摘要：想要弄清楚大脑，就要弄清楚构成大脑的基本单位——神经细胞。神经细胞有两类，神经元和神经胶质细胞。他们有相同点，例如都有细胞核，线粒体，内质网，核糖体，高尔基体，细胞骨架这种所有动物细胞都有的细胞器。同时还有不同点，比如轴突树突等。结构决定功能，我们可以根据不同细胞结构来分类，同时，当我们探索细胞功能时，可以根据细胞的形状，细胞器构成来推测其功能。

本文是《神经科学：探索脑（第四版）》（Neuroscience Exploring the Brain）第二章内容的概要，总结。图片均出自于其PDF教材。本文部分内容由原文翻译而来
转载请保留这段文字：本文作者：王海涛，微信公众号“海涛的学习笔记”，CSDN“海涛的学习笔记”，知乎“王海涛”，

引言

如何研究大脑呢？首先大脑和心脏，胰腺等，都是器官，大脑无非是最复杂的器官罢了。那么如何研究器官呢？首先我们看到的都是整体的器官，如果有人有疾病，可以猜测哪个器官有问题，然后看看对应地方和正常人有没有区别。比如心理异常，我们可以看看对应大脑是否有问题，但是这个过程犹如管中窥豹一般，不得甚解，只能知其然不知其所以然。如果要研究彻底，我们必须研究透彻组成大脑的细胞，因为大脑最终都是由一个个细胞所组成的。

大脑都有些什么细胞呢？大体有两类，神经元和神经胶质细胞。想象一下一块饼干上面镶嵌着巧克力豆，神经胶质细胞就像饼干的面粉，神经元就像巧克力豆。而神经元则充当感知外界环境变化，并将这种变化传导给别的神经元，并命令身体应对对这种变化。神经胶质细胞支撑起了大脑，给予神经元养分，将神经元传导信息的“电线”绝缘。因此，神经元更会受到我们的关注。

由于神经科学最早由国外研究，很多名词都是英文，我看的也是英文版教材，因此会将英文术语标注在翻译后的术语后面，翻译直接是用机器翻译的，可能与国内约定的名词不同，但英文术语肯定是没问题的。

神经元学说

神经细胞有多大呢？
伸出你的小拇指，大概宽为1cm
看看小拇指的指甲，厚度大概为1mm
再小你就看不到了，不过借助光学显微镜，你能看到1um左右长的东西
更高精尖的电子显微镜，能看到1nm左右长的东西
而神经细胞则在1um这个量级，也就是普通的光学显微镜就能看到
好的，显微镜有了，那让我们来看看它长什么样吧！
如果你用过光学显微镜，你需要制作一个切片，因为要透光，另外切片要平整，这样好对焦。但是很遗憾，制作大脑组织切片时，你面临着这几个问题：

1. 切片几乎无色，接近米白色
2. 像果冻一样，很软，不好切
3. 要制作非常薄的切片，最好不要比细胞直径厚太多

于是人们自然发明了对应解决办法

1. 尼氏染色法Nissl，能显现出细胞核及周围的块状的区域
2. 使用甲醛让它变硬，好切
3. 显微镜用切片机，能切得很细

高尔基染色法

上面的尼氏染色法，看起来不清不楚的。后来高尔基发明了一种染色法，使用铬酸银溶液，能够看出神经元的全部结构，包括树突，轴突。
中间大的，包括细胞核的区域称为细胞体Soma，从细胞体辐射出的小管子称为神经突起Neurites，神经突起有两种，树突Dendrites和轴突Axons
如何区分这两种神经突起呢？

不同点	轴突	树突
从细胞体延伸出去的个数	一般只有1个	很多个
分支的形态	直角分支，长度不变	逐渐变细
长度	最长能到1米	小于2mm
猜测的功能	像电线一样传播输出信号	像天线一样接受来自轴突的输入

卡扎尔的贡献

卡扎尔使用高尔基染色法到了极致，作为一名组织学家Histology，他发布了很多大脑组织的神经元线路图。由于光学显微镜只能看到到神经元之间连接在一起，形成一个网状。于是人们便提出了两种观点，一种是高尔基提出的，他认为神经元之间彼此连接，焊在一起，于是形成的这种网状物是神经系统的基本单位；另一种观点则是卡扎尔提出的，他认为不同神经元之间不是连在一起的，而是相互独立，只不过接触在一起罢了 communicate by contact, not continuity，构成网的细胞——神经元，才是神经系统的基本单位。直到50年后的1950年代，电子显微镜带来的更高分辨率的图片，才证明了后者的说法正确，而这种说法就是神经元学说。

显微镜的进步

人眼能分辨最小0.1mm距离的两个分开的点，而在标准光学显微镜下，分辨率的极限约为0.1 um。因为神经元之间的间隔只有0.02um(20纳米)，因此光学显微镜并看不出神经元之间是连在一起的还是断开的。因此才会有2种说法。

有没有比光学显微镜分辨率更大的显微镜呢？电子显微镜用电子束代替光来形成图像，大大提高了分辨能力。它的的分辨率极限大约是0.1纳米——比肉眼好一百万倍，比光学显微镜好一千倍。我们对神经元内部超微结构的知识都来自于电子显微镜。

今天，拥有更尖端技术的显微镜使用激光束照射组织，并使用计算机生成数字图像(图A)。神经科学家现在经常将在激光照射下发出荧光的分子引入神经元。荧光能被敏感探测器所记录，计算机获取这些数据就能重建出神经元的图像。与需要组织固定的传统光学和电子显微镜方法不同，这些新技术使神经科学家能够观察到仍然存在的脑组织。此外，它们还允许“超分辨率”成像，打破了传统光学显微镜在揭示小至20nm的结构方面的限制。

神经元的一般结构

体细胞

神经细胞中间椭圆形的形状称为体细胞，直径在20um左右。体细胞中充满着液体，叫做细胞质液cytosol，富含钾离子。细胞液中有膜包裹的结构称为细胞器organelles。神经细胞拥有的细胞器和其他所有动物细胞中的都相同。膜内所有物质除了细胞核，被称为细胞质cytoplasm

细胞核

最大的那个是细胞核，由双层膜包裹。里面有46个染色体chromosomes，染色体包含着DNA（脱氧核糖核酸deoxyribonucleic acid）。DNA里面包含基因片段，如果将这本书比作DNA，那么书上的字词就是DNA上的基因。读取DNA的过程称为基因的表达gene expression，读取后会将不同基因翻译，合成不同蛋白质。全体细胞所含DNA都相同，而细胞不同是因为基因表达时使用了不同的基因，产生了不同蛋白质，而不同蛋白质有不同的功能形状，于是造就了不同的细胞。由于DNA从不出细胞核，需要其他分子来将所读取的DNA信息运送到细胞质中合成蛋白质的位置。这种分子是信使核糖核酸messenger ribonucleic acid, mRNA，它由4种核酸构成，组成的序列代表着基因信息，就像字母组成单词一样。生成mRNA的过程称为转录transcription。
DNA不是所有序列都是基因，在编码不同蛋白质的基因周围，有很长的DNA片段，至今具体作用未知。转录过程如下：首先由转录因子蛋白transcription factors控制，核糖核酸聚合酶RNA polymerase与DNA的启动子promoter片段结合，然后开始转录。当转录到DNA另一段序列——终止子terminator时结束，生成RNA。
DNA上除了有不编码蛋白质的序列，编码蛋白质的基因序列中也有额外的DNA序列并不用于编码蛋白质，这部分称为内含子introns，而用来编码的则称为外显子exons。初始RNA会包含内含子，但是经过RNA剪切RNA splicing后，会去掉内含子。有时还会切除外显子，因此相同基因可能由于外显子保留的不同而生成不同的mRNA。mRNA经过细胞核洞来到细胞质中合成蛋白质的部位。此时将会使用20种氨基酸amino acids来生成蛋白质链条，这个过程称为翻译translation。

基因工程

人类基因组计划完成后，测得了我们人体内一共有2万五千个基因，并且知道各个基因在染色体上的位置。
基因拷贝数量的不同gene copy number variations会导致各种疾病，比如好几个基因缺失了，亦或者是某个基因数目加倍了。
另外一种情况是变异。我们的许多基因都有小的变异，称为单核苷酸多态性single nucleotide polymorphisms，这种变异没有太大的影响，就像单词colour和color表示的是同样的意思。但是有的时候这种变异会影响蛋白质的合成，就像bear和bare是完全不同的意思一样。
基因工程则是一种利用基因变异，插入基因，来改变细胞的技术。一般应用在老鼠身上，因为老鼠繁殖很快，且拥有和人类相似的中枢神经系统。有时你能听到基因敲除小鼠knockout mice这个名词，意味着某个基因被移除。还有转基因小鼠，意味着插入了新的基因，或者某个基因加倍了。或者基因敲入小鼠Knock-in mice，意味着原来的基因被转基因所替代。

在后基因组时代表达自己的大脑

人类基因组测序是一项真正的里程碑式的成就，于2003年完成。人类基因组计划确认了人类DNA中大约25000个基因。我们现在生活在一个被称为后基因组时代，在这个时代，关于我们组织中表达的基因的信息可以被用来诊断和治疗疾病。神经科学家正利用这些信息来解决神经和精神疾病的生物学基础方面的长期问题，同时也在更深入地探索个性的起源。逻辑是这样的。大脑是基因表达的产物。一个正常的大脑和一个患病的大脑，或者一个不正常的大脑之间存在基因表达的差异，这个差异可以用来识别所观察症状的分子基础。

基因表达水平通常被定义为由不同的细胞和组织合成的mRNA转录本的数量，因为这些mRNA能指导特定蛋白质的合成。所以，分析基因表达需要比较两组人类或动物大脑中各种mRNA的相对丰度。进行这种比较的一种方法是使用DNA微矩阵 DNA microarrays，这种微矩阵是由机器人制造的，将数千个合成DNA的小点排列在显微镜载玻片上。每个点都包含一个独特的DNA序列，可以识别并吸附在不同的特定mRNA序列上。要比较两个大脑中的基因表达，首先要从每个大脑中收集mRNA样本。一个大脑的mRNA用化学标签被标记为绿色荧光，而另一个大脑的mRNA被标记为红色荧光。然后这些样品被放到到微阵列上。高表达的基因会产生更多物质，意味着更亮的荧光点，通过荧光颜色的差异来揭示大脑之间相对基因表达的差异

小鼠的基因靶向工程，by Mario Capecchi

故事比较长，可以跳过

我最初是怎么想到在老鼠身上进行基因靶向的?从一个简单的观察来看。迈克·维格勒和理查德·阿克塞尔在1979年发表了一篇论文，表明将哺乳动物细胞暴露在DNA和磷酸钙的混合物中，会导致一些细胞吸收DNA，并表达编码的基因。这是令人兴奋的，因为他们清楚地证明了外源性的功能性DNA可以被引入哺乳动物细胞。但我不明白为什么他们的效率这么低。是外源DNA的传递、插入到染色体的过程，还是基因插入到宿主染色体后的表达问题?如果将纯化的DNA直接注射到培养的哺乳动物细胞核中会发生什么?
为了找到答案，我把一个同事的电生理工作站改造成微型皮下注射针，使用机械微操作器和光学显微镜将DNA直接注射到活细胞的细胞核中(图a)。这个过程的效率惊人(Capecchi, 1980)。现在用这种方法，成功整合的概率是三分之一，而不是以前的百万分之一。这种高效率直接导致了，通过注射和随机整合外源性DNA到受精卵或受精卵的染色体的方法，制作转基因小鼠的发展。为了在受体细胞中实现外源性DNA的高效表达，我必须附着病毒DNA的小片段，我们现在知道这些片段含有增强子enhancers，增强子在真核生物的基因表达中是至关重要的。
但最让我感兴趣的是我们观察到，当一个基因的多个拷贝被注入细胞核时，所有的这些分子最终头尾相连的有序排序，称为串联体concatemer(图B)。这是令人惊讶的，并且不可能是随机事件发生的。我们进一步明确地证明了同源重组 homologous recombination，即在细胞分裂过程中染色体共享遗传信息的过程，是细胞结合外源DNA的原因(Folger et al.， 1982)。这些实验表明，所有的哺乳动物体细胞都含有一种非常有效的机制，可以交换具有相似核苷酸序列的DNA片段。将1000份基因序列的拷贝注射到细胞核中，会导致染色体插入一个包含1000份该序列拷贝的连接体，所有这些拷贝都指向同一个方向。这个简单的观察直接引导我设想通过基因靶向，在活老鼠身上以任何选择的方式使任何选择的基因发生突变。
对这种可能性感到兴奋的是，1980年，我向美国国立卫生研究院(NIH)提交了一份拨款申请，提议通过同源重组直接改变哺乳动物培养细胞的基因DNA序列。他们拒绝了这个建议，而且他们的理由也不无道理。他们认为，在活的哺乳动物细胞(包含3×10^9个核苷酸碱基对)中，外来添加的DNA序列找到足够相似的DNA序列以进行同源重组的可能性微乎其微。幸运的是，我的拨款申请还包括另外两项NIH审查员喜欢的提案，他们资助了这些项目。我用这些资金来支持基因靶向项目。四年后，我们的研究结果证明我们有能力在培养的哺乳动物细胞中进行基因靶向。然后，我向同一审查小组重新提交了一份新的NIH拨款申请，现在提议将基因靶向技术扩展到产生突变小鼠。他们的评估表是这样开头的:“我们很高兴你没有听从我们的建议。”
花了10年时间在小鼠上发展基因靶向(Thomas & Capecchi, 1987)。在这一成功之前，我们必须了解真核细胞中的同源重组机制。此外，由于基因靶向的概率较低，如果我们要成功地将我们的技术转移到老鼠身上，我们需要能够在成熟动物体内形成生殖系(精子和卵子)的老鼠胚胎干细胞。我对我们使用胚胎癌(EC)细胞的失败感到沮丧。后来我听到一个传言，说英国剑桥的马丁·埃文斯正在分离出更有前途的细胞，他称之为EK细胞，类似于EC细胞，但来自正常小鼠胚胎而不是肿瘤。我打电话问他谣言是否属实，他说是的。我的下一个问题是，我能否去他的实验室学习如何与这些细胞打交道，他的回答仍然是肯定的。1985年的圣诞节，剑桥非常美丽。我的妻子，和我一起工作过，我们度过了美好的几周学习如何维持这些神奇的细胞，并使用它们来产生能够传播生殖系的老鼠。
研究人员通常对他们感兴趣的基因在小鼠生物学中的特殊作用有先入为主的认识，然而当基因被敲除时，他们通常会对结果感到非常惊讶。基因靶向已经把我们带向了许多新的方向，包括最近研究的小胶质细胞的作用。小胶质细胞在骨髓中与免疫细胞和血细胞一起生成，然后迁移到大脑中。在老鼠身上突变这些细胞会导致一种与人类的拔毛症非常相似的病理症状，这是一种强迫性疾病，其特征是有强烈的拔毛冲动。令人惊讶的是，将正常的骨髓移植到突变小鼠中，永久性地治愈了它们的这种病理行为(Chen et al.， 2010)。现在，我们正致力于了解小胶质细胞如何控制神经回路输出的机制，更重要的是，探索免疫系统(在这里是小胶质细胞)与神经精神疾病如抑郁症、自闭症、精神分裂症和阿尔茨海默病之间的亲密关系。

粗面内质网

核糖体是蛋白质合成的地方，它与mRNA相连接，使用四种氨基酸合成蛋白质链。在神经元中，许多核糖体都附着于层叠的膜上，这种膜称为粗面内质网Rough Endoplasmic Reticulum, or rough ER。神经元中的粗面内质网比神经胶质细胞以及大多数其他非神经元细胞都要多。在100年前，尼氏染色法显现出的块状尼氏小体就是粗面内质网。
有部分核糖体漂浮在细胞质中，称为游离核糖体free ribosomes，有时几个游离核糖体连在了一根线上，被称为多聚核糖体polyribosomes，一般出现在多个核糖体翻译统一mRNA的时候。
不同蛋白质的目的地决定了其合成的位置。如果蛋白质是要呆在细胞液内的，那么对应mRNA会避开粗面内质网上的核糖体，并向游离核糖体移动，在游离核糖体上合成。如果蛋白质要被插入到细胞膜上或者其他细胞器的膜上，那么便会在粗面内质网上合成，合成过程会在粗面内质网上来回的穿插。由于神经元传输信号依赖于其细胞膜，那么有很多粗面内质网在神经元中就理所当然了。

滑面内质网和高尔基体

滑面内质网Smooth Endoplasmic Reticulum顾名思义，就是那些没有核糖体的堆叠的膜。其功能不一而同，有的是粗面内质网的延伸，负责将蛋白质链条折叠，使其具有三维空间结构。还有的不参与蛋白质的合成，而是调节细胞液中离子的浓度，比如肌肉细胞中有很多这样的滑面内质网调节钙离子浓度，称为肌浆网sarcoplasmic reticulum
高尔基体Golgi apparatus是远离细胞核的，一层层像圆盘一样的膜。一般认为，它负责将不同目的地的蛋白质进行分类打包。

线粒体

线粒体长得就像热狗一样。在它们的外膜内是多层的内膜，称为嵴cristae。在嵴之间有一个叫做基质matrix的内部空间。

线粒体是细胞呼吸cellular respiration作用的位置。线粒体“吸入inhales”时，会吸入丙酮酸(由糖、消化后蛋白质、脂肪产生)和氧气，这两种物质都漂浮在细胞液中。在线粒体的内部腔室中，丙酮酸进入一系列复杂的生化反应，称为克雷布斯循环 Krebs cycle，该循环以德裔英国科学家汉斯·克雷布斯命名，他在1937年首次提出了这一观点。克雷布斯循环的生化产物提供能量，在嵴内的另一系列反应(称为电子传递链)中，导致磷酸加到二磷酸腺苷(ADP)中，产生三磷酸腺苷( adenosine triphosphate ATP)，也就是细胞的能量来源。当线粒体呼气时，每吸收一个丙酮酸分子，就释放17个ATP分子。
ATP是细胞的能量货币the energy currency of the cell，当ATP断裂称为ADP时，会释放能量。

细胞膜

细胞膜作为屏障，将细胞内外隔开。细胞膜上嵌有蛋白质，有些蛋白质可以将物质泵出细胞，其他蛋白形成空洞，控制物质进入。在不同部位，比如细胞体，树突，轴突的细胞膜上的蛋白质是不同的。
要了解神经元的功能，就必须了解细胞膜及其相关蛋白的结构和功能，The function of neurons cannot be understood without understanding the structure and function of the membrane and its associated proteins，因此后续将会花费4章来讲解细胞膜

细胞骨架

细胞骨架就像帐篷的支架一样，支起了细胞的结构。但是它是不断变化的，当你读到这句话的时候，你的神经细胞可能正在你的大脑里扭动。

微管

Microtubules，直径20nm，沿着神经突起延长。想象一颗颗珍珠绕着一个直径20的柱子转圈，绕完后将柱子拿走，就是微管。这里的珍珠是微管蛋白tubulin，实际构成时并没有柱子，微管蛋白直接绕成空心的。这一过程称为聚合polymerization，产物称为聚合物polymer，聚合的过程可以被神经元内信号所控制。
一种典型的控制微管形成的蛋白称为微管相关蛋白 microtubule-associated proteins or MAPs，它能将微管彼此固定在一起，并连接到神经元的其他部分。一种称为tao的轴突MAP病变，与阿尔兹海默病导致的痴呆有关。

阿尔兹海默症与神经元骨架

神经突起是神经元最显著的结构特征。它们复杂的分支，对信息处理至关重要，同时还反映了底层细胞骨架的组织。因此，当神经元的细胞骨架被破坏时，大脑功能的毁灭性丧失就不足为奇了。例如阿尔茨海默氏症，其特征是大脑皮层神经元细胞骨架的破坏，大脑皮层对认知功能至关重要。1907年，德国医生a .阿尔茨海默(a . Alzheimer)在一篇题为《大脑皮层特征性疾病》的论文中首次描述了这种疾病及其潜在的大脑病理。以下是翻译的摘录

最早的第一例病人是一位51岁的妇女，她的症状之一是对其丈夫的强烈嫉妒感。很快，她的记忆障碍迅速增加;她在家里找不到路，她把东西拖来拖去，把自己藏起来，或者有时认为有人要杀她，然后她就开始大声尖叫。

在收容期间，她的手势表现出完全的无助。她对时间和地点感到茫然。她不时地说她什么也不懂，她感到困惑，完全迷失了方向。有时她认为医生的到来是正式的拜访，并为没有完成工作而道歉，但有时她又会因为害怕医生要给她做手术而大叫;有时，她会在完全愤怒的情况下把他打发走，说她害怕医生想要损害她女人的荣誉。她不时地完全神志不清，拖着她的毯子和床单来来回回，叫着她的丈夫和女儿，好像有幻觉似的。她经常会用可怕的声音尖叫好几个小时。

精神退化进展得相当稳定。在患病四年半后，病人死亡。她最后完全失去了知觉，以胎儿的姿势躺在床上。

在她死后，阿尔茨海默在显微镜下检查了她的大脑。他特别注意到“神经原纤维 “neurofibrils”的变化，神经原纤维是细胞骨架的元素，可以被银溶液染色。

别尔斯考斯基银制剂 Bielschowsky silver preparation 在神经纤维中表现出非常有特点的变化。然而，在一个看似正常的细胞内，可以观察到一种或多种单一纤维十分突出，因为它具有惊人的厚度和特殊的坚不可摧。在更严重的阶段（At a more advanced stage），许多平行排列的原纤维表现出同样的变化。然后聚集形成密集的束，逐渐向细胞表面推进。最终，细胞核和细胞质消失了，神经元原来所在的位置只剩下一束缠结的纤维。

由于这些纤维可以被不同于正常神经纤维的染料染色，构成纤维的物质一定发生了化学转变。这可能就是为什么纤维能在细胞被破坏后存活下来的原因。看来原纤维的转化与神经元代谢的病理产物的储存是密切相关的，但尚未被仔细研究过。大约四分之一到三分之一的大脑皮层神经元显示出这样的变化。大量的神经元，特别是在上层细胞层，已经完全消失了。

痴呆的严重程度与现在通常被称为神经原纤维缠结 neurofibrillary tangles的数量和分布有关，它还被称为死亡神经元的墓碑(图A)。实际上,正如阿尔兹海默推断的那样,在大脑皮层形成的结很有可能导致疾病症状的产生。电子显微镜显示，缠结的主要成分是成对的螺旋状纤维 paired helical filaments，长纤维蛋白像绳子一样编织在一起(图B)。现在我们了解到，这些纤维由微管相关蛋白tau所组成。

Tau蛋白通常在轴突的微管之间起桥梁作用，确保它们彼此之间保持直线和平行。在阿尔茨海默氏症中，tau蛋白从微管中分离并在体细胞中聚集。于是细胞骨架的破坏导致了轴突萎缩，从而阻碍了受影响神经元中正常的信息流动。

是什么导致了tau蛋白的变化?人们的注意力集中在另一种积聚在阿尔茨海默病患者大脑中的蛋白质——淀粉样蛋白 amyloid上。阿尔茨海默病的研究进展非常迅速，但今天的共识是，神经元异常分泌淀粉样蛋白是导致神经纤维缠结形成和痴呆过程的第一步。

目前，治疗干预的希望集中在减少脑内淀粉样蛋白沉积的策略上。目前迫切需要有效的治疗方法:仅在美国，就有500多万人感染了这种悲惨的疾病。

微丝

微丝Microfilaments在神经细胞中尤为多，它由两根肌动蛋白actin构成的线相互缠绕组成。肌动蛋白是所有细胞(包括神经元)中最丰富的蛋白质之一，被认为在改变细胞形状方面发挥作用。
微丝除了像微管一样沿着神经突起延长以外，还和细胞膜相关。它们通过附着在膜上的纤维蛋白网，像蜘蛛网一样排列在膜的内部。

神经纤维

微管和微丝在所有细胞中都有，但唯有神经细胞中有神经纤维Neurofilaments。在我们所讨论的纤维结构类型中，神经纤维最接近骨骼的骨骼和韧带。神经丝由多个亚基(构建块)组成，它们缠绕在一起形成一个绳状结构。每一根绳子都由单独的长蛋白质分子组成，使得神经纤维在结构上非常坚固

轴突

轴突是神经细胞特有的结构，专门负责在神经系统之间长距离传输信息。
轴突起始的地方称为轴丘axon hillock，它从体细胞逐渐变细，形成轴突的初始部分。它独有的两个性质使其与细胞体区分开来：

1. 轴突没有粗面内质网，在成熟的轴突中，没有或有少量的游离核糖体。
2. 构成轴突膜的蛋白质与构成细胞体膜的蛋白质有根本上的区别。
   结构上的差异意味着功能上有区别。因为轴突中没有核糖体，所以不能合成蛋白质，这意味着轴突中的所有蛋白质都必须来源于体细胞。与体细胞膜不同的蛋白质使它能像电线一样远距离传送信息。
   轴突长度不一，在1mm与1m之间。它经常分叉，称为轴突侧枝axon collaterals。有时轴突侧枝连接到了产生它的同一细胞，或邻近细胞的树突，这些轴突分支称为循环分支recurrent collaterals。
   轴突直径也不一样，从1um到1mm都有，轴突越粗，传播电信号越快。

轴突末端

轴突末端，axon terminal or terminal bouton (French for “button”)，与其他神经元接触并传递信息。接触点称为突触synapse，希腊语中连接的意思**“to fasten together.”。有时轴突末端会分很多叉，每个分支都有个突触，这些分支统称为终点站terminal arbor**。有时在突触后，轴突会继续延伸，突触看起来很肿大，称之为通过的按钮boutons en passant(buttons in passing)。当一个神经元与另一个细胞产生突触接触时，就被称为刺激innervate那个细胞，或提供神经支配innervation。
轴突末端的细胞质与轴突的细胞质有几个不同之处：

1. 微管不延伸到轴突末端。
2. 突触末端包含许多小的膜泡，称为突触囊泡synaptic vesicles，直径约为50nm。
3. 面向突触的膜的内表面覆盖着一层特别密集的蛋白质。
4. 轴突末端细胞质中有大量线粒体，能量需求较高。

突触

突触有两头，突触前，突触后presynaptic and postsynaptic。前者一般是轴突末端，后者可以是树突或者细胞体。突出前与突触后的间隙称为突触间隙synaptic cleft，信息穿过这个间隙称为突触传递synaptic transmission。信号在突触前为电信号，在突触末端收到电信号刺激后，会释放突触小泡中的化学信号，神经递质neurotransmitter，神经递质到达突触后膜的受体，刺激突触后产生电信号，然后继续传播信息。
不同神经元有不同神经递质，神经电信号的传播与学习记忆有关，突触也是许多毒素和大多数精神活性药物的作用部位。

轴浆运输

由于轴突内没有核糖体，无法合成蛋白质，因此依赖于从细胞体运输物质，这个过程称为轴浆运输axoplasmic transport。当轴突被切断时发生的变性现在被称为沃勒变性Wallerian degeneration。沃勒变性是一种追踪大脑轴突连接的方法，因为它可以通过某些染色方法检测出来。如果把线绕在轴突上，物质就会在结的一边最靠近体细胞的地方积累起来。当解开结时，累积的物质以每天1-10毫米的速度沿轴突继续下去。

可以简单的计算一下，对于长达1m的神经元，物质运输到轴突末端需要数年时间，很显然不能满足突触不断需要的能量和蛋白质的。在20世纪60年代末，人们将放射性氨基酸注入到神经细胞体细胞中，可以测得物质运输的速度高达1000mm/天，这种运输区别于10mm/天的慢速运输，被称为快速轴浆运输fast axoplasmic transport。
快速运输是这样的：物质被包住在囊泡中，然后囊泡沿着轴突的微管“下行”。囊泡的“腿”是由一种叫做驱动蛋白kinesin的蛋白质提供的，这个过程由ATP供能。驱动蛋白只将物质从体细胞移动到末端。物质在这个方向上的所有运动都称为顺向轴浆运输anterograde transport
除了顺行运输外，还有一种机制使物质沿轴突从末端向体细胞移动。这一过程被认为是向体细胞提供有关轴突末端代谢需求变化的信号。这个方向的运动，从轴突末端到体细胞，叫做逆行运输retrograde transport。其分子机制与顺行运输类似，只是逆行运输的“腿”是由另一种蛋白质——动力蛋白dynein提供的。神经科学家已经利用顺行和逆行运输机制来探索大脑神经元之间的连接

### 逆向轴浆运输

通过在体细胞中注射放射性氨基酸，证明了蛋白质在轴突中的快速顺行运输。这种方法的成功立即为我们提供了一种追踪大脑连接的方法。例如，为了确定眼睛的神经元将轴突发送到大脑的其他地方，眼睛被注射了放射性的脯氨酸——1种氨基酸。脯氨酸被整合到体细胞的蛋白质中，然后被运送到轴突末端。通过一种叫做放射自显影autoradiography的技术，可以检测到放射性突触末端的位置，从而揭示眼睛和大脑之间连接的程度。

研究人员随后发现，逆行运输也可以用来解决大脑中的连接问题。奇怪的是，辣根过氧化物酶 enzyme horseradish peroxidase (HRP)被轴突末端选择性地吸收，然后逆行运输到体细胞。在实验动物被安乐死后，可以启动化学反应来观察HRP在脑组织切片中的位置。这种方法通常用于追踪大脑中的连接(图A)。

一些病毒也利用逆行运输来感染神经元。例如，口腔疱疹病毒进入嘴唇和口腔的轴突末梢，然后被运送回母体细胞。在这里，病毒通常保持休眠状态，直到发生身体或精神压力(如第一次约会)，这时它复制并返回到神经末梢，导致一种十分疼痛的唇疱疹。相似的，狂犬病毒通过皮肤地轴突，逆行运输进入神经系统。然而，一旦进入体细胞，病毒就会毫不犹豫地疯狂复制，杀死它的神经元宿主。然后，病毒被神经系统内的其他神经元吸收，这个过程不断重复，通常直到受害者死亡。

树突

树突这个词来源于希腊语中的“树”，就像从体细胞上长出树枝一样，一个神经元的所有的树枝被称为树突树dendritic tree，树的每个分叉被称为树突分支。不同种类的树突树的形状大小不同，能借此来分类

树突作为天线，被成千上万的突触所覆盖(图2.19)。树突膜在突触下(突触后膜)有许多专门的蛋白质分子，称为受体receptors，用于检测突触间隙中的神经递质。
一些神经元的树突上覆盖着被称为树突棘的特殊结构dendritic spines，树突棘接收某些类型的突触输入。这些小刺看起来像挂在树突上的小沙袋(图2.20)。自从卡哈尔发现了这种不寻常的脊椎形态后，神经科学家们就对其着迷。它们被认为可以分离由某些类型的突触激活所触发的各种化学反应。这种脊椎结构对突触活动的类型和数量非常敏感。在认知障碍患者的大脑中已经发现了不寻常的树突棘变化，在智力障碍与树突棘一节中会详细讲到。

树突的细胞质大部分与轴突的细胞质相似。它充满了细胞骨架元素和线粒体。与轴突不同的是，在树突中可以观察到核糖体聚合酶，通常位于脊柱正下方(图2.21)。研究表明，突触传递实际上可以指导某些神经元的局部蛋白质合成。在第25章中，我们将看到蛋白质合成的突触调控对大脑储存信息至关重要。

智力障碍与树突棘

神经元树突的复杂结构反映了其突触与其他神经元连接的复杂性。大脑功能依赖于这些高度精确的突触连接，这些突触连接形成于胎儿时期，并在婴儿期和幼儿期得到完善。毫不奇怪，这个非常复杂的发展过程很容易受到破坏。如果大脑发育中断，导致低水平的认知功能，从而损害适应性行为，那么智力残疾就会发生。

根据标准化测试，一般人群的智力沿钟形(高斯)曲线分布。按照惯例，平均智商(IQ)被设为100。大约三分之二的人落在离上下15分以内(一个标准差)以内，95%的人落在上下30分以内(两个标准差)以内。对于智商低于70分的人，如果他们的认知障碍影响了他们适应生活环境的能力，那么就会被认为是智力残疾。大约2-3%的人符合这种描述。

智力障碍有很多原因。最严重的形式与遗传疾病有关，例如一种被称为苯丙酮尿症 phenylketonuria(PKU)的疾病。其异常的基本原因是肝脏中缺少代谢每日摄入的苯丙氨酸的酶。患有PKU的婴儿血液和大脑中的氨基酸含量异常高。如果这种情况得不到治疗，大脑发育会受阻，导致严重的智力残疾。另一个例子是唐氏综合症 Down syndrome，当胎儿有额外的21号染色体副本时，就会发生唐氏综合症，从而在大脑发育过程中破坏正常的基因表达。

智力残疾的另一个原因是怀孕期间的问题，包括母亲感染，例如德国麻疹(风疹)和营养不良。酗酒母亲所生的孩子经常患有胎儿酒精综合症 fetal alcohol syndrome，包括一系列发育异常，包括智力残疾。智力残疾的其他原因是婴儿在分娩时窒息和环境贫困——婴儿时期缺乏良好的营养、社交和感官刺激。

尽管某些形式的智力残疾有非常明显的生理关联(如发育不良;头部、手和身体结构异常)，但是大多数行为上表现出异常的病人，大脑却看起来和正常人差不多。那么，我们如何解释这种严重的认知障碍呢?20世纪70年代，达特茅斯学院的米格尔·马林-帕迪拉(Miguel Marin-Padilla)和纽约市阿尔伯特·爱因斯坦医学院的多米尼克·珀拉(Dominick Purpura)的研究提供了一条重要线索。使用高尔基染色法，他们研究了智障儿童的大脑，发现树突结构发生了显著变化。低功能儿童的树突有更少的树突棘，而且他们的树突棘异常地长且细(图A)。脊柱改变的程度与智力残疾的程度密切相关。

树突棘是突触输入的重要靶点。Purpura指出，智力残疾儿童的树突棘与正常人类胎儿的树突棘相似。他认为，智力残疾反映了大脑中正常回路的形成失败。在这篇开创性研究发表后的30年里，人们发现正常的突触发育，包括树突棘的成熟，在婴儿期和幼儿期主要依赖于环境。在发育的关键早期，一个贫困的环境可能会导致大脑回路发生深刻的变化。然而，也有一些好消息。如果干预足够早，许多剥夺引起的大脑变化 deprivation-induced changes都可以逆转。在第23章中，我们将进一步探讨经验在大脑发育中的作用。

神经元的分类

人的体内大概有850亿神经细胞。很显然，我们不可能了解每一个细胞的功能，但是，如果将细胞分类，研究不同种类细胞，这则是可行的。

根据结构分类

自高尔基染色法发明以来，这种根据神经细胞的形态学的分类依然沿用至今。

根据神经突起的数量

根据树突

在大脑不同部位有其独有的分类方式
在大脑皮层，有星形细胞Stellate cell和锥形细胞Pyramidal cell
还可以分为有树突棘的spiny，和没有树突棘aspinous

根据连接

连接身体感觉器官的，比如皮肤，眼睛的，叫做主要初级传入神经元primary sensory neurons
连接肌肉的，叫做运动神经元motor neurons
剩余大部分神经元是连接其他神经元的，叫中间神经元interneurons

根据轴突长度

长的叫高尔基一型Golgi type I neurons, or projection neurons，短的叫高尔基二型Golgi type II neurons, or local circuit neurons。一般锥形细胞属于前者，星形细胞属于后者

根据基因表达分类

所有细胞拥有相同的遗传物质，之所以有些长得不一样，是因为表达了不同的遗传物质。有些基因只存在于特定的细胞内，那么可以利用这种特殊存在的基因，与转基因技术结合。例如将绿色荧光蛋白**Green fluorescent protein (GFP)**放到特定基因的启动子下，加以荧光照射，就能跟踪这种特定基因位于的特定细胞。

Cre基因切除技术

有一种基因表达乙酰胆碱转移酶，这种基因只存在于一种特定的，生成乙酰胆碱的细胞。结合Cre技术，与转基因技术，能创造出很多种不同组合。原理是Cre重组酶能将被标记点前后的一段特定DNA切除，标记点称为LoxP。比如：

• 在这种特殊细胞中切除X基因：
  1. 一只小鼠，在X基因的两端插入LoxP标记。
  2. 另一只小鼠，在表达乙酰胆碱转移酶基因的启动子后插入Cre重组酶基因。
  3. 两只小鼠交配，后代会有2者基因。但是在表达乙酰胆碱的细胞内，Cre重组酶也被表达，会将这些细胞内的X基因被切除。
• 反过来，还可以插入基因X到特定的细胞：
  1. 一只小鼠，在X基因的起始子后，插入终止序列，并用LoxP标记终止序列两端。
  2. 另一只小鼠与上面第二只一样
  3. 交配，后代的其他细胞由于终止序列的存在不会表达X基因，但是在乙酰胆碱细胞内，由于终止序列被Cre重组酶移除，使得X基因在乙酰胆碱细胞内单独表达。

神经胶质细胞GLIA

GLIA一词是希腊语的glue，胶水一词。可以将神经胶质细胞理解为果冻，防止神经细胞从耳朵里流出来。
研究数据表明，起作用大多起到支持神经细胞的作用，但是我们还不能完全这样定论，有神经科学家描述其为“沉睡的巨人”，可能有更多作用等待我们挖掘。

星形胶质细胞

最多的胶质细胞。形状如星形一样发散开来，将大脑填满，与神经细胞的间隙为20nm，起到支撑神经元的作用。主要的作用是调节细胞外间隙extracellular space物质浓度的。比如能调节钾离子浓度，还能调节神经递质浓度。星形胶质细胞可以包裹住突触，防止神经递质乱跑，同时也可以主动吸收神经递质，另外最近研究表明，它表面还有受体，同样能产生电信号和生理反应。

髓鞘神经胶质

不像星形胶质细胞的功能有待探索，少突胶质细胞oligodendroglial与施旺细胞Schwann cells的主要功能已清晰可见。这些细胞能提供一层一层的膜，包裹着轴突。这层层的物质称为髓磷脂myelin，由于像剑鞘一样包裹着轴突，这层包裹也叫作髓鞘myelin sheath。髓鞘之间会有小小的间隙，将轴突露出来，露出来的部分称为郎飞结node of Ranvier。
髓磷脂能加快轴突信号的传播速度。少突胶质细胞和施旺细胞也有所不同。前者只能在中枢神经系统中找到，且一个少突胶质细胞能给很多个轴突提供髓鞘，而施旺细胞只能在外周神经系统中找到，一个施旺细胞只能给一个轴突提供髓鞘。

其他非神经元细胞

比如大脑空腔中室管膜细胞ependymal cells，能在大脑发育过程中指导细胞迁移。小神经胶质细胞microglia，像吞噬细胞一样，清除死亡或退化的神经元和胶质细胞留下的碎片。此外还有脉管系统vasculature，包括动脉、静脉和毛细血管通过血液向神经元输送必需的营养物质和氧气。

总结

了解神经元的结构特征可以让我们了解神经元及其不同部分是如何工作的，因为结构与功能是相关联的。例如，轴突中核糖体的缺失正确地预测了轴突末端的蛋白质是通过轴浆运输从体细胞中提供的。轴突末端大量的线粒体可以正确地预测高能量需求。树突的复杂结构似乎非常适合接收传入的信息，事实上，大多数突触都是在这里与其他神经元的轴突形成的。

从尼塞尔（Nissl）时代起，粗面ER就被认为是神经元的一个重要特征。这告诉了我们关于神经元的什么呢?回想一下，粗面ER是合成要插入细胞膜的蛋白质的一个位点。接下来我们将看到神经元膜中的各种蛋白质是如何产生神经元传输、接收和存储信息的独特能力的。

感想

妈耶，第二章的字数是第一章的两倍。正值新春，更新速度估计会慢一些了。不能保证周更了，嘿嘿。

另外这里面大多数内容，高中生物教材里面都介绍过。不过当时只是大概一过，这里面则是更为细致的讲解，同时还提供了很多相关细胞器病变的例子。我相信那句话，结构决定功能，想要探究大脑功能，还是得先从结构入手。

课后习题

1. State the neuron doctrine in a single sentence. To whom is this insight credited? （用一句话陈述神经元学说。这一见解归功于谁?）
   答：不同神经细胞之间的神经突起之间是断开的，而不是连接在一起的。Cajal
2. Which parts of a neuron are shown by a Golgi stain that are not shown by a Nissl stain? （高尔基染色显示神经元的哪些部分是尼氏染色显示不出来的?）
   答：尼氏染色法只能染粗面内质网，染色效果是细胞核周围的块状。高尔基体染色能染出轴突，树突。
3. What are three physical characteristics that distinguish axons from dendrites? （区分轴突和树突的三种物理特征是什么?）
   答：
   1. 细胞一般只会延伸出一个轴突，而树突却会有很多。
   2. 轴突一般很长，而且直径相同，而树突长度不超过2mm。
   3. 轴突一般会直角延伸，而树突则会延伸缩小为一个小点。
4. Of the following structures, state which ones are unique to neurons and which are not: nucleus, mitochondria, rough ER, synaptic vesicle, Golgi apparatus. （在下列结构中，说明哪些是神经元所特有的，哪些不是:细胞核、线粒体、粗糙内质网、突触囊泡、高尔基体。）
   答：突触囊泡是特有的，其他都不是特有的
5. What are the steps by which the information in the DNA of the nucleus directs the synthesis of a membrane-associated protein molecule?（细胞核DNA中的信息指导膜相关蛋白分子合成的步骤是什么?）
   答：首先由转录因子蛋白控制，核糖核酸聚合酶与DNA的起始因子结合，转录到终止子结束，生成RNA。转录后的生成物RNA片段与DNA的一条链相同，然后经过剪切去掉内含子，有时还会切除外显子，成为mRNA。mRNA经过（细胞核洞？）来到细胞质。mRNA如果和游离的核糖体结合，那么就会生成在细胞质内的蛋白质链条。如果在粗内质网上的核糖体结合，那么会生成细胞膜上的蛋白质。后者还需要运送到高尔基体，经过折叠后制造完毕，最后由高尔基体运输到细胞膜上。
6. Colchicine is a drug that causes microtubules to break apart (depolymerize). What effect would this drug have on anterograde transport? What would happen in the axon terminal? （ 秋水仙碱是一种导致微管分裂(解聚)的药物。这种药物对顺行转运有什么影响?轴突末端会发生什么?）
   答：由于轴突不含或很少含有核糖体，因此轴突末端所需要的物质都来源于细胞体的轴浆运输。而轴浆运输依赖轴突里面的微管支撑的道路，微管分解后物质无法由驱动蛋白运输到轴突末端，可能会导致沃勒变性。
7. Classify the cortical pyramidal cell based on (1) the number of neurites, (2) the presence or absence of dendritic spines,(3) connections, and (4) axon length. （根据(1)神经突的数量，(2)树突棘的存在或不存在，(3)连接，(4)轴突的长度来分类皮质锥体细胞）
   答：（1）多级（2）存在（3）中间神经元（4）长，高尔基一型神经元
8. Knowledge of genes uniquely expressed in a particular category of neurons can be used to understand how those neurons function. Give one example of how you could use genetic information to study a category of neuron. （了解特定类别的神经元中唯一表达的基因可以用来理解这些神经元是如何运作的。举一个你如何使用遗传信息来研究一类神经元的例子。）
   答：见Cre基因切除技术小节
9. What is myelin? What does it do? Which cells provide it in the central nervous system?（髓磷脂是什么?它能做什么?中枢神经系统中的哪些细胞提供了它）
   答：用于包裹在轴突上。 加速神经冲动在轴突的传导速度。少突胶质细胞提供的。

突的长度来分类皮质锥体细胞）
答：（1）多级（2）存在（3）中间神经元（4）长，高尔基一型神经元
8. Knowledge of genes uniquely expressed in a particular category of neurons can be used to understand how those neurons function. Give one example of how you could use genetic information to study a category of neuron. （了解特定类别的神经元中唯一表达的基因可以用来理解这些神经元是如何运作的。举一个你如何使用遗传信息来研究一类神经元的例子。）
答：见Cre基因切除技术小节
10. What is myelin? What does it do? Which cells provide it in the central nervous system?（髓磷脂是什么?它能做什么?中枢神经系统中的哪些细胞提供了它）
答：用于包裹在轴突上。 加速神经冲动在轴突的传导速度。少突胶质细胞提供的。

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