第 5 版序 本书初版在 1976 年问世时 序言中曾这样写道 本书的目的是 描述神经细胞如何完 成其信号的传递 这些信号如何整合 而脑的高级功能又是如何由这种整合产生的 本书 所面向的读者对神经系统如何工作有浓厚的兴趣 但并非一定要有特殊的生物科学背景知 识 我们用精选的实例来说明其要点 新的第

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1 第 5 版序 本书初版在 1976 年问世时 序言中曾这样写道 本书的目的是 描述神经细胞如何完 成其信号的传递 这些信号如何整合 而脑的高级功能又是如何由这种整合产生的 本书 所面向的读者对神经系统如何工作有浓厚的兴趣 但并非一定要有特殊的生物科学背景知 识 我们用精选的实例来说明其要点 新的第 5 版的撰写目的不变 但现在的情况已很不相同 本书初版问世时 神经生物 学的书籍寥寥无几 只有若干杂志是专为神经系统研究的 分子生物学 遗传学和免疫学 的异乎寻常的进展尚未应用于神经细胞或脑的研究 而为了搜索文献尚无互联网可敷使用 1976 年以来知识的爆炸意味着 即使我们仍想要保持良好的可读性以及叙事式的风格 必 须要增多加以论述的主题 篇幅也要增加 某些老的实验的论述不可避免必须放弃 即使 这是些十分漂亮的实验 尽管如此 我们的论述仍然循着思路从概念引向最近的进展 就 此而言 在这一版中我们既保留了对经典实验的描述 也介绍最新的发现 我们希望以这 种方式 为神经生物学的研究者 教师们 以及对此领域不熟悉的读者们 展现他们感兴 趣的关键的研究脉络 在第 5 版中增添了新的章节 另一些章节已完全改写 而所有章节均已更新 此外 这一版与上一版还有两个明显的重要变化 首先 像初版一样 出于同样的目的 我们把 关于视觉系统的论述放在书的第一部分 之所以这样做是为了突显其重要性 一开始就让 读者一睹实施功能的整个 脑 的情景 经验表明 一名想要了解脑如何工作的初学者 最初通常是对脑高级功能着迷而被吸引到这个主题来的 本书的作者就是这样的情况 由 于在视网膜和视皮层所做的工作十分出色 这样就有可能把神经细胞的特性和我们视知觉 间的联系清晰地显示出来 此外 这种信息还能诱发对之后章节 论述神经细胞的细胞生 物学 分子生物学和生物物理学特性 的好奇心 第二个重要变化是作者人数 从 2 个到 3 个 再到 4 个 我们现在已增至 6 个 近几 年产生的新信息的总量以及必须描述的新技术的数量 以前所未有的速度增加 因此 必 须选择哪些内容是需要包括的 哪些是应该舍弃 而这种选择又是如此之复杂 需要全时 的工作 这是两三名神经科学家不能胜任的 特别是如果他们还希望继续其研究并获得研 究基金的话 尽管如此 如前一样 我们已经力图保持一种贯穿始终的流畅风格 希望会 给读者这样一种感觉 全书似乎是由单一作者所撰写的 J.G. 尼克尔斯 A.R. 马丁 P.A. 福克斯 D.A. 布朗 M.E. 戴蒙特 D.A. 韦斯勃拉脱 2011 年 10 月 杨雄里 译

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3 致 谢 我们特别感谢我们的朋友和同事 Bruce Wallace 他是本书第 3 版 第 4 版的作者 虽 然他不能参与第 5 版的合作 但是他原来撰写的章节的材料已在改写和更新的新的章节中 大量采用 他的工作是很重要的贡献 我们极其高兴的是能在本书保持他对关键主题所做 的许多富有学识的 清晰而又有权威性的展示 我们对许多同事深表谢意 他们给予了我们鼓励 并影响了我们的思路 我们特别 感谢 Dennis Baylor 他通读了所有章节 我们对以下同事表示谢意 他们阅读了部分章 节 他们是 Drs. W. Kolbinger, G. Legname, F. F. de Miguel, K. J. Muller, U. J. McMahan, L. Szczupak 和 C. Trueta 以下各位提供了有益的讨论和建议 E. Arabzadeh, S. Bensmaïa, D. H. Jenkinson, W. B. Kristan, Jr., D.-H. Kuo, S. R. Levinson, A. Mallamaci, L. Mei, M. Ruegg, W. J. Thompson 和 D. Zoccolan 我们尤为感谢以下各位提供原始图版 他们是 K. Briggman, A. Brown, R. Constanzo, J. Fernandez, D. Furness, M. S. Graziano, L. L. Iversen, A. Kaneko, J. Kinnamon, E. Knudsen, S. R. Levinson, A. Mallamaci, U. J. cmahan, R. Michaels, K. J. Muller, E. Newman, E. Puzuolo, R. Reed, S. Roper, M. Ruegg, M. M. Salpeter, P. Shrager, P. Sterling, M. Stryker, J. Taranda, R. Vassar, D. A. Wagenaar 和 D. Zoccolan 我们愉快地向我们的出版商和朋友 Andy Sinauer 致谢 他出色的鉴赏力 强烈的兴 趣 以及对于内容 图表和书的外观的高超的判断力 在本书制作的每一阶段都激励着 我们 我们有幸得到 Sydney Carroll 的指导 他从本书发端起就和我们在一起 并对其 设计 版式提供了颇有见地的建议 我们也感谢 Kathaleen Emerson, Chelsea Holabird 和 Azelie Aquadro 他们彬彬有礼 以极大的细心对全文进行了编辑加工 感谢 Chris Small, Joan Gemme 和 Marie Scavotto, 他们在制作本版中起了重要的作用 感谢艺术编辑 Elizabeth Morales 她把我们的草图和图表变成了优雅的 令人赏心悦目的插图 杨雄里 译

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5 初版前言摘录 我们的目的是描述神经细胞如何完成其信号的传递 这些信号如何整合 而脑的高级 功能又是如何由这种整合而产生的 本书面向的读者 对神经系统如何工作有浓厚的兴趣 但并不一定要有特殊的生物科学背景知识 我们用精选的实例来说明其重点 这些实例主 要选自我们有第一手经验的研究工作 这样做会掺入明显的个人偏爱 并必定有疏漏 我们并不试图对神经系统作全面的阐述 也并不试图在文献和背景材料方面做到完备 无缺 我们宁愿采取一种有个性的因而有局限性的观点 循着由若干研究者的工作所推动 的发展的脉络 来叙述过去几十年中取得的若干进展 检视本书的目录就会发现 许多重 要和吸引人的领域遗漏了 如小脑 听觉系统 眼动 运动系统 胼胝体等 我们唯一的 口实是 为了演示细胞水平的研究途径的有效性 通过选择几个相关的主题来提供一幅有 内在联系的全景 似乎是比较合适的 通览全书 我们所描述的 或是对单个细胞的实验 或是对神经元的简单集群的分析 实验动物范围很广 在有些情况下 分析已达到分子水平 从而能以特异的分子来讨论神 经和肌肉膜的某些功能特性 幸运的是 在所有已研究的动物脑中 神经信号运作的原理 存在明显的一致性 因此 在龙虾或水蛭所获得的结果 可以与我们自身的神经系统关联 起来 作为生理学家 我们必须抓住这种一致性 因为我们相信 在每一个看起来极复杂 难以解决的问题的背后 总是存在一种简化的原理 使谜底得以解开 例如 人脑由数百 亿个细胞组成 而其连接还要多得多 似乎很难完全了解 这种复杂性经常被误以为是杂 乱无章的 但事实并非如此 我们能够显示 脑是按照一种高度有序的设计组构起来的 系由相对简单的部件所组成 为实施其功能 脑仅使用几种信号和一种定型的重复活动模式 因此 对神经细胞较少的采样 有时就能揭示连接组构的概貌 视觉系统就是这样的情况 我们也论及前景未卜的主题 这些领域正在发展之中 因此其方向是不确定的 人们 可以期待 这些主题在现时难以纳入一种清晰的框架之中 但我们希望 它们会使人们产 生这样一种感觉 即研究就像一系列的探险 从神经元到脑 既表达了我们的思路 也表达了我们的目的 我们主要从事关于 神经元功能机制的研究 对神经系统有兴趣的学生几乎总是跟我们说 他们的好奇心源于 他们渴望了解感知 意识 行为 或脑的其他高级功能 当他们知道我们主要是研究分离 的神经细胞或简单神经系统的活动时 他们常常为我们本人也是怀着相似的动机起步而感 到惊奇 他们对我们一直保持着那种兴趣甚至更加惊奇 事实上 我们相信 我们正在走 向这一目标 而在这一方面 我们与大多数同事和前人并无二致 本书的目的在于使这种 观点变得更有份量 同时 正如我们所希望的 本书的论述也将显示我们所引向的是正确 的方向 S 库福乐 J. G. 尼克尔斯 1975 年 8 月 杨雄里 译

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7 目录摘要 第 1 部分神经系统导论 第 1 章信号运作和组构原理 3 第 2 章视觉系统的信号处理 25 第 3 章视皮层的功能构筑 49 第 2 部分神经元和胶质细胞的电特性 第 4 章离子通道和信号传递 71 第 5 章离子通道的结构 85 第 6 章静息膜电位的离子基础 111 第 7 章动作电位的离子基础 125 第 8 章神经元电信号 145 第 9 章离子跨膜转运 159 第 10 章神经胶质细胞的特性和功能 177 第 3 部分细胞间通讯 第 11 章直接突触传递的机制 207 第 12 章突触传递的间接机制 239 第 13 章神经递质的释放 273 第 14 章中枢神经系统递质 309 第 15 章 神经递质的合成 转移 贮 存和失活 345 第 16 章突触可塑性 367 第 5 部分感觉与运动 第 19 章感觉转导 443 第 20 章 视网膜中视觉信号的转导与 传递 469 第 21 章触觉 痛觉和纹理感觉 499 第 22 章听觉和前庭感觉 523 第 23 章感知的构建 547 第 24 章 控制反射 呼吸和运动协调 的环路 573 第 6 部分神经系统的发育与再生 第 25 章神经系统的发育 611 第 26 章感觉系统的关键期 653 第 27 章损伤后突触连接的再生 681 第 7 部分结论 第 28 章悬而未决的问题 713 第 4 部分整合机制第 17 章自主神经系统 389 第 18 章蚂蚁 蜜蜂和水蛭行为的细胞机制 409

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9 目 录 第 1 部分 第1章 神经系统导论 信号运作和组构原理 简单神经元回路中的信号运作 与高级功能相关的复杂神经元回路 视网膜的组构 神经元的外形和连接 细胞体 树突和轴突 鉴定神经元和追踪其连接的技术 非神经元细胞 细胞按功能集群 连接的复杂性 神经细胞的信号传递 电信号的普遍性 用电极记录神经元信号的技术 记录和刺激神经元活动的无创伤技术 动作电位的特性 动作电位沿神经纤维传播 动作电位作为神经密码 突触 细胞间通讯的部位 化学介导的突触传递 兴奋和抑制 电传递 突触效率的调制 整合机制 由动作电位传送的信息的复杂性 神经元的细胞 分子生物学 神经系统发育的信号 视觉系统的通路 突触连接的会聚和发散 神经节细胞和外膝核细胞的感受野 感受野的概念 8 感受野的大小 神经节细胞和外膝核细胞的分类 神经节细胞和外膝核细胞传递何种信 息 专题 2.1 探索皮层的策略 皮层感受野 简单细胞的反应 简单感受野的生成 对运动刺激的反应 对有终端的线条有反应的皮层神经元 神经节细胞和外膝核细胞的感受野组构 29 复杂细胞的反应 信号从高级中枢向低级中枢的逆向传送 21 脑的高级功能 视觉系统的信号处理 视网膜的输出 在双极细胞和光感受器中电位变化的 扩布 第2章 5 局部分级电位的扩布和神经元的被动 电学特性 神经系统损伤后的再生 复杂细胞感受野的形成 感受野 形状知觉单元 第3章 视皮层的功能构筑 视网膜区域映射图 从外膝核到视皮层 视网膜到外膝核的输入分聚 视皮层的细胞构筑 皮层的输入 输出和分层 眼优势柱 成像技术显示眼优势柱 朝向柱 色觉细胞集群 大细胞通路和小细胞通路在 V1 和视区 V2 之间的连接 59 眼优势柱和朝向柱的关系 60

10 x 目 录 皮层内的水平联系 61 从两眼输入信号构建单一 统一的视野 62 专题 3.1 胼胝体 视皮层联合区 我们将走向何处 第 2 部分 第4章 电压激活通道 电压激活钠通道 钠通道的氨基酸序列和三级结构 电压激活钙通道 电压激活钾通道 神经元和胶质细胞的电 特性 离子通道和信号传递 离子通道的特性 神经细胞膜 离子通道的物理特征 通道选择性 通道的开放和关闭状态 电压激活通道的孔道形成 通道激活模式 74 单通道电流的测量 75 微电极胞内记录 通道噪声 膜片钳记录 单通道电流 通道电导 电导和通透性 平衡电位 Nernst 方程 非线性电流 电压关系 离子经通道的通透 专题 4.1 通道电导测量 第5章 离子选择性和电导 离子通道的结构 配体激活通道 烟碱型乙酰胆碱受体 AChR 亚基的氨基酸序列 高级化学结构 专题 5.1 氨基酸的分类 其他烟碱型 AChR 受体超家族 受体的结构和功能 孔道内衬的结构 AChR 的高分辨率成像 受体的激活 钾通道的高分辨率成像 离子选择性和电导 电压激活通道的门控 其他通道 谷氨酸受体 ATP 激活通道 环核苷酸激活通道 钙激活型钾通道 电压敏感氯通道 内向整流钾通道 2P 通道 瞬时受体电位 TRP 通道 亚基多样性 静息膜电位的离子基础 模式细胞 离子平衡 电中性 81 细胞外钾离子和氯离子对细胞膜电位的 82 枪乌贼轴突的膜电位 影响 钠离子通透性的影响 恒定场方程 静息膜电位 氯离子的分布 膜的电模型 膜电位的预测值 钠 - 钾泵对细胞膜电位的贡献 何种离子通道与静息电位相关联 膜电位的变化 第7章 结论 第6章 94 动作电位的离子基础 电压钳实验 专题 7.1 电压钳

11 目 电容电流和漏电流 钠和钾携带的电流 钠通道和钾通道的选择性毒剂 离子电流对膜电位的依赖性 钠电流的失活 钠 钾电导作为电位的函数 钠电导和钾电导的定量描述 动作电位的重构 阈值和不应期 门控电流 激活和失活的机制 单通道的激活和失活 兴奋过程中钙的作用 钙动作电位 钙离子和兴奋性 神经元电信号 细胞膜的特殊电学特性 神经纤维中的电流流动 专题 8.1 电缆常数和膜特性的关系 动作电位传播 有髓鞘神经和跳跃传导 专题 8.2 脊椎动物的神经纤维分类 有髓鞘纤维上通道分布 几何形状与传导阻滞 树突中的传导 细胞之间的电流通路 第9章 离子跨膜转运 钠 - 钾交换泵 钠 - 钾 ATP 酶的生化特性 钠 - 钾交换泵是生电性的实验证据 离子转位的机制 钙泵 内质网 / 肌浆网钙 ATP 酶 质膜钙 ATP 酶 钠 - 钙交换体 钠 - 钙交换转运系统 钠 - 钙交换的翻转 视网膜视杆细胞上的钠 - 钙交换 氯转运 内向氯转运 128 氯 - 碳酸氢根交换 钾 - 氯外向协同转运 神经递质的转运 转运进入突触前囊泡 递质摄取 132 转运体的分子结构 134 钠 - 钙交换体 xi ATP 酶 氯转运体 后电位 第8章 128 录 神经递质的转运分子 转运机制的生理意义 第 10 章 历史回顾 胶质细胞的外观和分类 结构关系 神经胶质细胞膜的生理特性 胶质细胞膜的离子通道 泵和受体 胶质细胞之间的电耦合 神经胶质细胞的功能 作用 小胶质细胞在中枢神经系统修复与再 生中的作用 神经膜细胞作为外周神经生长的通路 谨慎性注解 神经元活动对胶质细胞的作用 细胞外空间中钾的积聚 通过胶质细胞的钾及钙的移动 胶质细胞的钙波 胶质细胞和神经递质 胶质细胞释放神经递质 163 胶质细胞对突触传递的即刻效应 胶质细胞对胞外钾浓度的空间缓冲作用 髓鞘及神经胶质细胞在轴突传导中的 神经元 胶质细胞和毛细血管之间的 胶质细胞与发育 神经胶质细胞的特性和功能 胶质细胞与血脑屏障 专题 10.1 血脑屏障 星形胶质细胞与通过脑的血流 代谢产物从胶质细胞向神经元转移

12 xii 目 录 胶质细胞及中枢神经系统的免疫反应 第 3 部分 第 11 章 细胞间通讯 直接突触传递的机制 突触传递 专题 11.1 电传递还是化学传递 化学突触传递 突触结构 神经肌肉接头处的突触电位 专题 11.2 作用于神经肌肉接头的药物和 毒素 专题 11.3 筒箭毒碱在运动终板的作用 测定肌纤维感受 ACh 的区域分布 ACh 受体分布的形态学证据 ACh 产生的离子流的测量 逆转电位的意义 钠 钾 钙对终板电位的相对贡献 专题 11.4 运动终板的电学模型 静息膜电导与突触电位的幅度 通 过 单 个 ACh 受 体 通 道 电 流 的 动 力 学 中枢神经系统中的兴奋性突触电位 直接突触抑制 抑制性电位的逆转 突触前抑制 227 递质受体定位 229 电突触传递 电突触的鉴定和特征 电突触和化学突触传递比较 第 12 章 突触传递的间接机制 直接传递与间接传递 G 蛋白偶联代谢型受体和 G 蛋白 G 蛋白偶联受体的结构 专题 12.1 受体 G 蛋白和效应器 G 蛋 白信号运作的会聚与辐散 G 蛋白 专题 12.2 鉴别 G 蛋白介导的反应 受体激活的 G 蛋白调控离子通道功能 直接作用 G 蛋白激活钾通道 G 蛋白对钙通道的抑制参与递质释放 G 蛋白激活胞内第二信使系统 249 酸环化酶途径激活钙通道 250 β- 肾上腺素能受体通过 G 蛋白 - 腺苷 专题 12.3 camp 作为第二信使 专题 12.4 磷脂酰肌醇 - 4,5- 二磷酸 PIP2 和磷酸肌醇 PI 循环 camp 除活化腺苷酸环化酶外的功能 G 蛋白激活磷脂酶 C PIP2 的直接作用 G 蛋白激活磷脂酶 A2 间接偶联受体产生信号的会聚和发散 内源性大麻素介导的逆行信号 专题 12.5 内源性大麻素的形成与代谢 一氧化氮和一氧化碳介导的信号 钙作为胞内第二信使 钙的作用 专题 12.6 胞内钙的测量 间接递质作用的长时间进程 第 13 章 神经递质的释放 递质释放的特征 轴突终末去极化和递质释放 突触延迟 释放需要钙的证据 进入突触前神经终末的钙的测量 钙进入位点的定位 胞内浓度跃变引起递质释放 调节递质释放的其他因素 量子释放 多分子量子的自发释放 终板电位的波动 终板电位的统计学分析 专题 13.1 量子释放的统计涨落 神经元突触处的量子含量 量子中的分子数 一个量子所激活的通道数 神经肌肉接头处平均量子大小的变化 非量子释放 289 囊泡与递质释放 289

13 目 神经终末的超微结构 胞吐作用的形态学证据 通过胞吐释放囊泡的内容物 在活细胞中监测胞吐及胞吞 胞吐的机制 突触囊泡附着的高分辨率结构 突触囊泡的重摄取 囊泡再利用的通路 带状突触 中枢神经系统递质 CNS 内的化学传递 专题 14.1 中枢递质的发现 I. 氨基酸 专题 14.2 中枢递质的发现 II. 神经肽 类 递质分布的定位 在活体脑组织标记递质特异性神经元 主要递质 氨基丁酸和甘氨酸 乙酰胆碱 三磷酸腺苷 ATP P 物质 血管紧张素和催产素 社会脑 神经递质的合成 乙酰胆碱的合成 多巴胺和去甲肾上腺素的合成 5- 羟色胺的合成 GABA 的合成 谷氨酸的合成 递质合成的短时程和长时程调节 神经肽的合成 递质在突触囊泡内的贮存 共贮存和共释放 第 16 章 突触可塑性 信号传递的短时程变化 递质释放的易化和压抑 强直后增强和增高 短时程突触变化的机制 长时程增强 314 LTP 诱导的机制 312 海马锥体细胞的联合型 LTP 315 安静突触 316 长时程压抑 突触前 LTP 319 小脑的 LTD 329 突触前 LTD LTD 的机制 突触效能变化的意义 331 第 4 部分 334 第 17 章 整合机制 自主神经系统 非随意控制的功能 神经递质的合成 转移 贮 存和失活 通过水解清除 ATP 促醒肽 递质从突触间隙的清除 信号传递的长时程变化 330 阿片肽 慢速轴浆运输的机制 通过摄取清除递质 330 肽类 微管和快速运输 生物胺 轴浆运输的速率和方向 乙酰胆碱酯酶清除乙酰胆碱 交感和副交感神经系统 自主神经节中的突触传递 自主神经节中的 M 电流 神经节后轴突的递质释放 专题 17.1 认识交感神经机制的道路 嘌呤能传递 自主神经系统的感觉输入 肠神经系统 352 下丘脑对自主功能的调节 354 释放激素的下丘脑神经元 355 xiii 356 轴浆运输 谷氨酸 第 15 章 囊泡池 第 14 章 290 录 GnRH 细胞的分布和数目

14 xiv 目 录 402 昼夜节律 第 18 章 蚂蚁 蜜蜂和水蛭行为的细 胞机制 从神经元到行为以及从行为到神经元 蚂蚁和蜜蜂的导航 沙漠蚁的归巢之路 蚁眼对偏振光的检测 寻巢的策略 偏振光和 扭曲 的光感受器 蚂蚁和蜜蜂导航的其他机制 导航的神经机制 毛细胞的适应 409 的行为学分析 水蛭神经节 半自主性单位 水蛭神经节中的感觉细胞 感觉和运动细胞的连接 水蛭的高级行为 习惯化 敏感化和传导阻断 产生节律性游泳的回路 第 19 章 受体和离子通道的耦联 味感受细胞 味觉的模态 伤害感受器的激活和敏感化 第 20 章 传递 428 视网膜的细胞分层 视网膜中视杆和视锥的光转导 光感受器的排列和形态 脊椎动物光感受器对光的电反应 感觉与运动 感觉转导 机械感受器的刺激编码 短程感受器和长程感受器 牵张感受器对刺激参数的编码 鳌虾的牵张感受器 肌梭 对静态和动态肌肉牵拉的反应 机械感受器的适应机制 环层小体的适应 机械感受毛细胞的直接转导 脊椎动物耳内的机械感受毛细胞 毛细胞感受器的结构 毛束偏转引起的转导 顶端连接和门控弹簧 视色素对光的吸收 视锥和色觉 色盲 光感受器的转导 光感受器通道的特性 cgmp 门控通道的分子结构 cgmp 的级联反应 专题 视色素 视紫红质的结构 眼 视系统的解剖通路 视网膜中视觉信号的转导与 味觉的转导机制 皮肤的痛觉和温度感觉 嗅质的特异性 为什么要研究无脊椎动物的神经系统 嗅感受器中的环核苷酸门控通道 414 游泳还是爬行 水蛭中决定行为的神 经元 嗅觉反应 运动细胞 嗅感受器 嗅觉 410 在水蛭中枢神经系统的单细胞水平进行 第 5 部分 毛细胞中的转导通道 光感受器的适应 经 cgmp 级联反应的放大 对单个光量子的反应 哺乳动物视网膜的昼夜相关光感受器 视网膜的突触组构 双极细胞 水平细胞和无长突细胞 视网膜中突触传递的分子机制 视网膜神经元的感受野 双极细胞的反应 双极细胞的感受野组构

15 目 视杆双极细胞 水平细胞和周围抑制 双极细胞感受野组构的意义 神经节细胞的感受野 视网膜的输出 神经节细胞的感受野组构 感受野的大小 神经节细胞的分类 耳蜗的传出抑制 细胞的电调谐 毛细胞的钾通道和电学调谐 的信息传递 初级传入神经元的刺激编码 脑干和丘脑 无长突细胞对神经节细胞反应的调控 听皮层 第 21 章 触觉 痛觉和纹理感觉 从感受器到皮层 皮肤中的感受器 感受器神经元的解剖 传入信号引起的感觉 上行通路 躯体感觉皮层 痛觉及其调控 小鼠和大鼠的触须 放大因子 触须的拓扑定位图和柱状构筑 专题 21.1 皮层定位图在不同物种间的差 异 定位图的发育和可塑性 经由触须的纹理感觉 外周机制 经由触须的纹理感觉 皮层机制 灵长类躯体感觉系统的组构和纹理感觉 放大因子 皮肤的拓扑定位图和柱状组构 定位图可塑性 经由指尖的纹理感觉 外周机制 经由指尖的纹理感觉 皮层机制 第 22 章 听觉和前庭感觉 听觉系统 编码声音的频率组分 耳蜗 频率选择性 机械性调谐 哺乳类耳蜗毛细胞的电动性 前庭毛细胞和神经元 球囊和椭圆囊的适宜刺激 502 高级前庭功能 躯体感觉系统的组构以及大鼠和小鼠的 纹理感觉 前庭系统 编码头部运动和位置 半规管的适宜刺激 504 前庭 - 眼球反射 第 23 章 感知的构建 皮层信息处理的功能是什么 506 行为学作业 506 以人工刺激代替振动 振动感觉在 SI 中的神经元表象 由感觉转换为动作 灵长类对视觉物体的感知 556 物体感知缺陷 与决策有关的神经元 SI 之外脑区的活动 物体感知和腹侧视觉通路 在作业的各相继阶段 SI 的活动 触觉工作记忆作业及其在初级躯体感觉 皮层中的表象 听觉通路 毛细胞和第八对颅神经间 声音定位 神经节细胞传递了何种信息? xv 非哺乳类脊椎动物的频率选择性 毛 形成神经节细胞感受野组构的突触输入 录 激活腹侧通路神经元的图像 猴对复杂视觉刺激反应的发现 有关脸的特殊案例 专题 23.1 功能性磁共振成像 感知恒常性和神经元反应恒常性 背侧皮层内视觉通路与运动检测 从基本特征向感知的转化 特征融合 信息处理速度 编码的形式

16 xvi 目 录 自上而下的输入 进一步处理 第 24 章 575 运动神经元的突触输入 运动神经元中的单元性突触电位 大小原则与分级收缩 脊髓反射 578 交互支配 中枢神经系统对肌梭的控制 协调运动的产生 呼吸的神经控制 行进 感觉反馈和中枢模式发生器程序 下行运动控制的组构 术语 脊髓以上的运动神经元控制 外侧运动通路 内侧运动通路 运动皮层和随意运动的执行 运动定位图意味着什么 细胞活动和运动 手臂运动方向相关的皮层细胞活动 运动的更高级控制 小脑和基底神经节 小脑 小脑的联系 小脑皮层的突触组构 小脑做什么 如何做的 基底神经节 基底神经节的环路 基底神经节疾病 第 6 部分 神经系统的发育与再生 神经系统的发育 发育 概述 遗传学一致性与细胞类型多样性 早期发育和神经发生的保守 信号通路 细胞命运图谱提供了正常发育的表述 神经系统的早期形态发生 沿头尾轴和背腹轴的发育模式 头尾轴发育模式和后脑的分节 脊髓的背腹轴发育模式 细胞增殖 室管膜区细胞增殖 放射状胶质介导的细胞增殖 神经元什么时候停止分裂 成年神经 屈肌反射 专题 控制反射 呼吸和运动协调 573 的环路 运动单位 第 25 章 发生 626 迁移 皮质神经元的迁移 Reeler 小鼠皮层的遗传学异常 细胞表型的决定 神经元和胶质细胞谱系 周围神经系统递质选择的调节 发育中受体的改变 轴突向外生长和生长锥导航 生长锥 轴突延长和肌动蛋白的作用 细胞和细胞外基质黏附分子与轴突的 外向生长 632 生长锥导向 靶标依赖性和靶标非依 赖性导航 路标细胞介导的靶向依赖性导航 生长锥沿浓度梯度导航 生长因子和神经元的存活 发育神经系统的细胞死亡 神经生长因子 中枢神经系统的 NGF 神经营养因子和生长因子的其他家族 连接的形成 视网膜顶盖联系的建立 突触形成 多神经元支配的修剪和剔除 神经元活动和突触剔除 642 神经特化和发育的一般思考 643 第 26 章 感觉系统的关键期 新生猴和幼猫的视觉系统 新生动物皮层细胞的感受野和反应特点 654

17 目 新生猴及幼猫的眼优势柱 眼优势柱的出生后发育 生命早期异常视觉经验的作用 眼睑封闭后的致盲 单眼夺视后皮层细胞的反应 655 重要性 夺视后外膝核神经元的形态变化 夺视后皮层的形态变化 对封闭眼睑易感性的关键期 关键期中的恢复 维持视觉系统功能性连接的必要条件 双侧眼睑封闭及竞争的作用 斜视的效应 朝向偏好的变化 没有竞争时传入纤维的分聚 冲动活动对发育中的视觉系统的影响 躯体感觉和嗅觉系统的关键期 听觉系统的感觉剥夺和关键期 耳蜗神经核活动调节突触形成 专题 26.1 耳蜗植入物 草 听觉系统的关键期 生命早期丰富感觉经历的影响 人类的关键期及其临床意义 第 27 章 损伤后突触连接的再生 外周神经系统的再生 瓦勒氏变性和碎片的清除 切断轴突后的逆向跨突触效应 去神经对突触后细胞的影响 去神经的肌细胞膜 去神经或肌肉持续不活动后新的乙酰 胆碱受体 AChR 的出现 去神经肌肉上受体的合成和降解 肌肉失活在去神经超敏感性中的作用 去神经诱导的轴突长芽 基底膜 集聚蛋白和突触特化的形成 集聚蛋白的鉴定 集聚蛋白在突触形成中的作用 聚集蛋白的作用机制 哺乳动物中枢神经系统的再生 神经胶质细胞和中枢神经系统的再生 施万细胞搭桥和再生 钙在去神经肌肉超敏感性产生中的作用 688 去除突触输入后外周神经细胞的超敏性 哺乳动物中枢神经系统内再生轴突的 突触形成 未成熟哺乳动物中枢神经系统的再生 第 7 部分 结论 第 28 章 悬而未决的问题 神经元功能的细胞和分子研究 物质的细胞间转移在功能上的重要性 发育和再生 用遗传学方法了解神经系统 感觉和运动整合 节律性 临床神经病学对脑研究的推动 基础神经科学对神经病学的推动 进展的速度 附录 A 电路中的电流 低分子质量递质合成及失活的代 729 谢途径 附录 C 结论 附录 B 神经移植 人类脊髓损伤的治疗前景 γ- 氨基丁酸 GABA 和营养分子在 柱构筑发育中的作用 生长中的作用 施万细胞和小胶质细胞在损伤后轴突 恰当和不恰当的神经再支配 在发育过程中无传入冲动时的同步自 发活动 配的易感性 657 弥散光及形状对保持正常反应的相对 xvii 正常肌肉和去神经肌肉对新的神经支 录 脑的结构和通路 术语汇编 索引 译者后记

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19 第 1 部分 神经系统导论 这篇导论为以后各章详细阐述神经信号运作 发育和功能提供了一个 总体框架 对大脑感兴趣 却对神经生物学并不熟悉的读者 常常苦于不 能抓住主题 例如 神经生物学的术语来自解剖学 电学 生物化学和分 子生物学等众多学科 林林总总 但是 由于神经系统的结构是如此精巧 而神经信号运作又有如许专门化的特征 这种情况的出现是不可避免的 有鉴于此 本书的前 3 章为第一次接触神经生物学的读者们概括介绍 了关键的概念和定义 第 1 章将阐述神经细胞及其连接的主要形态学 生 理学和分子水平的性质 视网膜结构清晰 对其信号加工处理已了解得相 当清楚 我们把它作为实例加以描述 其主要优点是 从一开始 视网膜 细胞所产生的电信号就能直接与感知相关起来 这使我们能在细胞水平认 识我们看待世界的方式的特征 在第 2 章 第 3 章中将描述信号如何进一 步从眼睛传送至大脑皮层 而沿着这条通路 通过精细的相互连接 信号 又如何以一种令人惊叹的方式转换其意义 这些实验完成得十分漂亮和清 晰 即使背景知识有限的读者 也有可能了解其内容 看到对脑的研究正 在走向何方 并深刻理解在以后章节中所描述的细胞分子机制的细致研究 为何如此引人入胜 如此重要 在这一阶段 我们的主要目标是 使不熟悉这一领域的读者从一开始 便能思考脑的高级功能 并看到高级功能如何依赖 如何相关于神经细胞 所使用的细胞机制 为了达到这一目的 在阐述内容时仅介绍重要的概念 和事实 其余的将在随后的章节中论及

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21 第1章 信号运作和组构原理 第1章 信号运作和组构原理 为了描述神经细胞 ( 神经元 ) 的信号 并把这些信号与我们对外部世界的感 知关联起来 本章我们选择了视网膜作为研究对象 ( 参阅第 18 章 ) 视网膜中发 生的初始过程导致视觉 它的有序结构使人们有可能将信号从神经元追踪至大脑 直至我们对外部世界的感知 本章介绍的基本信息 将为读者了解随后对信号运 作感知的详细论述作好准备 在神经细胞中 信息是通过电信号传递的 一个关键的任务是解码其传递的 信号的内容 神经信号的意义取决于神经纤维是在何处产生的 又走向何处 也 取决于信号本身的频率和规律性 视神经中的信号携带来自视网膜的视觉信息 指尖的一根感觉神经中相似的冲动传递的则是触觉信息 而一根运动神经中的冲 动产生肌肉运动 在大脑中 单个神经细胞接受来自成千上万个其他细胞的输入 通过对这一信息的整合 神经细胞建立一种新的信号 这种新信号能传达复杂的 涵义 如在视野中存在垂直的光条 或手指接触的砂纸粗糙的纹理等 神经系统的许多区域 ( 包括视网膜 ) 的一种简化的特征是 具有相似特性的 神经细胞成群聚在一起 或排列成层 或聚集成簇 另一种简化的特征是 大脑 用来处理信息的电信号是定型的 这些信号由流过细胞膜的电流产生的电压变化 所组成 神经元仅采用两类电信号 只在短距离内扩布的局部性分级电位 以及 长距离迅速传导的动作电位 在特化的接头 ( 称为突触 ) 处 神经元之间进行信息传递 在突触处 到达 的信号释放化学递质 与靶细胞膜上的特异的化学受体分子结合 这种相互作用 产生局部的分级电位 或使靶细胞兴奋 或使靶细胞抑制 取决于所参与的递质 和受体 突触传递的效率为其活动 激素和药物所修饰 在发育过程中 神经元依赖于来自其他细胞的分子信号 这些信号决定神经 元的外形 位置 存活 递质 以及它与什么靶细胞相连接 一旦成熟后 大多 数神经细胞不能分裂 神经元周围环境中的一些分子影响其损伤后修复的能力 3

22 4 第 1 部分 神经系统导论 中枢神经系统 (CNS) 是活跃的细胞集群 不断接收信息 分析信息 感知信息 并作 出决定 大脑也通过发动并产生协调有效的肌肉收缩而实施游泳 吞咽或歌唱等动作 在 以后的各章中 我们试图以神经细胞的活动为基础来解释行为和脑的复杂功能 这是本书 的首要目的 本书的第二个目的是 了解神经元信号产生的细胞和分子机制 第三个目的是 阐述作为神经系统功能基础的结构和连接在发育过程中是如何形成的 如何为经验所修饰 又如何在损伤后修复其自身 在本章中 我们将对关键的概念和基本的背景材料作一概述 简单神经元回路中的信号运作 对执行简单反射过程中发生的事件能作详细的追踪和分析 例如 当用小锤敲击膝部 的肌腱时 大腿肌肉被牵拉 电冲动通过感觉神经纤维扩布至脊髓 使那里的运动神经元 兴奋 引起冲动和肌肉的收缩 其最终结果是 腿伸展 膝部伸直 这样简化的回路 对 于调节肌肉收缩以控制肢体的运动有关键的意义 在类似的简单反射行为 ( 即一个刺激导 致一种限定的输出 ) 中 只有两类细胞 ( 感觉和运动神经元 ) 的信号起作用 因此易于进 行分析 与高级功能相关的复杂神经元回路 分析由许多不同类型神经元参与的复杂通路中的信号运作 远比分析简单反射要困难 得多 对于声 触 嗅味和视觉图像的感知 为了实现信息向大脑的传递 需要众多神经 元一个接一个按序被激活 执行一种简单的随意运动 情况也一样 在分析信号运作和回 路时 其难点在于 神经细胞紧密地聚集在一起 彼此间的连接非常精巧 细胞类型繁多 脑与肝脏那样的器官不同 肝脏是由定型的细胞群组成的 如果你发现了肝脏的一个区域 是如何行使其功能的 你就大致了解了肝脏整体 但是 关于小脑的知识 并不能让你明 白视网膜或中枢神经系统的任何其他部位的工作情况 尽管如此 对于演示和解释整个神 经系统运作的基本机制 视网膜提供了一个佳例 尽管神经系统极其复杂 但现在人们已有可能了解 神经元作为感知的构建单元进行 工作的许多侧面 本书的最初 3 章显示人们如何记录自眼睛至大脑的通路中各种神经元的 活动 先是跟踪特异地对光有反应的细胞的信号 然后向上一步一步追踪之后各级中继神 经元的信号 当你读这一页书时 眼睛本身所发生的信号能保证黑色文字突显在白色纸页 上 不管是在室内暗淡的灯光下 还是在海滩耀眼的阳光下 ( 海滩也许不是读此书的理想 场所 ) 即使两眼位于头的两边 扫视的是外部世界有所不同的区域 但通过脑中特异的 连接 在感知中建立起来的是单像 此外 还存在某些机制保证此像静止不动 ( 尽管我们 的眼睛不断地在做小幅的运动 ) 并对纸页的距离提供准确的信息 使你能用手指来翻书 神经细胞的连接怎样才能使这些现象发生呢 对于视觉的这些属性如何起源于眼和脑 的初始中继部位 已所知甚多 这些部位的神经元回路已十分清晰 但是关于神经元特性 与行为间的关系还有许多问题有待回答 新的方法 如人脑的功能性磁共振成像 (fmri) 能揭示你阅读时活动着的结构的位置 但是仍不清楚在这些区域产生的神经元信号如何使 你感知和理解你面前的词句 此外 当你阅读时 你必须保持你的身体 头和手的姿势 脑必须进一步保证通过持续分泌泪液保持眼球的湿润 使呼吸持续不断 其他一些自然的 非随意的 无意识的肌体的操作继续执行 对这种整合行为机制完备的描述超出了本书的

23 第1章 范围 实际上也超出了现有知识的范围 5 信号运作和组构原理 视皮层 以下将讨论神经元如何组织起来 电信号 如何产生 如何在神经细胞间传导和扩布 以 视网膜为例来引入和解释神经系统运作的一些 普遍原理 视束 视网膜的组构 外侧膝 状核 对视觉世界的分析依赖于来自视网膜的信 息 视网膜是信息处理的初始阶段 图 1.1 显 示自眼至脑高级中枢的通路 由于晶状体的原 因 落在视网膜上的像是倒转的 但除此之外 则是外部世界的真实的表象 电信号始发于视 网膜 之后经视神经传至高级中枢 那么视网 视神经 膜上的像是如何通过这些电信号转译为我们的 视觉经验呢 可应用于神经系统每一层次的一 个关键概念是 要认识某种功能 必须了解所 参与结构的解剖特点 神经元的外形和连接 图 1.2 显示脊椎动物视网膜中各种类型的 细胞及其排列 进入眼睛的光 穿过透明的细 胞层到达光感受器 然后信号通过神经节细胞 图 1.1 从眼至大脑的神经通路 经由视神经和 的视神经纤维离开眼睛 为我们整个视觉提供 视束 介于之间的中继部位是外侧膝状核 箭 了所有输入 图 1.2 系 Santiago Ramón y Cajal[1] 在 19 世 纪末所绘 Ramón y Cajal 是神经系统研究最伟 大的学者之一 他从范围广泛的动物中挑选实 头表明晶状体如何使像倒转 特殊的轴突的交 叉如何使右侧视野表示在左脑 左侧视野表示 在右脑 原图可追溯至 Ramón y Cajal 1892 年的 工 作 ( 见 其 年 的 著 作 1995 年 英 译本 )[1] 已作修改 例 具有一种抓住本质的直觉 他的工作所得 到的一个重要结论是 一个神经元的外形 位 置及其信号在神经网络中的起点地和目的地 能对该神经元的功能提供有价值的线索 在图 1.2 中 视网膜中的细胞 像中枢神 经系统的其他部位的细胞一样 显然是密集在 一起的 早年的解剖学家想要看到单个细胞 必须撕碎神经组织 浸染所有神经元的染色方 法实际上是没有用的 因为像视网膜这样的结 构 看起来无非是缠绕在一起的细胞和突起的 墨 团 Ramón y Cajal 的 大 多 数 图 是 用 Golgi 染色法制作的 这种方法由于一种尚不清楚的 Ramón y Cajal, 约 1914 年

24 6 第 1 部分 神经系统导论 (A) (B) (C) 光感受器 M 双极细胞 无长突细胞 神经节细胞 图 1.2 哺乳动物视网膜中细胞的结构和连接 光感受器 ( 视杆和视锥 ) 与双极细胞相连接 双极细胞转 而连接于神经节细胞 后者的轴突组成视神经 水平细胞 ( 未显示 ) 和无长突细胞形成的连接 主要是 水平方向上的 (A)Ramón y Cajal 提出的模式图 显示信号从光感受器传至视神经纤维的方向 这个模式 图总体上还是正确的 但自 Cajal 时代以来 已发现了若干重要的新通路和反馈细胞群 (B)Cajal 所描述 的视网膜的细胞单元及其有序排列 显示在右侧的 Müller 细胞 (M) 是一种卫星型胶质细胞 (C) 由人视 网膜分离的视杆 ( 左 ) 和视锥 ( 右 ) 的简图 光穿过视网膜 ( 在这些图中是从下向上 ) 为光感受器的外 段 ( 上部 ) 所吸收 在那儿产生的信号扩布至光感受器终末 影响之后的细胞 借助于记录视网膜回路中 每个细胞的电活动 我们能够一步一步追踪信号 并了解这些信号的意义是如何改变的 ( 引自 Ramón y Cajal, 1995 ) 光感受器 内段 C 光感受器 胞体 R 图 1.3 在猕猴 (macaque) 视网膜中神 经元的紧密聚集 这张电子显微镜照片 显 示 中 枢 神 经 系 统 的 一 个 特 点 细 胞 膜 是 被 狭 窄 的 充 满 液 体 的 间 隙 分 开 的 光 感 受 器 及 其 突 起 可 追 踪 至 外 网 层 在 那 里 其 终 末 与 双 极 细 胞 和 水 平细胞相接触 一个视锥 (C) 和一个视 杆 (R) 已标明 ( 照片承 P. Sterling 和 Y. Tsukamoto 提供 ) 外网层 水平细胞 和双极细 胞

25 第1章 信号运作和组构原理 7 机制 只无规律地把整个细胞群中的某些染上了色 不过这少数细胞的染色倒是完整的 图 1.3 的电子显微镜照片显示 围绕神经元及其支持细胞的胞外空间 局限于仅约 25 nm 宽的间隙 图 1.2 的模式图表明 视网膜神经元是有序排列的 有可能区别出光感受器 双极细 胞和神经节细胞 信号自输入至输出所经的传输线 是从光感受器至神经节细胞 此外 还有两类细胞 水平细胞和无长突细胞 把上述传递通路在横向上连接起来 Cajal 图 中的这些细胞是怎样使我们看到外部世界图像的呢 细胞体 树突和轴突 显示于图 1.4 的神经节细胞 例示了整个神经系统的神经元的一些共同的特征 细胞 体包含核和其他细胞器 这在非神经元细胞和神经元都是共同的 离开细胞体的长突起与 靶细胞形成连接 称为轴突 树突指的是一些分支 在这些分支上传入纤维与之相连接 其功能是作为兴奋和抑制的接收站 在以后的章节中我们会看得更清楚 描述神经元结构 的这些术语 特别是树突 其涵义有点模糊 但仍然是方便的 为人们广泛使用 除神经 节细胞外 图 1.4 也显示了其他代表性的神经元 并非所有神经元都符合图 1.4 所显示的细胞的这种简单模式 有些神经细胞无轴突 另一些神经细胞的轴突上有传入纤维与之相连接 还有一些细胞拥有能传导冲动的树突 脊髓运动神经元 嗅球僧帽细胞 皮层锥体细胞 树突 树突 树突 胞体 轴突 胞体 浦肯野细胞 神经节细胞 轴突 轴突 轴突 轴突 图 1.4 神经元的外形和大小 神经元有分枝 ( 树突 ) 和轴突 在树突上 其他神经元形成突触 而轴突 则与其他神经元形成连接 运动神经元系德国神经解剖学家 Otto Friedrich Karl Deiters 1869 年所绘 取自 一种哺乳动物的脊髓 另一些用 Golgi 方法染色的细胞系 Cajal 所绘 锥体细胞取自小鼠的皮层 僧帽细 胞取自大鼠的嗅球 ( 与嗅觉有关的通路中的一个中继站 ) 浦肯野细胞取自人的小脑 神经节细胞取自哺 乳动物视网膜 ( 动物种类未注明 ) ( 引自 Ramón y Cajal, 1995 )

26 8 第 1 部分 神经系统导论 它们把冲动传递至靶细胞 在视网膜中 神经节细胞符合标准型神经元的结构模式 有树 突 胞体和轴突 但其他神经元并非如此 例如 光感受器就没有轴突或明显的树突 [ 见 图 1.2(C)] 光感受器的活动并非通过来自另一神经元的输入而产生 而是一种外部刺激 ( 光 ) 作用所致 鉴定神经元和追踪其连接的技术 虽然 Golgi 在 1873 年发明的染色技术仍然得到广泛应用 但许多新的技术已使神经 元和突触连接的功能鉴定变得更为容易了 一些分子能通过微电极注入细胞标记整个神经 元 荧光标记物 如荧光黄 (lucifer yellow) 可扩布至一个活细胞的纤维的突起 使之跃 然可见 另一方面 像辣根过氧化物酶 (HRP) 或生物胞素这样的标记物 在注入细胞后 经组织学处理 能产生一种致密的产物或明亮的荧光 神经元也能通过细胞外施加 HRP 加以染色 在这种情况下 HRP 为细胞所摄取 并转运至胞体 荧光碳青染料置于神经 元近旁时 溶于细胞膜中 扩散于整个表面 这些技术对于追踪从神经系统的一个区域至 另一区域的起点和目的地很有价值 抗体通过选择性标记胞内成分或膜成分 已用于表征特异的神经元 树突 轴突和突触 图 1.5 显示由磷酸激酶 C 的一种抗体所标记的一群特异的视网膜细胞 ( 依据其外形而命名 为双极细胞 ) 抗体技术也为追踪发育过程中神经细胞的迁移和分化提供了有价值的工具 原位杂交是表征神经元的另一种补充方法 用特异标注的测试剂标记神经元中编码某种通 道 受体 递质或结构单元的信使 RNA 在果蝇 线虫 斑马鱼 负鼠 小鼠等动物中 其细胞群或整个神经系统能通过导入标记基因而得以标记 这些标记基因由插入基因组的 某些控制元件基因驱动 图 1.6 显示未成熟负鼠的大脑皮层的活体卫星胶质细胞 ( 见后 ) 运用一种称为电穿孔的技术 导入特异的质粒 用转基因方法可选择性地标记这些细胞 [2] ( 所谓电穿孔技术 是借助微弱电流使该基因组融入一个特定类型的分裂中的细胞 ) 另一 种技术称为基因敲除或敲入技术 通过这些技术可以把基因导入卵母细胞 从而产生具有 稳定转基因的新动物株 10mm 图 1.5 视杆型双极细胞群 由磷酸激酶 C 的一种抗体所染色 只有包含这种酶的双极细胞才被染色 其上方为光感受器 下方为神经节细胞 ( 照片承澳大利亚昆士兰大学 H.M.Young 和 D.I.Vaney 提供 )

27 第1章 发育中大脑皮层 的软脑膜表面 脑室表面上含有 质粒的胶质细胞 100mm 信号运作和组构原理 9 图 1.6 绿色荧光蛋白选择性 标记的胶质细胞 利用通道电 穿孔技术将绿色荧光蛋白基 因 导入负鼠发育中的大脑皮 层 为了导入基因 先将质粒 DNA 注 入 脑 室 然 后 使 短 暂 的电流通过大脑 增强型绿色 荧光蛋白 (EGFP) 基因处于引 物微管蛋白 a-1(ta1) 的控制之 下 使放射型胶质细胞发光 这 些 细 胞 可 与 视 网 膜 Müller 细 胞 相 类 比 ( 见 图 1.2) ( 引 自 Puzzolo and Mallamaci 2010 照片承他们提供 ) 非神经元细胞 在图 1.2(B) 中标为 M 的 与众不同的细胞 代表一类存在于视网膜中的非神经元细胞 这种细胞称为胶质细胞 (glial cell)( 见第 10 章 ) 与神经元不同 这些细胞无轴突或树突 与神经细胞也无特化的解剖连接点 其在整个神经系统中相当富集 数量远超于神经元 它们在神经元信号运作中起着若干作用 例如 在视神经中行走的神经节细胞轴突能快速 传导冲动 因为它一旦离开眼睛即为绝缘的脂质鞘所包围 这种鞘称为髓鞘 在发育的晚 期由包绕于轴突周围的胶质细胞所形成 视网膜胶质细胞称为 Müller 细胞 细胞按功能集群 视网膜的一个引人注目的特征是, 其细胞按功能集群 ( 见图 1.2) 光感受器 水平细胞 双极细胞 无长突细胞和神经节细胞 其胞体和突触均位于界线清楚的层次中 这种分层 见于脑的许多区域 例如 视神经纤维终止的脑结构 ( 外侧膝状核 ) 由易于区分的 6 层细 胞组成 在整个神经系统的许多区域 有相似功能的细胞聚集成界线明显的群落 称为核 团 ( 勿与细胞核相混淆 ) 或神经节 ( 勿与视网膜的神经节细胞相混淆 ) 图 1.2 的简化描述忽略了视网膜细胞组构的某些特征 存在着许多不同类型的神经节 细胞 水平细胞 双极细胞和无长突细胞 每种均有其特殊的形态 递质和生理特征 例 如 光感受器分为两类易于辨认的细胞 ( 视杆和视锥 ) 行使不同的功能 细长的视杆对 照明微小的改变极敏感 当你读这页书时 周围环境的光对视杆来说过于明亮 而视杆只 有在长时间暗适应后 才在弱光下行使功能 视锥对明亮环境中的视刺激产生反应 此外 视锥又可进一步细分为红敏 绿敏 蓝敏三类 无长突细胞是细胞类型多样性的一个极端 例子 按结构和生理学特性可区分为不下 20 种 除少数例外 这种细胞亚型多样性的 功能意义并不清楚 这些细胞的特性和功能将在第 20 章论述 连接的复杂性 图 1.2(A) 中的箭头标明了从光感受器至神经节细胞的传递直通线 光照射在光感受器 上 产生电信号 然后这些信号对双极细胞产生影响 信号从双极细胞传递至神经节细胞 再到脑的高级中枢 产生我们对外部世界的知觉

28 10 第 1 部分 神经系统导论 实际上 情况要远为复杂 例如 自光感受器至神经节细胞 细胞数量剧减 约 1 亿 个光感受器通过中间神经元 向 100 万个神经节细胞提供输入 因此 每个神经节细胞接 受来自许多光感受器的输入 ( 会聚 ) 同样 当单个神经节细胞的轴突到达位于外侧膝状 核的下一个中继站时 它广泛分支 又支配许多靶细胞 ( 发散 )( 见图 1.14) 此外 在图 1.2(A) 中能加上另一些指向侧方的箭头 表示同一层不同细胞间的相互作 用 ( 侧向连接 ) 甚至要指向相反的方向 例如 从水平细胞返回光感受器 ( 返回性连接 ) 这种会聚性 发散性 侧向和返回性连接 也是神经系统其他部位通路的共同特征 就这 样 信号简单的阶梯式的加工 受到平行和反馈性相互作用的强烈影响 神经细胞的信号传递 所有神经细胞均有静息电位 (resting potential) 即细胞内相对于细胞外液为负性 ( 不 到 100mV) 神经细胞产生的所有电信号均叠加于静息电位之上 有些信号使细胞膜去极化 使静息电位减小 另一些使细胞膜超极化 使静息电位增大 神经细胞产生的电信号分为两大类 第一类是局部分级电位 (local graded potential) 这些电位由外界的物理刺激所产生 这些刺激包括 照射在眼中光感受器上的光 使耳中 毛细胞发生形变的声波 压迫皮肤感觉神经末梢的触刺激 在突触部位 ( 神经细胞及其靶 细胞间的接头 ) 的活动 关于突触 我们将在本章稍后论及 局部电位幅度因激活信号强 度而异 它们通常仅从起源部位扩布一段短距离 这是因为这些电位依赖于神经细胞的被 动特性 动作电位 (action potential)( 也称为神经冲动 ) 是第二类主要电信号 当局部的分级电 位达到足够大使细胞膜去极化超过某一临界水平 ( 称为阈值 ) 时 动作电位产生 动作电 位一旦产生 便迅速地进行长距离传播 例如 从眼沿视神经中的神经节细胞轴突传至外 膝核 再至视皮层 或从脊髓中的运动神经元传至腿部肌肉 与局部的分级电位不同的是 发生在神经元中的动作电位 其幅度和时程是固定不变的 就像电码中的点一样 信号通 过视网膜的传送可以归纳在下列简图中 光 光感受器中的局部分级信号 双极细胞中的分级信号 神经节细胞中 的分级电位 神经节细胞中的动作电位 传至高级中枢 电信号的普遍性 电信号的一个重要特征是 它们在体内所有神经细胞中实际上是相同的 不管它们是 传递运动的指令 或是传送关于颜色 形状或疼痛刺激的信息 还是在脑的不同区域间进 行相互联系 电信号的另一个重要特征是 它们在不同种动物间是如此之相似 以至于连 一名有丰富经验的研究人员也不能肯定地回答所记录的某一个动作电位是来自鲸 小鼠 猴 蚯蚓 毒蜘蛛 还是教授的神经纤维 从这层意义上讲 可以认为动作电位是一种定 型的单元 它们在所有已研究过的神经系统中是信息交换的通用 钱币 在人脑中 细 胞的庞大的数字 ( 可能为 个神经元 ) 和连接的多样性 而并非信号的类型 可 以解释为何脑能承担如此复杂的任务

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