神經(jīng)交流

對(duì)科學(xué)家而言，人類大腦信息系統(tǒng)的運(yùn)作與其他動(dòng)物類似這一點(diǎn)是個(gè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(gè)生命過程中，新的神經(jīng)元會(huì)不斷誕生，而未使用的神經(jīng)元?jiǎng)t會(huì)逐漸消失（O’Leary et al., 2014; Shors, 2014）。為了理解人們的思想和行動(dòng)、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(gè)神經(jīng)元都由一個(gè)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(huì)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(gè)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(gè)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(dòng)傳輸速度。髓鞘的鋪設(shè)過程會(huì)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(huì)不斷增長（Fields, 2008; Nakamura et al., 2018; Van Munster et al., 2015）。髓鞘退化會(huì)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(shí)還會(huì)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(huì)發(fā)揮作用。通過與神經(jīng)元的“聊天”，它們也會(huì)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(dòng)物大腦中，膠質(zhì)細(xì)胞與神經(jīng)元的比例會(huì)有所增加。對(duì)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(dòng)

受到感官或鄰近神經(jīng)元的刺激時(shí)，神經(jīng)元會(huì)發(fā)射一種叫作動(dòng)作電位（action potential）的神經(jīng)沖動(dòng)來傳輸信息。動(dòng)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(dòng)會(huì)以每小時(shí)3千米到超過每小時(shí)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(cè)量大腦活動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)可以用毫秒（千分之一秒），測(cè)量計(jì)算機(jī)活動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)卻要用納秒（十億分之一秒）。因此，與計(jì)算機(jī)近乎瞬時(shí)的反應(yīng)不同，人對(duì)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(shí)間。人的大腦比計(jì)算機(jī)復(fù)雜得多，但在執(zhí)行簡單反應(yīng)方面卻比計(jì)算機(jī)慢得多。如果你是一頭大象，拉動(dòng)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(shí)間是小鼩鼱信息往返傳輸時(shí)間的100倍，因而你的反應(yīng)會(huì)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(huì)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(gè)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(gè)神經(jīng)元放電時(shí)，大門（軸突表面）的安全系數(shù)就會(huì)發(fā)生變化。軸突的第一部分會(huì)打開大門，就像下暴雨時(shí)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(huì)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(huì)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(shí)的正離子流入就是神經(jīng)沖動(dòng)，即動(dòng)作電位。每個(gè)神經(jīng)元本身就是一個(gè)微型決策裝置，在接收其他數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)神經(jīng)元信號(hào)的同時(shí)進(jìn)行著復(fù)雜的運(yùn)算。單是想象這個(gè)電化學(xué)過程每秒重復(fù)100次甚至1000次，人們都會(huì)感到不可思議，但這僅僅是冰山一角。

大部分神經(jīng)信號(hào)是興奮性的，就像在踩神經(jīng)元的油門；有一些信號(hào)則是抑制性的，像是在踩它的剎車。如果興奮性信號(hào)超過抑制性信號(hào)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(hào)就會(huì)觸發(fā)動(dòng)作電位（換言之，如果派對(duì)上興奮派動(dòng)物的票數(shù)超過了抑制派動(dòng)物的票數(shù)，那么派對(duì)就會(huì)繼續(xù)）。然后，動(dòng)作電位沿著軸突傳播，而軸突分支會(huì)與數(shù)百或數(shù)千個(gè)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(shí)間極為短暫（一眨眼的時(shí)間都要不了）。在稱為不應(yīng)期（refractory period）的休息期間，后續(xù)動(dòng)作電位不會(huì)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(huì)增加神經(jīng)沖動(dòng)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(cè)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(dòng)作電位的強(qiáng)度或速度。更使勁兒扣動(dòng)扳機(jī)不會(huì)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(cuò)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(gè)神經(jīng)元的終點(diǎn)和另一個(gè)神經(jīng)元的起點(diǎn)?？茖W(xué)家們?cè)?jīng)認(rèn)為，一個(gè)細(xì)胞的軸突與另一個(gè)細(xì)胞的樹突相融合，形成一個(gè)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(dòng)在神經(jīng)通路上花費(fèi)的時(shí)間之長超出意料。謝林頓推斷，在沖動(dòng)的傳輸過程中一定存在一個(gè)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?，一個(gè)神經(jīng)元的軸突末端實(shí)際上是通過一個(gè)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(duì)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?！蹦敲?，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(gè)時(shí)代的重要科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。

動(dòng)作電位到達(dá)軸突末端的紐扣狀終端，會(huì)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(huì)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(duì)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(duì)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(dòng)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(huì)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(dòng)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(dòng)作。當(dāng)乙酰膽堿被釋放到肌肉細(xì)胞中的受體時(shí)，肌肉就會(huì)收縮。如果阻斷乙酰膽堿的傳輸，肌肉就無法收縮，人們就會(huì)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(shí)，有了一個(gè)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(dòng)物大腦中的活動(dòng)軌跡時(shí)，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(huì)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(huì)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(duì)疼痛和劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)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(duì)疼痛的無視等（Boecker et al., 2008; Fuss et al., 2015）。然而，新認(rèn)識(shí)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?huì)破壞大腦的化學(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(shí)，為了維持自身化學(xué)平衡，大腦可能會(huì)停止自己產(chǎn)出天然的阿片類物質(zhì)。而藥物被撤掉時(shí)，大腦被剝奪了任何形式的阿片類物質(zhì)，可能會(huì)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(jià)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(shí)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(huì)對(duì)受體造成刺激作用（就像符合自動(dòng)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。