从分子到思想：神经科学视角下的认知活动

神经系统是人体最为复杂和高级的系统，它负责接收、处理和传递信息，不仅调节着我们的身体状况，还让我们适应外部环境。神经系统主要由两部分组成：中枢神经系统和外周神经系统，它们共同掌控着我们的身体。中枢神经系统包括大脑、脑干和脊髓，外周神经系统则将中枢神经系统与身体其他部位连接起来。大脑作为中枢神经系统的核心，它由两个半球构成，分别负责处理不同的信息。这座奇妙的“指挥中心”由四个主要区域组成：额叶、顶叶、颞叶和枕叶，这些区域又可进一步细分为许多功能特异性的皮层区域。例如，额叶主要负责高级认知功能，如决策、规划和社会行为，而枕叶则主要负责视觉信息的处理[1]。

在神經系统里，神经信号是信息传输的基石。神经信号的产生和传输依赖于神经元（即神经细胞），神经元由细胞体、树突和轴突组成。树突主要负责接收来自其他神经元的信息，而轴突则负责将信息传递到其他神经元。当神经元受到足够的刺激时，神经元细胞膜上的离子通道开始活跃起来，发生开关变化，使得Na+、K+和Ca2+等不同类型离子发生跨膜传输、穿梭往返，从而引起膜电位的改变，最终产生动作电位。动作电位沿着神经元的轴突传播，实现神经信号的传递。神经信号在神经元之间的传递依赖神经元之间的微小空间——突触来完成。突触由轴突末梢和树突棘（或其他神经元的轴突）构成。当动作电位到达轴突末梢时，神经递质（传递信息的化学分子）会被释放到突触间隙中，与突触后神经元膜上的受体结合，进而引发突触后神经元膜的电位变化。这种电位变化可以是兴奋性的，即可使突触后神经元膜更易产生动作电位；也可以是抑制性的，即可使突触后神经元膜更难产生动作电位。

这种兴奋性与抑制性的差异响应与学习和记忆等认知活动密切相关。学习和记忆过程依赖于神经系统中突触可塑性的变化。突触可塑性可理解为神经元之间的连接强度，它会在信息传递过程中发生改变，如果是兴奋性突触，突触连接强度会在信息传递过程中增强；如果是抑制性突触，突触连接强度会在信息传递过程中减弱。长时程增强（longterm potentiation， LTP）和长时程压抑（long-term depression， LTD）是两种典型的突触可塑性表现。LTP是指神经活动导致的突触传递效率的持续性增加，也就是突触连接强度的增强，这种增强可通过多种途径实现，例如通过增加神经递质的释放或增加突触后膜受体的敏感性等。神经元之间连接的强化将形成新的神经回路，因而LTP被认为是学习过程中的一个关键机制。而LTD的过程恰与LTP相反，它是指神经活动导致的突触传递效率的持续性减弱，这种减弱也可通过多种途径实现，例如减少神经递质的释放或降低突触后膜受体的敏感性等。LTD在遗忘过程中发挥重要作用，有助于消除不再需要的信息，为新信息腾出空间。LTP和LTD被认为是各种形式的学习和记忆形成的物质基础。此外，具有调节神经系统功能的活性物质——神经肽，在突触可塑性中扮演着重要角色。它参与神经递质的释放、突触结构的稳定性维护，以及影响突触后神经元的电生理特性等过程，对学习、记忆等认知过程具有重要意义[2]。

让我们从神经活动中的离子、分子等微观物质出发，通过了解神经信号产生与传输的离子机制、学习与记忆过程中的突触可塑性变化的分子机制，来认识人类认知活动的生物学基础。

离子通道：神经元上的开关

神经元膜上存在许多不同类型的离子通道，它们在神经信号产生和传播过程中发挥着关键作用。离子通道是一种跨膜蛋白，它在神经元膜上形成通道，允许特定离子在细胞内外之间流动。离子通道的开启与关闭受到多种因素的调控，例如膜电位的变化、神经递质的结合等。离子通道的状态变化影响神经元膜的通透性，从而改变膜两侧的离子浓度和膜电位。离子通道可以根据其选择性、门控机制以及调控方式进行分类，每种通道都有其特定的生理功能。其中，电压门控型离子通道是一类重要的离子通道，它们在动作电位产生过程中起关键作用。这类通道的开启与关闭受膜电位的影响。当神经元膜电位达到一定程度（阈值电位）时，电压门控型离子通道会打开，让特定类型的离子跨膜流动。这些离子的流动会引起神经元膜电位的进一步变化，从而产生动作电位。

动作电位：神经信号的启动

动作电位是神经信号的基本形式，是神经元膜电位的短暂、快速的反转。细胞在未受刺激时，处于静息状态，此时细胞膜电位处于外正内负的极化状态，对应的膜电位为静息电位。动作电位的产生过程包括去极化、复极化和超极化三个阶段。当神经元受到足够强的刺激时，膜电位发生变化，当膜电位达到阈值电位，电压门控型Na+通道被打开，Na+流入神经元内，使膜电位快速上升，减弱细胞膜外正内负的极化程度，这一过程为去极化阶段；当膜电位达到峰值后，电压门控型K+通道打开，K+流出细胞，使得膜电位迅速下降回复到静息电位的极化水平，这一过程为复极化阶段；当膜电位达到静息水平后，由于K+通道关闭较慢，K+会继续缓慢流出细胞，导致膜电位出现短暂的继续下降，细胞膜外正内负的极化程度进一步加强，这一过程为超极化阶段。这三个阶段共同组成一个动作电位，动作电位产生后，会沿着轴突传播，实现神经信号在神经元间的传递。

离子通道在动作电位产生与传播中的作用

离子通道在动作电位产生过程中起着关键作用。去极化阶段主要由Na+通道打开引起，使得Na+流入细胞，膜电位快速上升；反极化阶段由Na+通道关闭和K+通道打开共同决定，K+流出细胞，使得膜电位恢复到静息水平；超极化阶段主要由于K+通道缓慢关闭引起[3]。

除电压门控型离子通道外，受体门控型离子通道在动作电位产生过程中同样发挥作用。例如，神经递质结合到突触后膜的受体上，导致受体门控型离子通道打开，允许特定离子跨膜流动，从而影响突触后神经元的膜电位，改变神经元的兴奋性，影响动作电位的产生和传播。

神经递质：信息的传递者

神经递质是神经系统中传递信息的化学物质。它们在神经元之间的突触间隙中传播，通过与突触后膜上的受体结合来调节电压变化。神经递质有很多种类，如质子等离子，以及乙酰胆碱、谷氨酸、甘氨酸、多巴胺、去甲肾上腺素等分子。这些神经递质在不同神经系统功能中发挥各自的作用，如兴奋性神经递质（如谷氨酸）通常使突触后神经元的膜电位变得更加正向（去极化），更加接近阈值电位，增加神经元产生动作电位的可能性；抑制性神经递质（如甘氨酸、γ-氨基丁酸），通常使突触后神经元的膜电位变得更加负向（超极化），更加远离阈值电位，降低神经元产生动作电位的可能性。这种激发性和抑制性神经递质协同调节神经元的活动和信息传递，它们的平衡对于神经系统的正常功能至关重要[4]。

受體蛋白：神经递质的接收器

受体蛋白位于突触后膜上，负责接收神经递质并产生相应的电压变化。根据其结构和功能特点，常见受体蛋白有离子通道型受体和G蛋白偶联受体等。其中，离子通道型受体直接作用于离子通道，当与神经递质结合后，离子通道会发生开关变化，允许离子跨膜流动。G蛋白偶联受体则通过激活细胞内的信号通路，通过调节细胞内第二信使（如cAMP、IP3等）的浓度间接地调节离子通道或其他细胞生物学过程[5]。

突触传递：信息在神经元之间的跳跃

突触传递是神经信号在神经元之间的传播过程。当动作电位到达轴突末梢时，会引发神经递质的释放。神经递质通过突触间隙传播，与突触后神经元膜上的受体结合。这种结合引发突触后神经元的电压变化，从而实现信息的传递。

在神经信号传输过程中，神经递质、受体蛋白以及突触传递等多个环节共同协作，实现信息在神经元之间的高效传递。通过对其中关键因素的调节，神经系统可以实现对信息传递过程的精细控制，为学习、记忆等认知功能提供分子生物学基础。

神经信号传输过程中，因神经元间的突触连接处于不同的环境刺激下，其结构和功能会发生适应性改变，表现为突触间信息传递效能（突触强度）发生变化或突触结构形态发生变化，即突触的可塑性。典型的突触的可塑性包括短时程可塑性和长时程可塑性。前者又分短时程易化和短时程抑制；后者又表现为LTP和LTD。LTP与LTD广泛存在于中枢神经系统当中，它们分别对应着突触传递效能的增加与减少。突触可塑性的调节涉及多种生物学机制，包括神经递质的释放、受体密度和敏感性的改变、离子通道的调节等。突触的可塑性是实现学习、记忆等认知功能的神经细胞学基础。

长时程增强：学习的生物学基础

LTP是用来描述突触可塑性中神经元之间长时间突触传递增强的现象。它是学习和记忆的关键生物学机制。当学习发生时，大脑中的神经网络会经历一系列改变，使得特定突触的连接变得更加强烈。这种突触强度的增加可以通过神经递质的释放、受体密度和敏感性的改变等生物学机制实现。例如，高频刺激可能导致更多的神经递质释放，从而增强突触传递效率；突触后膜上受体的数量和/或活性的增加，也会提高神经元对神经递质的响应强度，如突触后膜的N-甲基-D-天门冬氨酸（N-methyl-D-aspartate， NMDA）受体和α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸（α-amino-3-hydroxy-5-methylisoxazole-4-pro-prionic acid， AMPA）受体增加，将提高突触后神经元对谷氨酸的敏感性，从而增强突触传递效率。突触强度与传递效率的增强，意味着旧的神经网络的生长和新的神经网络的形成，也就是说，学习过程是在生理结构上同时塑造和改变着我们的大脑。

长时程抑制：平衡学习与遗忘

与LTP相反，LTD是一种神经元间突触传递减弱的现象，可以看作是学习与遗忘之间的平衡机制。LTD的发生可以通过多种生物途径，如突触后膜受体的减少或敏感性下降等。

遗忘过程中，LTD有助于消除不再需要的信息，为新的学习和记忆腾出空间。在学习过程中，不断发生的LTP可能导致神经网络失衡，影响大脑功能；也可能发生过度学习，即在学习过程中对某些信息或模式进行过多的重复学习和巩固，从而导致大脑对这些信息的处理过于敏感和依赖。在神经网络中，过度学习可能导致突触连接过于强化，使神经元过度兴奋，对某些信息特征的响应过于强烈，从而使得神经系统在应对新信息时表现出疲劳和低效，影响对新信息的处理能力。更严重的神经过度兴奋可能会导致神经元的损伤和死亡，引发神经系统疾病。LTD通过减弱部分突触连接的强度和传递效率，可以平衡LTP带来的连接强度过度增强，防止神经元过度兴奋，减轻神经网络对某些信息的过度依赖。LTD有助于保持大脑对新信息的敏感性和适应性，以及神经网络在处理信息时保持稳定性，支持有效的学习和记忆。

神经肽：调节认知功能的信使分子

神经肽是一类具有多种生物学功能的化学信使分子，同样可作为神经递质在神经元之间传递信息，与乙酰胆碱、多巴胺和谷氨酸等小分子神经递质不同之处在于，神经肽通常是由多个氨基酸残基连接而成的更大的分子组成，它们可以调节神经元之间的通信，影响神经元的兴奋性或抑制性，以及参与感觉、情绪、学习和记忆等复杂的神经活动。神经肽通过与特定的受体结合，调节突触传递和神经元活动。例如，促进突触可塑性的神经肽（如脑源性神经营养因子）可以增强LTP，改善学习和记忆能力；而抑制突触可塑性的神经肽（如生长抑素）则可能减弱LTP，导致学习和记忆的减退。神经肽还可通过调节神经元兴奋性、突触后膜受体的敏感性，以及信号通路的活性等方式来影响突触可塑性。

在某些情况下，神经肽可作为“调节因子”来优化学习和记忆过程，提高神经认知功能。例如，研究发现，在压力环境下释放的皮质醇可通过调节神经肽的作用降低LTP，减轻对新信息的学习和记忆，从而集中精力应对当前的压力。这种调节作用有助于在特定环境下调整个体的认知功能，使其更好地适应环境的挑战。总之，神经肽可通过多种机制调节突触可塑性，影响学习和记忆过程，与其他调控因素（如离子通道、受体蛋白等）相互作用，共同维持神经系统的平衡与稳定，支持认知功能的发展。

研究工具和技术的不断发展，使我们能通过观察许多神经元、突触和神经网络的活动，来揭示大脑如何通过分子与化学机制在学习、记忆和其他认知过程中进行信息处理和存储。同时，对神经信号传递和突触可塑性的深入了解，为治疗神经系统疾病，如阿尔茨海默病、帕金森病和抑郁症等提供了新策略。例如，通过调节特定神经递质或离子通道的活动，可以改善疾病状态下神经信号传递的异常，缓解病症[6]。然而，人们对认知活动背后的生物学机制仍然知之甚少，需研究者继续探索。

神经科学与其他学科的交叉合作将为研究带来更多可能性。特别是与材料科学和化学的交叉合作，将为神经科学领域的发展提供新的视角和工具。例如，研究者正在尝试开发新型生物材料和化学分子，以实现对神经活动的更精细控制，这些材料和分子可以作为神经递质、受体蛋白和离子通道的调节剂；研究者已开发出基于石墨烯的纳米传感器，可高灵敏度地检测神经递质的释放，为神经活动的研究提供新工具[7]；塑料电子学研究将生物材料与柔性聚合物离子/电子器件相结合，以实现人工体系与神经系统机械模量匹配良好的有效接口，实现对神经信号的记录和刺激，这种技术在治疗癫痫等神经性疾病方面具有巨大的潜力[8]。

同时，类脑计算和人工智能的发展将得益于对神经信号传递和突触可塑性的更深入理解，从而促进更高效、灵活、智能、接近于人脑的离子电子学器件的开发与算法设计[9，10]。在此过程中，神经科学与材料科学、化学、人工智能等学科的交叉合作将在推动生物智能与机器智能的协同发展和相互融合中发挥至关重要的作用。

[1]中国科学院神经科学研究所. 大脑的奥秘. 上海： 上海科学技术出版社， 2017.

[2]尼克尔斯， 等. 神经生物学——从神经元到脑： 第5版. 杨雄里，等译. 北京： 科学出版社， 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]赵思家. 大脑通信员： 认识你的神经递质. 长沙： 湖南科学技术出版社， 2022.

[5]梁金环， 徐坤山， 王晓凌. 生物化学. 北京： 化学工业出版社， 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. 仿生納流离子学： 面向未来人工智能、脑机接口的前沿探索. 科学， 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.

关键词：神经信号传导 分子机制 离子通道 突触可塑性学习和记忆 ■