神經(jīng)交流

對科學(xué)家而言，人類大腦信息系統(tǒng)的運(yùn)作與其他動物類似這一點(diǎn)是個令人高興的自然事實(shí)，你甚至難以區(qū)分人類和猴子的小型腦組織樣本。這樣的相似性使得研究人員能夠通過研究一些簡單得多的動物，如魷魚和海蛞蝓，來探索人類神經(jīng)系統(tǒng)的運(yùn)作方式，也使得他們可以通過研究其他哺乳動物的大腦來了解人類的大腦組織。汽車各不相同，但都有油門、方向盤和剎車，人們只需研究任意一輛汽車，就能掌握其工作原理。同樣，動物也各有不同，但其神經(jīng)系統(tǒng)的運(yùn)作原理是相似的。

神經(jīng)元

學(xué)習(xí)目標(biāo)問題 2-3 什么是神經(jīng)元？神經(jīng)元如何傳遞信息？

人類身體的神經(jīng)信息系統(tǒng)是一個建立在簡單基礎(chǔ)上的復(fù)雜系統(tǒng)，其構(gòu)件是神經(jīng)元（neuron），又稱神經(jīng)細(xì)胞。在整個生命過程中，新的神經(jīng)元會不斷誕生，而未使用的神經(jīng)元則會逐漸消失（O’Leary et al., 2014; Shors, 2014）。為了理解人們的思想和行動、記憶和情緒，我們必須首先了解神經(jīng)元的工作和交流方式。

神經(jīng)元各不相同，但都是相同主體的不同衍生（圖2.1）。每個神經(jīng)元都由一個細(xì)胞體（cell body）及其分支纖維組成。通常極為密集的樹突（dendrite）纖維會接收和整合信息，并將其傳導(dǎo)至細(xì)胞體（Stuart & Spruston, 2015）。從那里，細(xì)胞單一的、長長的軸突（axon）纖維通過其末端分支將信息傳遞給其他神經(jīng)元、肌肉或腺體（圖2.2）。簡而言之，樹突接收信息，軸突發(fā)送信息。

與較短的樹突不同，軸突可能非常長，在人體內(nèi)延伸數(shù)米的距離。例如，一個向腿部肌肉傳輸命令的人類神經(jīng)元，其細(xì)胞體和軸突的尺寸大致相當(dāng)于一個籃球連接到一根1千米長的繩子上。一些軸突被包裹在髓鞘（myelin sheath）中，就像被絕緣材料包裹的家用電線一樣。髓鞘是一層脂肪組織，能夠讓軸突絕緣并加快其神經(jīng)沖動傳輸速度。髓鞘的鋪設(shè)過程會一直持續(xù)到25歲左右，在此期間，神經(jīng)的效率、判斷力和自我控制力等都會不斷增長（Fields, 2008; Nakamura et al., 2018; Van Munster et al., 2015）。髓鞘退化會導(dǎo)致多發(fā)性硬化：神經(jīng)元與肌肉和大腦區(qū)域的交流變慢，肌肉控制能力下降，有時還會導(dǎo)致認(rèn)知能力受損。

為這數(shù)十億神經(jīng)細(xì)胞提供支持的是蜘蛛狀的膠質(zhì)細(xì)胞（glial cell）。神經(jīng)元就像蜂后，無法進(jìn)食或保護(hù)自己；而膠質(zhì)細(xì)胞則是工蜂，提供營養(yǎng)物質(zhì)和絕緣用的髓鞘，引導(dǎo)神經(jīng)連接并吸收離子和神經(jīng)遞質(zhì)。膠質(zhì)細(xì)胞在學(xué)習(xí)、思考和記憶過程中也會發(fā)揮作用。通過與神經(jīng)元的“聊天”，它們也會參與信息傳輸和記憶工作（Fields, 2011, 2013;Martín et al., 2015）。

在更復(fù)雜的動物大腦中，膠質(zhì)細(xì)胞與神經(jīng)元的比例會有所增加。對愛因斯坦大腦的尸檢分析沒有發(fā)現(xiàn)更多或更大神經(jīng)元的存在，但確實(shí)發(fā)現(xiàn)愛因斯坦大腦的膠質(zhì)細(xì)胞濃度比普通人大腦的更高（Fields, 2004）。愛因斯坦的膠質(zhì)細(xì)胞令他的大腦總是精力充沛。

神經(jīng)沖動

受到感官或鄰近神經(jīng)元的刺激時，神經(jīng)元會發(fā)射一種叫作動作電位（action potential）的神經(jīng)沖動來傳輸信息。動作電位是一種沿軸突傳播的短暫電荷。

根據(jù)纖維的類型，神經(jīng)沖動會以每小時3千米到超過每小時320千米不等的速度傳輸。但即使是它的最高速度也比電流通過電線的速度慢300萬倍。我們測量大腦活動的標(biāo)準(zhǔn)可以用毫秒（千分之一秒），測量計算機(jī)活動的標(biāo)準(zhǔn)卻要用納秒（十億分之一秒）。因此，與計算機(jī)近乎瞬時的反應(yīng)不同，人對突發(fā)事件做出反應(yīng)（如小孩發(fā)現(xiàn)車輛開始飛奔）可能要花四分之一秒或更久的時間。人的大腦比計算機(jī)復(fù)雜得多，但在執(zhí)行簡單反應(yīng)方面卻比計算機(jī)慢得多。如果你是一頭大象，拉動你的尾巴所產(chǎn)生的信息發(fā)送到大腦再回到尾巴所需的傳輸時間是小鼩鼱信息往返傳輸時間的100倍，因而你的反應(yīng)會更慢（More et al., 2010）。

神經(jīng)元像電池一樣，從化學(xué)事件中產(chǎn)生電。在電化學(xué)過程中，離子（即帶電的原子）會發(fā)生交換。軸突膜外側(cè)的流體大多是帶正電荷的鈉離子，而靜息狀態(tài)的軸突內(nèi)部的流體（包括帶負(fù)電的大型蛋白質(zhì)離子和帶正電的小型鉀離子）大多帶負(fù)電。軸突就像一個戒備森嚴(yán)的設(shè)施，其表面選擇性地允許某些物質(zhì)進(jìn)出。因此，我們認(rèn)為軸突表面是選擇性滲透的，而這種外正內(nèi)負(fù)的狀態(tài)就稱為靜息電位。

然而，一個神經(jīng)元放電時，大門（軸突表面）的安全系數(shù)就會發(fā)生變化。軸突的第一部分會打開大門，就像下暴雨時翻開的下水道井蓋，帶正電的鈉離子（受神經(jīng)元內(nèi)部的負(fù)電所吸引）會通過打開的通道涌入其中（圖2.3）。內(nèi)外電荷差的消失稱為去極化，它會引起下一部分軸突通道的打開，隨后是再下一部分，就像倒下的多米諾骨牌一樣。這種暫時的正離子流入就是神經(jīng)沖動，即動作電位。每個神經(jīng)元本身就是一個微型決策裝置，在接收其他數(shù)百甚至數(shù)千個神經(jīng)元信號的同時進(jìn)行著復(fù)雜的運(yùn)算。單是想象這個電化學(xué)過程每秒重復(fù)100次甚至1000次，人們都會感到不可思議，但這僅僅是冰山一角。

大部分神經(jīng)信號是興奮性的，就像在踩神經(jīng)元的油門；有一些信號則是抑制性的，像是在踩它的剎車。如果興奮性信號超過抑制性信號的部分達(dá)到了最低強(qiáng)度或閾值（threshold）（圖2.3），這樣的組合信號就會觸發(fā)動作電位（換言之，如果派對上興奮派動物的票數(shù)超過了抑制派動物的票數(shù)，那么派對就會繼續(xù)）。然后，動作電位沿著軸突傳播，而軸突分支會與數(shù)百或數(shù)千個其他神經(jīng)元或身體的肌肉和腺體形成連接。

神經(jīng)元需要的休息時間極為短暫（一眨眼的時間都要不了）。在稱為不應(yīng)期（refractory period）的休息期間，后續(xù)動作電位不會發(fā)生。直到軸突恢復(fù)到靜息狀態(tài)，神經(jīng)元才可以再次放電。

將刺激水平提高到閾值以上，不會增加神經(jīng)沖動的強(qiáng)度。神經(jīng)元反應(yīng)是一種全或無反應(yīng)（all-or-none response），它就像槍，要么開火，要么不開火。那么，人們?nèi)绾螜z測刺激的強(qiáng)度呢？如何區(qū)分溫柔的觸摸和大大的擁抱呢？強(qiáng)烈的刺激能夠觸發(fā)更多神經(jīng)元放電，并且放電頻率更高，但并不能影響動作電位的強(qiáng)度或速度。更使勁兒扣動扳機(jī)不會令子彈更快。

神經(jīng)元如何交流

學(xué)習(xí)目標(biāo)問題 2-4 神經(jīng)細(xì)胞如何與其他神經(jīng)細(xì)胞交流？

神經(jīng)元們錯綜復(fù)雜地交織在一起，即使借助顯微鏡，人們也很難看見一個神經(jīng)元的終點(diǎn)和另一個神經(jīng)元的起點(diǎn)。科學(xué)家們曾經(jīng)認(rèn)為，一個細(xì)胞的軸突與另一個細(xì)胞的樹突相融合，形成一個不間斷的結(jié)構(gòu)。后來，英國生理學(xué)家查爾斯·謝林頓（Charles Sherrington，1857—1952）發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)沖動在神經(jīng)通路上花費(fèi)的時間之長超出意料。謝林頓推斷，在沖動的傳輸過程中一定存在一個短暫中斷，于是他把神經(jīng)元之間的連接點(diǎn)稱為突觸（synapse）。

我們?nèi)缃窳私獾剑粋€神經(jīng)元的軸突末端實(shí)際上是通過一個微小得不足百萬分之一厘米的突觸間隙（或突觸裂隙）與接收神經(jīng)元分開的。西班牙解剖學(xué)家圣地亞哥·拉蒙·卡亞爾（Santiago Ramóny Cajal，1852—1934）曾對神經(jīng)元的這種近距離結(jié)合大為驚嘆，稱之為“原生質(zhì)之吻”。詩人戴安娜·阿克曼（Diane Ackerman, 2004）指出：“就像優(yōu)雅的女士互致飛吻，以免影響她們的妝容一樣，樹突和軸突并沒有完全接觸。”那么，神經(jīng)元如何做到在突觸間隙中傳遞信息呢？這一問題的答案是我們這個時代的重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。

動作電位到達(dá)軸突末端的紐扣狀終端，會引發(fā)化學(xué)信使的釋放，這種化學(xué)信使稱為神經(jīng)遞質(zhì)（neurotransmitter）（圖2.4）。在萬分之一秒內(nèi)，神經(jīng)遞質(zhì)分子穿過突觸間隙，與接收神經(jīng)元上的受體結(jié)合，精確得就像用鑰匙開鎖一樣。在一瞬間，神經(jīng)遞質(zhì)打開了接收部位的微小通道，帶電的原子流入，刺激或抑制接收神經(jīng)元的放電準(zhǔn)備。多余的神經(jīng)遞質(zhì)最終會流走，被酶分解，或被發(fā)送神經(jīng)元重新吸收，這一過程稱為再攝取（reuptake）。一些抗抑郁藥物能夠部分阻斷增強(qiáng)情緒的神經(jīng)遞質(zhì)的再攝取過程（圖2.5）。

神經(jīng)遞質(zhì)如何對人造成影響

學(xué)習(xí)目標(biāo)問題 2-5 神經(jīng)遞質(zhì)如何影響行為？藥物和其他化學(xué)物質(zhì)如何影響神經(jīng)遞質(zhì)？

在探索神經(jīng)交流的過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)了數(shù)十種神經(jīng)遞質(zhì)，繼而提出了更多新問題：某些神經(jīng)遞質(zhì)是否只存在于特定區(qū)域？神經(jīng)遞質(zhì)如何影響人們的情緒、記憶和心理能力？人們能否通過藥物或飲食來增強(qiáng)或減弱這樣的影響？

在其他章節(jié)中，我們探討了神經(jīng)遞質(zhì)對饑餓和思考、抑郁癥和欣快癥、成癮和治療的影響。在本章節(jié)中，我們將學(xué)習(xí)神經(jīng)遞質(zhì)影響人們運(yùn)動和情緒的方式。一條特定的大腦通路可能只使用一種或兩種神經(jīng)遞質(zhì)，如5-羥色胺和多巴胺等，而特定的神經(jīng)遞質(zhì)會影響特定的行為和情緒（表2.1）。但神經(jīng)遞質(zhì)系統(tǒng)并非孤立運(yùn)作，而是相互作用，其效果也隨其刺激的受體而變化。乙酰膽堿（ACh）是最廣為人知的神經(jīng)遞質(zhì)之一，能夠在學(xué)習(xí)和記憶中發(fā)揮作用。它還能在運(yùn)動神經(jīng)元（該神經(jīng)元將信息從大腦和脊髓傳遞到身體組織）和骨骼肌之間的連接處充當(dāng)信使，從而促進(jìn)肌肉動作。當(dāng)乙酰膽堿被釋放到肌肉細(xì)胞中的受體時，肌肉就會收縮。如果阻斷乙酰膽堿的傳輸，肌肉就無法收縮，人們就會癱瘓，某些麻醉劑和毒藥就能產(chǎn)生這樣的效果。

坎蒂斯·珀特（Candace Pert）和所羅門·斯奈德（Solomon Snyder）在將一種無害的放射性示蹤劑附著在嗎啡（一種有情緒喚起和疼痛緩解作用的阿片類藥物）上進(jìn)行研究時，有了一個有關(guān)神經(jīng)遞質(zhì)的驚人發(fā)現(xiàn)。研究人員在追蹤嗎啡于動物大腦中的活動軌跡時，注意到嗎啡最終與有關(guān)情緒和疼痛感覺的腦區(qū)中的受體相結(jié)合。但是，為什么大腦會有這樣的“阿片類受體”呢？除非大腦也有一把這樣的鑰匙——一種天然止痛劑，不然為什么會有這樣一把化學(xué)鎖呢？

研究人員很快證實(shí)，大腦確實(shí)產(chǎn)生了自己的天然阿片類物質(zhì)。人們的身體在應(yīng)對疼痛和劇烈運(yùn)動時，會釋放幾種與嗎啡類似的神經(jīng)遞質(zhì)分子。這些內(nèi)啡肽（endorphin，內(nèi)源性嗎啡的簡稱）正是產(chǎn)生良好感覺的原因，如“跑者快感”、針灸止痛以及一些重傷者對疼痛的無視等（Boecker et al., 2008; Fuss et al., 2015）。然而，新認(rèn)識又帶來了新問題。

藥物和其他化學(xué)物質(zhì)如何調(diào)節(jié)神經(jīng)傳遞？如果天然內(nèi)啡肽可以緩解疼痛，振奮情緒，那么，為什么不能向大腦輸入人工阿片劑來增強(qiáng)這一效果，強(qiáng)化大腦自身的“感覺良好”化學(xué)反應(yīng)呢？這是因?yàn)榇祟愃幬飼茐拇竽X的化學(xué)平衡行為。輸入海洛因、嗎啡和芬太尼（一種強(qiáng)效的合成阿片類藥物）等阿片類藥物時，為了維持自身化學(xué)平衡，大腦可能會停止自己產(chǎn)出天然的阿片類物質(zhì)。而藥物被撤掉時，大腦被剝奪了任何形式的阿片類物質(zhì)，可能會產(chǎn)生強(qiáng)烈不適。抑制人體自身的神經(jīng)遞質(zhì)生成，違背了自然規(guī)律，是要付出代價的。

藥物和其他化學(xué)物質(zhì)影響大腦的化學(xué)作用，通常是通過刺激或抑制神經(jīng)元放電來達(dá)到效果的。興奮劑分子能夠增強(qiáng)神經(jīng)遞質(zhì)的作用。一些興奮劑能夠促進(jìn)神經(jīng)遞質(zhì)的產(chǎn)生或釋放，或阻斷突觸中的再攝取。而一些興奮劑則與神經(jīng)遞質(zhì)非常相似，能夠效仿神經(jīng)遞質(zhì)與受體進(jìn)行結(jié)合，并模仿其興奮或抑制作用。因此，一些阿片類藥物就屬于興奮劑，通過放大正常的興奮感或愉悅感，使人產(chǎn)生暫時的“快感”。

拮抗劑（antagonist）則通過阻斷神經(jīng)遞質(zhì)的產(chǎn)生或釋放來減少其作用。肉毒桿菌是一種毒素，形成于保存不當(dāng)?shù)墓揞^食品中，能夠阻斷乙酰膽堿的釋放而引起癱瘓（少量注射肉毒桿菌毒素，能夠麻痹面部肌肉，消除皺紋）。這些拮抗劑與天然神經(jīng)遞質(zhì)十分相似，能夠占據(jù)其受體并阻斷其作用，但不會對受體造成刺激作用（就像符合自動售貨機(jī)投幣口尺寸的外國硬幣，能夠投進(jìn)機(jī)器里，但無法購買貨品）。一些南美洲原住民常將箭毒涂抹于狩獵鏢尖，這種毒藥能夠占據(jù)并阻斷肌肉中的乙酰膽堿受體，從而麻痹獵物。