神经元间的信息高速公路

如果要与一个失明失聪的人交流，你首先会想到什么方法？大部分人会考虑触摸密码或者电信号系统，很少有人想到用化学物质来传递信息。然而令人惊讶的是，我们大脑中数十亿个神经元之间，恰恰是通过化学物质进行交流的。 神经元通过一个叫做突触的特殊连接点，利用化学信号传递信息。这些突触就像神经系统中的“信息高速公路”，每一个都是重要的交汇点，决定着信息能否顺利通过，以及如何被处理和传递。

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突触概念的历史发现

解剖学上的重大发现

在十九世纪末期，西班牙神经学家拉蒙·伊·卡哈尔通过解剖学研究证明了一个神经元与另一个神经元之间存在着狭窄的间隙。这个发现就像是在密闭的管道系统中发现了缝隙一样重要。

谢林顿和卡哈尔被誉为现代神经科学的伟大先驱。他们的发现相互印证：如果神经元之间的通信确实是特殊的，那就毫无疑问地证明了神经元在解剖学上是彼此分离的独立单元。

谢林顿的巧妙实验设计

谢林顿通过研究反射——对刺激的自动肌肉反应——来探索突触的奥秘。他设计的实验堪称科学史上的经典。 以简单的腿部弯曲反射为例：当感觉神经元受到刺激时，它激活第二个神经元，这个神经元进而激活运动神经元，运动神经元最终激活肌肉。整个从感觉神经元到肌肉反应的回路被称为反射弧。

如果一个神经元确实与另一个神经元分离，正如卡哈尔所证明的那样，那么反射必须需要神经元之间的通信，因此，对反射的测量可能会揭示这种通信的一些特殊性质。

谢林顿将一只狗固定在地面上方的束具中，然后夹住狗的脚。经过短暂的延迟后，狗弯曲（抬起）被夹住的腿并伸展其他腿。即使他切断了脊髓与大脑的连接，谢林顿仍然发现了相同的反射运动。 实际上，在分离脊髓和大脑后，这些运动变得更加一致。这就像是去掉了“总指挥”后，基层的“自动化系统”反而运行得更加稳定。

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突触传递的独特性质

传递速度的差异揭示了突触存在

谢林顿通过精确的计时发现了一个关键现象：当他夹住狗的脚时，狗在短暂延迟后弯曲腿部。在这个延迟期间，冲动必须从皮肤感受器传播到脊髓，然后从脊髓传回到腿部肌肉。

这个差异就像是在高速公路上突然遇到了收费站——整体速度下降了，说明在神经元连接处一定发生了什么特殊的过程。谢林顿由此推断延迟必须发生在一个神经元与另一个神经元通信的地方。

时间累加现象的发现

在短时间内重复的刺激具有累积效应。他将这种现象称为时间求和。 这好比敲门：轻敲一下门，屋里的人可能听不见；连续快速地敲几下，声音就会累积起来，屋里的人就能听见了。神经元的工作原理正是如此。

一次轻微的夹脚不会引起反射，但几次快速重复的夹脚会引起反射。谢林顿推测，单次夹脚没有达到激发下一个神经元的兴奋阈值。传递信息的神经元被称为突触前神经元，接收信息的神经元被称为突触后神经元。 具体过程是这样的：突触前神经元释放信号后，会在突触后神经元中产生亚阈值兴奋。这种兴奋虽然会随时间衰减，但可以与紧随其后的第二次兴奋结合。通过快速连续的刺激，每次都将新的效应叠加到前一次的剩余效应中。当累积的效应超过突触后神经元的阈值时，就会产生动作电位。

空间求和的奥妙

谢林顿还发现突触具有空间求和的性质——即来自不同位置的突触输入会结合它们对神经元的影响。 这如同在人民大会堂里，一个人说话声音可能不够大，但几个人同时说话，声音就会变得足够响亮，让后排的听众都能听到。 谢林顿开始时用一个太弱而不能引起反射的夹脚。这次，他没有夹同一个点两次，而是同时夹两个点。虽然单独夹任何一个点都不能产生反射，但两个点一起夹就能产生反射。

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抑制突触的重要发现

肌肉协调的智慧

当谢林顿用力夹住狗的脚时，他观察到一个精妙的现象：被刺激腿的弯曲肌收缩，其他三条腿的伸展肌也收缩。同时，被刺激腿的伸展肌和其他腿的弯曲肌都放松了。这如同一个精密的机械系统：当一个部分向一个方向运动时，相关的其他部分必须协调地向相反方向运动，以保持整体的平衡和稳定。 谢林顿的解释基于脊髓中的特定连接模式：脚部刺激沿着感觉神经元发送消息到脊髓中的中间神经元，中间神经元激发连接到该腿弯曲肌的运动神经元，同时还发送消息来阻断同一腿伸展肌运动神经元的活动。

抑制性突触后电位的发现

后来的研究者在生理学上证实了谢林顿推断的抑制性突触。在这些突触处，来自轴突的输入使突触后细胞超极化。也就是说，它增加了细胞内的负电荷，使其远离阈值，降低了产生动作电位的概率。

今天我们觉得抑制概念理所当然，但在谢林顿那个时代，这想法很有争议，因为没人能想象实现这种机制的方式。确立抑制概念不仅对神经科学至关重要，对心理学也同样重要。这如同交通系统：不仅需要绿灯让车辆通行，也需要红灯让车辆停止。神经系统的精妙就在于这种“通行”和“停止”信号的完美协调。

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突触化学传递的重大发现

洛伊的深夜灵感

虽然谢林顿准确地推断出了突触的许多性质，但他在一个重要问题上犯了错误。虽然他知道突触传递比轴突传递慢，但他认为这仍然太快，不可能依赖化学过程，因此得出结论认为这必须是电传递。 然而，现实告诉我们，绝大多数突触都依赖化学过程，这些过程比谢林顿或他那个时代的任何人想象的都要快得多、更加多样化。

洛伊反复刺激青蛙的迷走神经，从而降低心率。然后他收集这颗心脏的液体，转移到第二只青蛙的心脏，发现第二颗心脏也降低了跳动速度。接着洛伊刺激第一只青蛙心脏的加速神经，增加心率。当他收集那颗心脏的液体并转移到第二只青蛙的心脏时，第二只青蛙的心率也增加了。 这个实验就像是证明了“情绪可以传染”一样神奇——一只青蛙心脏的“状态”居然可以通过液体传递给另一只青蛙的心脏。

神经递质的奇妙世界

在突触处，神经元释放影响另一个神经元的化学物质，这些化学物质被称为神经递质。研究人员相信或怀疑大约有一百种左右的化学物质是神经递质。 神经递质就像是大脑中的“化学信使”，每种都有自己独特的“语言”和功能。

主要类型包括：

1. 氨基酸类：含有胺基团的酸类
2. 单胺类：由某些氨基酸变化形成的化学物质
3. 乙酰胆碱：一个独特的“化学家族”
4. 神经肽类：氨基酸链
5. 嘌呤类：包括腺苷及其衍生物的化学物质类别
6. 气体类：一氧化氮以及可能的其他气体

神经递质的合成与储存

神经元几乎从氨基酸合成所有神经递质，身体从饮食中的蛋白质获得氨基酸。这如同一个精密的化工厂，用最基本的原料制造出各种复杂的产品。 以常见的神经递质为例：乙酰胆碱是从胆碱合成的，胆碱在牛奶、鸡蛋和花生中含量丰富；氨基酸苯丙氨酸和酪氨酸存在于蛋白质中，是多巴胺、去甲肾上腺素和肾上腺素的前体；色氨酸是血清素的前体，它通过与其他大氨基酸共享的特殊运输系统穿过血脑屏障。

有意思的是，饮食中色氨酸的含量直接控制着大脑中血清素的水平。所以当你吃富含色氨酸的食物，比如豆制品、核桃等，血清素水平会相应上升。 神经递质的储存也很有讲究：大多数神经递质在突触前末端合成，靠近释放点；突触前末端在被称为囊泡的微小球形包装中储存高浓度的神经递质分子；同时还在囊泡外维持许多神经递质分子。如果神经元积累了过量的神经递质，单胺氧化酶会将多余的递质分解为非活性化学物质。

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神经递质的释放与作用机制

钙离子的关键作用

在轴突末端，动作电位本身不会释放神经递质。相反，去极化打开突触前末端的电压依赖性钙通道。钙进入突触前末端后1或2毫秒内，它会引起胞外分泌——神经递质从突触前神经元成批释放到分离一个神经元和另一个神经元的突触间隙中。 这个过程就像是一个精确的定时炸弹：动作电位是引信，钙离子是引爆器，神经递质的释放就是爆炸的结果。

受体的两种作用方式

神经递质对突触后细胞的影响取决于突触后细胞上的受体。当神经递质附着于其受体时，受体可能打开一个通道（产生离子型效应），或者产生较慢但较持久的效应（代谢型效应）。

离子型效应

离子型受体的工作原理可以用袋口来类比：平时袋口紧紧扭闭，但当神经递质结合到离子型受体时，它会使受体发生构型变化，打开其中央通道，允许特定离子通过。

大脑中大多数兴奋性离子型突触使用谷氨酸神经递质，谷氨酸实际上是神经系统中最丰富的神经递质。大多数抑制性离子型突触使用GABA神经递质，它打开氯化物门，使氯离子及其负电荷比平常更快地穿过膜进入细胞。

代谢型效应

代谢型受体通过启动一系列代谢反应来发挥作用，这些反应比离子型效应更慢但更持久。代谢型效应在递质释放后30毫秒或更长时间出现，通常持续几秒钟，有时更长。 这如同按下一个总开关：不仅点亮了一盏灯，还启动了整栋大楼的照明系统。代谢型受体的激活会释放一个“第二信使”，在细胞内传播影响，可能打开或关闭膜中的离子通道，甚至激活染色体的某个部分。

神经肽的特殊性质

研究人员经常将神经肽称为神经调质，因为它们具有几个区别于其他递质的特性：

神经肽就像是神经系统中的“广播电台”，而普通神经递质更像是“点对点的电话通话”。

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药物如何影响我们的大脑

你知道吗？我们的大脑实际上一直在制造类似鸦片的化学物质，还有类似大麻的化学物质，甚至对可卡因和迷幻剂都有特殊的受体。几乎每一种有心理效应的药物都作用于突触。

植物与人脑的奇妙关联

大多数常见的滥用药物都来源于植物。比如尼古丁来自烟草，咖啡因来自咖啡，鸦片来自罂粟，可卡因来自古柯。我们可能会好奇，为什么我们的大脑会对植物化学物质有反应？

药物作用的基本原理

药物要么促进要么抑制突触的传递。阻断神经递质的药物被称为拮抗剂，而模拟或增强其效应的药物被称为激动剂。 我们可以把神经递质比作钥匙，受体比作锁。

药物通过多种方式影响这个“钥匙-锁”系统：

1. 增加或减少神经递质的合成
2. 使神经递质从囊泡中泄漏
3. 增加神经递质的释放
4. 减少神经递质的重摄取
5. 阻止神经递质分解为非活性化学物质
6. 直接作用于突触后受体

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成瘾的大脑机制

奥尔兹和米尔纳的意外发现

1954年，两位年轻的心理学家詹姆斯·奥尔兹和彼得·米尔纳想要测试刺激某个大脑区域是否会影响老鼠转向的方向。当他们植入电极时，他们错过了预期的目标，反而击中了一个叫做隔膜的区域。 令他们惊讶的是，当老鼠接受大脑刺激时，它坐起来，环顾四周，嗅来嗅去，好像在对有利的刺激做出反应。后来，奥尔兹和米尔纳将老鼠放在箱子里，让它们可以按压杠杆来产生大脑的电刺激。

后来的研究人员发现，所有那些老鼠愿意努力刺激的大脑区域都有轴突，这些轴突直接或间接地增加伏隔核中多巴胺或去甲肾上腺素的释放。

伏隔核

伏隔核是所有类型强化体验的核心。性刺激也会刺激这个区域，糖的味道也会刺激这个区域。如果你简单地想象一些愉快的事情，你也会激活你的伏隔核。 对于习惯性赌徒来说，赌博会激活这个区域，对于习惯性视频游戏玩家来说，玩视频游戏会激活这个区域。患有重度抑郁症的人在伏隔核显示出远低于正常的反应，这对应于他们很少表现出动机并报告从生活中获得很少快乐的事实。

各种成瘾物质的共同机制

像性、食物和其他强化体验一样，成瘾药物通过在伏隔核释放多巴胺或去甲肾上腺素来强烈激活伏隔核。这种“喜欢-想要”的区别在这里很重要，因为对药物上瘾的人表现出一种压倒性的、全面消耗的获得药物的冲动，即使它不再提供多少快乐。

兴奋剂类药物

安非他明和可卡因通过增加突触间隙中多巴胺的存在来刺激伏隔核和其他地方的多巴胺突触。它们通过抑制多巴胺转运蛋白来阻止重摄取，从而减少重摄取并延长释放的多巴胺的效应。 这如同把水池的排水口堵住——水（多巴胺）会在池子里积累得更多、停留得更久。

尼古丁的特殊机制

尼古丁是烟草中的一种化合物，刺激乙酰胆碱受体家族，被恰当地称为尼古丁受体。尼古丁受体在释放多巴胺到伏隔核的神经元上很丰富，所以尼古丁增加了那里的多巴胺释放。 反复接触尼古丁的一个后果是伏隔核中的受体变得对尼古丁更加敏感，但它们对其他类型的强化变得不如往常敏感。这种模式在可卡因和其他成瘾物质中也出现：对药物的反应增强，对其他任何东西的奖励减少。

鸦片类药物的作用机制

鸦片类药物包括吗啡、海洛因和美沙酮等。因为海洛因比吗啡更快进入大脑，它产生更大的效应激增，更容易成瘾。 20世纪70年代，科学家们发现鸦片类药物附着到大脑中的特定受体上。脊椎动物不太可能进化出这样的受体只是为了让我们成为瘾君子，大脑必须产生自己的化学物质来附着到这些受体上。很快研究人员发现大脑产生某些现在被称为内啡肽的神经肽——内源性吗啡的缩写。

内啡肽的作用机制比较复杂：它们间接激活多巴胺释放，通过抑制释放GABA的神经元来实现。由于GABA通常抑制多巴胺神经元的放电，所以当内啡肽抑制了GABA神经元后，就相当于“抑制了抑制剂”，最终结果是增加多巴胺释放。

大麻的独特机制

大麻叶含有化学物质四氢大麻酚和其他大麻素。大麻素已被用于医学上缓解疼痛或恶心，对抗青光眼，并增加食欲。

大麻素受体的特殊之处在于它们位于突触前神经元上。当某些神经元去极化时，它们释放大麻素作为逆行递质，回到传入的轴突并抑制进一步释放谷氨酸或GABA。

实际上，大麻素告诉突触前细胞：“突触后细胞收到了你的信息，你不需要再发送了。”大麻中的化学物质附着到这些相同的突触前受体，再次告诉它们：“细胞收到了你的信息，停止发送。”突触前细胞，不知道它根本没有发送任何信息，就停止了发送。 这就解释了为什么大麻会产生“时间过得更慢”的感觉——在大麻影响下，老鼠在学会等待的时间表中提前按压，好像10或15秒感觉像20秒一样。

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酒精成瘾的特殊性

酒精的双重效应

酒精是最常见的滥用药物，研究最为广泛。适量饮酒可以使人放松并减少焦虑，但大量饮酒会导致健康问题、判断力受损并毁掉生活。

酒精以几种方式影响神经元：

1. 促进GABA受体的反应——大脑的主要抑制部位
2. 阻断谷氨酸受体的活动——大脑的主要兴奋部位
3. 增加伏隔核多巴胺受体的刺激

从行为角度来看，人们有时将酒精描述为兴奋剂，但那只是因为酒精减少了负责抑制危险行为的大脑区域的活动。

酒精中毒的遗传基础

对双胞胎和被收养者的研究证实了遗传对酒精中毒易感性的强烈影响。研究人员区分了两种类型的酒精中毒：

基因以各种方式影响酒精中毒的可能性，其中大多数不是酒精特有的。例如，控制多巴胺4型受体变异的一个已确定基因。4型受体有两种常见形式：短型和长型。长型不太敏感，拥有长型的人在喝了一杯酒后报告比平均水平更强的渴望再喝酒。

酒精中毒的预测因子

研究人员通过比较尚未成为问题饮酒者的年轻男性来预测酒精中毒：比较那些父亲是酒精中毒者的人与那些没有酒精问题的近亲的人。

研究发现：

1. 酒精中毒者的儿子在饮用适量酒精后表现出低于平均水平的中毒状态
2. 酒精对大多数人都会减少压力，但对酒精中毒者的儿子减少得更多
3. 酒精中毒者的儿子有一些大脑特异性，包括右半球杏仁体比正常小

“能喝酒”的人可能会继续饮酒，也许足以损害他的判断力。而在一两杯酒后开始感到微醺的人会停止饮酒。

这如同天生的“安全阀”机制——有些人的“安全阀”比较敏感，会及时停下；而有些人的“安全阀”不够敏感，容易过度饮酒。

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成瘾是如何“劫持”大脑的

成瘾带来一个悖论：几乎每个有成瘾的人都认识到这个习惯弊大于利。随着成瘾的进展，快乐变得越来越弱，而代价和风险却在增加。然而，人们仍然沉迷其中，无法戒掉。为什么？

耐受性和戒断症状

随着成瘾的发展，许多效应，特别是愉快的效应，会减弱。这种减少被称为耐受性。由于耐受性，海洛因使用者不断提高用量和频率，最终服用足以杀死其他人的剂量。

不同药物的戒断症状各不相同：

• 海洛因戒断：焦虑、出汗、呕吐和腹泻
• 酒精戒断：易怒、疲劳、颤抖、出汗和恶心，严重时会出现幻觉、抽搐、发烧和心血管问题
• 尼古丁戒断：易怒、疲劳、失眠、头痛和注意力难集中

成瘾的学习机制

一种解释成瘾的理论认为，有成瘾问题的人学会使用药物来应对压力。在一项研究中，研究人员让老鼠有机会按压杠杆来给自己注射海洛因。然后他们撤回了获得药物的机会。 在戒断期中期，一些老鼠有机会再次自我给药海洛因，而另一些老鼠则在没有海洛因的情况下度过戒断期。后来，当老鼠第二次经历戒断时，所有老鼠都有机会按压杠杆尝试获得海洛因，但这次杠杆是无效的。

实际上，使用者——无论是老鼠还是人类——学会了药物能缓解药物戒断引起的痛苦。这种学习可以泛化到其他情况，所以使用者在其他类型的痛苦中也渴望药物。

成瘾如何改变神经回路

成瘾会“劫持”一个人的动机，改变大脑，使其他类型的强化体验变得不那么有力，无法与药物竞争。 可卡因提供了一个强有力的例子：可卡因增加控制伏隔核内树突变化的某些基因的活动，结果重构了伏隔核，使药物刺激更多树突，而其他事件刺激的树突减少。甚至性刺激也变得不那么有奖励性。

这个过程大致是这样的：成瘾药物首先激活特定基因，控制树突的变化；接着伏隔核发生重构，对药物变得更敏感，对其他奖励却不太敏感；同时，药物使用还会损害消退机制，即使药物变得不那么有奖励，反应仍然持续；最终大脑变得“专门化”，主要对成瘾物质做出反应。 这就解释了为什么成瘾如此难以克服——它不仅仅是个“坏习惯”，而是对大脑奖励系统的根本性重组。

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对抗物质滥用的药物治疗

酒精成瘾的治疗药物

许多希望克服物质滥用的人会加入“戒酒匿名会”、“戒毒匿名会”或类似组织，其他人则寻求心理治疗师。对于那些对这些方法反应不好的人，有几种药物可供选择。

双硫仑的作用机制

人们喝酒后，肝脏中的酶将乙醇代谢为乙醛，这是一种有毒物质。然后，乙醛脱氢酶将乙醛转化为乙酸，身体用乙酸来获取能量：

乙醇 → 乙醛 → 乙酸

一些人的乙醛脱氢酶基因较弱，代谢乙醛较慢。如果他们喝很多酒，他们会积累乙醛，这会产生面部潮红、心率增加、恶心、头痛、腹痛、呼吸困难和组织损伤。

双硫仑（商品名安塔布司）通过结合铜离子来拮抗乙醛脱氢酶的效应。大多数研究发现安塔布司是中等有效的。当它起作用时，它补充了酒精中毒者自己戒酒的承诺。通过每天服用药丸并想象喝酒后可能跟随的疾病，人重申戒酒的决定。

纳洛酮的治疗效果

另一种药物是纳洛酮（商品名瑞维亚），它阻断阿片受体，从而减少酒精带来的快乐。像安塔布司一样，纳洛酮也是中等有效的。它对强烈动机戒酒的人效果最好，对II型酒精中毒者（有家族酒精中毒史）比I型酒精中毒者更有效。

阿片类药物成瘾的治疗

海洛因是19世纪发明的人工物质，据说是试图戒除吗啡的人的更安全替代品。当时一些医生甚至建议使用酒精的人改用海洛因。当他们发现海洛因有多么容易成瘾时，他们放弃了这个想法。

美沙酮替代疗法

尽管如此，人们仍然坚持认为不能戒掉阿片类药物的人可能会改用危害较小的药物。美沙酮类似于海洛因和吗啡，但有一个优势，即可以口服。 美沙酮口服后逐渐进入血液然后进入大脑，所以它的效果上升缓慢，避免了“冲击”体验。因为它代谢缓慢，戒断症状也是逐渐的。此外，使用者避免了可能感染针头注射的风险。

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突触是行为的基石

突触是行为的构建块。它们决定哪些消息被传递、在哪里传递以及持续多长时间。生物心理学的一个指导假设是，一个人与另一个人之间行为的许多差异都与突触活动有关。 比如说，多巴胺释放量较大的人往往更冲动，更倾向于寻求即时快乐。那些用来治疗帕金森病、焦虑症、精神分裂症等疾病的药物都作用于突触，说明这些疾病反映了某些神经递质的过量或不足。

通过研究药物的效应，研究人员获得了可能有助于对抗药物滥用的线索。他们也学到了很多关于突触的知识。例如，对可卡因的研究引起了对重摄取转运蛋白重要性的关注，对大麻素的研究导致了对从突触后细胞到突触前细胞的逆行信号传递的增进理解。 然而，从理解行为生理学的角度来看，仍有很多东西需要学习。研究已经确定伏隔核中的多巴胺活动是强化和成瘾的核心，但我们仍在追问：“为什么那个位置的多巴胺活动具有强化作用？”在神经科学或生物心理学中，回答一个问题往往会引出新的问题，而最深层的问题通常也是最困难的。

正如查尔斯·斯科特·谢林顿曾经说过：“每天早上都有彩虹的人会停下来看吗？经常或大量出现在我们周围的奇妙很快就被认为是理所当然的。这在实际中是足够的。它让我们能够继续生活。但如果不能偶尔摆脱它，它可能会使人愚钝。偶尔重新捕捉童年的奇迹感是确保偶尔成熟思考的驱动力。”

这种对神经系统奇迹的持续好奇心，正是推动神经科学研究不断前进的动力。每个突触都是一个小小的奇迹，每一次化学信号的传递都在书写着我们思想、情感和行为的故事。