從分子到思想：神經(jīng)科學(xué)視角下的認知活動

神經(jīng)系統(tǒng)是人體最為復(fù)雜和高級的系統(tǒng)，它負責(zé)接收、處理和傳遞信息，不僅調(diào)節(jié)著我們的身體狀況，還讓我們適應(yīng)外部環(huán)境。神經(jīng)系統(tǒng)主要由兩部分組成：中樞神經(jīng)系統(tǒng)和外周神經(jīng)系統(tǒng)，它們共同掌控著我們的身體。中樞神經(jīng)系統(tǒng)包括大腦、腦干和脊髓，外周神經(jīng)系統(tǒng)則將中樞神經(jīng)系統(tǒng)與身體其他部位連接起來。大腦作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)的核心，它由兩個半球構(gòu)成，分別負責(zé)處理不同的信息。這座奇妙的“指揮中心”由四個主要區(qū)域組成：額葉、頂葉、顳葉和枕葉，這些區(qū)域又可進一步細分為許多功能特異性的皮層區(qū)域。例如，額葉主要負責(zé)高級認知功能，如決策、規(guī)劃和社會行為，而枕葉則主要負責(zé)視覺信息的處理[1]。

在神經(jīng)系統(tǒng)里，神經(jīng)信號是信息傳輸?shù)幕?。神?jīng)信號的產(chǎn)生和傳輸依賴于神經(jīng)元（即神經(jīng)細胞），神經(jīng)元由細胞體、樹突和軸突組成。樹突主要負責(zé)接收來自其他神經(jīng)元的信息，而軸突則負責(zé)將信息傳遞到其他神經(jīng)元。當(dāng)神經(jīng)元受到足夠的刺激時，神經(jīng)元細胞膜上的離子通道開始活躍起來，發(fā)生開關(guān)變化，使得Na+、K+和Ca2+等不同類型離子發(fā)生跨膜傳輸、穿梭往返，從而引起膜電位的改變，最終產(chǎn)生動作電位。動作電位沿著神經(jīng)元的軸突傳播，實現(xiàn)神經(jīng)信號的傳遞。神經(jīng)信號在神經(jīng)元之間的傳遞依賴神經(jīng)元之間的微小空間——突觸來完成。突觸由軸突末梢和樹突棘（或其他神經(jīng)元的軸突）構(gòu)成。當(dāng)動作電位到達軸突末梢時，神經(jīng)遞質(zhì)（傳遞信息的化學(xué)分子）會被釋放到突觸間隙中，與突觸后神經(jīng)元膜上的受體結(jié)合，進而引發(fā)突觸后神經(jīng)元膜的電位變化。這種電位變化可以是興奮性的，即可使突觸后神經(jīng)元膜更易產(chǎn)生動作電位；也可以是抑制性的，即可使突觸后神經(jīng)元膜更難產(chǎn)生動作電位。

這種興奮性與抑制性的差異響應(yīng)與學(xué)習(xí)和記憶等認知活動密切相關(guān)。學(xué)習(xí)和記憶過程依賴于神經(jīng)系統(tǒng)中突觸可塑性的變化。突觸可塑性可理解為神經(jīng)元之間的連接強度，它會在信息傳遞過程中發(fā)生改變，如果是興奮性突觸，突觸連接強度會在信息傳遞過程中增強；如果是抑制性突觸，突觸連接強度會在信息傳遞過程中減弱。長時程增強（longterm potentiation， LTP）和長時程壓抑（long-term depression， LTD）是兩種典型的突觸可塑性表現(xiàn)。LTP是指神經(jīng)活動導(dǎo)致的突觸傳遞效率的持續(xù)性增加，也就是突觸連接強度的增強，這種增強可通過多種途徑實現(xiàn)，例如通過增加神經(jīng)遞質(zhì)的釋放或增加突觸后膜受體的敏感性等。神經(jīng)元之間連接的強化將形成新的神經(jīng)回路，因而LTP被認為是學(xué)習(xí)過程中的一個關(guān)鍵機制。而LTD的過程恰與LTP相反，它是指神經(jīng)活動導(dǎo)致的突觸傳遞效率的持續(xù)性減弱，這種減弱也可通過多種途徑實現(xiàn)，例如減少神經(jīng)遞質(zhì)的釋放或降低突觸后膜受體的敏感性等。LTD在遺忘過程中發(fā)揮重要作用，有助于消除不再需要的信息，為新信息騰出空間。LTP和LTD被認為是各種形式的學(xué)習(xí)和記憶形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。此外，具有調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)功能的活性物質(zhì)——神經(jīng)肽，在突觸可塑性中扮演著重要角色。它參與神經(jīng)遞質(zhì)的釋放、突觸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性維護，以及影響突觸后神經(jīng)元的電生理特性等過程，對學(xué)習(xí)、記憶等認知過程具有重要意義[2]。

讓我們從神經(jīng)活動中的離子、分子等微觀物質(zhì)出發(fā)，通過了解神經(jīng)信號產(chǎn)生與傳輸?shù)碾x子機制、學(xué)習(xí)與記憶過程中的突觸可塑性變化的分子機制，來認識人類認知活動的生物學(xué)基礎(chǔ)。

離子通道：神經(jīng)元上的開關(guān)

神經(jīng)元膜上存在許多不同類型的離子通道，它們在神經(jīng)信號產(chǎn)生和傳播過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。離子通道是一種跨膜蛋白，它在神經(jīng)元膜上形成通道，允許特定離子在細胞內(nèi)外之間流動。離子通道的開啟與關(guān)閉受到多種因素的調(diào)控，例如膜電位的變化、神經(jīng)遞質(zhì)的結(jié)合等。離子通道的狀態(tài)變化影響神經(jīng)元膜的通透性，從而改變膜兩側(cè)的離子濃度和膜電位。離子通道可以根據(jù)其選擇性、門控機制以及調(diào)控方式進行分類，每種通道都有其特定的生理功能。其中，電壓門控型離子通道是一類重要的離子通道，它們在動作電位產(chǎn)生過程中起關(guān)鍵作用。這類通道的開啟與關(guān)閉受膜電位的影響。當(dāng)神經(jīng)元膜電位達到一定程度（閾值電位）時，電壓門控型離子通道會打開，讓特定類型的離子跨膜流動。這些離子的流動會引起神經(jīng)元膜電位的進一步變化，從而產(chǎn)生動作電位。

動作電位：神經(jīng)信號的啟動

動作電位是神經(jīng)信號的基本形式，是神經(jīng)元膜電位的短暫、快速的反轉(zhuǎn)。細胞在未受刺激時，處于靜息狀態(tài)，此時細胞膜電位處于外正內(nèi)負的極化狀態(tài)，對應(yīng)的膜電位為靜息電位。動作電位的產(chǎn)生過程包括去極化、復(fù)極化和超極化三個階段。當(dāng)神經(jīng)元受到足夠強的刺激時，膜電位發(fā)生變化，當(dāng)膜電位達到閾值電位，電壓門控型Na+通道被打開，Na+流入神經(jīng)元內(nèi)，使膜電位快速上升，減弱細胞膜外正內(nèi)負的極化程度，這一過程為去極化階段；當(dāng)膜電位達到峰值后，電壓門控型K+通道打開，K+流出細胞，使得膜電位迅速下降回復(fù)到靜息電位的極化水平，這一過程為復(fù)極化階段；當(dāng)膜電位達到靜息水平后，由于K+通道關(guān)閉較慢，K+會繼續(xù)緩慢流出細胞，導(dǎo)致膜電位出現(xiàn)短暫的繼續(xù)下降，細胞膜外正內(nèi)負的極化程度進一步加強，這一過程為超極化階段。這三個階段共同組成一個動作電位，動作電位產(chǎn)生后，會沿著軸突傳播，實現(xiàn)神經(jīng)信號在神經(jīng)元間的傳遞。

離子通道在動作電位產(chǎn)生與傳播中的作用

離子通道在動作電位產(chǎn)生過程中起著關(guān)鍵作用。去極化階段主要由Na+通道打開引起，使得Na+流入細胞，膜電位快速上升；反極化階段由Na+通道關(guān)閉和K+通道打開共同決定，K+流出細胞，使得膜電位恢復(fù)到靜息水平；超極化階段主要由于K+通道緩慢關(guān)閉引起[3]。

除電壓門控型離子通道外，受體門控型離子通道在動作電位產(chǎn)生過程中同樣發(fā)揮作用。例如，神經(jīng)遞質(zhì)結(jié)合到突觸后膜的受體上，導(dǎo)致受體門控型離子通道打開，允許特定離子跨膜流動，從而影響突觸后神經(jīng)元的膜電位，改變神經(jīng)元的興奮性，影響動作電位的產(chǎn)生和傳播。

神經(jīng)遞質(zhì)：信息的傳遞者

神經(jīng)遞質(zhì)是神經(jīng)系統(tǒng)中傳遞信息的化學(xué)物質(zhì)。它們在神經(jīng)元之間的突觸間隙中傳播，通過與突觸后膜上的受體結(jié)合來調(diào)節(jié)電壓變化。神經(jīng)遞質(zhì)有很多種類，如質(zhì)子等離子，以及乙酰膽堿、谷氨酸、甘氨酸、多巴胺、去甲腎上腺素等分子。這些神經(jīng)遞質(zhì)在不同神經(jīng)系統(tǒng)功能中發(fā)揮各自的作用，如興奮性神經(jīng)遞質(zhì)（如谷氨酸）通常使突觸后神經(jīng)元的膜電位變得更加正向（去極化），更加接近閾值電位，增加神經(jīng)元產(chǎn)生動作電位的可能性；抑制性神經(jīng)遞質(zhì)（如甘氨酸、γ-氨基丁酸），通常使突觸后神經(jīng)元的膜電位變得更加負向（超極化），更加遠離閾值電位，降低神經(jīng)元產(chǎn)生動作電位的可能性。這種激發(fā)性和抑制性神經(jīng)遞質(zhì)協(xié)同調(diào)節(jié)神經(jīng)元的活動和信息傳遞，它們的平衡對于神經(jīng)系統(tǒng)的正常功能至關(guān)重要[4]。

受體蛋白：神經(jīng)遞質(zhì)的接收器

受體蛋白位于突觸后膜上，負責(zé)接收神經(jīng)遞質(zhì)并產(chǎn)生相應(yīng)的電壓變化。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和功能特點，常見受體蛋白有離子通道型受體和G蛋白偶聯(lián)受體等。其中，離子通道型受體直接作用于離子通道，當(dāng)與神經(jīng)遞質(zhì)結(jié)合后，離子通道會發(fā)生開關(guān)變化，允許離子跨膜流動。G蛋白偶聯(lián)受體則通過激活細胞內(nèi)的信號通路，通過調(diào)節(jié)細胞內(nèi)第二信使（如cAMP、IP3等）的濃度間接地調(diào)節(jié)離子通道或其他細胞生物學(xué)過程[5]。

突觸傳遞：信息在神經(jīng)元之間的跳躍

突觸傳遞是神經(jīng)信號在神經(jīng)元之間的傳播過程。當(dāng)動作電位到達軸突末梢時，會引發(fā)神經(jīng)遞質(zhì)的釋放。神經(jīng)遞質(zhì)通過突觸間隙傳播，與突觸后神經(jīng)元膜上的受體結(jié)合。這種結(jié)合引發(fā)突觸后神經(jīng)元的電壓變化，從而實現(xiàn)信息的傳遞。

在神經(jīng)信號傳輸過程中，神經(jīng)遞質(zhì)、受體蛋白以及突觸傳遞等多個環(huán)節(jié)共同協(xié)作，實現(xiàn)信息在神經(jīng)元之間的高效傳遞。通過對其中關(guān)鍵因素的調(diào)節(jié)，神經(jīng)系統(tǒng)可以實現(xiàn)對信息傳遞過程的精細控制，為學(xué)習(xí)、記憶等認知功能提供分子生物學(xué)基礎(chǔ)。

神經(jīng)信號傳輸過程中，因神經(jīng)元間的突觸連接處于不同的環(huán)境刺激下，其結(jié)構(gòu)和功能會發(fā)生適應(yīng)性改變，表現(xiàn)為突觸間信息傳遞效能（突觸強度）發(fā)生變化或突觸結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生變化，即突觸的可塑性。典型的突觸的可塑性包括短時程可塑性和長時程可塑性。前者又分短時程易化和短時程抑制；后者又表現(xiàn)為LTP和LTD。LTP與LTD廣泛存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)當(dāng)中，它們分別對應(yīng)著突觸傳遞效能的增加與減少。突觸可塑性的調(diào)節(jié)涉及多種生物學(xué)機制，包括神經(jīng)遞質(zhì)的釋放、受體密度和敏感性的改變、離子通道的調(diào)節(jié)等。突觸的可塑性是實現(xiàn)學(xué)習(xí)、記憶等認知功能的神經(jīng)細胞學(xué)基礎(chǔ)。

長時程增強：學(xué)習(xí)的生物學(xué)基礎(chǔ)

LTP是用來描述突觸可塑性中神經(jīng)元之間長時間突觸傳遞增強的現(xiàn)象。它是學(xué)習(xí)和記憶的關(guān)鍵生物學(xué)機制。當(dāng)學(xué)習(xí)發(fā)生時，大腦中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會經(jīng)歷一系列改變，使得特定突觸的連接變得更加強烈。這種突觸強度的增加可以通過神經(jīng)遞質(zhì)的釋放、受體密度和敏感性的改變等生物學(xué)機制實現(xiàn)。例如，高頻刺激可能導(dǎo)致更多的神經(jīng)遞質(zhì)釋放，從而增強突觸傳遞效率；突觸后膜上受體的數(shù)量和/或活性的增加，也會提高神經(jīng)元對神經(jīng)遞質(zhì)的響應(yīng)強度，如突觸后膜的N-甲基-D-天門冬氨酸（N-methyl-D-aspartate， NMDA）受體和α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸（α-amino-3-hydroxy-5-methylisoxazole-4-pro-prionic acid， AMPA）受體增加，將提高突觸后神經(jīng)元對谷氨酸的敏感性，從而增強突觸傳遞效率。突觸強度與傳遞效率的增強，意味著舊的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的生長和新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的形成，也就是說，學(xué)習(xí)過程是在生理結(jié)構(gòu)上同時塑造和改變著我們的大腦。

長時程抑制：平衡學(xué)習(xí)與遺忘

與LTP相反，LTD是一種神經(jīng)元間突觸傳遞減弱的現(xiàn)象，可以看作是學(xué)習(xí)與遺忘之間的平衡機制。LTD的發(fā)生可以通過多種生物途徑，如突觸后膜受體的減少或敏感性下降等。

遺忘過程中，LTD有助于消除不再需要的信息，為新的學(xué)習(xí)和記憶騰出空間。在學(xué)習(xí)過程中，不斷發(fā)生的LTP可能導(dǎo)致神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)失衡，影響大腦功能；也可能發(fā)生過度學(xué)習(xí)，即在學(xué)習(xí)過程中對某些信息或模式進行過多的重復(fù)學(xué)習(xí)和鞏固，從而導(dǎo)致大腦對這些信息的處理過于敏感和依賴。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，過度學(xué)習(xí)可能導(dǎo)致突觸連接過于強化，使神經(jīng)元過度興奮，對某些信息特征的響應(yīng)過于強烈，從而使得神經(jīng)系統(tǒng)在應(yīng)對新信息時表現(xiàn)出疲勞和低效，影響對新信息的處理能力。更嚴重的神經(jīng)過度興奮可能會導(dǎo)致神經(jīng)元的損傷和死亡，引發(fā)神經(jīng)系統(tǒng)疾病。LTD通過減弱部分突觸連接的強度和傳遞效率，可以平衡LTP帶來的連接強度過度增強，防止神經(jīng)元過度興奮，減輕神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對某些信息的過度依賴。LTD有助于保持大腦對新信息的敏感性和適應(yīng)性，以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在處理信息時保持穩(wěn)定性，支持有效的學(xué)習(xí)和記憶。

神經(jīng)肽：調(diào)節(jié)認知功能的信使分子

神經(jīng)肽是一類具有多種生物學(xué)功能的化學(xué)信使分子，同樣可作為神經(jīng)遞質(zhì)在神經(jīng)元之間傳遞信息，與乙酰膽堿、多巴胺和谷氨酸等小分子神經(jīng)遞質(zhì)不同之處在于，神經(jīng)肽通常是由多個氨基酸殘基連接而成的更大的分子組成，它們可以調(diào)節(jié)神經(jīng)元之間的通信，影響神經(jīng)元的興奮性或抑制性，以及參與感覺、情緒、學(xué)習(xí)和記憶等復(fù)雜的神經(jīng)活動。神經(jīng)肽通過與特定的受體結(jié)合，調(diào)節(jié)突觸傳遞和神經(jīng)元活動。例如，促進突觸可塑性的神經(jīng)肽（如腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子）可以增強LTP，改善學(xué)習(xí)和記憶能力；而抑制突觸可塑性的神經(jīng)肽（如生長抑素）則可能減弱LTP，導(dǎo)致學(xué)習(xí)和記憶的減退。神經(jīng)肽還可通過調(diào)節(jié)神經(jīng)元興奮性、突觸后膜受體的敏感性，以及信號通路的活性等方式來影響突觸可塑性。

在某些情況下，神經(jīng)肽可作為“調(diào)節(jié)因子”來優(yōu)化學(xué)習(xí)和記憶過程，提高神經(jīng)認知功能。例如，研究發(fā)現(xiàn)，在壓力環(huán)境下釋放的皮質(zhì)醇可通過調(diào)節(jié)神經(jīng)肽的作用降低LTP，減輕對新信息的學(xué)習(xí)和記憶，從而集中精力應(yīng)對當(dāng)前的壓力。這種調(diào)節(jié)作用有助于在特定環(huán)境下調(diào)整個體的認知功能，使其更好地適應(yīng)環(huán)境的挑戰(zhàn)?？傊?，神經(jīng)肽可通過多種機制調(diào)節(jié)突觸可塑性，影響學(xué)習(xí)和記憶過程，與其他調(diào)控因素（如離子通道、受體蛋白等）相互作用，共同維持神經(jīng)系統(tǒng)的平衡與穩(wěn)定，支持認知功能的發(fā)展。

研究工具和技術(shù)的不斷發(fā)展，使我們能通過觀察許多神經(jīng)元、突觸和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的活動，來揭示大腦如何通過分子與化學(xué)機制在學(xué)習(xí)、記憶和其他認知過程中進行信息處理和存儲。同時，對神經(jīng)信號傳遞和突觸可塑性的深入了解，為治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如阿爾茨海默病、帕金森病和抑郁癥等提供了新策略。例如，通過調(diào)節(jié)特定神經(jīng)遞質(zhì)或離子通道的活動，可以改善疾病狀態(tài)下神經(jīng)信號傳遞的異常，緩解病癥[6]。然而，人們對認知活動背后的生物學(xué)機制仍然知之甚少，需研究者繼續(xù)探索。

神經(jīng)科學(xué)與其他學(xué)科的交叉合作將為研究帶來更多可能性。特別是與材料科學(xué)和化學(xué)的交叉合作，將為神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展提供新的視角和工具。例如，研究者正在嘗試開發(fā)新型生物材料和化學(xué)分子，以實現(xiàn)對神經(jīng)活動的更精細控制，這些材料和分子可以作為神經(jīng)遞質(zhì)、受體蛋白和離子通道的調(diào)節(jié)劑；研究者已開發(fā)出基于石墨烯的納米傳感器，可高靈敏度地檢測神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，為神經(jīng)活動的研究提供新工具[7]；塑料電子學(xué)研究將生物材料與柔性聚合物離子/電子器件相結(jié)合，以實現(xiàn)人工體系與神經(jīng)系統(tǒng)機械模量匹配良好的有效接口，實現(xiàn)對神經(jīng)信號的記錄和刺激，這種技術(shù)在治療癲癇等神經(jīng)性疾病方面具有巨大的潛力[8]。

同時，類腦計算和人工智能的發(fā)展將得益于對神經(jīng)信號傳遞和突觸可塑性的更深入理解，從而促進更高效、靈活、智能、接近于人腦的離子電子學(xué)器件的開發(fā)與算法設(shè)計[9，10]。在此過程中，神經(jīng)科學(xué)與材料科學(xué)、化學(xué)、人工智能等學(xué)科的交叉合作將在推動生物智能與機器智能的協(xié)同發(fā)展和相互融合中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

[1]中國科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)研究所. 大腦的奧秘. 上海： 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社， 2017.

[2]尼克爾斯， 等. 神經(jīng)生物學(xué)——從神經(jīng)元到腦： 第5版. 楊雄里，等譯. 北京： 科學(xué)出版社， 2015.

[3]Hodgkin A L， Huxley A F. A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve. J Physiol， 1952， 117： 500-544.

[4]趙思家. 大腦通信員： 認識你的神經(jīng)遞質(zhì). 長沙： 湖南科學(xué)技術(shù)出版社， 2022.

[5]梁金環(huán)， 徐坤山， 王曉凌. 生物化學(xué). 北京： 化學(xué)工業(yè)出版社， 2019.

[6]Ju Y， Tam K Y. Pathological mechanisms and therapeutic strategies for Alzheimer’s Disease. Neur Regen Res， 2022， 17， 543.

[7]Choi J H， Kim T H， El-Said W A， et al. In situ detection of neurotransmitters from stem cell-derived neural interface at the single-cell level via graphene-hybrid SERS nanobiosensing. Nano Lett. 2020， 20： 7670-7679.

[8]Someya T， Bao Z， Malliaras G. The rise of plastic bioelectronics. Nature， 2016， 540： 379-385.

[9]侯雅琦， 王鑫， 侯旭. 仿生納流離子學(xué)： 面向未來人工智能、腦機接口的前沿探索. 科學(xué)， 2022， 74： 24-28.

[10]Hou Y， Ling Y， Wang Y， et al. Learning from the brain： bioinspired nanofluidics， J Phys Chem Lett， 2023， 14： 2891-2900.

關(guān)鍵詞：神經(jīng)信號傳導(dǎo) 分子機制 離子通道 突觸可塑性學(xué)習(xí)和記憶 ■