夜黎本文章內容基於萊斯大學 OpenStax 的 Anatomy and Physiology 2e，由夜黎重新編輯。（根據本書前言中的創用 CC BY 4.0 聲明）
原文傳送門：<12> The Nervous System and Nervous Tissue — 12.5 Communication Between Neurons
索引傳送門：《解剖學和生理學2e》索引頁面
學習本節後，你將能夠：
- 解釋階梯電位類型之間的差異
- 依化學類型和作用將主要神經傳導物質分類
前言
如上一節所述，〝神經元內發生的電變化〞類似於開啟電燈開關。 刺激會啟動去極化，但一旦達到閾值，動作電位就會自行運作。 現在的問題是，「是什麼打開了電燈開關？」 〝細胞膜電壓的暫時變化〞可能是由於〝神經元從環境中接收訊息〞或〝一個神經元對另一個神經元的作用〞所引起的。 這些特殊類型的電位會影響神經元，並且決定動作電位是否會發生。 許多瞬態訊號〔transient signals〕源自突觸。
階梯電位
膜電位的局部變化稱為階梯電位〔graded potentials〕，通常與神經元的樹突相關。 膜電位的變化量由〝引起變化的刺激大小〞決定。 在測試淋浴溫度的範例中，稍微溫暖的水只會引發溫度感受器的微小變化，而熱水會引起膜電位的大量變化。
階梯電位可以有兩種類型，要麼是去極化，要麼是超極化（圖 12.25）。 對於處於靜止電位的膜，階梯電位代表電壓高於 -70 mV 或低於 -70 mV 的變化。 去極化階梯電位通常是 Na+ 或 Ca2+ 進入細胞的結果。 這兩種離子在細胞外的濃度都高於細胞內的濃度；因為它們帶有正電荷，所以它們會移動到細胞中，導致細胞相對於外部的負電荷減少。 超極化階梯電位可能是由 K+ 離開細胞或 Cl– 進入細胞所引起的。如果正電荷移出細胞，細胞就會變得更負電；如果負電荷進入細胞，也會發生同樣的情況。
階梯電位是膜電壓的暫時變化，其特徵取決於刺激的大小。 某些類型的刺激會導致膜去極化，而其他類型的刺激則會導致超極化。 這取決於細胞膜中被活化的特定離子通道。
階梯電位的類型
對於感覺神經元的單極細胞（無論是具有遊離神經末梢〔free nerve endings〕的細胞或在封裝內的細胞），樹突中會產生階梯電位，進而影響同一細胞軸突中動作電位的產生。 這稱為發生器電位〔generator potential〕。 對於其他感覺受體細胞，例如味覺細胞或視網膜感光細胞，其膜上的階梯電位導致神經遞質在〝伴隨感覺神經元的突觸〞處釋放。 這稱為受體電位〔receptor potential〕。
突觸後電位 (PSP) 〔postsynaptic potential〕是神經元樹突（接收來自其他細胞的突觸）中的階梯電位。 突觸後電位可以是去極化或超極化。 突觸後電位的去極化稱為興奮性突觸後電位 (EPSP)〔excitatory postsynaptic potential〕，因為它會導致膜電位向閾值移動。突觸後電位的超極化是抑制性突觸後電位 (IPSP)〔inhibitory postsynaptic potential〕，因為它會導致膜電位遠離閾值。
求和
〝所有類型的階梯電位〞都會導致膜電壓的去極化或超極化的微小變化。 如果這些變化加在一起或求和〔summate〕，這些變化可能會導致神經元達到閾值。 不同型別階梯電位的綜合影響如圖 12.26 所示。如果膜中電壓的總變化為正 15 mV，表示膜從 -70 mV 去極化到 -55 mV，則階梯電位將導致膜達到閾值。
對於受體電位〔receptor potentials〕，閾值不是一個因素，因為受體細胞膜電位的變化直接導致神經傳導物質釋放。 然而，發生器電位〔generator potentials〕可以啟動感覺神經元軸突中的動作電位，突觸後電位可以啟動其他神經元軸突的動作電位。 階梯電位在軸突起始處的特定位置求和，以啟動動作電位（即初始節段）。 對於感覺神經元，在樹突和軸突之間沒有細胞體，初始節段直接鄰近樹突末端。 對於所有其他神經元來說，軸突小丘本質上是軸突的初始節段，也是進行求和的地方。 這些位置具有高密度的電壓門控 Na+ 通道，可啟動動作電位的去極化階段。
求和可以是空間的或時間的，這意味著它可以是神經元上不同位置處的多個階梯電位的結果，或者全部在同一位置但在時間上分開的結果。 空間求和〔spatial summation〕與將神經元的多個輸入的活動相互關聯相關。 時間總和〔temporal summation〕是單一細胞的多個動作電位的關係，導致膜電位的顯著變化。空間求和和時間求和也可以一起運作。
突觸後電位求和的結果就是膜電位的整體變化。在 A 點，幾種不同的興奮性突觸後電位加起來形成較大的去極化。在 B 點，興奮性和抑制性突觸後電位的混合導致膜電位的最終結果不同。
突觸
電活性細胞之間有兩種類型的連接：化學突觸和電突觸。 在化學突觸〔chemical synapse〕中，化學訊號（即神經傳導物質）從一個細胞釋放並影響另一個細胞。 在電突觸〔electrical synapse〕中，兩個細胞之間存在直接連接，因此離子可以直接從一個細胞傳遞到下一個細胞。 如果電突觸中的一個細胞去極化，則連接的細胞也會去極化，因為離子在細胞之間通過。 化學突觸涉及化學訊息從一個細胞到下一個細胞的傳遞。 本節將集中討論突觸的化學類型。
化學突觸的一個例子是肌肉組織章節中所描述的神經肌肉接合 (NMJ)。 在神經系統中，還有更多與 NMJ 本質相同的突觸。 所有突觸都有共同的特徵，可以總結如下：
- 突觸前成分〔presynaptic element〕
- 神經傳導物質（封裝在囊泡中）
- 突觸間隙〔synaptic cleft〕
- 受體蛋白
- 突觸後成分〔postsynaptic element〕
- 神經傳導物質的消除或再攝取
對於 NMJ ，這些特徵如下：突觸前成分是運動神經元的軸突末端，神經傳導物質是乙醯膽鹼，突觸間隙是神經傳導物質擴散的細胞之間的空間，受體蛋白是菸鹼乙醯膽鹼〔nicotinic acetylcholine〕受體，突觸後成分是元素是肌肉細胞的肌膜，神經傳導物質被乙醯膽鹼酯酶〔acetylcholinesterase〕消除。 其他突觸與此類似，具體情況也有所不同，但都包含相同的特徵。
神經傳導物質釋放
當動作電位到達軸突末端時，突觸終球膜中的電壓門控 Ca2+ 通道會開啟。 終球內 Ca2+ 濃度增加，Ca2+ 離子與神經傳導物質囊泡外表面的蛋白質結合。 Ca2+ 促進囊泡與突觸前膜的融合，使神經傳導物質透過胞吐作用釋放到細胞之間的小間隙（稱為突觸間隙〔synaptic cleft〕）中。
一旦進入突觸間隙，神經傳導物質就會短暫擴散到突觸後膜〔postsynaptic membrane〕，並可以與神經傳導物質受體相互作用。受體是神經傳導物質特有的，兩者就像鑰匙和鎖一樣結合在一起。一種神經傳導物質與其受體結合，但不會與其他神經傳導物質的受體結合，使這種結合成為特定的化學事件（圖 12.27）。
突觸是神經元與其目標細胞（不一定是神經元）之間的連結。 突觸前成分是軸突的突觸終球，Ca2+ 進入球內造成囊泡融合和神經傳導物質釋放。神經傳導物質擴散穿過突觸間隙與其受體結合。神經傳導物質透過酵素降解、神經元再攝取或神經膠質再攝取從突觸中清除。
神經傳導物質系統
在神經系統的各種突觸中發現了多種神經傳導物質系統。 這些群組指的是作為神經傳導物質的化學物質，並且群組內是特定的系統。
第一組是膽鹼能系統〔cholinergic system〕，它自己是一個神經傳導物質系統。 它是基於乙醯膽鹼的系統。這包括 NMJ 作為膽鹼能突觸〔cholinergic synapse〕的一個例子，但膽鹼能突觸也存在於神經系統的其他部分。它們位於自主神經系統中，並分佈在整個大腦中。
膽鹼能系統有兩種類型的受體，菸鹼受體〔nicotinic receptor〕存在於 NMJ 以及其他突觸中。 還有一種乙醯膽鹼受體，稱為毒蕈鹼受體〔muscarinic receptor〕。 這兩種受體均以〝與乙醯膽鹼以外的受體相互作用的藥物〞命名。 尼古丁會與菸鹼受體結合並活化它，類似於乙醯膽鹼。 毒蕈鹼是某些蘑菇的產物，會與毒蕈鹼受體結合。 然而，尼古丁不會與毒蕈鹼受體結合，且毒蕈鹼也不會與菸鹼受體結合。
另一組神經傳導物質是胺基酸。其中包括麩胺酸 (Glu)〔glutamate〕、GABA（γ-氨基丁酸〔gamma-aminobutyric acid〕，麩胺酸衍生物〔a derivative of glutamate〕）和甘氨酸 (Gly)〔glycine〕。 這些氨基酸在其化學結構中具有氨基〔amino group〕和羧基〔carboxyl group〕。 麩胺酸是用於製造蛋白質的 20 種氨基酸之一。 每種胺基酸神經傳導物質都是其自身系統的一部分，即谷氨酸能〔glutamatergic〕、GABA能〔GABAergic〕和甘氨酸能〔glycinergic〕系統。 它們各自有自己的受體，彼此之間不相互作用。 氨基酸神經傳導物質透過再攝取從突觸中被消除。 突觸前成分〔presynaptic element〕細胞膜中的幫浦，或有時是鄰近的神經膠質細胞，將從突觸間隙清除氨基酸，以便它可以被回收，重新包裝在囊泡中，並再次釋放。
另一類神經傳導物質是生物胺〔biogenic amine〕，這是一組由胺基酸酶促〔enzymatically〕製成的神經傳導物質。 它們含有氨基，但不再含有羧基，因此不再被歸類為胺基酸。 血清素〔serotonin〕是由色氨酸〔tryptophan〕製成的。它是血清素能〔serotonergic〕系統的基礎，具有自己的特定受體。血清素被運回突觸前細胞重新包裝。
其他生物胺則由酪胺酸〔tyrosine〕製成，包括多巴胺〔dopamine〕、正腎上腺素〔norepinephrine〕和腎上腺素〔epinephrine〕。 多巴胺是其自身系統（多巴胺能〔dopaminergic〕系統）的一部分，該系統具有多巴胺受體。 多巴胺透過突觸前細胞膜中的運輸蛋白〔transport proteins〕從突觸中被移除。 正腎上腺素和腎上腺素屬於腎上腺素能〔adrenergic〕神經傳導物質系統。這兩種分子非常相似並且與相同的受體結合，這些受體被稱為α和β受體。 正腎上腺素和腎上腺素也被運回突觸前細胞。化學物質腎上腺素〔epinephrine〕（epi- = “開〔on〕”；-nephrine = “腎〔kidney〕”）也稱為腎上腺素〔adrenaline〕（renal = “腎〔kidney〕”），正腎上腺素〔norepinephrine〕有時也稱為正腎上腺素〔noradrenaline〕。 腎上腺產生腎上腺素和正腎上腺素，並作為激素釋放到血流中。
神經肽〔neuropeptide〕是一種神經傳導物質分子，由胜肽鍵〔peptide bonds〕連接的氨基酸鏈組成。 這就是蛋白質，但蛋白質一詞意味著分子具有一定的長度。 有些神經肽非常短，例如甲硫腦啡肽〔met-enkephalin〕，它有五個氨基酸長。 其他的則很長，例如β-內啡肽〔beta-endorphin〕，有31個胺基酸長。神經肽通常與另一種神經傳導物質結合在突觸處釋放，並且它們通常在身體的其他系統中充當激素，例如血管活性腸肽 (VIP) 〔vasoactive intestinal peptide〕或 P 物質〔substance P〕。
神經傳導物質對突觸後成分的作用完全取決於受體蛋白。 首先，如果突觸後成分膜上沒有受體蛋白，那麼神經傳導物質就沒有作用。去極化或超極化作用也取決於受體。 當乙醯膽鹼與菸鹼受體〔nicotinic receptor〕結合時，突觸後細胞會去極化。 這是因為受體是陽離子通道，帶正電的 Na+ 會衝入細胞內。 然而，當乙醯膽鹼與毒蕈鹼受體〔muscarinic receptor〕（其有多種變體）結合時，可能會導致目標細胞去極化或超極化。
胺基酸神經傳導物質、麩胺酸〔glutamate〕、甘氨酸〔glycine〕和γ-氨基丁酸（GABA）幾乎只與一種效應有關。 麩胺酸被認為是一種興奮性氨基酸，但這只是因為成人中的麩胺酸受體〔Glu receptors〕會導致突觸後細胞去極化。 甘胺酸和γ-氨基丁酸（GABA）被認為是抑制性胺基酸，同樣是因為它們的受體會造成超極化。
生物胺〔biogenic amines〕具有混合效應。 例如，被歸類為 D1 型受體的多巴胺受體是興奮性的，而 D2 型受體是抑制性的。 生物胺受體和神經肽受體可以產生更複雜的作用，因為有些可能不會直接影響膜電位，而是對神經元中的基因轉錄或其他代謝過程產生影響。 本節介紹的各種神經傳導物質系統的特徵如表 12.3 所示。
關於神經傳導物質和一般訊號化學物質，需要記住的重要一點是，其效果完全取決於受體。 神經傳導物質與細胞表面兩類受體之一結合，即離子型或代謝型（圖 12.28）。 離子型受體〔Ionotropic receptors〕是配體門控離子通道，例如乙醯膽鹼的菸鹼受體或甘胺酸受體。 代謝型受體〔metabotropic receptor〕涉及蛋白質複合物，該複合物導致細胞內代謝變化。 受體複合物包括跨膜受體蛋白〔transmembrane receptor protein〕、G蛋白〔G protein〕和效應蛋白〔effector protein〕。 神經傳導物質稱為第一信使，與細胞胞外表面的受體蛋白結合，該蛋白的胞內側啟動G蛋白的活性。 G 蛋白〔G protein〕是一種三磷酸鳥苷 (GTP) 〔guanosine triphosphate〕水解酶，可從受體蛋白物理移動到效應蛋白以活化後者。 效應蛋白〔effector protein〕是一種催化新分子生成的酶，它充當與受體結合的信號的細胞內介質。這種細胞內介質稱為第二信使。
不同的受體使用不同的第二信使。第二信使的兩個常見例子是環腺苷單磷酸 (cAMP)〔cyclic adenosine monophosphate〕 和肌醇三磷酸 (IP3)〔inositol triphosphate〕。 腺苷酸環化酶〔adenylate cyclase〕（效應蛋白的例子）產生 cAMP，磷脂酶 C 〔phospholipase C〕是產生 IP3 的酵素。第二信使在由效應蛋白產生後，會引起細胞內的代謝變化。這些變化很可能是細胞中其他酵素的活化。在神經元中，它們經常修改離子通道，打開或關閉它們。這些酵素還可以引起細胞的變化，例如活化細胞核中的基因，從而增加蛋白質的合成。 在神經元中，這些變化通常是突觸細胞之間更強連接的基礎，並且可能是學習和記憶的基礎。
(a) 離子型受體是一種通道，當神經傳導物質與其結合時打開。 (b) 代謝型受體是一種複合物，當神經傳導物質與其結合時，會引起細胞代謝變化 (1)。結合後，G 蛋白水解 ATP 並移動至效應蛋白 (2)。當 G 蛋白接觸效應蛋白時，後者被活化。在所示的情況下，效應蛋白隨後作用於 ATP，生成第二信使 cAMP (3)。然後，第二信使可以繼續引起神經元的變化，例如打開或關閉離子通道、代謝變化和基因轉錄的變化。
| 系統 | 膽鹼能 | 胺基酸 | 生物胺 | 神經肽 |
|---|---|---|---|---|
| 神經傳導物質 | 乙醯膽鹼 | 麩胺酸、甘胺酸、γ-氨基丁酸（GABA） | 血清素 (5-HT)、多巴胺、正腎上腺素（腎上腺素） | 甲硫腦啡肽、β-內啡肽、血管活性腸肽、P物質等 |
| 受體 | 菸鹼和毒蕈鹼受體 | 麩胺酸受體、甘胺酸受體、γ-氨基丁酸（GABA）受體 | 5-HT 受體、D1 和 D2 受體、α-腎上腺素受體和 β-腎上腺素受體 | 受體數量太多，無法一一列出，但它們是針對胜肽的。 |
| 消除 | 乙醯膽鹼酯酶降解 | 神經元或神經膠質細胞的再攝取 | 神經元的再攝取 | 被稱為肽酶的酵素降解 |
| 突觸後效應 | 菸鹼受體引起去極化。根據亞型，毒蕈鹼受體可引起去極化或超極化。 | 麩胺酸受體引起去極化。 甘胺酸和 GABA 受體引起超極化。 | 去極化或超極化取決於特定的受體。例如，D1 受體引起去極化，D2 受體引起超極化。 | 去極化或超極化取決於特定的受體。 |
神經系統
一些神經退化性疾病（例如阿茲海默症和帕金森氏症）的根本原因似乎與蛋白質有關，特別是與表現不佳的蛋白質有關。 關於導致阿茲海默症的最有力的理論之一是基於β-類澱粉斑塊〔beta-amyloid plaques〕的積累，這是一種無法正常發揮功能的蛋白質的密集聚集體。帕金森氏症與一種稱為α-突觸核蛋白〔alpha-synuclein〕的蛋白質的增加有關，這種蛋白質對中腦黑質核細胞有毒。
蛋白質要能正常運作，依賴於它們的三維形狀。 胺基酸的線性序列折疊成三維形狀，這是基於這些胺基酸之間的相互作用。 當折疊受到干擾，蛋白質呈現不同的形狀時，它們就會停止正常運作。 但這種疾病並不一定是這些蛋白質功能喪失的結果；相反，這些改變的蛋白質開始累積，並可能變得有毒。 例如，在阿茲海默症中，該疾病的標誌是在大腦皮層中積累了這些澱粉樣蛋白斑塊。 描述此類疾病的術語是 “蛋白質構象病〔proteopathy〕” ，它包括其他疾病。 庫賈氏病〔Creutzfeld-Jacob disease〕是普利昂疾病〔prion disease〕的人類變種，在牛中被稱為瘋牛病〔mad cow disease〕，也涉及澱粉樣蛋白斑塊的積累，類似於阿茲海默症。 其他器官系統的疾病也可以屬於這一類，例如囊腫性纖維化〔cystic fibrosis〕或第 2 型糖尿病〔type 2 diabetes〕。 認識到這些疾病之間的關係提出了新的治療可能性。 干擾蛋白質的積累，甚至可能早在細胞內最初產生時就進行干擾，可能會為緩解這些毀滅性疾病開闢新的途徑。
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2024/07/04 發佈本文
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