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行為的神經生物學──大腦與行為(二) 人類在探索其物理環境的能力遠優於其他的物種。人類行為中明顯相距甚遠的精巧感覺接受器排列，連接於高度彈性的神經機械－腦部，其可分別出環境中無數事件的變化。從這些接受器來的連續訊息流在腦袋中組織成認知（其中有些儲存在記憶中供未來的參考）且之後成為合宜的行為反應。所有這些被大腦完成的工作都利用神經且在其中交流。 個別的神經細胞或是大腦的基本單位在其型態上都相當簡單。雖然人腦包含這些細胞為數甚多(為數1011次方的神經細胞)，可以被歸類為至少數千種型態，而所有的細胞都分享相同的基本架構。人類行為的複雜度比較少依賴細胞型態的不同卻比較依賴這些大量的細胞形成精確的解剖迴路。因此，大腦關鍵的組織原則之一是具有基本相似特性的神經細胞可以因為他們彼此連接到感覺接受器或是肌肉的路徑不同產生不同的行為。 因為較少的組織化原則產生相當的複雜性，所以有可能藉由針對神經系統的四個基本性質學習大量關於經系統如何產生行為。 1. 神經產生訊號的機制 2. 神經細胞間聯繫的模式 3. 不同交互連結模式的關係與不同行為模式的關係 4. 神經與其聯結被經驗所修飾的方法 在此我們經由首先考慮結構的與功能上的神經細胞以及環繞並支持之的膠細胞介紹上述四個特性。我們之後會檢驗個別的細胞怎麼組織、傳遞訊號以極少數中間神經元如何溝通訊息以產生簡單的行為，像是屈膝反射。最後，我們討論特定的神經細胞如何在訊息能力上轉變以修飾行為。 在神經系統中主要有兩種細胞：神經細胞（神經元﹔Neuron）與膠細胞（Glia）。 膠細胞比神經元多的多─在脊髓動物中樞神經系統中膠細胞數目比神經元多10到50倍。這些細胞的名字源自希臘文的‘黏著劑’，雖然事實上膠細胞一般並不把神經細胞拉在一起。相反的，其環繞於神經細胞的細胞體、軸突、樹突外。就所知而言，膠細胞不直接牽涉到訊息處理過程，但是他們至少有七個其他重要的角色： 1. 膠細胞支撐神經細胞，提供大腦結構。他們也區隔以及有時絕緣彼此的神經細胞群和突觸連結。 2. 有兩種神經膠細胞（寡樹突膠細胞和許旺式細胞）產生用來絕緣神經細胞軸突的myelin，前者是細胞傳導電性訊息的衍生物。 3. 有些神經膠細胞是清理者，移除創傷或神經死亡後的殘骸。 4. 膠細胞扮演重要的促進神經元之間有效傳訊的管家差事。例如說，有些膠細胞也吸收突觸傳導時候被神經細胞釋放的神經傳導物質。 5. 大腦發育的時候某些種類的膠細胞導引神經元的移動和指揮軸突的衍生。 6. 在某些例子中，如同脊髓動物神經─肌肉突觸，膠細胞主動調節突觸前終板神經傳導物質的所有量。 7. 一些神經膠細胞（例如：astrocytes）幫助在大腦微血管和靜脈內形成不滲透內襯─血腦障壁─避免血液中有毒物質進入大腦。 8. 其他膠細胞顯然釋放生長因子，不然就是幫助滋養神經細胞，雖然這角色以相當勉強的結論被證實(?)。 脊髓動物神經系統的膠細胞被分成兩個主要的系統：微膠細胞(microglia)與巨膠細胞(macroglia)。 微膠細胞是在創傷、感染或疾病之後才動員的吞噬細胞。其由神經系統外的巨噬細胞而來，在生理上和胚胎學上與神經系統的其他細胞無關。關於微膠細胞在休止狀態的作為所知不多，但是它們在感染、創傷與seizure後變的活潑且大量補充。活化的細胞有一個突起stouter、比休止態的細胞有更多的分支、且展現抗原的排列，後者暗示其可能再中央神經系統之中作為一個主要的抗原呈現細胞。微膠細胞被認定在若干疾病中變成活化態，包括多發性硬化與AIDS相關的痴呆，除此之外還包括慢性神經退化疾病像是巴金森氏症與阿茲海莫症。 有三種巨膠細胞在脊髓動物神經系統中佔多數：星狀膠細胞、寡樹突細胞、許旺式細胞。 寡樹突細胞(Oligodendrocytes)與許旺式細胞(Schwann cell)都是外形較小的細胞且具有比較少的突起。這兩型細胞都執行重要的軸突絕緣功能，藉由螺旋狀緊密包裹其膜狀突起物於神經細胞軸突上形成髓鞘。被發現在中央神經系統的寡樹突細胞每個包裹平均15個軸突間節。相對來說，存在於週邊神經系統的許旺氏細胞每個包裹軸突的一個間節(internode)。寡樹突細胞與許旺氏細胞所產生的myelin種類在化學組成上有所不同。 星狀膠細胞，也是為數最多的膠細胞，以其不規則、粗糙星型的細胞體得名。其傾向於具有相當長的processes，其中某些以終足(end-feet)作結。某些星狀膠細胞於大腦和脊髓中的神經細胞表面上形成終足而且可能有攜帶養分給予細胞的角色。其他星狀膠細胞把終足置於大腦血管且導致血管內皮細胞形成緊密接合(tight junction)因此產生具有保護功能的血腦障壁。 星狀膠細胞也幫助在細胞外空間維持正確的鉀離子濃度。當神經細胞電位興奮的時候，鉀離子流出細胞。重複的興奮可能產生足以干擾周圍細胞間訊息傳遞的細胞外鉀離子過量濃度。因為星狀膠細胞高度的對鉀離子可滲透，他們可以吸納過量的鉀離子而因此保護隔壁的細胞。此外，星狀膠細胞從突觸區域吸收釋放後的神經傳導物質從而藉由移除神經傳導物幫助調節突觸活性。但是星狀膠細胞的角色多半是支持的。 沒有證據顯示膠細胞直接牽涉到電性訊息傳導。訊息傳導是神經細胞的工作。 一個典型的神經細胞有四種型態上不同的區域：細胞體、樹突、軸突、突觸前終端。如同稍後會看到的，這些區域各自在訊息的生成和神經細胞的溝通上有不同的角色。 細胞體(Soma)是細胞的代謝中心。其包括儲存細胞基因的細胞核，除此外尚有作為細胞核衍生的內質網(Endoplasmic reticulum)，在此細胞的蛋白質被合成出來。細胞體通常造成兩種突起：若干短的樹突與單一細長纜狀的軸突。樹突以樹狀模式分支而且是主要接收由其他神經細胞而來訊號的裝置。相反的，軸突從神經細胞體衍生且是主要攜帶訊號到其他神經細胞的傳導單位。一個軸突可以沿著0.1毫米到3米的距離傳遞電性訊號。這些電性訊號，或名動作電位(Action Poteneials)是帶有100毫福特的振幅與持續大約一微秒的快速、短暫、全有─全無式脈衝。動作電位是在一個特定為觸發的軸突區域，即所謂軸丘(或軸突剛開始的一節)，被啟動的﹔由此延著軸突以每秒1到100米毫無失誤或扭曲地傳導下去。一個動作電位的振幅沿著軸突前進的時候仍然維持穩定是因為動作電位是一種延軸突全程規律距離會重新產生的全有─全無式脈衝。 動作電位組成的訊號被大腦所接收、分析、輸送訊息。這些訊號在整個神經系統中是相當固定形式的，即使是被環境中大量觸及在我們身體上的事件變化所啟動─從光線到機械性接觸、具有氣味的氣體到壓力波等等。因此，關於視覺傳導訊息的訊號可以跟攜帶嗅覺的訊息互換。在此我們遇到另一個大腦功能的關鍵原理。被動作電位傳遞的訊息是不是被該訊號的形式所決定，而是被訊號在大腦內前進的路徑所決定。大腦分析與解譯輸入的電性訊號且以這樣的方法產生我們每天視覺、觸覺、味覺、嗅覺、聽覺。 為了增加動作電位傳導的速度，巨大的軸突被多脂肪、絕緣的髓質鞘(myelin)所包裹。這些鞘被蘭式結以固定的間距打斷。就是在這些軸突上的絕緣點動作電位得以新生。 纜狀的軸突在其終端分成細分支，在接近此處形成與其他神經細胞的通訊位置。兩個神經細胞溝通的點被稱之為突觸(synapse)。傳達訊號的神經細胞是被叫做突觸前細胞(presynapse cell)。接收訊號的細胞是為突觸後細胞(postsynapse cell)。突觸前細胞從該突觸終端的膨大端遞送出訊號，是為突觸前細胞終端(presynpastic terminals)。然而，突觸前細胞並不直接觸碰或解剖上的與突觸後細胞溝通，因為兩個細胞被名為突觸裂隙(synaptic clest)的空間分隔。多半突觸前終端中止在突觸後神經細胞的樹突，但是該終端也可能在細胞體或是在接受細胞軸突的開始或結束上作結，雖然後著比較不常見。 Ramón y Cajal提出許多對現在來說是基本理解的早期證據，即神經細胞是神經系統的訊息單位且每個神經細胞是以個別源自於細胞體的processes區別的個別細胞。回顧之前，很難意識到以這個基本的想法說服科學家有多麼困難。不像是其他細胞有簡單形狀且適合在光學顯微鏡下單一視野的問題，神經細胞有複雜的形狀﹔樹突的精巧模式以及一些軸突看似無止盡連續讓開始建立這些成份的關係難以開始。甚至在解剖學家Jacob Schleiden與Theodor Schwann 1830年代早期提出細胞理論(再此同時標示我有活體結構單位的想法變成生物學的教條)，多數的解剖學家不接受這個細胞理論可以適用於大腦，後者被其視為一種連續的網狀物。 神經細胞的一貫結構直到十九世紀晚期之前都不清楚，即Ramón y Cajal開始使用Golgi提倡的銀染色方法。這個到今日都在使用中的方法有兩個優點。首先，以現在都還不甚了解的隨機方法，銀溶液染色在任何腦部的特定區域只佔細胞的1%，使研究分離其鄰近者的單一細胞是可能的。第二，吸附染劑的細胞可以被繪製其整體，包括細胞體、軸突還有整個樹狀樹突。染劑顯示神經細胞間沒有細胞質的連續性分布(除了一些後面會考量到的例外)，甚至是兩個細胞間的突觸。因此，神經細胞不會形成合胞體(syncytium)﹔每個神經細胞是明確被隔離於每個其他的細胞。 Ramón y Cajal應用Golgi的方法到許多動物的胚胎神經系統，包括人腦。透過檢視幾乎神經系統每個區域的神經元結構並追蹤其與其他部份產生的接觸，Ramón y Cajal可以描述神經細胞各類別間的不同且定位其中大量的精確連接。以此Ramón y Cajal領悟除了除了神經元學說以外，神經組織的兩個其他的原則可以對於研究神經系統的通訊提供相當的價值。 這第一個已經變成所謂的動態極化原理(principle of dynamic polarization)。其詳述一個神經細胞內的電性訊號只在一個方向流動：從神經的接受位置(通常是樹突與細胞體)到位在軸突的觸發位置。從此處動作電位沿著軸突的全長單一方向地傳播直到細胞的突觸前終端。雖然神經元型態和功能上多變，多半的運作遵守這個訊息流動的規則。稍後我們會敘述這個規則的物理基礎。 第二個原理，特化聯繫原理(principle of connectional specificity)敘述神經細胞不會亂無章法相互連接形成隨機的網絡﹔相反的是每個細胞在特定的連接點上和突觸後目標細胞，而不與其他的，成立特定的連接模式。把兩個原理考慮在一起，動態極化原理和特化聯繫原理形成現代connectionist研究大腦的細胞學基礎。 Ramón y Cajal也大概是第一個了解神經元最不同於旁著的是形狀─具體的說，就是源自於細胞體之processes的數目與形式。在外型的基礎上，神經元被歸類為三大群：單極、雙極與多極。 單極神經元(unipolar neurons)是最簡單的神經細胞，因為具有一個主要的process，其通常發生許多分支。一個分支充當軸突，其他的分支充當樹突的接受結構。這些細胞主宰無脊髓動物的神經系統﹔在脊髓動物中他們出現在自主神經系統中。 雙極神經元(Bipolar neurons)有一個卵型細胞體造成兩個processes：一個樹突傳導從身體週邊傳導訊息而來，而軸突攜帶訊息向中央神經系統。許多感覺細胞都是雙極細胞，包括那些在眼睛視網膜的與鼻子的嗅覺上皮。傳導觸覺、壓覺和疼痛到脊髓的機械接受器是雙極神經元的變形叫做偽單極細胞(pseudo-unipolar cells)。這些細胞剛開始是雙極細胞﹔稍後兩個細胞的processes融合以形成一個出現於細胞體的軸突。該軸突之後一分為二﹔一個分支走向週邊(到皮膚、膝蓋與肌肉的感覺接受器)，另一個到脊髓。 多極神經元(Multipolar neurons)在脊髓動物的神經系統中佔多數。他們有一個軸突與一般來說，許多出現於細胞體不同區域的樹突。多極神經細胞在型態上變化多端，特別是他們軸突的長度與樹突分支的數目、長度和複雜性。通常其樹突的數目與程度與接觸到其他神經元的突觸數目相關。脊髓的運動細胞有適當的樹突數目接受大約10000個接點─2000個在細胞體上，另外8000個在樹突上。小腦中的普金奇細胞(Purkinje cell)大的多也雜亂的多，如同其可能的─接受幾近150’000個接點。 神經元也一般分類為三個主要的功能群：感覺、運動、與中間神經元。感覺神經元為了包括知覺與運動的目的從身體週邊攜帶訊息到中央神經系統。運動神經元從大腦或脊髓攜帶指令到肌肉或是腺體。中間神經元構成為數最多的一群，所有不特定為感覺或運動的神經細胞都符合。中間神經元被次分為兩個類。接替或投射中間神經元(relay or projection interneurons)有長軸突且攜帶訊號通過可觀的距離，從一個腦區到另一個。區域中間神經元(local interneurons)有短軸突且在局部迴路中處理訊息。 大腦所有的行為─感覺訊息的處理、儲存訊息的細胞任務(記憶)─都被中間神經元的特定配套所處理。在此我們應該以就一般方式檢視簡單的伸張反射如何產生，即膝跳反射。我們應該看看施以張力予腿的伸肌這種身體暫時的平衡如何產生傳遞到運動細胞的感覺訊息，後者接著運輸‘收縮’指令到伸張肌致使平衡得以恢復。 移動小腿的伸張肌，即腿骨四頭肌的肌腱，透過膝蓋骨，或（骨賓）骨的肌腱附著在脛骨上。輕拍（骨賓）骨下面的肌腱會推(或是說，伸張)大腿骨四頭肌。如此開始四頭肌的反射收縮，產生眾所週知的膝跳反射，一種腿部流暢地協同於腿筋，四頭肌對面的屈肌，的放鬆。透過增加肌肉選擇群的緊張度，伸張反射改變腿的位置，突然地向外延展小腿。 像是膝跳反射一般的張力反射是叫做脊髓反射，反射的特殊類型，產生行為的機構被完全限制在脊柱的神經迴路調節。這樣的脊髓迴路減輕具有微管理元素行為活動的大腦主要運動系統。伸張反射在大半的部分被單突觸迴路(monosynaptic circuits)所調控，這個感覺與運動神經元執行的行動質聯繫到另外一個，其間沒有中間神經元插入。多數其他的反射，包括大半的脊髓反射都使用多突觸迴路(polysynaptic circuits)，包含一到多組的中間神經元。多突觸迴路比較能夠經的起大腦高階處理中心的修飾。 在膝反射中機械地接受感覺神經元的細胞體成串長在脊隨背根神經結附近。這其中是偽單極細胞﹔細胞軸突的一個分支走向四頭肌外表，同時另一個分支主要是跑進脊柱。刺激股四頭肌的分支與叫做肌梭的張力感覺接受器聯絡，並且在肌肉被拉扯的時候興奮。在脊髓中的分支跟運動神經又形成興奮性連結，刺激quadricp且控制其收縮。此外，此分支和局部中間神經元連接，抑制控制對向伸縮肌肉。這些中間神經元與其牽張反射無關，但是藉由協調運動作為他們增加反射反應的穩定性。因此，產生伸張反射的神經訊號輸送四種資訊： 一. 感覺訊息從體表傳送到中樞神經系統 二. 由中樞神經而來的運動指令發出到執行伸張反射的肌肉 三. 補充與抑制性的指令向興奮對側肌肉發布，提供肌肉活動所需的協調 四. 關於牽涉膝反射的局部神經活動訊息傳輸到中央神經系統比較高的中樞，給予大腦協同運動的能力 一個肌肉的收縮，股四頭肌活化上百的感覺神經，這每一個與另外100~500 個運動神經直接聯繫。一個神經活化許多很多目標細胞的聯絡模式叫做神經分歧(neuronal divergence)﹔這在神經系統輸入的階段特別常見。經由分配其訊號到許多目標細胞，一個神經元可以施展廣泛與眾多的影響力。例如說，牽涉在伸張反射的神經元也連絡傳導局部神經活性訊號到協同運動的大腦高層的中間神經元。相對的，因為通常感覺神經比運動神經多五到十倍，一個訊號運動細胞一般都從許多的感覺細胞接受訊息。這種聯繫的模式叫做聚合(convergence)，在神經系統的輸出階段中很常見。經由從多數的細胞中接受訊息，目標運動細胞得以統合許多來源而來的訊息。 像是膝反射這樣的伸張反射是被兩種連接在興奮性突觸產生的簡單動作。但不是腦袋中全部重要的訊息都是興奮性的。事實上，大約一半的神經產生抑制性訊號。抑制性神經元釋放減少去極化可能的神經傳導物質。如同我們已經看到的，甚至在膝反射中，感覺神經元和抑制性神經元具有興奮性與抑制性的連接。與腿部伸張肌的興奮性連接導致這些肌肉收縮，同時與某些限制性中間神經元的連接避免拮抗的屈肌因而被召喚產生動作。這個循環的特徵是前餽抑制(feed –forward inhibition)的例子。在膝反射中前餽抑制是交互產生的以確保屈肌與伸肌的路徑永遠彼此限制，所以只有專屬於當下運動的肌肉被招換，而不是那些對向的肌肉。 神經細胞也可以有提供回饋抑制(feed-back inhibition)的連結。例如說，一個興奮性神經元可能與目標細胞以及跟興奮性神經元有其回饋連結的抑制性中間神經元有興奮性的連結。藉由這樣，從興奮性神經元的訊號同時刺激目標神經元以及限制應中間神經元，這樣因此可以限制興奮性神經元刺激其目標的活性。我們會遇到許多前餽抑制與回饋抑制的例子。 為了產生動作，以伸張反射為例子，每個參與的感覺與運動神經細胞肌依序再細胞中不同的位置產生四種不同的訊號：輸入訊號、觸發訊號、傳導訊號、輸出訊號。不管細胞的形狀與大小、神經傳導物化學性質或是行為功能，幾乎所有神經元可以用產生四種訊息的四種功能組成或區域的模式神經元所描述：區域輸入(接受)、觸發(加總或是綜合)、長程傳導(發信)與輸出(分泌)。這種模式神經元是動態極化現象(dynamic polarization)中Ramón y Cajal原理的生理學代表。 被神經元使用的不同訊號部分被細胞膜的電學特性所決定。休息的時候，所有細胞，包含神經細胞，在細胞膜的兩邊維持不同的電位。這個叫做靜止膜電位(Resting Menbrane Potential)。典型靜止中的神經細胞其靜止膜電位是-65毫伏特。因為細胞膜外的靜電荷被界定為0，所以我們說靜止膜電位是-65mV。(在不同的神經細胞這可能分布在-40到-80mV之間，在肌肉細胞中靜止膜電位還是很大，約是-90mV)。當細胞靜止的時候電位的不同可以因為下面因素而產生：(1)帶電離子不均勻的分布，特別是在細胞膜兩邊帶正電離子Na+跟K+與帶負電的氨基酸與蛋白質(2)細胞膜對於這些離子中只選擇性通透K+。 細胞膜兩側正電離子不均勻分布被一種會把Na+送出細胞、K+打入細胞的膜蛋白維持著。Na+-K+幫浦在細胞內讓Na+的濃度維持甚低(大約比細胞外低十倍)且讓K+維持高濃度(大約比其細胞外的濃度高20倍)。 同時，細胞膜因為除了膜蛋白以外要不就是有對K通透而對Na相對不滲的離子通道(ion channel)、貫穿細胞膜的筒狀結構使的細胞膜選擇性的對K滲透。當細胞在靜止的時候，這些孔道就開啟而K離子傾向漏出細胞外。當K漏出細胞之時，他們在細胞膜內側留下非中性的負電荷，所以細胞膜內的電荷比細胞膜外較為負。 可興奮細胞，像是神經細胞或肌肉細胞，在其與其他細胞不同的膜電位上可以顯著且快速的改變，而這樣的改變可以作為一種傳導機制。減少膜電位10 mV(從-65到-55 mV)可以讓細胞膜對Na+離子的穿透性比K+更好。這樣帶正電的K+離子的流入會傾向中和細胞內的負電並且導致膜電位進一步的減少──也就是動作電位的產生。動作電位沿著細胞的軸突傳到其結束在其他細胞上(神經或是肌肉)的軸突末端，也是在這邊動作電位啟動與其他細胞的通訊。如同前面提到的，動作電位是一種會主動沿著軸突傳導的全有─全無式脈衝波，所以其振幅不會再到達軸突末端的時候消失。一般來說，一個動作電位持續至少百萬分之一秒，之後膜電位變成原來的靜止狀態─電位的正常分布與對K+比對Na+滲透度高。 除了動作電位的長程傳導，神經細胞也會產生區域的訊息，像是接受器電位與突觸電位，這些不會主動傳導而且一般會在幾微米內就衰減。長程跟局部的訊息傳導都是源自於膜電位的改變，不管是從靜止膜電位增加或是減少。靜止膜電位因此可以對all signals are expressed提供一條基準。減少膜電位(例如：-65mV到-55mV)被叫做去極化(depolarization)。因為去極化加強細胞產生動作電位的能力，所以是興奮性的(excitatory)。相對來說，增加膜電位(例如：-65mV到-75mV)被叫做超極化(hyperpolarization)。超極化會使細胞不太可能產生動作電位，因此是抑制性的(inhibitory)。 再多半的細胞靜止的時候不會有電流在細胞上流竄，所以靜止膜電位在整個細胞上面都是相同的。感覺神經元上電流一般都是被感覺刺激所啟動，該刺激會活在神經細胞接受面上特別的接受器蛋白。在膝反射的例子中，股四頭肌的牽扯興奮特定對感覺神經元上拉扯動作敏感的蛋白質。這些特化的接受蛋白在細胞膜上形成離子孔道，讓Na+跟K+離子流過。這些離子通道會再被拉扯的時候開啟，允許離子快速流入感覺神經元內。這些離子流擾亂細胞膜的靜止膜電位，驅使靜止膜電位到新的電位，叫做接受器電位。接受器電位的振幅與持續時間根據肌肉牽張的程度。比較強或是持續比較久的拉扯，結果就會有比較強或是比較久的接受器電位。多半的接受器電位都是極化或是興奮性的。然而，超極化或是抑制性的接受器電位在眼睛的視網膜上被發現。 接受器電位是第一個被發現神經系統以電活性編碼拉扯的動作。然而這是一個全然的區域訊號(purely local signal)。在感覺神經原被刺激觸發電學活性，也就是接受器電位，只會被動的沿著軸突散佈。因此其振幅會隨距離減少同時也不能被不能被運載超過1或2 mm。事實上，大約沿著軸突1mm以後訊號的振幅只剩下原來被產生時候的1/3。為了可以順利運送這些訊號到剩下的神經系統中，區域訊號必須被放大—也就是必須產生動作電位。在膝反射中，感覺神經元的接受器電位傳導到第一個軸突上的蘭氏結(node of Ranvier)，如果接受器電位夠強，就會在這裡產生動作電位，後者之後分毫不差的傳遞到位在脊髓中的軸突末端。在這邊─突觸(synapse)也就是感覺神經元跟活化腿部肌肉的運動神經元交界處─動作電位會產生一連串的事件產生一個輸入訊號到運動神經元。 在膝反射的例子中，感覺神經元的動作電位釋放化學信號(神經傳導物質，neurotransmitter)通過突觸裂隙。該傳導物結合到運動神經元的接受器蛋白，並結果轉換傳導物質的化學潛能為電能。接著轉變運動細胞的膜電位，這轉變叫做突觸電位(synaptic potential)。 就像接受器電位，突觸電位是逐漸變化的。突觸電位的振幅的大小是依賴有多少神經傳導物質被釋放出來，而持續時間根據傳導物質被釋放了多久。突觸電位可以是極化或是超極化，根據被刺激的接受器分子的種類而定。跟接受器電位一樣，突觸電位是局部膜電位的改變，只會被動的沿著神經元傳遞。除非產生動作電位否則突觸電位的訊號不會到的了軸突開始的幾節。 Charles Sherrington第一個點出神經系統最重要的反應是能夠衡量訊息不同種類的重要性並且決定合適的順序。這個神經系統的綜合行為(integrative action)很清楚的被發現於神經元觸發部位的行動中。 動作電位被Na離子流瞬間通過細胞膜上電位敏感通道所產生。當輸入訊號(一個接受器電位或是突觸電位)使細胞膜產生極化(polarization)，細胞膜電位的改變開啟Na離子通道，致使Na順著其濃度梯度順勢而流，由細胞外濃度比較高的地方流入細胞內的低濃度區域。這些電位敏感Na離子通道集中在軸突起始的區段，也是軸突沒有包裹髓鞘且就在神經元訊息輸入段後面的位置。在感覺神經元中神經元Na離子通道高度的集中發生在具有myelinated軸突的第一個蘭氏節﹔在中間神經元與運動神經元這樣的高度集中發生在軸突突出於細胞的軸丘。 因為離子敏感Na離子通道的高度聚集，軸突開始的區域有產生動作電位最低的域值(threshold)。因此一個沿著細胞膜被動散佈的輸入訊號比起在細胞的其他部位比較可能在軸突起始的區域產生動作電位。軸突的這個位置因此被名為脈衝起始區域(impulse initiation zone)或是觸發位置(trigger zone)。就是在這個地方全部的接受器或突觸電位在此統整，且如果輸入訊號的強度達到域值，神經元激起一個動作電位。 動作電位，或是說神經細胞的傳導訊號是全有─全無的(all-or-none)。這表示當刺激低於域值則將不會有訊號產生，而任何高於域值的訊號產生一樣的訊息。然而許多刺激在強度或是持續時間不同，動作電位的振幅跟持續長短都差不多相同。此外，迥異於被動傳遞跟振幅會衰減的接受器電位或突觸電位，動作電位在其通過軸突到其目標時(可能長達3公尺)因為周期性的重生而不會衰減。 動作電位顯著的特稱是其高度的定型，只有在一個神經細胞到另一個神經細胞有微妙(subtly??)的差異(雖然在一些例子中這可能很重要)。這個特稱在1920年代被Edgar Adrian證明，他是首先在細胞層級研究神經系統的兩個人之一。Adrian發現從從視波器上所顯現，所有動作電位有相同的波形。的確，動作電位被感覺神經元運輸進入神經系統的電壓訊號常常難以分別於被運動神經元運出神經系統到肌肉的訊號。 傳導訊號僅有的兩個特稱輸送訊息：動作電位的數目與其間隔的時間。Adrian 1928年發表綜合其感覺纖維的研究：“…所有的脈衝都非常相似，無論該訊息是預定為激起光、觸覺或痛覺﹔如果脈波擠在一起則感覺便強烈，如果脈波被長間隔分開則知覺微弱。”因此決定感覺的強度或移動的速度不是隔別動作電位的大小或持續長短，而是其頻率。相同的，知覺或運動的持續長短是被整個動作電位產生的週期所決定。 如果訊號是定型化的且不會反應刺激的特徵，神經系統如何運載特殊的行為資訊？一個訊息如何攜帶不同於攜帶被蜂螫痛覺的視覺訊息，且這兩者不同的訊息如何在有意識的運動下送出指令？如同我們已經看過的，動作電位的訊息是被其所載運的神經路徑所決定。用以反應光線，在視網膜中被活化的接受器細胞連結的視覺路徑完全不同於反應觸覺或是痛覺在皮膚中被活化的觸覺細胞所連結的路徑。訊息的功能，不管視覺、觸覺或運動感覺，都不是被訊息本身所決定，而是訊息所沿著的路徑賦予其功能。 當一個動作電位到達神經終端會刺激從細胞釋放神經傳導物。神經傳導物可以是化學小分子，像是L-glutamate跟acetycholine，也可像是enkephalin的月生肽。包裹傳導物分子的次細胞胞器叫做突觸小泡(synaptic vesicle)，後者會在運到突觸前終端特殊的釋放區域，叫做活化區(active zone)。為了卸載神經傳遞物，小泡會move up to且跟神經的細胞膜融合，也就是所知的胞吐作用(exocytosis)。 神經傳導物質的釋放是作為神經的輸出訊息。如同輸入訊息，輸出的訊息也是梯度化的。神經傳遞物的數量是被突觸前終端的動作電位的數量跟頻率。從突觸前神經細胞的神經傳導物釋放之後，後者會擴散通過突觸裂隙到突觸後神經胞的細胞膜之接受器上。神經傳導物與接受器的結合導致突觸後細胞產生突觸電位。突觸電位有興奮或抑制的效果都是根據突觸後細胞上接受器的類型，而不是根據個別的神經傳導物。同樣的神經傳導物在不同類型的接受器上會有不同的效果。 我們已經看過神經訊息是在當其從一個神經元的某部分到另一部分與從一個神經細胞到另一個的時候被轉換。這樣的轉換，從輸入到輸出，可以追蹤牽張反射的訊號接力來透視。 當一個肌肉被牽扯，會在感覺神經元接受器電位的振幅與持續上反應刺激的特徵(也就是振幅和持續長短)。如果接受器電位超過細胞膜內的動作電位域值，梯度化的訊號在觸發部位(trigger component)被轉換為動作電位，是為全有-全無的訊號。接受器電位超過域值越多，極化因此後續軸途中動作電位的頻率也越多。同樣的，輸入訊號的持續時間決定動作電位的數量(幾個動作電位一起可以被叫做動作電位列(train))。這樣一來，訊息，也就是動作電位的頻率與數量，接著就可以忠實的沿著軸突全長傳遞到終端，在此處動作電位的頻率決定有多少的神經傳導物會被釋放。 這些轉換的階段在運動神經元中也有其對應。被感覺神經元釋放的神經傳導物質與運動神經元的接受器互動以啟動梯度式的突觸電位，後者擴散到運動神經元軸突起始區段。如果運動神經元的細胞膜電位到達臨界域值就會產生一個動作電位並且分毫不差的傳地到運動細胞的突觸前終端。在此動作電位導致神經傳導物釋放，觸發一個在肌肉中的突觸電位。這接著會產生一個動作電位在腿部的肌肉且產生最後的訊息轉換，肌肉收縮與明顯的動作。 我們已經簡述過的神經傳訊的模式是個可以套用在多數神經元的簡化版本，但是還是有一些重要的例外。例如說，一些神經元不會產生動作電位。這些是典型沒有cinductile部位的區域中間神經元─他們沒有軸突，或是該軸突短到如同前述一般輸送訊息的流程是沒有必要的。在這些神經元中，輸入的訊號被總合與被動傳遞到旁邊的終端區域，在此神經傳導物釋放出來。也有些神經元缺乏固定的靜止膜電位且會自動活化。 甚至有相同的組織的細胞都會在重要的分子細節上有所不同，例如說，表現不同離子通道的組合。不同的離子通道提供細胞多樣的域值、興奮特性、去極化模式(fire pattern﹔譯註:直接翻譯為點火模式有失文義，原文應該是指電位由靜止膜電位奔向去級化的動作)。因此，有不同離子通道的神經元可以把同一類的突觸電位編譯成不同的去極化模式並因此可以傳遞不同的訊號。 神經元也在其所使用以傳遞訊號到其他神經元的化學神經傳遞物層面，與其從其他細胞接受訊息的接受器層面，有所不同。的確，許多作用在腦部的藥物藉由調整特殊化學傳導物或特定與已知神經傳導物作用的次分類接受器以發揮藥效。這些不同不光是在腦部的日常功能有生理上的重要性，也表示疾病只會影響某一類的細胞。某些疾病，像是側肌萎縮硬化(amyotrophic lateral sclerosis)與小兒麻痺症只會襲擊運動神經元，而像是其他的tabes dorsalis、晚期梅毒則主要是影響感覺神經。巴金森氏症，這個自主意識異常疾病只損毀以多巴胺作為神經傳導物的一小部分中間神經元。一些疾病甚至只選擇細胞階層，只影響接受區域、細胞體或是軸突。的確，因為神經系統有那麼多種類的細胞與多樣的分子階層，所以會比身體其他的器官更容易受到侵襲。 除了神經細胞間的差異，電化訊息傳導的基本機制令人驚訝的簡單。這樣的簡易性是對學習大腦功能的人的一種福氣。由了解一種神經細胞產生訊息的分子機制，我們對於了解在許多其他神經細胞中這樣的機制比較好上手。 牽張反射舉例出幾種神經細胞如何互動產生簡單的行為。但甚至是牽張反射都牽涉到一群神經細胞，也許幾百個感覺細胞跟上百的運動細胞。單一的神經元可以以同樣的精確度參與牽張反射嗎?在無脊髓動物中，與一些低等的脊髓動物中，單一的細胞(或是所謂的命令細胞，command cell)可以啟動複雜的行為順序。但是到目前我們所知，沒有任何複雜的人類行為是被單一的細胞所啟動的。相反的，每個行為都是被大量細胞的行為產生的。大致上來說，有三個行為的神經成分：感覺輸入、居中(中間神經元)處理與運動輸出。這些每一群都是被一種或是幾種不同的神經細胞所協調。 神經系統的關鍵策略之一是功能區域化(Localization of function)：特定形式的訊息在獨特的腦部某區域中處理。因此，我們感官的每個訊息都在不同的大腦區域中加工，且在此處輸入的連接通常形成身體表面彼此連結的接受器資料的精確繪圖。這些製圖是在大腦中創造我們所生活環境的代表的第一歨。相似的，連結運動的大腦區域包含代表肌肉組織與特殊運動的神接連結之整齊排列。因此大腦中至少囊括了兩種神經繪圖：一個是感覺的知覺與另外一個是運動的指令。這兩者以某種我們還不清楚的方式互動。 組成這些繪圖的神經元─含運動、感覺與中間神經元─在其電學特性上並不會有太多不同。因為其不同的聯結方式所以其功能有所不同。這些連結在大腦發育的時候建立，決定個別細胞行為的功能。雖然我們對感覺與運動的訊息如何在腦中處理與陳述是根據少數幾個領域的詳細研究，在這幾個領域中我們的了解的特別充分，很清楚的發現心智的邏輯操作可以界定組成各式各樣繪圖的連結中資訊的流動。 行為的單一組成有時候會招集同時提供一樣或相似功能的大量神經元。幾個神經元群或幾個運輸相似訊息的路徑部署叫做平行處理(parallel processing)。平行處理也發生在同一個路徑中不同的神經元同時執行相似功能的時候。平行處理也在建構一個更有力大腦的演化策略上產生巨大的意義：其增加中樞神經系統的速度與功能可靠度。 大量與高度特異化的平行連結的重要性現在已經被企圖建立如大腦一般的電腦模型的科學家所發現。在這個領域的科學家，也是被名為人工智慧的訊科學分支之一首先使用串聯處理以模擬大腦的認知程序─像是圖形辨識、學習、記憶與運動表現。沒多久他們了解到雖然他們的串聯模型相當優異地解決的許多問題，像是玩西洋棋一類的挑戰，但在大腦幾乎瞬間可以完成的計算，像是辨識人臉與具有理解力的語言上實在是乏善可陳。 結果，多半的資訊神經生物學家轉向兼具串聯與並聯式構成的系統(分散式)，這個他們叫做連結學家模型(connectionist model)。在這個模型中分散在整個系統中的成分可以同步的處理相關資訊。從這些研究中初步的試探經常跟生理學家的一致。連結學家模型顯示一個系統的個別元件不會傳播大量資訊。因此，讓腦部成為卓越的資訊處理機器不是神經元本身的複雜性，而相反的是其許多的元件，特別是其間的連結複雜度。個別定型化的神經元可以輸送獨特的訊息是因為其串聯在一起並用不同的方法組織起來。 與另一個用特殊連結在一起的神經元建立一個問題。如果神經系統是這樣精確的串連在一起，那麼運動如何修飾？連簡單的反射都會遭受持續數分鐘以上的修飾，且許多再學習的結果導致行為修是達數年之久。神經的活性如何可以在一組已經串聯的連結於功能上產生這樣久的改變？若干對這些兩難的答案已經有人提出。證明最有遠見的建議是彈性理論(plasticity hypothesis)，首先在世紀之交被Ramón y Cajal提出。這個學說的現代化版本在1948年由波蘭生理學家Jerzy Konorski倡議：…神經細胞與進來的訊息互動的效能，我們叫做興奮性…改變伊始…因為這項property我們將之名為起因於興奮性的改變。第二項property，由於適當的單一刺激或刺激的總合，一些耐久的功能轉型發生在神經元的特殊系統中的效力，吾人名之以彈性(placticity)而其對應的改變就是彈性改變(placticity change)。 現在在突觸對於所謂的彈性有可觀的證據。化學突觸常常有明顯短期生理上改變的能力已增加或減少突觸的效果(持續數小時)。長期的改變可以賦予進一步生裡的改變已導致解剖上的改變，包刮修剪現存的連結或甚至產生新的連結。化學突觸可以於發育或重生十在功能上與解剖上的改變，並且最重要的是，上述的改變可以透過經驗與學習而來。功能上的改變基本上都是短期且牽涉現存突觸連結效力上的改變。解剖的改變一般都是長期的，包含神經元之間新突觸的連結。就是這種相對於神經系統的定型化單位的彈性賦予我們各自的個性。 |
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