第一节　行为的神经生物学

人类的神经系统是内部结构和功能活动最为复杂的调控系统。神经系统生成、发出、控制、监测、调节机体的行为活动，行为又反馈影响、改变神经系统的结构与功能。学习和掌握神经系统形态与特征，特别是脑的功能解剖和代谢特点有助于进一步阐明行为产生的机制，为调控和优化行为方式增进健康提供理论依据。

一、神经系统与行为

（一）人体神经系统的基本结构

1.神经元和神经突触

人体神经系统是由上千亿个神经元组成的一个巨大的复杂网络系统。神经元（neuron）是神经系统结构和功能的基本单位（图2-1），具有接受刺激、整合信息和传递冲动的能力，是意识、记忆、思维活动和行为调控的基础。神经元可分为感觉神经元、中间神经元和运动神经元。神经胶质细胞在神经系统中具有重要的生物学作用。

突触（synapse）是神经元与神经元之间或神经元与效应器之间信息传递的结构，组成了神经系统内复杂环路。突触分为化学性突触和电突触（图2-2）。化学性突触传递是神经系统中最普遍的信息传递方式，释放神经递质或调质传递信息；电突触通过缝隙连接传递电信号，促进神经元的同步活动。突触的可塑性是神经发育的重要内容，也是学习与记忆的神经生物学基础。

2.神经系统的组织学

神经系统通常包括中枢神经系统和外周神经系统两部分。

（1）中枢神经系统：

包括脑和脊髓。脑和脊髓的结构和功能密切相关，主要功能是发动、传递、储存和整合加工信息，调控人的行为。大脑是学习、记忆、思维和行为活动的中枢器官，是产生行为、思维等高级神经活动的主要物质基础。大脑的功能定位是指某些脑区与某些固定的功能活动关系密切，大多数行为方式和高级功能是若干脑区神经元共同整合作用的结果。布罗德曼皮质区（cortical areas of Brodmann）（1909年）被广泛用于脑功能研究。该方法将人的大脑皮质分为52个区（图2-3）。大脑皮质包括感觉皮质、运动皮质以及联合皮质。脑干网状结构上行激动系统对于激发和维持机体的觉醒状态具有重要意义。小脑位于自脑干后部扩展出来的区域，主要功能是协调随意运动。边缘系统包括边缘叶及其有关的皮质下结构。边缘系统在进化上较古老，与内脏活动、情绪反应、性功能及学习记忆等有关。

（2）外周神经系统：

主要是指脑神经和脊神经。外周神经系统可分为传入（感觉）神经和传出（运动）神经；根据所支配器官的功能和结构特性，传出神经又分为躯体神经系统和自主神经系统两部分。躯体神经系统受意识调控，主要控制骨骼肌的运动。自主神经系统包括交感神经系统和副交感神经系统两部分，主要调控机体内部器官的功能活动。

3.与行为有关的脑功能特点

脑信息处理的顺序是信息传入、分析、加工、总和、整合、信息输出。神经元接受大量传入信息后，对这些传入信息进行时间和空间整合，形成新的信息，传递到其他神经元或其他细胞。大脑的脑区或核团的每个神经元所接受的信息，经过相互信息交流、总和、整合，形成新的信息输出到其他核团或脑区。在大脑皮质，外界信息传入，经加工处理，借助以往储存的信息，形成新的表象，产生思维和行为活动，如文字书写与言语的处理。

大脑两个半球在功能上存在既对称又不对称的特点。例如，一侧大脑半球接受对侧肢体感觉信息，支配对侧肢体肌肉运动。目前认为，语言的产生和理解主要位于大脑的左半球，而情绪表达和语言理解的情感成分主要由右半球调控。大脑两侧半球都参与情感的处理、整合，但左侧半球更多地与积极情绪有关，而右侧半球可能与消极情绪的关联更加密切。

脑内各功能分区既有特定的功能分工，又有广泛的分布和联系（图2-3）。大脑半球有特定的功能区，感觉和运动功能区在解剖结构上是分开的，如躯体感觉区在中央后回3、1、2区，视觉中枢在枕叶区。损伤大脑皮质的某个部位会出现相应的功能丧失。功能越简单，功能区定位越明显。功能程度复杂则牵涉的结构和分区增加。

脑结构和功能模式具有可塑性。大脑功能网络中的神经元之间的联系，可因内外界环境刺激的改变而改变。这是人类学习、记忆、适应环境的神经生理学基础。大脑结构和功能的可塑性随着年龄的增长而减弱。

（二）神经递质与行为

由神经细胞合成，突触前末梢释放，特异性作用于突触后模特定受体，产生突触后电位的信息传递物质称为神经递质（neurotransmitter）。中枢神经系统内的神经递质主要包括乙酰胆碱、单胺类（图2-4）、氨基酸类（包括谷氨酸、甘氨酸和γ-氨基丁酸）和肽类（包括下丘脑释放的激素、垂体肽、脑啡肽和其他肽类）。需要指出的是，由神经元合成并释放的一些化学物质，在神经元之间并不直接发挥信息传递作用，而是增强或抑制神经递质的信息传递效应。这类对信息传递起调制作用的物质称为神经调质（neuromodulator）。

1.乙酰胆碱（acetylcholine，ACh）

存在于脑内许多部位，通过中枢乙酰胆碱受体（烟碱样受体和毒蕈碱样受体）发挥作用，主要是兴奋神经元的作用。ACh相关的行为活动包括：①感觉功能，感觉特异投射系统有三级神经元，其中第二、第三级主要是ACh能神经元。ACh参与多种感觉的传入。②运动功能，主要支配骨骼肌收缩，调控随意运动。

2.多巴胺（dopamine，DA）

多巴胺能神经元主要分布在中脑和间脑，其通路可归纳为黑质-纹状体系统和中脑-皮质-边缘DA系统两个递质系统。DA是锥体外系统中的一种重要神经递质，与躯体运动功能密切相关；DA参与精神和情绪活动，对行为的管理非常重要。DA对精神和情绪的影响与其在协调各种神经递质平衡中发挥关键作用有关。

3.去甲肾上腺素（norepinephrine，NE）

广泛存在于中枢神经系统（图2-4），合成NE的主要胞体是位于第四脑室底的蓝斑。NE在机体多种行为活动中发挥重要作用，NE维持脑电和行为的觉醒，产生兴奋和愉快的情绪，过度兴奋可产生躁狂和攻击行为等。NE参与血压调节、记忆、体温调节、摄食等。脑内去甲肾上腺素系统异常与抑郁症、焦虑症、注意力缺乏/多动症有密切关系。

4.5-羟色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）

是一种抑制性神经递质，主要分布于大脑的松果体和下丘脑。5-HT可引起一系列行为反应，包括参与睡眠调节、痛觉调制、精神和行为的调节等。研究发现，抑郁症患者的烦躁不安、自杀观念、性欲减退、激越行为（言语或躯体）和易激惹等症状可能与5-HT神经递质的功能失常有关。5-HT还参与摄食、体温及心血管功能的调节。

5.组胺

由下丘脑后部的结节乳头体核产生，广泛分布于大脑、小脑、垂体后部和脊髓。组胺受体（histamine receptor）有3种亚型—H₁、H₂、H₃，均为G蛋白偶联受体。组胺参与海马、纹状体等部位的突触可塑性调节，参与维持清醒状态，调节进食，与注意、学习、记忆等认知功能有关。

6.氨基酸类神经递质

（1）谷氨酸（glutamic acid，GLU）：

是中枢神经系统内主要的兴奋性神经递质，分布广泛。谷氨酸受体分为两种：配体门控离子通道型受体和G蛋白偶联受体。

（2）γ-氨基丁酸（gamma-aminobutyric acid，GABA）：

是氨基酸类的抑制性神经递质，由谷氨酸脱羧酶催化谷氨酸脱羧生成。GABA被释放到突触间隙，与突触后膜GABA受体结合，释放的GABA随后被突触前膜或胶质细胞膜上的转运体转入突触前细胞或邻近的胶质细胞中。GABA对中枢神经元有普遍的抑制作用，能抗惊厥、抗焦虑和止痛，并参与学习记忆的可塑性调节（图2-5）。

7.神经肽类

神经肽在神经元胞体的核糖体内合成，经酶切加工后储存在突触小泡内，可与其他神经递质共存，对突触后神经元发挥协同或拮抗调节作用。神经肽类包括下丘脑释放的神经激素类、垂体后叶激素类、阿片肽类等。体内的阿片肽类有20多种，可分为脑啡肽、内啡肽、强啡肽三大家族。阿片肽通过与多种阿片受体结合，影响多种递质或激素的释放。内源性阿片肽与中枢痛觉调制系统的作用密切相关，参与精神、思维和情绪活动，并与学习、记忆行为有关。

（三）激素与人类行为

下丘脑内的神经内分泌激素作为神经递质调控垂体的内分泌细胞功能，垂体分泌的激素作用于体内各种内分泌腺，使它们分泌激素入血，作用于脑和机体的其他器官。下丘脑-垂体-其他腺体-激素-下丘脑反馈调控系统揭示了神经系统、内分泌系统和免疫系统互相影响的密切关系。

激素对神经系统的作用复杂多样。①生长发育作用：如甲状腺激素对神经系统发育的作用；②节律效应：激素的周期性变化影响神经元和神经胶质细胞结构和功能，进而产生生殖、睡眠-觉醒等周期性行为；③适应效应：如应激等环境因素引起的激素分泌变化，使脑产生适应性或适应不良性改变；④保护或损害效应；⑤免疫调控效应；⑥其他功能效应。

二、神经系统的可塑性

近年来，神经系统的可塑性研究受到高度重视。目前认为，它决定了机体对内外环境刺激发生行为改变的反应能力。

（一）神经可塑性的定义与分类

神经系统主动适应、反映内外环境变化，自身结构和功能发生改变并维持一定时间，称为可塑性（plasticity）。

神经可塑性有多种不同的分类方式。

1.按组织结构分类

从单个离子通道、突触，到神经元、整个神经网络都具有可塑性。

2.按神经组织发育时期分类

分为发育时期可塑性和成熟时期可塑性。

3.按组织类型分类

分为功能可塑性和结构可塑性。

4.按可塑性结果分类

分为有益的可塑性（如适应环境变化、代偿功能损失）和有害的可塑性（如某些有害刺激导致的可塑性变化）。

5.按持续时间分类

可塑性改变持续的时间可从毫秒级到数年。造成疾病发生的可塑性变化维持时间越长，异常行为越顽固、治疗越困难。

（二）神经可塑性的作用

1.有益的神经可塑性

（1）神经可塑性是出生后人体正常生长发育的需要。人类的神经系统在出生时生长发育不成熟，出生后的一段时间内，神经系统需要根据内外环境，形成与内外环境相适应的“正常”结构和功能。

（2）感觉刺激、机体内在智力活动、行为技能训练均可使遗传确定的神经可塑性不同程度地表达，使神经系统能够适应不断变化的需要。大脑发育成熟后，对不断变化的内外环境，神经可塑性随着年龄增加而逐渐降低，但可持续终身。例如，学习、记忆的能力终身存续。

（3）神经系统不同程度的损伤使受损伤部位的功能丧失，经过训练，启动神经可塑性表达，神经系统可以进行重组，使功能得到一定程度的代偿。

2.不利的神经可塑性

儿童期的神经系统可塑性强，对病理性伤害的敏感性、易感性高，神经可塑性表达可能出现偏差，产生各种不同程度的发育障碍。成人期持续存在的有害刺激（如长期的精神和心理压力），大脑需要进行适应性调节。大脑可塑性表达过强或出现偏差，某些个体可能出现应激，导致精神和行为障碍。当损伤中枢或外周神经系统时，可出现幻肢综合征、神经病理性疼痛、“连带运动”等神经可塑性表达异常的症状。

（三）影响神经可塑性的因素

神经可塑性的表达，可以使功能突触传递增强或减弱，也可使“休眠”的突触被激活或使功能性突触转为静止休眠，神经功能环路得到修整。

1.神经系统可塑性的方式

既可以有突触传递效能的功能性改变，也可以是神经网络的结构性变化。

（1）神经可塑性功能性变化：

是指突触前神经元神经冲动发生频率的改变，突触前膜释放相应递质的位点数目变化，突触前膜释放神经递质的数量发生变化，突触后神经递质受体敏感性的变化，突触后受体数量的变化，突触前膜、突触后膜静息膜电位或膜电位兴奋阈值的变化，蛋白质合成和蛋白酶活性和浓度的变化等。

（2）神经可塑性结构性变化：

是指突触形态、大小发生改变，可以形成新的神经突触，突触消除或数量减少，神经元轴突或树突发生改变，神经细胞程序性死亡，神经元再生等。

2.神经可塑性的影响因素

（1）内外环境刺激：感觉刺激剥夺，能够促进感觉系统神经可塑性表达，新异感觉刺激、过度刺激、重复刺激，通过兴奋和抑制平衡的改变，可明显促进神经可塑性表达过程。

（2）不同发育时期：生长发育不同年龄段相关的形态和代谢变化，显著影响神经可塑性。

（3）治疗方法和药物的影响：许多治疗方法可引起神经可塑性的变化，如行为和运动训练以及服用精神类药物。

（4）机体激素水平（含量）明显影响脑的结构和功能。

（5）神经营养因子是外周靶组织和中枢神经元或神经胶质细胞分泌的一类神经肽，明显调控神经细胞的生长、发育、分化、生存，保持神经网络的完整。

（四）大脑的神经可塑性机制

成人大脑皮质神经可塑性可能的机制包括：皮质功能区域重组能力、大脑区域移动能力、神经元增减和/或神经元之间联络通路的增减能力、功能环路的改变和物理结构演变的能力等。

1.大脑皮质的功能区域重组

是指脑的功能定位区域对可塑性变化的反应，是行为训练、损伤后神经功能恢复的神经生物学基础。

运动皮质的可塑性表现为躯体运动部位在大脑运动皮质都有特定的控制区，控制区的大小取决于相应肌群功能精细程度和神经支配的密度。躯体感觉大脑皮质的可塑性表现为躯体各部位在大脑躯体感觉皮质也有相应的代表区，每一代表区处理躯体特定部位的感觉信息。视觉皮质和听觉皮质具有明显的可塑性，失明和失聪会促使未启用部分脑区用于其他功能。盲人大脑皮质视觉区因缺乏视觉刺激而重组，转而对触觉刺激反应敏感，对听觉刺激有轻度反应。正常人视觉被剥夺一段时间后，可以使触觉辨别能力显著提高。

2.神经元的再生

改变大脑功能环路的一种有效方式是神经元再生。成年人的神经元再生是大脑对内外环境变化产生的一种适应性反应，是一种恢复性、动态性、功能优化的神经可塑性机制。成年人的中枢神经系统同样存在一些具有增殖和分化潜能的神经细胞，称为神经干细胞（neural stem cell，NSC）。神经干细胞能够特异性表达巢蛋白，可以作为检测神经干细胞的标记物。

（五）脑和神经可塑性的特点与意义

神经可塑性类型可持续终身，只是随年龄的逐渐增大，神经可塑性逐渐降低。老年期大脑可塑性下降，学习、记忆等认知能力相应下降。有学者认为，经常性用脑、丰富多彩的生活、学习、运动、避免应激等有害刺激，能够明显延缓神经可塑性下降。后天“训练”、生活环境和遗传都对大脑的可塑性有显著影响。

神经可塑性是机体行为可塑性的基础，正是由于大脑具有可塑性，使得脑与行为活动等外周功能活动之间相互影响。神经系统的可塑性使大脑的功能和/或结构得以发生“可塑性”变化。根据刺激的性质、强度、持续时间和脑发育不同阶段，神经系统结构或功能的可塑性变化，可以是短期的，也可以是长期或永久的；既可以是对个体功能有益的完善，也可能是异常的功能或结构变化。大脑的可塑性是临床工作中利用行为疗法、心理疗法、药物疗法治疗行为、精神、心理异常的基础。