、星状细胞 (stellate cell) 和 高尔基细胞 (Golgi cell)。

⚝ 小脑深部核团 (Deep Cerebellar Nuclei)：位于小脑白质深部，是小脑皮层的输出核团，主要包括 齿状核 (dentate nucleus)、中间核 (interposed nuclei) (球状核(globose nucleus)和栓状核(emboliform nucleus)) 和 顶核 (fastigial nucleus)。顶核还接收来自前庭小脑 (vestibulocerebellum) 的直接输入。

⚝ 传入通路 (Afferent Pathways)：小脑接收来自大脑皮层、脊髓和脑干的传入信息，主要通过两种传入纤维：苔藓纤维 (mossy fiber) 和 攀缘纤维 (climbing fiber)。
▮▮▮▮⚝ 苔藓纤维 (Mossy Fiber)：主要来自脊髓、脑干核团和大脑皮层桥核 (pontine nuclei)，将外周感觉信息和大脑皮层的运动指令传递给小脑颗粒细胞。
▮▮▮▮⚝ 攀缘纤维 (Climbing Fiber)：全部来自下橄榄核 (inferior olivary nucleus)，将误差信号和复杂感觉信息传递给浦肯野细胞。

⚝ 传出通路 (Efferent Pathways)：小脑皮层的浦肯野细胞 (Purkinje cell) 是小脑皮层的唯一输出神经元，投射到小脑深部核团，抑制深部核团神经元的活动。小脑深部核团神经元再投射到丘脑、脑干和脊髓，将小脑的输出信息传递到运动控制系统。
▮▮▮▮⚝ 齿状核 (Dentate Nucleus)：主要投射到丘脑腹外侧核 (ventrolateral nucleus, VL)，再投射到运动皮层，参与随意运动的计划和执行。
▮▮▮▮⚝ 中间核 (Interposed Nuclei)：主要投射到红核 (red nucleus) 和 脑干网状结构，参与肢体运动的协调和姿势控制。
▮▮▮▮⚝ 顶核 (Fastigial Nucleus)：主要投射到脑干前庭核和网状结构，参与姿势平衡和眼球运动的控制。

② 小脑环路的功能

小脑环路在运动控制中主要发挥以下功能：

⚝ 运动协调 (Motor Coordination)：小脑接收来自运动皮层和外周感觉系统的输入，比较运动指令和实际运动执行的差异，产生误差信号，通过浦肯野细胞-深部核团环路，修正运动指令，使运动更加协调、平稳和精确。小脑的运动协调功能主要体现在 运动的平滑性 (smoothness)、准确性 (accuracy) 和 协调性 (coordination)。

⚝ 运动时序控制 (Motor Timing)：小脑参与运动的时间精确控制，包括运动的起始、终止、持续时间和节律的掌握。小脑通过调节神经信号的时序 (timing) 和 节律 (rhythm)，实现运动的精确控制。

⚝ 运动误差校正 (Motor Error Correction)：攀缘纤维将误差信号传递给浦肯野细胞，浦肯野细胞通过长时程抑制 (LTD) 等突触可塑性机制，调整小脑环路，减小运动误差，实现运动的在线校正 (online correction) 和 前馈控制 (feedforward control)。

⚝ 运动学习 (Motor Learning)：小脑参与程序性运动技能学习，通过LTD等突触可塑性机制，调整小脑环路，优化运动模式，提高运动技能。小脑在运动学习中主要负责 运动适应 (motor adaptation) 和 程序性运动技能的自动化 (automatization of procedural motor skills)。

⚝ 姿势平衡 (Postural Balance)：前庭小脑 (vestibulocerebellum) 接收来自前庭系统的信号，参与维持身体平衡和眼球运动的协调。

小脑环路通过复杂的神经环路和突触可塑性机制，实现运动协调、运动时序控制、运动误差校正、运动学习和姿势平衡等功能，使运动更加精确、协调、平稳和适应环境变化。

③ 小脑损伤引起的运动失调 (Ataxia)

小脑损伤会导致 运动失调 (ataxia)，表现为运动协调障碍、平衡失调和运动技能下降等症状。小脑性共济失调 (cerebellar ataxia) 的主要症状包括：

⚝ 意向性震颤 (Intention Tremor)：运动时出现肢体震颤，越接近目标震颤越明显。

⚝ 运动分解 (Decomposition of Movement)：复杂运动分解为多个简单的、不协调的动作。

⚝ 辨距不良 (Dysmetria)：运动幅度和距离判断错误，表现为运动过大或过小。

⚝ 轮替运动障碍 (Dysdiadochokinesia)：快速交替运动困难，节律和幅度不规则。

⚝ 步态不稳 (Gait Ataxia)：行走时步态不稳，摇晃，易跌倒，呈醉酒步态。

⚝ 语言障碍 (Dysarthria)：言语不清，发音困难，语速缓慢，节律不规则。

⚝ 眼球震颤 (Nystagmus)：眼球不自主的节律性运动。

小脑损伤引起的运动失调症状复杂多样，但都与运动协调和运动控制障碍有关。小脑损伤的部位和程度不同，运动失调的类型和严重程度也不同。小脑疾病和损伤是引起运动失调的主要原因，如 小脑卒中 (cerebellar stroke)、小脑肿瘤 (cerebellar tumor)、遗传性小脑性共济失调 (hereditary cerebellar ataxia) 和 酒精中毒 (alcohol intoxication) 等。

6.4.3 运动障碍疾病的神经机制

简要介绍常见的运动障碍疾病，例如帕金森病、亨廷顿舞蹈病、肌萎缩侧索硬化症(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)和小脑性共济失调(cerebellar ataxia)，以及它们的神经病理机制和治疗策略。

① 帕金森病 (Parkinson's Disease, PD)

⚝ 神经病理机制：黑质致密部 (SNc) 多巴胺神经元变性死亡，纹状体多巴胺水平降低，基底神经节环路失衡，运动启动困难，运动减少。路易小体 (Lewy body) 在多巴胺神经元胞浆内聚集，主要成分是 α-突触核蛋白 (α-synuclein)。

⚝ 主要症状：静止性震颤、肌强直、运动迟缓、姿势平衡障碍。

⚝ 治疗策略：药物治疗 (左旋多巴、多巴胺受体激动剂、单胺氧化酶B抑制剂等)、深部脑刺激 (DBS) 手术、康复治疗。

② 亨廷顿舞蹈病 (Huntington's Disease, HD)

⚝ 神经病理机制：纹状体神经元变性死亡，特别是间接通路神经元，基底神经节环路失衡，运动抑制减弱，运动过多。亨廷顿蛋白 (huntingtin protein) 发生突变，导致异常蛋白聚集，神经元功能障碍和死亡。

⚝ 主要症状：舞蹈样动作、肌张力低下、运动协调障碍、认知功能障碍、精神症状。

⚝ 治疗策略：对症治疗，控制症状，如使用多巴胺受体阻滞剂、抗抑郁药、抗精神病药等，尚无有效根治方法。

③ 肌萎缩侧索硬化症 (Amyotrophic Lateral Sclerosis, ALS)

⚝ 神经病理机制：运动神经元疾病，上运动神经元 (upper motor neuron) (主要位于运动皮层) 和 下运动神经元 (lower motor neuron) (主要位于脑干和脊髓) 进行性变性死亡。神经元死亡导致肌肉萎缩、无力、瘫痪。

⚝ 主要症状：肌肉无力、肌肉萎缩、肌束震颤、痉挛、言语不清、吞咽困难、呼吸困难。

⚝ 治疗策略：利鲁唑 (riluzole) 和依达拉奉 (edaravone) 等药物延缓疾病进展，对症治疗，呼吸支持，营养支持，尚无有效根治方法。

④ 小脑性共济失调 (Cerebellar Ataxia)

⚝ 神经病理机制：小脑及其传入传出通路损伤，导致小脑功能障碍，运动协调障碍。病因多样，包括遗传因素、卒中、肿瘤、炎症、中毒等。

⚝ 主要症状：意向性震颤、运动分解、辨距不良、轮替运动障碍、步态不稳、语言障碍、眼球震颤。

⚝ 治疗策略：病因治疗，针对病因进行治疗，如卒中后康复、肿瘤手术切除、炎症控制等。对症治疗，改善运动功能，如运动康复训练、平衡训练、言语治疗等。

运动障碍疾病是一类常见的神经系统疾病，严重影响患者的运动功能和生活质量。深入研究运动障碍疾病的神经机制，开发新的治疗方法，是神经科学和临床医学的重要研究方向。

7. 认知神经科学(Cognitive Neuroscience)：高级脑功能

7.1 注意(Attention)与意识(Consciousness)的神经机制

7.1.1 注意(Attention)的不同类型与神经环路

注意(attention)是认知神经科学(cognitive neuroscience)研究的核心概念之一，它指的是大脑选择性地集中资源处理特定信息，而忽略其他信息的能力。这种选择性信息处理机制对于我们有效地感知、思考和行动至关重要。注意并非单一的功能，而是可以根据不同的标准进行分类。以下是几种主要的注意类型：

① 选择性注意(selective attention)：也称为聚焦性注意(focused attention)，指的是在存在干扰信息的情况下，选择性地关注特定信息的能力。例如，在嘈杂的咖啡馆里，我们能够集中注意力听清朋友的谈话，而忽略周围其他人的声音，这就是选择性注意在发挥作用。神经环路研究表明，选择性注意依赖于顶叶(parietal lobe)和额叶皮层(frontal lobe)组成的顶-额叶网络(frontoparietal network)，以及丘脑(thalamus)的感觉信息门控作用。顶叶皮层，特别是顶后皮层(posterior parietal cortex, PPC)，参与注意的定向和空间选择；额叶皮层，尤其是前额叶皮层(prefrontal cortex, PFC)，则负责维持注意焦点和抑制无关信息。

② 持续性注意(sustained attention)：也称为警觉性(vigilance)，指的是在一段时间内保持注意集中的能力。例如，长时间驾驶、监控雷达屏幕或进行重复性工作都需要持续性注意。持续性注意的神经环路涉及广泛的脑区，包括右侧额叶(right frontal lobe)、顶叶皮层、丘脑和脑干网状激活系统(brainstem reticular activating system, RAS)。这些区域共同维持大脑的警觉水平和对目标刺激的持续反应。研究表明，去甲肾上腺素(norepinephrine)等神经递质在维持持续性注意中起着关键作用。

③ 转移性注意(alternating attention)：指的是在不同任务或注意焦点之间灵活切换的能力。例如，在厨房里做饭时，我们需要在查看食谱、切菜、炒菜等不同任务之间快速切换注意。转移性注意主要依赖于前额叶皮层，特别是背外侧前额叶皮层(dorsolateral prefrontal cortex, dlPFC)，以及顶叶皮层和基底神经节(basal ganglia)的参与。这些脑区协同工作，实现注意资源的灵活分配和任务切换。

④ 分散性注意(divided attention)：也称为双任务处理(dual-task processing)，指的是同时处理多个信息或执行多项任务的能力。例如，边开车边听音乐，或者边走路边发短信，都涉及到分散性注意。分散性注意是最为复杂的一种注意形式，其能力受到认知资源限制的显著影响。研究表明，分散性注意依赖于广泛的大脑网络，包括前额叶皮层、顶叶皮层、基底神经节和小脑(cerebellum)。然而，真正意义上的“同时”处理多任务可能只是一种错觉，大脑更可能是通过快速切换注意焦点来实现看似“同时”的多任务处理。认知负荷过高时，分散性注意能力会显著下降，容易导致错误和效率降低。

除了顶-额叶网络，腹侧注意网络(ventral attention network)也在注意过程中发挥重要作用。腹侧注意网络主要包括颞顶联合区(temporoparietal junction, TPJ)和腹侧前额叶皮层(ventral prefrontal cortex, vPFC)，该网络主要负责对突发、显著的刺激进行注意重定向，特别是当这些刺激与当前注意焦点不一致时。腹侧注意网络与顶-额叶网络共同协作，实现灵活、高效的注意控制。

总结来说，注意是一个复杂且多维度的认知功能，不同类型的注意依赖于不同的神经环路和神经机制。理解这些神经环路对于深入认识注意的本质，以及开发针对注意缺陷的干预措施至关重要。

7.1.2 意识(Consciousness)的定义与神经关联物(Neural Correlate of Consciousness, NCC)

意识(consciousness)是神经科学(neuroscience)和哲学(philosophy)中最具挑战性也最引人入胜的研究领域之一。尽管我们每个人都对自己的意识体验有着直观的感受，但要给意识下一个精确的定义，并揭示其神经机制，仍然困难重重。

从哲学的角度来看，意识通常被区分为现象意识(phenomenal consciousness)和通路意识(access consciousness)。现象意识，也称为感受性(qualia)，指的是我们主观体验的“感觉”，例如看到红色、听到音乐、感受到疼痛时的内在体验。通路意识则指的是我们可以报告、思考和理性控制的心理内容。神经科学主要关注现象意识，试图找到与主观体验直接相关的神经活动。

从神经科学的角度，意识可以被操作性地定义为对自身和周围环境的觉察(awareness)。这种觉察包括两个关键维度：觉醒度(wakefulness)和意识内容(awareness content)。

① 觉醒度(wakefulness)：指的是意识的量(level of consciousness)，即清醒的程度。觉醒度从完全清醒到昏迷，存在一个连续谱。觉醒度主要由脑干网状激活系统(brainstem reticular activating system, RAS)和丘脑(thalamus)调控。RAS负责维持大脑皮层的激活状态，而丘脑则作为皮层激活的“中继站”。觉醒度受损，例如在麻醉或昏迷状态下，意识内容也会随之消失或显著降低。

② 意识内容(awareness content)：指的是意识的质(content of consciousness)，即意识体验的具体内容，例如我们感知到的颜色、声音、思想、情感等。意识内容的神经基础更为复杂，目前的研究主要集中在寻找意识的神经关联物(Neural Correlate of Consciousness, NCC)。NCC指的是与任何特定类型的意识知觉充分且必要相关的最小神经机制集合。换句话说，NCC是意识体验的神经生物学基础。

为了揭示NCC，神经科学家提出了多种理论框架。其中，全局工作空间理论(global workspace theory, GWT) 和 整合信息理论(integrated information theory, IIT) 是两种影响广泛的理论。

▮▮▮▮ⓐ 全局工作空间理论(GWT)：该理论认为，意识类似于一个“全局工作空间”，大脑中存在着大量并行、无意识的信息加工模块，这些模块处理各种感觉、运动、认知信息。当某些信息被“选择”进入全局工作空间时，这些信息就变得有意识了。进入全局工作空间的信息可以被大脑中所有的意识模块所访问和利用，从而实现意识的广播功能。GWT认为，意识的神经基础主要位于前额叶皮层(prefrontal cortex, PFC)和顶叶皮层(parietal cortex)等高级皮层区域，这些区域负责信息的全局整合和工作记忆的维持。

▮▮▮▮ⓑ 整合信息理论(IIT)：该理论从现象学的角度出发，认为意识的本质是整合信息(integrated information)。一个系统如果能够整合的信息越多，其意识水平就越高。IIT提出了一个量化意识水平的指标，称为 \( \Phi \) (Phi)。 \( \Phi \) 值越高，意识水平越高。IIT认为，意识不仅存在于大脑中，也可能存在于任何能够整合信息的复杂系统中，例如计算机网络。IIT将意识的神经基础定位在皮层后部热区(posterior cortical hot zone)，包括顶枕叶皮层(parieto-occipital cortex)，认为这些区域具有高度的结构和功能复杂性，能够实现信息的最大程度整合。

尽管GWT和IIT在意识的神经基础定位上有所不同，但它们都强调了神经活动、信息整合和大脑复杂性在意识产生中的关键作用。寻找和验证NCC仍然是神经科学面临的巨大挑战，需要结合多种研究方法，例如神经影像学(neuroimaging)、电生理学(electrophysiology)和计算建模(computational modeling)，以及对不同意识状态（例如清醒、睡眠、麻醉、意识障碍）的深入研究。

7.1.3 注意与意识的相互关系

注意(attention)和意识(consciousness)是密切相关的认知功能，但它们并非完全等同。注意通常被认为是通往意识的“门户”，注意选择的信息更容易进入意识，而被注意忽略的信息则可能停留在无意识层面。然而，注意和意识之间的关系远比“门户”模型复杂。

① 注意对意识的影响：大量的研究表明，注意能够显著地影响意识体验。注意增强意识内容(attention enhances conscious content)。当我们将注意集中在某个刺激上时，我们对该刺激的感知会更加清晰、生动和细节丰富。例如，在内隐注意(covert attention)实验中，即使眼睛注视点不变，仅仅将注意指向视野的不同区域，就能显著提高对该区域刺激的觉察能力。注意选择决定意识内容(attention selection determines conscious content)。注意的选择性功能决定了哪些信息能够进入意识。在非注意盲视(inattentional blindness)实验中，当人们的注意被高度集中在某个任务上时，他们往往意识不到视野中突然出现的、但与任务无关的显著刺激。这表明，即使刺激物理上被感知到，如果缺乏注意的“选择”，也可能无法进入意识。

② 意识对注意的影响：意识状态也会反过来影响注意的分配和控制。意识状态影响注意资源(conscious state affects attention resources)。例如，在清醒状态下，我们能够更加灵活地分配注意资源，根据任务需求进行注意选择和控制。而在睡眠或麻醉等意识水平降低的状态下，注意资源会显著减少，注意控制能力也会受损。意识内容引导注意焦点(conscious content guides attention focus)。我们意识到的内容会影响我们接下来注意什么。例如，当我们意识到自己感到口渴时，我们的注意可能会自动地被引导到寻找水源或饮料上。主观意识体验影响注意策略(subjective conscious experience affects attention strategy)。例如，我们对某个刺激的主观感受（例如，感觉有趣、危险等）会影响我们对该刺激的注意策略，例如，我们会更加注意那些我们认为重要或感兴趣的事物。

③ 无意识加工(unconscious processing)与阈下知觉(subliminal perception)：尽管注意与意识密切相关，但大脑也存在大量的无意识加工(unconscious processing)。无意识加工指的是在没有意识觉察的情况下，大脑对信息进行的加工过程。例如，启动效应(priming effect)、情绪性无意识加工(emotional unconscious processing)和程序性学习(procedural learning) 都属于无意识加工的范畴。阈下知觉(subliminal perception) 是指对阈下刺激（呈现时间极短或强度极弱，以至于无法被意识觉察的刺激）的加工。早期的阈下知觉研究存在争议，但现代神经科学研究表明，阈下刺激仍然可以激活大脑的特定区域，并对行为产生一定的影响，尽管这种影响通常较为微弱和短暂。

总而言之，注意和意识是相互影响、相互作用的认知功能。注意为意识提供了“素材”，意识则为注意提供了“背景”。理解注意和意识的复杂关系，以及它们共同的神经机制，是揭开人类认知之谜的关键一步。

7.2 学习与记忆(Learning and Memory)的神经机制

学习(learning)和记忆(memory)是认知神经科学(cognitive neuroscience)中最为核心和基础的研究领域之一。学习指的是经验引起神经系统相对持久性改变的过程，而记忆则是对学习到的信息进行编码、存储和提取的过程。学习和记忆是高度关联的，学习是获得新知识和技能的过程，而记忆则是保持和运用这些知识和技能的能力。

7.2.1 记忆的类型：陈述性记忆(Declarative Memory)与非陈述性记忆(Non-declarative Memory)

记忆系统并非单一的，根据不同的标准，记忆可以被划分为不同的类型。其中，最基本也是最重要的分类方式是将记忆分为陈述性记忆(declarative memory)和非陈述性记忆(non-declarative memory)。

① 陈述性记忆(declarative memory)：也称为外显记忆(explicit memory)，指的是可以有意识地提取和陈述的记忆，包括对事实、事件和概念的记忆。陈述性记忆又可以进一步分为两种类型：

▮▮▮▮ⓐ 情景记忆(episodic memory)：指的是对个人经历的特定事件和情境的记忆，包括时间、地点、情境和情感等信息。情景记忆是“关于事件的记忆(memory for events)”，例如，你昨天早上吃了什么早餐，去年夏天去哪里度假，第一次骑自行车的经历等等。情景记忆具有鲜明的个人化和自传体色彩，通常伴随着时间和空间背景的提取。

▮▮▮▮ⓑ 语义记忆(semantic memory)：指的是对一般知识、事实、概念和语言的记忆，与个人经历无关。语义记忆是“关于事实的记忆(memory for facts)”，例如，巴黎是法国的首都，鸟类会飞，水的化学式是 \( H_2O \) 等等。语义记忆是抽象的、去情境化的知识，不涉及具体的事件和时间背景。

陈述性记忆主要依赖于内侧颞叶(medial temporal lobe, MTL)结构，特别是海马(hippocampus)及其周围皮层（内嗅皮层(entorhinal cortex)、周围嗅皮层(perirhinal cortex)和海马旁皮层(parahippocampal cortex)）。海马在情景记忆的编码和提取中起着至关重要的作用，而周围皮层则参与语义记忆的存储和提取。

② 非陈述性记忆(non-declarative memory)：也称为内隐记忆(implicit memory)，指的是无法有意识地提取和陈述的记忆，通常表现为行为、技能或习惯的改变。非陈述性记忆包括以下几种主要类型：

▮▮▮▮ⓐ 程序性记忆(procedural memory)：指的是对运动技能和习惯的记忆，例如，骑自行车、游泳、弹钢琴、打字等等。程序性记忆通常是通过反复练习逐渐习得的，一旦掌握，就能够自动、无意识地执行。程序性记忆主要依赖于基底神经节(basal ganglia)、小脑(cerebellum)和运动皮层(motor cortex)等脑区。

▮▮▮▮ⓑ 启动(priming)：指的是先前的刺激经验会无意识地影响后续刺激加工的现象。例如，如果先前看到“医生”这个词，那么之后对“护士”这个词的识别速度会加快，这就是语义启动(semantic priming)。启动效应通常持续时间较短，主要依赖于感觉皮层和联想皮层的改变。

▮▮▮▮ⓒ 经典条件反射(classical conditioning)：指的是通过将中性刺激与非条件刺激配对，使中性刺激最终也能引起与非条件刺激相似的反应的学习过程。例如，巴甫洛夫的狗实验中，铃声（中性刺激）与食物（非条件刺激）配对，最终铃声也能引起狗的唾液分泌（条件反应）。经典条件反射的不同类型依赖于不同的神经环路，例如，情绪性条件反射主要依赖于杏仁核(amygdala)，而运动性条件反射则可能涉及小脑。

▮▮▮▮ⓓ 非联合学习(non-associative learning)：指的是对单一刺激的重复呈现引起的行为改变，包括习惯化(habituation)和敏感化(sensitization)。习惯化是指对重复出现的刺激反应逐渐减弱的现象，例如，刚搬到马路边时可能会觉得吵闹，但一段时间后就会习惯这种噪音。敏感化是指对刺激的反应随着重复呈现而增强的现象，例如，对疼痛刺激的反复刺激会导致疼痛感越来越强烈。非联合学习的神经机制较为简单，通常涉及感觉神经元和运动神经元突触传递效率的改变。

区分陈述性记忆和非陈述性记忆不仅有助于我们理解记忆系统的多样性，也为研究不同类型记忆的神经机制提供了框架。例如，研究海马损伤的病人，发现他们陈述性记忆受损，但非陈述性记忆基本完好，进一步证实了这两种记忆系统在神经基础上的分离。

7.2.2 突触可塑性(Synaptic Plasticity)：长时程增强(LTP)与长时程抑制(LTD)

学习和记忆的神经基础在于突触可塑性(synaptic plasticity)。突触可塑性指的是突触连接强度可以根据经验发生持久性改变的特性。这种改变可以是突触传递效率的增强(synaptic potentiation)，也可以是突触传递效率的减弱(synaptic depression)。突触可塑性被认为是学习和记忆的细胞和分子机制。

① 突触可塑性的类型：突触可塑性可以根据持续时间分为短时程可塑性(short-term plasticity)和长时程可塑性(long-term plasticity)。短时程可塑性持续时间较短，通常在几秒到几分钟之间，例如易化(facilitation)和抑制(depression)。长时程可塑性持续时间较长，可以持续几小时、几天甚至更长时间，例如长时程增强(long-term potentiation, LTP)和长时程抑制(long-term depression, LTD)。长时程可塑性被认为是长期记忆形成的基础。

② 长时程增强(LTP)：LTP是突触传递效率持久性增强的一种形式，被认为是突触可塑性的细胞模型(cellular model of synaptic plasticity)。LTP最早在海马(hippocampus)中被发现，后来在其他脑区也被观察到。LTP的诱导通常需要高频刺激(high-frequency stimulation)或合成分放电(spike-timing-dependent plasticity, STDP)等条件。LTP的分子机制复杂，涉及多种受体、信号通路和基因表达的改变。其中，NMDA受体(N-methyl-D-aspartate receptor, NMDAR) 和 AMPA受体(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptor, AMPAR) 在LTP的诱导和表达中起着关键作用。

▮▮▮▮ⓐ LTP的诱导阶段：LTP的诱导需要突触前神经元和突触后神经元的协同活动，即赫布规则(Hebbian rule)所描述的“一起放电，一起连接(neurons that fire together, wire together)”。当突触前神经元高频放电时，释放谷氨酸(glutamate)，谷氨酸同时激活突触后膜上的AMPA受体和NMDA受体。AMPA受体激活导致突触后膜去极化，当去极化达到一定程度时，可以解除NMDA受体的 \( Mg^{2+} \) 离子通道阻滞。解除阻滞后，NMDA受体通道开放，允许 \( Ca^{2+} \) 内流。 \( Ca^{2+} \) 内流是LTP诱导的关键信号， \( Ca^{2+} \) 作为第二信使(second messenger)，激活一系列下游信号通路，例如钙调蛋白激酶II (calcium/calmodulin-dependent protein kinase II, CaMKII) 和 蛋白激酶C (protein kinase C, PKC)。

▮▮▮▮ⓑ LTP的表达阶段：LTP的表达主要表现为突触传递效率的持久性增强。这种增强可以通过多种机制实现，包括：
▮▮▮▮⚝ AMPA受体磷酸化(phosphorylation of AMPA receptors)：CaMKII和PKC等蛋白激酶可以磷酸化AMPA受体，提高AMPA受体的离子通道电导率，从而增强突触传递效率。
▮▮▮▮⚝ AMPA受体插入(insertion of AMPA receptors)：LTP的持久性表达还与AMPA受体向突触后膜的插入有关。新插入的AMPA受体增加了突触后膜上的受体数量，从而增强了突触传递效率。
▮▮▮▮⚝ 突触结构改变(structural changes at synapses)：长期LTP (late-LTP) 的维持还需要新的蛋白质合成和基因表达，并可能伴随着突触结构的改变，例如突触棘(dendritic spine)的增大和突触连接数量的增加。

③ 长时程抑制(LTD)：LTD是突触传递效率持久性减弱的一种形式，与LTP相反，LTD被认为是突触可塑性的抑制模型(depressive model of synaptic plasticity)。LTD的诱导通常需要低频刺激(low-frequency stimulation) 或 反向合成分放电(anti-spike-timing-dependent plasticity) 等条件。LTD的分子机制也比较复杂，同样涉及NMDA受体和 \( Ca^{2+} \) 信号通路，但 \( Ca^{2+} \) 内流的程度和下游信号通路与LTP有所不同。LTD的表达可能与AMPA受体的去磷酸化(dephosphorylation)和内吞(endocytosis)有关，导致突触后膜上的AMPA受体数量减少，从而减弱突触传递效率。

LTP和LTD是突触可塑性的两种基本形式，它们共同构成了突触可塑性的动态平衡，使神经环路能够根据经验进行灵活的调整和重塑，从而实现学习和记忆的功能。

7.2.3 海马(Hippocampus)与记忆巩固(Memory Consolidation)

海马(hippocampus)是内侧颞叶(medial temporal lobe, MTL)的核心结构，在陈述性记忆，特别是情景记忆的形成和巩固中起着至关重要的作用。海马损伤会导致严重的顺行性遗忘症(anterograde amnesia)，即无法形成新的陈述性记忆，但对损伤前的记忆（逆行性记忆(retrograde memory)）和非陈述性记忆通常影响较小。

① 海马的结构与功能：海马是一个弯曲的海马状结构，位于大脑颞叶内侧。海马的结构复杂，主要由齿状回(dentate gyrus, DG)、海马固有层（CA1、CA2、CA3区）和下托(subiculum)等亚区组成。海马与周围皮层（内嗅皮层、周围嗅皮层和海马旁皮层）形成环路连接，接收来自感觉皮层和联想皮层的信息，并将信息投射回皮层。海马的主要功能包括：

▮▮▮▮ⓐ 情景记忆编码(episodic memory encoding)：海马是情景记忆编码的关键脑区。海马接收来自皮层的多模态感觉信息，并将这些信息整合成统一的情景表征。海马神经元对新奇事件和情境表现出高度的反应性，参与情景事件的快速学习和编码。

▮▮▮▮ⓑ 空间记忆(spatial memory)：海马在空间记忆和空间导航中也起着重要作用。海马中存在着位置细胞(place cell)，这些细胞在动物位于特定空间位置时放电，形成对特定空间环境的神经表征，即认知地图(cognitive map)。海马位置细胞的研究为理解空间记忆的神经机制提供了重要的线索。

▮▮▮▮ⓒ 记忆巩固(memory consolidation)：海马在记忆巩固过程中起着重要的作用。记忆巩固指的是将短期、易遗忘的记忆转化为长期、稳定记忆的过程。海马参与早期记忆的存储，但长期记忆最终主要存储在新皮层(neocortex)中。

② 记忆巩固的过程：记忆巩固是一个复杂而漫长的过程，通常被区分为系统巩固(system consolidation)和突触巩固(synaptic consolidation) 两个阶段。

▮▮▮▮ⓐ 系统巩固(system consolidation)：系统巩固指的是记忆从海马依赖性向海马非依赖性转变的过程。根据标准巩固理论(standard consolidation theory)，最初，情景记忆存储在海马中，海马作为“索引(index)”指向新皮层中分散存储的记忆痕迹。随着时间的推移，海马通过反复的提取和重激活，将记忆痕迹逐渐转移到新皮层中存储。最终，新皮层自身能够独立地提取和维持长期记忆，而海马的作用逐渐减弱。系统巩固是一个缓慢的过程，可能需要数天、数周、数月甚至数年才能完成。

▮▮▮▮ⓑ 突触巩固(synaptic consolidation)：突触巩固指的是在突触水平上发生的记忆巩固过程，主要涉及突触可塑性，特别是LTP的持久性维持。突触巩固发生在学习后的几小时内，将初始的、不稳定的突触变化转化为持久性的结构变化，从而使记忆痕迹更加稳定。突触巩固的分子机制复杂，涉及新的蛋白质合成、基因表达和突触结构重塑等过程。

③ 海马损伤与遗忘症(amnesia)：海马损伤会导致严重的遗忘症，最典型的例子是病人H.M.。H.M.因治疗癫痫而接受了双侧海马切除手术，术后H.M.表现出严重的顺行性遗忘症，无法形成新的陈述性记忆，但手术前的记忆和非陈述性记忆基本完好。H.M.的案例为海马在陈述性记忆形成中的作用提供了经典证据。根据遗忘症的发生时间，遗忘症可以分为：

▮▮▮▮ⓐ 顺行性遗忘症(anterograde amnesia)：指的是无法形成新的记忆，对损伤后发生的事情记不住。顺行性遗忘症是海马损伤的典型症状。

▮▮▮▮ⓑ 逆行性遗忘症(retrograde amnesia)：指的是对损伤前发生的记忆发生遗忘。海马损伤通常也会伴随一定程度的逆行性遗忘，但逆行性遗忘的程度通常是有限的，且越是久远的记忆越不容易被遗忘，这被称为时间梯度遗忘(temporal gradient of retrograde amnesia)。时间梯度遗忘也支持了系统巩固理论，即久远的记忆已经巩固到新皮层，不再依赖海马，因此不容易被海马损伤所影响。

总而言之，海马在陈述性记忆的编码、空间记忆和记忆巩固中起着至关重要的作用。海马与新皮层之间的相互作用，以及突触可塑性在海马和新皮层中的动态变化，共同构成了长期记忆形成的复杂神经机制。

7.2.4 工作记忆(Working Memory)与前额叶皮层(Prefrontal Cortex, PFC)

工作记忆(working memory, WM)是一种短时记忆系统，用于暂时存储和操作信息，以支持复杂的认知任务，例如语言理解、推理、计划和问题解决。工作记忆与传统的短时记忆(short-term memory)概念有所不同，工作记忆更强调对信息的操作(manipulation) 而不仅仅是存储(storage)。

① 工作记忆的定义与功能：工作记忆可以被定义为“在执行复杂认知任务时，对信息进行在线维护和操作的有限容量系统”。工作记忆具有以下几个关键特征：

▮▮▮▮ⓐ 有限容量(limited capacity)：工作记忆的容量是有限的，只能同时保持少量的信息。经典的组块(chunking) 理论认为，工作记忆的容量约为7±2个组块。然而，更新的研究表明，工作记忆的容量可能更小，约为3-4个组块。

▮▮▮▮ⓑ 暂时存储(temporary storage)：工作记忆的信息是暂时性的，如果不进行主动的维持和复述，信息会迅速衰退。工作记忆的维持时间通常在几秒到几十秒之间。

▮▮▮▮ⓒ 信息操作(information manipulation)：工作记忆不仅负责信息的存储，更重要的是对信息的操作和加工。例如，在心算、语言理解和逻辑推理等任务中，我们需要对工作记忆中的信息进行提取、转换、整合和更新等操作。

▮▮▮▮ⓓ 认知控制(cognitive control)：工作记忆与认知控制功能密切相关。工作记忆为认知控制提供了“工作平台”，认知控制功能则负责对工作记忆中的信息进行监控、选择和调控，以实现目标导向的行为。

② 前额叶皮层(Prefrontal Cortex, PFC)在工作记忆中的作用：前额叶皮层(prefrontal cortex, PFC)被认为是工作记忆的主要神经基质(major neural substrate)。大量的神经生理学和神经影像学研究表明，PFC，特别是背外侧前额叶皮层(dorsolateral prefrontal cortex, dlPFC)和腹外侧前额叶皮层(ventrolateral prefrontal cortex, vlPFC)，在工作记忆的维持和操作中起着关键作用。

▮▮▮▮ⓐ PFC神经元的持续放电(persistent firing of PFC neurons)：在工作记忆任务中，PFC神经元表现出持续放电(persistent firing) 的特性。当需要记住某个信息时，PFC神经元的放电活动会持续到信息不再需要为止。这种持续放电被认为是工作记忆信息在线维持(online maintenance) 的神经机制。持续放电可能与PFC神经环路的循环兴奋(recurrent excitation) 和 慢突触电流(slow synaptic currents) 有关。

▮▮▮▮ⓑ PFC的功能分区与网络连接：PFC并非一个同质的脑区，而是由多个功能亚区组成，这些亚区在工作记忆的不同方面可能发挥不同的作用。例如，vlPFC可能更侧重于信息的被动维持(passive maintenance)，而dlPFC可能更侧重于信息的操作和认知控制(manipulation and cognitive control)。PFC与顶叶皮层(parietal cortex)、感觉皮层(sensory cortex)和基底神经节(basal ganglia)等脑区形成复杂的功能网络，共同支持工作记忆的功能。

▮▮▮▮ⓒ 工作记忆的神经编码(neural coding of working memory)：工作记忆的信息是如何在PFC神经元中编码的，是神经科学研究的重要问题。研究表明，工作记忆的信息编码可能采用多种形式，包括：
▮▮▮▮⚝ 发放率编码(rate coding)：信息可以通过PFC神经元的发放率来编码。不同类型的刺激或信息可能引起不同PFC神经元发放率的改变。
▮▮▮▮⚝ 群体编码(population coding)：信息可能由PFC神经元群体活动模式来编码。不同的信息可能激活不同的神经元群体，或引起神经元群体活动模式的差异。
▮▮▮▮⚝ 同步振荡编码(synchronous oscillation coding)：信息可能通过PFC神经元之间的同步振荡来编码。不同频率的振荡可能与工作记忆的不同方面有关，例如 θ 振荡可能与信息维持有关，γ 振荡可能与信息操作有关。

③ 工作记忆的容量限制与认知控制：工作记忆的容量是有限的，这种容量限制是认知加工的瓶颈之一。工作记忆的容量限制可能与PFC神经环路的特性、神经资源的分配和干扰抑制等因素有关。认知控制功能(cognitive control functions)，例如注意控制、抑制控制和更新，能够有效地管理和利用有限的工作记忆资源，提高认知效率。工作记忆训练可以在一定程度上提高工作记忆容量和认知控制能力。

总而言之，工作记忆是一种重要的认知系统，它为我们进行复杂的思维和行为提供了基础。前额叶皮层是工作记忆的关键脑区，PFC神经元的持续放电、功能分区和网络连接，以及多种神经编码机制，共同构成了工作记忆的神经基础。理解工作记忆的神经机制，对于深入认识人类认知能力和开发针对工作记忆缺陷的干预措施具有重要的意义。

7.3 语言(Language)与执行功能(Executive Function)的神经机制

语言(language)和执行功能(executive function)是人类特有的高级认知功能，它们在人类的思维、交流和社会交往中起着至关重要的作用。语言是人类进行复杂交流和信息传递的工具，而执行功能则使我们能够有效地计划、组织、控制和调整行为，以适应复杂多变的环境。

7.3.1 语言的理解与产生：布罗卡区(Broca's Area)与韦尼克区(Wernicke's Area)

语言的神经科学研究历史悠久，早在19世纪，神经科学家就发现了大脑中存在着专门负责语言功能的脑区。其中，布罗卡区(Broca's area) 和 韦尼克区(Wernicke's area) 是最为经典，也是研究最为深入的两个语言脑区。

① 经典语言模型：布罗卡-韦尼克模型(Broca-Wernicke model)：19世纪60年代，法国神经外科医生保罗·布罗卡(Paul Broca)发现，左侧额下回(inferior frontal gyrus, IFG)损伤会导致表达性失语症(expressive aphasia)，病人能够理解语言，但无法流利地说话，语言表达费力、语法错误多，但内容尚可理解。布罗卡将该脑区命名为布罗卡区，并认为布罗卡区负责语言产生(language production)。1874年，德国神经病学家卡尔·韦尼克(Carl Wernicke)发现，左侧颞上回后部(posterior superior temporal gyrus, pSTG)损伤会导致接受性失语症(receptive aphasia)，病人说话流利，但语言内容空洞、不知所云，且无法理解他人语言。韦尼克将该脑区命名为韦尼克区，并认为韦尼克区负责语言理解(language comprehension)。

基于布罗卡和韦尼克的研究，神经科学家提出了经典的布罗卡-韦尼克模型(Broca-Wernicke model)。该模型认为，语言产生和语言理解是两个相对独立的神经过程，分别由布罗卡区和韦尼克区负责。布罗卡区位于额叶，负责将语言概念转化为语言输出，即语言编码(language encoding) 和 言语运动控制(speech motor control)。韦尼克区位于颞叶，负责将听觉语言信号转化为语言意义，即语言解码(language decoding) 和 词汇通达(lexical access)。

② 传导束(arcuate fasciculus)与连接主义模型(connectionist model)：布罗卡-韦尼克模型进一步认为，布罗卡区和韦尼克区之间存在着神经连接，传导束(arcuate fasciculus) 就是连接这两个脑区的白质纤维束。传导束负责在布罗卡区和韦尼克区之间传递信息，实现语言产生和语言理解的协调。如果传导束损伤，会导致传导性失语症(conduction aphasia)，病人能够理解语言，也能流利地说话，但重复语言能力受损，无法准确地重复听到的词语或句子。

基于传导束的概念，经典语言模型发展为连接主义模型(connectionist model)。连接主义模型认为，语言功能并非仅仅局限于布罗卡区和韦尼克区，而是由一个分布式的神经环路网络来实现的。这个网络包括布罗卡区、韦尼克区、传导束以及其他皮层和皮层下结构。语言加工过程是一个信息在网络中流动和传递的过程，不同的脑区负责不同的语言成分加工，例如，语音加工、词汇加工、语义加工和句法加工等。

③ 现代语言神经科学的进展：随着神经影像学技术(neuroimaging techniques)的发展，现代语言神经科学对经典语言模型进行了修正和拓展。现代研究表明，语言功能远比经典模型描述的更为复杂，语言加工并非严格的模块化和单向的，而是动态的、交互式的。

▮▮▮▮ⓐ 布罗卡区的功能拓展：现代研究发现，布罗卡区并非仅仅负责语言产生，也参与语言理解，特别是句法加工(syntactic processing) 和 工作记忆(working memory)。布罗卡区可能在处理复杂句法结构和句法歧义方面起着重要作用。此外，布罗卡区也参与非语言的认知功能，例如，运动序列学习和工作记忆。

▮▮▮▮ⓑ 韦尼克区的功能细化：韦尼克区的功能定位也更加精细化。韦尼克区并非一个同质的脑区，而是可以进一步划分为不同的亚区，例如，前部韦尼克区(anterior Wernicke's area) 可能更侧重于语音加工(phonological processing) 和 词汇通达(lexical access)，而 后部韦尼克区(posterior Wernicke's area) 则可能更侧重于 语义加工(semantic processing) 和 句子理解(sentence comprehension)。

▮▮▮▮ⓒ 语言网络的扩展：现代研究表明，语言网络远比布罗卡区和韦尼克区及其之间的连接更为广泛。除了经典的语言脑区，顶叶皮层(parietal cortex)、颞叶前部(anterior temporal lobe, ATL)、基底神经节(basal ganglia)和小脑(cerebellum)等脑区也参与语言加工的不同方面。例如，ATL可能在语义记忆和概念表征中起着重要作用，基底神经节和小脑可能参与言语运动的流畅性和节律性控制。

④ 失语症(aphasia)的类型与神经基础：失语症是指由于大脑损伤引起的语言障碍，不同类型的失语症与不同脑区的损伤有关。根据经典语言模型，失语症可以分为以下几种主要类型：

▮▮▮▮ⓐ 布罗卡失语症(Broca's aphasia)：由于布罗卡区损伤引起，表现为表达性语言障碍，说话费力、不流利、语法错误多，但理解尚可。

▮▮▮▮ⓑ 韦尼克失语症(Wernicke's aphasia)：由于韦尼克区损伤引起，表现为接受性语言障碍，说话流利但内容空洞、不知所云，理解困难。

▮▮▮▮ⓒ 传导性失语症(conduction aphasia)：由于传导束损伤引起，表现为重复语言能力受损，但理解和表达基本正常。

▮▮▮▮ⓓ 完全性失语症(global aphasia)：由于广泛的左半球语言区损伤引起，表现为严重的语言理解和表达障碍，几乎完全丧失语言功能。

失语症的研究为理解语言的神经基础提供了重要的临床证据。不同类型失语症的临床特征和神经病理基础，为语言的模块化组织和分布式加工提供了支持。

7.3.2 执行功能(Executive Function)的类型与前额叶皮层(Prefrontal Cortex, PFC)

执行功能(executive function, EF)是一系列高级认知过程的统称，使我们能够计划、组织、指导和评估行为，以实现目标。执行功能对于适应复杂、新颖和具有挑战性的情境至关重要，被认为是认知控制的核心(core of cognitive control)。

① 执行功能的类型：执行功能并非单一的功能，而是由多个相互关联的认知子成分组成。神经心理学和认知神经科学研究通常将执行功能划分为以下几种主要类型：

▮▮▮▮ⓐ 工作记忆(working memory)：工作记忆是执行功能的重要组成部分（在7.2.4节已详细介绍）。工作记忆负责对信息进行在线维护和操作，为其他执行功能提供“工作平台”。

▮▮▮▮ⓑ 抑制控制(inhibitory control)：抑制控制指的是抑制优势反应或无关信息的能力，包括反应抑制(response inhibition) 和 干扰抑制(interference control)。反应抑制是指抑制已经启动或正在进行的反应，例如，在“Go/No-Go”任务中，需要抑制对“No-Go”信号的反应。干扰抑制是指抑制无关信息或干扰刺激的干扰，例如，在斯特鲁普任务(Stroop task)中，需要抑制词语的语义信息，而关注颜色信息。

▮▮▮▮ⓒ 认知灵活性(cognitive flexibility)：也称为思维转换(set-shifting)，指的是在不同任务、规则或思维模式之间灵活切换的能力。例如，在威斯康星卡片分类测验(Wisconsin Card Sorting Test, WCST)中，需要根据不同的规则（颜色、形状、数字）对卡片进行分类，并根据反馈不断调整分类规则。认知灵活性使我们能够适应环境变化，解决新问题。

▮▮▮▮ⓓ 计划(planning)：计划指的是预先设定目标、制定行动步骤和组织资源以实现目标的能力。计划能力涉及到目标设定、策略选择、步骤排序、资源分配和结果预测等多个方面。例如，日常生活中的旅行计划、工作项目计划和学习计划都需要良好的计划能力。

▮▮▮▮ⓔ 决策(decision making)：决策指的是在多个选项中选择最佳方案的能力。决策过程涉及到风险评估、价值判断、结果预测和选择执行等多个方面。决策能力受到多种因素的影响，包括认知因素（例如，信息加工、推理能力）和情感因素（例如，情绪状态、风险偏好）。

② 前额叶皮层(Prefrontal Cortex, PFC)在执行功能中的作用：前额叶皮层(prefrontal cortex, PFC)被认为是执行功能的主要神经基质(major neural substrate)。PFC在不同类型的执行功能中都起着关键作用。PFC损伤会导致执行功能障碍，表现为工作记忆受损、抑制控制 deficit、认知灵活性下降、计划能力障碍和决策能力缺陷等。

▮▮▮▮ⓐ PFC的功能分区与网络连接：PFC并非一个同质的脑区，而是由多个功能亚区组成，这些亚区在执行功能的不同方面可能发挥不同的作用。根据功能和解剖连接，PFC可以划分为多个亚区，例如，背外侧前额叶皮层(dlPFC)、腹外侧前额叶皮层(vlPFC)、前扣带皮层(anterior cingulate cortex, ACC)、眶额皮层(orbitofrontal cortex, OFC)和内侧前额叶皮层(medial prefrontal cortex, mPFC)等。不同PFC亚区之间以及PFC与其他脑区（例如，顶叶皮层、基底神经节、丘脑）之间形成复杂的功能网络，共同支持执行功能。

▮▮▮▮ⓑ 不同PFC亚区在执行功能中的作用：研究表明，不同的PFC亚区在不同类型的执行功能中可能发挥不同的作用。例如：
▮▮▮▮⚝ dlPFC：与工作记忆、计划、策略选择和认知灵活性有关。dlPFC可能负责高级认知控制和目标导向行为的指导。
▮▮▮▮⚝ vlPFC：与抑制控制、反应选择和工作记忆的信息维持有关。vlPFC可能负责对无关信息和干扰刺激的抑制，以及对工作记忆信息的维护和提取。
▮▮▮▮⚝ ACC：与冲突监控、错误检测和注意控制有关。ACC可能负责监测认知加工过程中的冲突和错误，并调节注意资源以解决冲突和纠正错误。
▮▮▮▮⚝ OFC：与决策、情绪调节和社会行为有关。OFC可能负责价值判断、风险评估和情绪调节，以及社会行为的调控。
▮▮▮▮⚝ mPFC：与自我监控、自我意识和社会认知有关。mPFC可能负责自我反思、自我评估和社会认知，以及情绪和社会行为的调控。

③ 执行功能的发展与可塑性：执行功能在儿童期和青少年期持续发展，并在成年早期达到成熟水平。执行功能的发展受到遗传因素和环境因素的共同影响。早期生活经验、教育、训练和环境刺激都能够影响执行功能的发展轨迹。执行功能具有一定的可塑性，通过认知训练可以提高执行功能水平，改善认知表现。执行功能训练在儿童教育、老年认知康复和临床干预等领域具有重要的应用价值。

总而言之，执行功能是一系列高级认知过程的统称，对于人类的适应性行为至关重要。前额叶皮层是执行功能的主要神经基质，PFC的不同亚区及其功能网络，共同支持不同类型的执行功能。理解执行功能的神经机制和发展规律，对于深入认识人类认知能力，以及开发促进认知发展和改善认知障碍的干预措施具有重要的意义。

7.3.3 语言与执行功能的相互关系

语言(language)和执行功能(executive function)是人类认知能力的两大支柱，它们之间并非相互独立的，而是存在着复杂而密切的相互关系。语言和执行功能相互促进、相互影响，共同塑造了人类独特的认知能力。

① 语言对执行功能的促进作用：研究表明，语言能力的发展对执行功能的发展具有重要的促进作用。语言作为认知工具(language as a cognitive tool)，可以帮助我们更好地组织思维、计划行动、解决问题和进行认知控制。

▮▮▮▮ⓐ 语言促进工作记忆发展：语言为工作记忆提供了有效的编码和复述策略，例如，语音环路(phonological loop) 就是工作记忆中负责语音信息加工和维持的子系统。语言能力的发展可以提高工作记忆的容量和效率。

▮▮▮▮ⓑ 语言促进抑制控制发展：语言可以帮助儿童更好地理解和内化规则，从而提高抑制控制能力。例如，儿童可以通过语言指令（例如，“停！”、“不要碰！”）来指导和控制自己的行为。自我言语(self-talk)，即对自己说话，是儿童发展抑制控制的重要手段。

▮▮▮▮ⓒ 语言促进认知灵活性发展：语言可以帮助儿童更好地理解和运用抽象概念，例如，规则、类别和关系，从而提高认知灵活性。语言使儿童能够更好地理解任务规则的变化，并在不同规则之间灵活切换思维。

▮▮▮▮ⓓ 语言促进计划和问题解决能力发展：语言为计划和问题解决提供了符号系统和思维工具。语言使我们能够用语言来表征问题、分析问题、制定计划和评估结果。语言能力的发展可以提高计划和问题解决的效率和复杂性。

② 执行功能对语言的支撑作用：反过来，执行功能也为语言的理解和产生提供了重要的支撑。执行功能是语言加工的认知资源(executive function as cognitive resource for language)。

▮▮▮▮ⓐ 工作记忆支撑语言理解：语言理解，特别是句子理解和篇章理解，需要工作记忆的参与。工作记忆负责对听到的或读到的语言信息进行暂时存储和加工，例如，词汇的提取、句法结构的分析、语义关系的建立和篇章的整合。工作记忆的容量和效率直接影响语言理解的深度和广度。

▮▮▮▮ⓑ 抑制控制支撑语言产生：语言产生，特别是言语产生，需要抑制控制的参与。言语产生需要抑制无关信息和干扰因素，例如，抑制无关的词语、抑制不合适的语法结构和抑制跑题的倾向。抑制控制保证了言语产生的流畅性、连贯性和目标导向性。

▮▮▮▮ⓒ 认知灵活性支撑语言运用：语言运用，特别是语用学运用，需要认知灵活性的参与。语用学指的是在特定语境下理解和运用语言的能力。语用学运用需要根据不同的语境、不同的交际对象和不同的交际目的，灵活地调整语言表达方式。认知灵活性使我们能够根据语境变化，灵活地选择和运用合适的语言策略。

③ 语言与执行功能在人类认知中的独特作用：语言和执行功能是人类认知能力的核心组成部分，它们共同塑造了人类独特的思维方式和行为模式。语言使人类能够进行抽象思维、概念思维和符号思维，执行功能使人类能够进行目标导向行为、计划行为和适应性行为。语言和执行功能的协同发展，使人类成为地球上最具智慧和适应能力的物种。语言和执行功能也是人类文化和社会发展的基础，语言促进了知识的积累和传播，执行功能促进了社会协作和组织。

总而言之，语言和执行功能是相互促进、相互支撑的认知功能，它们共同构成了人类高级认知能力的核心。理解语言和执行功能的相互关系，对于深入认识人类认知本质，以及开发促进儿童认知发展和改善成人认知障碍的干预措施具有重要的理论和实践意义。

7.4 情绪(Emotion)与社会认知(Social Cognition)的神经机制

情绪(emotion)和社会认知(social cognition)是认知神经科学(cognitive neuroscience)研究的重要领域，它们关注人类如何体验和表达情绪，以及如何理解和应对社会环境。情绪和社会认知是人类社会生活的基础，它们影响着我们的决策、行为和人际关系。

7.4.1 情绪(Emotion)的类型与神经环路：杏仁核(Amygdala)与前额叶皮层(Prefrontal Cortex, PFC)

情绪(emotion)是一种复杂的主观体验，通常伴随着生理反应、行为表达和认知评价。情绪在人类生活中起着至关重要的作用，它们影响着我们的动机、决策、人际关系和身心健康。

① 情绪的类型：情绪可以根据不同的标准进行分类。根据情绪的性质和功能，情绪可以分为：

▮▮▮▮ⓐ 基本情绪(basic emotion)：也称为原生情绪(primary emotion) 或 离散情绪(discrete emotion)，指的是人类和许多动物都共有的、普遍存在的情绪，例如，快乐(happiness)、悲伤(sadness)、愤怒(anger)、恐惧(fear)、惊讶(surprise) 和 厌恶(disgust)。基本情绪具有鲜明的面部表情、生理反应和行为模式，被认为是进化形成的、具有生存适应意义的情绪。

▮▮▮▮ⓑ 复杂情绪(complex emotion)：也称为社会情绪(social emotion) 或 高级情绪(higher-order emotion)，指的是人类特有的、在社会文化环境中发展起来的情绪，例如，骄傲(pride)、羞愧(shame)、内疚(guilt)、嫉妒(jealousy)、共情(empathy) 和 爱(love)。复杂情绪通常涉及自我意识、社会评价和认知加工，其神经机制也更为复杂。

② 情绪的神经环路：情绪的产生和加工涉及复杂的大脑网络，其中，杏仁核(amygdala) 和 前额叶皮层(prefrontal cortex, PFC) 是情绪神经环路中的两个关键脑区。

▮▮▮▮ⓐ 杏仁核(amygdala)在情绪加工中的作用：杏仁核是位于颞叶内侧的一个杏仁状核团，在情绪加工，特别是恐惧情绪(fear emotion) 和 情绪学习(emotional learning) 中起着至关重要的作用。杏仁核被称为情绪脑(emotional brain) 或 恐惧中心(fear center)。杏仁核的主要功能包括：
▮▮▮▮⚝ 情绪评估(emotional appraisal)：杏仁核能够快速、自动地评估刺激的情绪意义，特别是威胁性和危险性刺激。杏仁核接收来自感觉皮层和丘脑的感觉信息，并将信息传递给其他情绪脑区和皮层区域。
▮▮▮▮⚝ 情绪反应产生(emotional response generation)：杏仁核激活下游脑区，产生情绪相关的生理反应、行为反应和主观体验。例如，杏仁核激活下丘脑(hypothalamus)和脑干(brainstem)，引起自主神经反应（心率加快、血压升高、呼吸急促等）和内分泌反应（皮质醇释放等）；杏仁核激活运动皮层和基底神经节，引起情绪行为反应（逃跑、战斗、僵住等）；杏仁核激活皮层区域，产生情绪的主观体验（恐惧感、焦虑感等）。
▮▮▮▮⚝ 情绪学习与记忆(emotional learning and memory)：杏仁核参与情绪学习，特别是恐惧条件反射(fear conditioning) 的形成和巩固。恐惧条件反射指的是通过将中性刺激（例如，声音或图像）与厌恶刺激（例如，电击）配对，使中性刺激最终也能引起恐惧反应的学习过程。杏仁核损伤会损害恐惧条件反射的习得和表达。

▮▮▮▮ⓑ 前额叶皮层(PFC)在情绪调节中的作用：前额叶皮层(prefrontal cortex, PFC)在情绪调节和情绪控制中起着至关重要的作用。PFC，特别是腹内侧前额叶皮层(ventromedial prefrontal cortex, vmPFC)和背外侧前额叶皮层(dlPFC)，能够对杏仁核的情绪反应进行抑制和调控(inhibition and regulation)。PFC的功能包括：
▮▮▮▮⚝ 情绪评估与认知重评(emotional appraisal and cognitive reappraisal)：PFC参与对情绪刺激的认知评估和重评。PFC能够对杏仁核的快速情绪评估进行“纠正”和“修正”，根据情境信息和认知判断，调整情绪反应的强度和性质。例如，当我们意识到某个看起来可怕的东西实际上是无害的时候，PFC可以抑制杏仁核的恐惧反应。认知重评(cognitive reappraisal) 是一种有效的情绪调节策略，指的是通过改变对情绪事件的认知评价，来改变情绪反应。PFC在认知重评中起着关键作用。
▮▮▮▮⚝ 情绪抑制与控制(emotional inhibition and control)：PFC能够抑制和控制杏仁核的情绪反应，防止情绪反应过度或不适当。PFC通过投射到杏仁核的抑制性神经元，来调节杏仁核的活动。情绪抑制能力是执行功能的重要组成部分，PFC损伤会导致情绪控制障碍，表现为情绪冲动、情绪不稳定和情绪失调等。
▮▮▮▮⚝ 情绪决策与社会行为(emotional decision making and social behavior)：PFC，特别是OFC和vmPFC，在情绪决策和社会行为中起着重要作用。PFC整合情绪信息和认知信息，指导决策和行为。PFC损伤会导致决策能力受损，特别是风险决策和社会决策能力下降，表现为冲动决策、冒险行为和社会行为障碍等。

③ 情绪的自主神经反应和内分泌反应：情绪体验不仅伴随着大脑活动的变化，也伴随着自主神经反应(autonomic nervous system response) 和 内分泌反应(endocrine system response)。自主神经系统（交感神经系统和副交感神经系统）负责调节内脏器官的活动，例如，心跳、呼吸、血压、消化和排汗等。交感神经系统激活通常与应激反应(stress response) 和 战斗或逃跑反应(fight-or-flight response) 相关，表现为心率加快、呼吸急促、血压升高、瞳孔放大和肌肉紧张等。副交感神经系统激活通常与放松反应(relaxation response) 和 休息与消化反应(rest-and-digest response) 相关，表现为心率减慢、呼吸平缓、血压降低和消化功能增强等。内分泌系统通过释放激素来调节生理功能和行为，例如，皮质醇(cortisol) 是应激激素，肾上腺素(adrenaline) 是战斗或逃跑激素，催产素(oxytocin) 是社会联结激素。自主神经反应和内分泌反应为情绪体验提供了生理基础，也为情绪的表达和沟通提供了生理信号。

总而言之，情绪是一种复杂的主观体验，涉及大脑、身体和行为的协调活动。杏仁核在情绪评估和情绪反应产生中起着核心作用，而前额叶皮层则负责情绪调节和情绪控制。理解情绪的神经环路和生理机制，对于深入认识人类情感本质，以及开发针对情绪障碍的干预措施具有重要的意义。

7.4.2 社会认知(Social Cognition)的类型与社会脑网络(Social Brain Network)

社会认知(social cognition)指的是我们如何理解、加工和应对社会信息的认知过程，包括我们如何感知他人、理解他人、与他人互动和形成社会关系。社会认知是人类社会生活的基础，它影响着我们的人际交往、社会合作和社会行为。

① 社会认知的类型：社会认知是一个广泛的概念，包括多个相互关联的认知子成分。神经科学研究通常将社会认知划分为以下几种主要类型：

▮▮▮▮ⓐ 情绪识别(emotion recognition)：也称为情绪感知(emotion perception) 或 情绪解码(emotion decoding)，指的是识别和理解他人情绪状态的能力，通常通过面部表情、声音语调、肢体语言和情境线索来识别情绪。情绪识别是社会交往的基础，使我们能够理解他人的感受和意图，并做出适当的反应。

▮▮▮▮ⓑ 共情(empathy)：指的是理解和体验他人情绪状态的能力，包括认知共情(cognitive empathy) 和 情感共情(affective empathy)。认知共情是指理解他人情绪状态的能力，即“站在他人的角度思考问题”；情感共情是指体验他人情绪状态的能力，即“感同身受”。共情是社会交往和道德行为的重要基础，使我们能够关心他人、帮助他人和建立良好的人际关系。

▮▮▮▮ⓒ 心理理论(theory of mind, ToM)：也称为心智化(mentalizing) 或 意向性理解(intentional understanding)，指的是理解他人心理状态（包括信念、意图、愿望、情感和知识等）的能力，并根据他人的心理状态来预测和解释其行为。心理理论是社会交往和合作的关键能力，使我们能够理解他人的行为动机，并进行复杂的社会互动。

▮▮▮▮ⓓ 社会决策(social decision making)：指的是在社会情境下做决策的能力，例如，合作与竞争、信任与背叛、公平与不公等。社会决策受到多种因素的影响，包括认知因素（例如，信息加工、推理能力）、情感因素（例如，情绪状态、社会偏好）和社会因素（例如，社会规范、人际关系）。社会决策能力直接影响我们的社会交往和人际关系。

▮▮▮▮ⓔ 社会规范(social norm)理解与遵守：社会规范指的是社会群体共同认可和遵守的行为规则和价值标准。社会规范调节着社会成员的行为，维护社会秩序和社会稳定。理解和遵守社会规范是社会适应和社会融合的重要方面。

② 社会脑网络(Social Brain Network)：社会认知功能并非由单个脑区负责，而是由一个分布式的社会脑网络(social brain network) 来实现的。社会脑网络包括多个皮层和皮层下脑区，这些脑区相互连接、协同工作，共同支持社会认知功能。社会脑网络的主要脑区包括：

▮▮▮▮ⓐ 内侧前额叶皮层(medial prefrontal cortex, mPFC)：mPFC是社会脑网络的核心脑区之一，在心理理论、自我反思、社会决策和社会情绪调节中起着重要作用。mPFC参与对他人心理状态的推断和理解，以及对自我和他人的区分。mPFC损伤会导致社会认知障碍，表现为心理理论缺陷、共情障碍和社会行为异常等。

▮▮▮▮ⓑ 颞顶联合区(temporoparietal junction, TPJ)：TPJ位于颞叶和顶叶交界处，在心理理论、注意定向和自我-他人区分中起着重要作用。TPJ参与对他人信念和意图的推断，以及对自我和他人视角的切换。TPJ损伤会导致心理理论缺陷和注意障碍。

▮▮▮▮ⓒ 后扣带皮层(posterior cingulate cortex, PCC)：PCC位于大脑内侧面，扣带回后部，在自我相关加工、情景记忆和社会认知中起着重要作用。PCC参与自我反思、内省和道德判断，以及对社会情境的评估和理解。PCC损伤可能与社会认知障碍和记忆障碍有关。

▮▮▮▮ⓓ 杏仁核(amygdala)：杏仁核在情绪识别，特别是恐惧情绪识别中起着重要作用（在7.4.1节已详细介绍）。杏仁核参与对情绪面孔和情绪声音的快速、自动加工，以及对情绪信息的学习和记忆。杏仁核损伤会导致情绪识别障碍，特别是恐惧情绪识别 deficit。

▮▮▮▮ⓔ 梭状回面孔区(fusiform face area, FFA)：FFA位于颞叶腹侧面，梭状回区域，专门负责面孔识别。FFA对人脸，特别是人脸的面部表情，高度敏感，参与面孔的快速、自动加工。FFA损伤会导致面孔失认症(prosopagnosia)，即无法识别面孔，但对其他物体识别能力正常。

⚝ 除了上述主要脑区，社会脑网络还包括脑岛(insula)、前运动皮层(premotor cortex)、镜像神经元系统(mirror neuron system) 和 基底神经节(basal ganglia) 等脑区。这些脑区共同构成了一个复杂的功能网络，支持人类的社会认知能力。

③ 社会认知障碍与社会情绪障碍：社会认知功能障碍是多种神经精神疾病，特别是社会情绪障碍(social-emotional disorder) 的核心特征。例如，自闭症谱系障碍(autism spectrum disorder, ASD) 和 社会焦虑障碍(social anxiety disorder, SAD) 等疾病都表现出显著的社会认知缺陷。ASD的核心特征是社会交往障碍、沟通障碍和重复刻板行为，其社会认知缺陷主要表现为心理理论 deficit、共情障碍和情绪识别障碍等。SAD的核心特征是社交焦虑和回避行为，其社会认知缺陷主要表现为对社交情境的负性评价、社交技能不足和情绪调节障碍等。研究社会认知障碍的神经机制，有助于深入理解社会情绪障碍的发病机制，并开发有效的干预策略。

总而言之，社会认知是人类社会生活的基础，涉及多种认知子成分和一个分布式的社会脑网络。理解社会认知的神经机制，对于深入认识人类社会性本质，以及开发针对社会认知障碍的干预措施具有重要的意义。

7.4.3 情绪与社会认知的相互关系

情绪(emotion)和社会认知(social cognition)是密切相关的认知功能，它们相互影响、相互作用，共同塑造了人类的社会行为和人际关系。情绪和社会认知并非完全独立的，它们在神经机制和功能上存在着广泛的重叠和整合。

① 情绪对社会认知的影响：情绪能够显著地影响社会认知过程。情绪影响社会感知(emotion influences social perception)。我们的情绪状态会影响我们如何感知他人，例如，当我们心情好时，我们更容易将他人视为友善和合作的；当我们心情不好时，我们更容易将他人视为敌对和竞争的。情绪影响社会判断(emotion influences social judgment)。情绪能够引导我们的社会判断和决策，例如，当我们感到愤怒时，我们更容易对他人做出负面评价；当我们感到同情时，我们更容易做出亲社会行为。情绪影响社会记忆(emotion influences social memory)。情绪能够增强社会信息的记忆，特别是情绪显著的社会事件和人际互动，更容易被我们记住。

② 社会认知对情绪的影响：反过来，社会认知也能够调节和影响情绪体验。社会认知调节情绪评估(social cognition regulates emotional appraisal)。我们对社会情境的认知评价，能够影响我们的情绪反应。例如，当我们意识到某个威胁性刺激实际上是“虚惊一场”时，我们的恐惧感会随之降低。社会认知影响情绪表达(social cognition influences emotional expression)。社会文化规范和社会情境会影响我们的情绪表达方式。例如，在公共场合，我们通常会抑制或掩饰负面情绪，保持社会礼仪。社会认知影响情绪体验(social cognition influences emotional experience)。我们对他人的理解和共情，能够影响我们自身的情绪体验。例如，当我们看到他人痛苦时，我们可能会产生共情，体验到悲伤或同情的情绪。

③ 社会情绪障碍的神经机制：社会情绪障碍，例如自闭症谱系障碍(autism spectrum disorder, ASD)和社会焦虑障碍(social anxiety disorder, SAD)，通常表现出情绪和社会认知功能的双重障碍。ASD患者不仅表现出社会认知缺陷（例如，心理理论 deficit、共情障碍），也表现出情绪加工异常（例如，情绪识别障碍、情绪调节困难）。SAD患者不仅表现出社会认知偏差（例如，负性自我评价、社交焦虑预期），也表现出情绪反应异常（例如，过度焦虑、社交恐惧）。研究表明，社会情绪障碍的神经机制复杂，可能涉及社会脑网络和情绪脑网络的结构和功能异常，以及神经递质系统（例如，血清素、多巴胺和催产素）的失调。

④ 情绪和社会认知的整合模型：为了更好地理解情绪和社会认知的相互关系，神经科学家提出了多种整合模型。社会认知神经科学(social cognitive neuroscience) 强调从神经机制层面，研究情绪和社会认知的相互作用和整合。未来的研究需要进一步探索情绪和社会认知在神经环路、神经递质和基因等多个层面的整合机制，以期更全面、深入地理解人类社会行为和人际关系。

总而言之，情绪和社会认知是相互影响、相互作用的认知功能，它们共同构成了人类社会性和情感生活的基础。理解情绪和社会认知的复杂关系，以及它们共同的神经机制，是揭开人类社会行为之谜的关键一步。

8. 发育神经科学(Developmental Neuroscience)：神经系统的发育与可塑性

本章系统介绍神经系统的发育过程，包括神经发生(neurogenesis)、神经元迁移(neuronal migration)、轴突导向(axon guidance)、突触形成(synaptogenesis)和髓鞘形成(myelination)，以及影响神经系统发育的遗传因素和环境因素，以及神经系统发育的可塑性和关键期(critical period)。

8.1 神经系统的早期发育：神经发生(Neurogenesis)与神经元迁移(Neuronal Migration)

详细介绍神经系统的早期发育过程，包括神经发生（神经干细胞(neural stem cell)的增殖和分化），神经元迁移（放射状迁移和切向迁移），以及早期发育过程中的分子信号和调控机制。

8.1.1 神经发生(Neurogenesis)：神经干细胞(Neural Stem Cell)的增殖与分化

介绍神经干细胞的特性和类型，以及神经发生的调控机制，包括内源性因子和外源性信号，以及神经发生在成年大脑中的持续存在（成年神经发生(adult neurogenesis)）。

神经发生(neurogenesis)是指新的神经元(neuron)从神经干细胞(neural stem cell, NSC)或神经祖细胞(neural progenitor cell, NPC)产生并最终整合到神经环路中的过程。这个过程是神经系统发育的基石，对于构建复杂的大脑结构和功能至关重要。传统观念认为，神经发生主要发生在胚胎发育阶段，成年后大脑的神经元数量基本固定。然而，近几十年的研究表明，神经发生并非完全停止在出生后，在成年哺乳动物的大脑中，特定区域仍然存在神经发生，称为成年神经发生(adult neurogenesis)。

① 神经干细胞(Neural Stem Cell)的特性与类型

神经干细胞(NSCs)是一类具有自我更新和多向分化潜能的细胞，它们能够：

▮▮▮▮ⓐ 自我更新(Self-renewal)：NSCs可以分裂产生更多的NSCs，维持干细胞池的稳定，确保神经发生过程的持续进行。这种自我复制的能力是干细胞的核心特征。
▮▮▮▮ⓑ 多向分化潜能(Multipotency)：NSCs可以分化成神经系统中主要的细胞类型，包括神经元(neuron)、星形胶质细胞(astrocyte)和少突胶质细胞(oligodendrocyte)。这种分化潜能使得NSCs成为构建复杂神经系统的基础。

在神经发育的不同阶段和大脑的不同区域，NSCs的表现出一定的异质性。根据来源和特性，可以大致将NSCs分为以下类型：

⚝ 放射状胶质细胞(Radial Glial Cell, RGC)：在神经管(neural tube)时期，RGCs是主要的NSCs类型。它们形态细长，一端位于脑室区(ventricular zone, VZ)，另一端延伸到软脑膜表面。RGCs不仅作为NSCs进行增殖和分化，还为新生的神经元提供迁移的支架。
⚝ 基底祖细胞(Basal Progenitor Cell, BPC)，也称为中间祖细胞(intermediate progenitor cell, IPC)：BPCs主要位于脑室下区(subventricular zone, SVZ)，由RGCs分化而来。BPCs的增殖能力比RGCs更强，但分化潜能相对受限，主要产生神经元或胶质细胞。BPCs的出现显著增加了神经元的产生数量，尤其是在大脑皮层(cerebral cortex)的发育过程中。
⚝ 成年神经干细胞(Adult Neural Stem Cell)：成年神经发生主要发生在两个脑区：海马齿状回(dentate gyrus of hippocampus)的颗粒下区(subgranular zone, SGZ)和侧脑室(lateral ventricle)的脑室下区(SVZ)。这些区域的NSCs具有与胚胎期NSCs相似的自我更新和多向分化能力，但其分化潜能和调控机制可能存在差异。

② 神经发生的调控机制

神经发生是一个复杂而精细调控的过程，受到多种内源性因子和外源性信号的共同调控，以确保神经元在合适的时间、合适的地点、以合适的数量产生。

▮▮▮▮ⓐ 内源性因子

⚝ 转录因子(Transcription Factor)：转录因子在调控NSCs的增殖、分化和命运决定中起着核心作用。例如：
▮▮▮▮⚝ 巢蛋白(Nestin)：一种中间丝蛋白，是NSCs的标志性蛋白，参与维持NSCs的自我更新能力。
▮▮▮▮⚝ Sox2：Sox家族转录因子，在维持NSCs多能性和抑制神经元分化方面发挥重要作用。
▮▮▮▮⚝ Pax6：Pax家族转录因子，参与调控神经祖细胞的增殖和特定神经元亚型的分化，例如大脑皮层神经元。
▮▮▮▮⚝ Neurogenin (Ngn)：bHLH转录因子家族，是神经元分化的关键启动因子，促进NSCs向神经元命运转变。

⚝ 表观遗传修饰(Epigenetic Modification)：DNA甲基化(DNA methylation)和组蛋白修饰(histone modification)等表观遗传修饰，能够调控基因表达，影响NSCs的自我更新和分化潜能。例如，DNA甲基化酶DNMTs和组蛋白去乙酰化酶HDACs参与调控神经发生过程。

▮▮▮▮ⓑ 外源性信号

⚝ 信号通路(Signaling Pathway)：多种信号通路参与调控神经发生，包括：
▮▮▮▮⚝ Notch信号通路(Notch Signaling Pathway)：Notch信号通路在维持NSCs的干性，抑制神经元早期分化中起重要作用。Notch信号的激活可以抑制神经元分化，促进NSCs的增殖。
▮▮▮▮⚝ Sonic hedgehog (Shh)信号通路(Sonic hedgehog (Shh) Signaling Pathway)：Shh信号通路在神经管腹侧区域的神经发生中发挥关键作用，调控特定神经元亚型（例如运动神经元(motor neuron)）的产生。
▮▮▮▮⚝ Wnt信号通路(Wnt Signaling Pathway)：Wnt信号通路参与调控NSCs的增殖和分化，在不同脑区和发育阶段，Wnt信号可能发挥促进或抑制神经发生的作用。
▮▮▮▮⚝ 成纤维细胞生长因子(Fibroblast Growth Factor, FGF)信号通路(Fibroblast Growth Factor (FGF) Signaling Pathway)：FGF信号通路主要促进神经祖细胞的增殖，增加神经元产生数量。
▮▮▮▮⚝ 骨形态发生蛋白(Bone Morphogenetic Protein, BMP)信号通路(Bone Morphogenetic Protein (BMP) Signaling Pathway)：BMP信号通路通常抑制神经发生，促进胶质细胞分化。

⚝ 生长因子与细胞因子(Growth Factor and Cytokine)：多种生长因子和细胞因子能够影响神经发生。例如：
▮▮▮▮⚝ 表皮生长因子(Epidermal Growth Factor, EGF) (Epidermal Growth Factor (EGF)) 和 碱性成纤维细胞生长因子(basic Fibroblast Growth Factor, bFGF) (basic Fibroblast Growth Factor (bFGF))：促进NSCs的增殖。
▮▮▮▮⚝ 脑源性神经营养因子(Brain-Derived Neurotrophic Factor, BDNF) (Brain-Derived Neurotrophic Factor (BDNF))：促进神经元存活和分化。
▮▮▮▮⚝ 白血病抑制因子(Leukemia Inhibitory Factor, LIF) (Leukemia Inhibitory Factor (LIF))：维持NSCs的自我更新。

③ 成年神经发生(Adult Neurogenesis)

成年神经发生(adult neurogenesis)是指在出生后的大脑中持续产生新的神经元的过程。最初认为成年哺乳动物的大脑神经元数量在出生后就基本固定，但随着研究的深入，发现在特定脑区，神经发生持续存在。成年神经发生主要发生在以下两个区域：

⚝ 海马齿状回(Dentate Gyrus of Hippocampus)的颗粒下区(Subgranular Zone, SGZ)：在SGZ区域，NSCs持续产生新的颗粒神经元(granule neuron)，这些神经元整合到现有的海马环路中，参与海马依赖的学习和记忆功能，特别是情景记忆(episodic memory)和空间记忆(spatial memory)。成年海马神经发生受到多种因素调控，例如学习、运动、环境刺激和应激等。
⚝ 侧脑室(Lateral Ventricle)的脑室下区(Subventricular Zone, SVZ)：在SVZ区域，NSCs产生神经母细胞(neuroblast)，这些神经母细胞沿着嗅觉通路迁移到嗅球(olfactory bulb)，分化为中间神经元(interneuron)并整合到嗅球环路中，参与嗅觉信息处理。成年SVZ神经发生主要与嗅觉功能相关。

成年神经发生的生理意义和功能仍在深入研究中。目前认为，成年神经发生可能在以下方面发挥作用：

⚝ 学习与记忆(Learning and Memory)：海马神经发生与情景记忆和空间记忆形成有关。
⚝ 情绪调节(Emotion Regulation)：海马神经发生可能参与情绪和应激反应的调节。
⚝ 嗅觉功能(Olfactory Function)：SVZ神经发生为嗅球提供新的中间神经元，维持嗅觉功能的稳定性和可塑性。

成年神经发生也可能与神经系统疾病相关。例如，抑郁症(depression)和阿尔茨海默病(Alzheimer's disease)等疾病中，成年神经发生可能减少。调控和促进成年神经发生可能为治疗这些疾病提供新的策略。

总而言之，神经发生是神经系统发育和可塑性的基础过程。从胚胎发育到成年期，神经发生受到复杂而精细的调控，确保神经系统的正常构建和功能维持。对神经发生机制的深入理解，不仅有助于揭示大脑发育的奥秘，也为神经系统疾病的治疗提供新的思路。

8.1.2 神经元迁移(Neuronal Migration)：放射状迁移与切向迁移

介绍神经元迁移的不同模式，包括放射状迁移（沿着放射状胶质细胞(radial glia)的导向）和切向迁移（沿着切向路径），以及神经元迁移的分子机制和导向信号。

神经元迁移(neuronal migration)是指新生的神经元从神经发生区域移动到最终目的地的过程。神经元需要精确地迁移到特定的位置，才能形成有序的神经环路，实现复杂的大脑功能。神经元迁移是一个高度动态和复杂的过程，受到多种分子信号和细胞相互作用的调控。根据迁移路径和机制的不同，神经元迁移主要分为两种模式：放射状迁移(radial migration)和切向迁移(tangential migration)。

① 放射状迁移(Radial Migration)

放射状迁移是皮层发育中主要的神经元迁移模式，特别是在大脑皮层(cerebral cortex)和海马(hippocampus)等分层结构的发育中至关重要。放射状迁移主要发生在神经管(neural tube)的背侧区域，新生的神经元沿着放射状胶质细胞(radial glial cell, RGC)的放射状纤维，从脑室区(ventricular zone, VZ)向外迁移到皮层板(cortical plate)或海马的颗粒层(granule cell layer)。

放射状迁移的过程大致包括以下几个步骤：

▮▮▮▮ⓐ 神经元与放射状胶质细胞的连接(Attachment to Radial Glial Cell)：新生神经元首先与RGC的放射状纤维建立连接，通常是通过细胞粘附分子(cell adhesion molecule, CAM)介导的。
▮▮▮▮ⓑ 沿着放射状胶质细胞纤维的运动(Movement along Radial Glial Fiber)：神经元利用RGC纤维作为支架，沿着纤维向皮层表面运动。这种运动方式类似于攀爬，神经元通过伸出前导突起(leading process)和收缩后部，不断向前推进。
▮▮▮▮ⓒ 迁移终止与位置定位(Migration Termination and Positional Determination)：当神经元到达目标皮层层级时，迁移终止，并与其他神经元建立突触连接，整合到神经环路中。

放射状迁移的特点：

⚝ 迁移方向：从脑室区向皮层表面呈放射状迁移。
⚝ 迁移支架：以放射状胶质细胞纤维为支架。
⚝ 主要发生区域：大脑皮层、海马等分层结构。
⚝ 主要迁移神经元类型：兴奋性神经元(excitatory neuron)，例如皮层锥体神经元(pyramidal neuron)和海马颗粒神经元。

放射状迁移的分子机制：

⚝ 细胞粘附分子(Cell Adhesion Molecule, CAM)：CAMs，例如N-钙粘着蛋白(N-cadherin)和整合素(integrin)，介导神经元与RGC纤维之间的粘附，维持迁移过程中的稳定连接。
⚝ 细胞骨架(Cytoskeleton)：肌动蛋白(actin)和微管(microtubule)等细胞骨架成分，在神经元运动中发挥重要作用。肌动蛋白聚合和解聚驱动前导突起的伸出和收缩，微管提供结构支撑。
⚝ 分子马达(Molecular Motor)：动力蛋白(dynein)和驱动蛋白(kinesin)等分子马达，沿着微管或肌动蛋白丝移动，产生驱动神经元运动的力。
⚝ 导向信号(Guidance Cue)：一些分子信号，例如趋化因子(chemoattractant)和化学排斥因子(chemorepellent)，引导神经元朝向正确的方向迁移。例如，趋化因子SDF-1/CXCL12及其受体CXCR4参与调控皮层中间神经元的放射状迁移。

② 切向迁移(Tangential Migration)

切向迁移是指神经元沿着与放射状迁移不同的路径，呈切线方向迁移的过程。切向迁移主要发生在神经管的腹侧区域，例如腹侧前脑(ventral forebrain)和菱脑(rhombencephalon)。通过切向迁移，一些特定类型的神经元，例如皮层抑制性中间神经元(inhibitory interneuron)和脑干神经核团(brainstem nucleus)，从发生区域迁移到最终目的地。

切向迁移的过程相对复杂，涉及多种迁移模式和导向机制。常见的切向迁移模式包括：

▮▮▮▮ⓐ 链状迁移(Chain Migration)：神经元以链状排列的方式迁移，通常沿着特定的导向通路，例如血管或轴突束。嗅球前体细胞(olfactory bulb precursor cell)从SVZ到嗅球的迁移，就是典型的链状迁移。
▮▮▮▮ⓑ 集体迁移(Collective Migration)：一组神经元协同迁移，形成迁移群，共同到达目的地。例如，下丘脑神经元(hypothalamic neuron)的迁移。
▮▮▮▮ⓒ 单细胞迁移(Single-cell Migration)：单个神经元独立迁移，不依赖于其他神经元的协同作用。例如，皮层中间神经元从腹侧前脑到皮层的迁移。

切向迁移的特点：

⚝ 迁移方向：与放射状迁移方向不同，呈切线方向迁移。
⚝ 迁移支架：可能利用轴突束、血管或其他细胞作为支架，也可能独立迁移。
⚝ 主要发生区域：腹侧前脑、菱脑等。
⚝ 主要迁移神经元类型：抑制性中间神经元，例如皮层GABA能中间神经元(GABAergic interneuron)和脑干神经核团神经元。

切向迁移的分子机制：

⚝ 导向分子(Guidance Molecule)：多种导向分子参与调控切向迁移，包括：
▮▮▮▮⚝ 趋化因子(Chemoattractant)：例如网蛋白-1(Netrin-1)及其受体DCC，引导交感神经元(commissural neuron)轴突跨越中线。肝细胞生长因子(HGF)及其受体Met，引导皮层中间神经元从腹侧前脑向皮层迁移。
▮▮▮▮⚝ 化学排斥因子(Chemorepellent)：例如狭缝蛋白(Slit)及其受体Robo，排斥特定神经元轴突，引导其远离特定区域。
▮▮▮▮⚝ 信号素(Semaphorin)家族(Semaphorin Family) 和 Ephrin家族(Ephrin Family)：Semaphorins和Ephrins家族分子，可以作为趋化因子或化学排斥因子，调控轴突导向和神经元迁移。

⚝ 细胞外基质(Extracellular Matrix, ECM)：ECM成分，例如层粘连蛋白(laminin)和纤维连接蛋白(fibronectin)，为神经元迁移提供物理支架和信号支持。
⚝ 细胞极性(Cell Polarity)：神经元迁移需要建立和维持细胞极性，例如前导突起和胞体-轴突极性。Par复合物(Par complex)和LKB1激酶(LKB1 kinase)等分子，参与调控细胞极性的建立和维持。

③ 神经元迁移的异常与神经发育障碍

神经元迁移是一个高度精细和关键的发育过程。迁移异常会导致神经元位置错乱，神经环路连接异常，最终导致神经发育障碍。多种神经发育障碍，例如平脑症(lissencephaly)、多小脑回畸形(polymicrogyria)和异位症(heterotopia)，都与神经元迁移障碍有关。

⚝ 平脑症(Lissencephaly)：一种严重的神经发育障碍，表现为大脑皮层表面光滑，缺乏正常的脑沟和脑回。平脑症通常是由于放射状迁移受阻，皮层神经元未能正常迁移到皮层板而导致的。LIS1基因(LIS1 gene)和DCX基因(DCX gene)突变是平脑症的常见病因，这些基因编码的蛋白参与调控微管功能和神经元迁移。
⚝ 多小脑回畸形(Polymicrogyria)：一种皮层发育畸形，表现为皮层表面形成过多的、小的、不规则的脑回。多小脑回畸形可能与神经元迁移后期或皮层组织过程异常有关。
⚝ 异位症(Heterotopia)：指神经元迁移过程中，部分神经元未能到达正常位置，而在不应该存在神经元的位置聚集形成团块。皮层异位症(cortical heterotopia)是指神经元在白质区(white matter)或脑室周围形成异位团块。

对神经元迁移机制的深入研究，不仅有助于理解大脑皮层等复杂结构的形成，也为神经发育障碍的病理机制和治疗策略提供重要线索。

8.1.3 神经系统早期发育的分子调控

介绍影响神经系统早期发育的分子信号通路，例如Notch信号通路、Sonic hedgehog (Shh)信号通路和Wnt信号通路，以及转录因子在神经发育中的作用。

神经系统的早期发育，包括神经管形成(neural tube formation)、神经发生(neurogenesis)和神经元迁移(neuronal migration)，是一个受到严格分子调控的过程。多种信号通路和转录因子协同作用，精细地调控神经系统的模式建立、细胞命运决定和组织构建。以下介绍几种在神经系统早期发育中起关键作用的分子信号通路和转录因子。

① 重要的分子信号通路

▮▮▮▮ⓐ Notch信号通路(Notch Signaling Pathway)

Notch信号通路是一种保守的细胞间信号通路，在神经系统发育的多个环节中发挥重要作用，包括：

⚝ 维持神经干细胞的干性(Maintaining Neural Stem Cell Stemness)：Notch信号激活可以抑制神经元早期分化，维持神经干细胞(neural stem cell, NSC)的增殖和自我更新能力。Notch受体与其配体（例如Delta和Jagged）结合后，激活胞内信号转导，最终调控靶基因的表达，例如Hes家族转录因子(Hes family transcription factor)。Hes转录因子抑制神经元分化基因的表达，维持NSCs的未分化状态。
⚝ 调控神经祖细胞的增殖与分化(Regulating Neural Progenitor Cell Proliferation and Differentiation)：Notch信号通路在神经祖细胞(neural progenitor cell, NPC)的增殖和分化平衡中起重要作用。适度的Notch信号活性维持NPCs的增殖，而Notch信号减弱则促进NPCs向神经元或胶质细胞分化。
⚝ 侧向抑制(Lateral Inhibition)：Notch信号通路参与侧向抑制，即在一个细胞群体中，一个细胞分化为特定细胞类型后，通过Notch信号抑制周围细胞分化为相同类型，从而保证不同细胞类型的均衡产生。例如，在神经元和胶质细胞分化过程中，Notch信号介导的侧向抑制确保神经元和胶质细胞的比例适当。

Notch信号通路的关键组分：Notch受体(Notch receptor)、Notch配体(Notch ligand)（Delta, Jagged, Serrate等）、Caspase蛋白、Hes转录因子等。

▮▮▮▮ⓑ Sonic hedgehog (Shh)信号通路(Sonic hedgehog (Shh) Signaling Pathway)

Shh信号通路在神经管腹侧模式建立和腹侧神经元亚型分化中发挥核心作用。Shh信号由神经管底板(floor plate)和脊索(notochord)分泌，形成浓度梯度，调控神经管腹侧不同区域的细胞命运。Shh信号通路的主要功能包括：

⚝ 腹侧神经管模式建立(Ventral Neural Tube Patterning)：Shh信号形成腹侧高浓度梯度，诱导神经管腹侧区域产生不同类型的腹侧神经元，例如运动神经元(motor neuron)和中间神经元(interneuron)。不同浓度的Shh信号激活不同的转录因子，例如Olig家族、Nkx家族和Pax家族转录因子，这些转录因子组合编码不同的腹侧神经元亚型。
⚝ 运动神经元分化(Motor Neuron Differentiation)：高浓度的Shh信号诱导运动神经元前体细胞(motor neuron progenitor cell)的产生和分化。Shh信号激活Gli转录因子，Gli转录因子进一步激活运动神经元特异性基因的表达，例如运动神经元决定基因Olig2和运动神经元标志物蛋白HB9。
⚝ 神经管腹侧区域细胞增殖(Ventral Neural Tube Cell Proliferation)：Shh信号在特定浓度下，也能够促进神经管腹侧区域细胞的增殖，增加神经元和胶质细胞的产生数量。

Shh信号通路的关键组分：Shh配体、受体Patched (Ptc)、Smoothened (Smo)蛋白、Gli转录因子家族（Gli1, Gli2, Gli3）、SuFu蛋白等。

▮▮▮▮ⓒ Wnt信号通路(Wnt Signaling Pathway)

Wnt信号通路是一类多功能信号通路，在神经系统发育的多个方面发挥作用，包括神经管背侧模式建立、神经发生、轴突导向和突触形成。Wnt信号通路根据是否依赖β-catenin蛋白，分为经典Wnt/β-catenin通路(canonical Wnt/β-catenin pathway)和非经典Wnt通路(non-canonical Wnt pathway)。在神经发育中，经典Wnt/β-catenin通路研究较多，其主要功能包括：

⚝ 背侧神经管模式建立(Dorsal Neural Tube Patterning)：Wnt信号在神经管背侧区域高表达，与BMP信号协同作用，建立神经管背侧模式，诱导感觉神经元(sensory neuron)和背侧中间神经元(dorsal interneuron)的分化。
⚝ 调控神经发生(Regulating Neurogenesis)：Wnt信号在不同脑区和发育阶段，对神经发生可能发挥促进或抑制作用。例如，在海马齿状回(dentate gyrus of hippocampus)的成年神经发生中，Wnt信号通路被认为起促进作用。
⚝ 轴突导向与突触形成(Axon Guidance and Synaptogenesis)：Wnt信号通路参与调控轴突的生长和导向，以及突触的形成和可塑性。例如，Wnt信号可以引导轴突生长，并调控突触后受体的聚集。

经典Wnt/β-catenin通路的关键组分：Wnt配体、Frizzled (Fz)受体、LRP5/6共受体、Dishevelled (Dvl)蛋白、Axin蛋白、APC蛋白、GSK-3β激酶、CK1α激酶、β-catenin蛋白、TCF/LEF转录因子等。

② 重要的转录因子家族

转录因子(transcription factor)是调控基因表达的关键分子，在神经系统发育的细胞命运决定、分化和功能成熟过程中发挥核心作用。以下介绍几个在神经系统早期发育中重要的转录因子家族：

▮▮▮▮ⓐ bHLH转录因子家族(bHLH Transcription Factor Family)

碱性螺旋-环-螺旋(basic helix-loop-helix, bHLH)转录因子家族是神经发育中最重要的转录因子家族之一，包括多种亚家族，例如：

⚝ Neurogenin (Ngn)家族：Ngn1, Ngn2, Ngn3等，是神经元分化的关键启动因子，促进神经祖细胞向神经元命运转变，并决定神经元的早期特性。
⚝ Mash家族：Mash1, Mash2等，主要调控GABA能中间神经元(GABAergic interneuron)和嗅球神经元的分化。
⚝ Olig家族：Olig1, Olig2, Olig3等，主要调控少突胶质细胞(oligodendrocyte)和运动神经元(motor neuron)的分化。
⚝ Hes家族：Hes1, Hes5等，由Notch信号通路激活，抑制神经元分化，维持神经干细胞的干性和神经祖细胞的增殖。

▮▮▮▮ⓑ Pax转录因子家族(Pax Transcription Factor Family)

Paired box (Pax)转录因子家族在神经系统模式建立和细胞类型特化中发挥重要作用。不同Pax家族成员在神经管不同区域表达，调控不同区域的神经元亚型分化。例如：

⚝ Pax6：在背侧前脑(dorsal forebrain)高表达，参与调控大脑皮层神经元和视网膜神经元的分化。Pax6突变导致无虹膜症(aniridia)和大脑皮层发育异常。
⚝ Pax7：在背侧神经管(dorsal neural tube)表达，与Wnt信号协同作用，调控背侧中间神经元和感觉神经元的分化。

▮▮▮▮ⓒ 同源异型(Hox)转录因子家族(Hox Transcription Factor Family)

Homeobox (Hox)转录因子家族在前后轴(anterior-posterior axis)模式建立中起关键作用，尤其是在菱脑(rhombencephalon)和脊髓(spinal cord)的发育中。不同Hox基因在前后轴不同区域表达，形成特异性的表达谱，赋予不同区域神经元独特的身份。例如，Hox基因在菱脑分节(rhombomere)形成和脑干神经核团(brainstem nucleus)的特化中发挥重要作用。

除了上述信号通路和转录因子，还有许多其他分子机制参与神经系统早期发育的调控，例如生长因子信号通路（FGF, EGF, BDNF等）、细胞周期调控因子、表观遗传修饰因子等。这些分子机制相互作用，共同 orchestrate 神经系统从简单神经管到复杂大脑的精巧构建过程。对这些分子调控机制的深入理解，不仅有助于揭示神经发育的奥秘，也为神经发育障碍的防治提供理论基础和潜在的治疗靶点。

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