Neurobiology Chapter 1

神经生物学 绪 论 神经生物学是从不同水平和层次来研究神经系统和功能的一门科学。而神经生物化学则侧重从神 经元的分子水平来研究它的功能。 哺乳动物的大脑是生物进化的最高级形式，研究和揭示脑的奥秘是神经生物学家迄今为止面临的 最艰巨的挑战，也是最有意义的科学课题之一。 认识清楚人的大脑的发育程序以及它是如何工作的，这不仅是人类了解自身、提高人类生存素质 的需要，也是人类最终完整认识自然界的需要。生化与分子生物学技术为我们研究脑的发育和组构提 供了有力的工具，我们正在将脑工作原理的面纱一层层揭开，不断寻找开启脑的神秘世界的钥匙。然 而人脑毕竟是生物界亿万年进化的最高级产物，脑的组构和行为产生机制的复杂程度令人难以想象。 在人脑中神经元的数量就高达 140 亿以上，每个神经元都具有不同于其他神经元的表型和功能。据估 计，脊椎动物的神经系统中含有 l 万种以上的不同形态的神经元，这些形态上的多样性使神经元能够 以多变的形式与其他神经元建立复杂而多样的突触联系。即使在脊髓前角一个普通的运动神经元上也 存在近 10 000 个以上的突触。不同的神经元能够生产不同的神经递质或其他的信使分子，不同的神 经元表面存在不同类型的受体、离子通道等，在神经元内存在各种和不同的信号传导通路。神经元还 含有大量不同的表面分子及细胞骨架分子，它们与周围环境发生不同程度地相互作用。 神经元是神经系统中最基本的结构和功能单位，它既具有普通机体细胞的一般功能，又具有的分 泌细胞的功能。神经元的独特功能是能够接受其他细胞和环境因子传来的各种信息，并对这种信息进 行整合，然后影响整个机体的行为。本课主要介绍神经元及其神经元活动的细胞和分子基础。 神经生物学的研究是几百年来神经科学研究的继续。近 20 来年来神经生理学、生物物理学、生 物化学、神经解剖学、神经药理学及病理学等的研究，以及随着分子生物学对这些领域的渗透，使我 们对神经元的结构和功能有了深入的认识。特别是现代生物技术地应用使我们过去只能在整体和细胞 水平对神经系统的认识，今天可以从分子水平加深认识了。通过对神经科学发展历史的回顾，我们应 该清楚地意识到人类对脑的认识还有相当长的路要走。 1543 年 Vesalius 准确描述了人类神经系统的大体解剖 1773 年 Walsh 发表了第一篇关于电鱼生物体内生物电现象的科学论文 1780 年 Galvani 意大利生理学家发现神经活动的电性质，他观察到蛙的肌肉标本受到刺激后会发 生收缩。1791 年发表“肌肉运动中的电效应”论文 1837 年 意大利物理学教授 Matteueei 应用电流计进行电生理学实验，开创了使用电流计进行生物 电研究的时代 1891 年 Golgi 与 Cajal 等确定神经元由独立的神经元组成，并对神经元进行分类，描述了神经元 之间的关系。二人于 1906 年共享诺贝尔生理医学奖 1897 年 英国生理学家，Shrington，对脊髓的生理功能进行了大量的研究。首次提出“突触”的 概念，这在神经生理学上史是一个划时代的里程碑。1932 年获诺贝尔生理医学奖 1902 年 Bermlein 提出了生物电位的膜学说理论 1902 年 Pavolov 提出了高级神经活动的条件反射理论 1904 年 Elliot 首次提出交感神经末梢释放肾上腺素作为传递物质的概念 1920 年 langley，Loewi，Dale 及其他一些研究者确定递质是在突触部位发挥信使作用的化学物 质 1920 年 Admin，Gasser，Erlanger 等应用弦线电流计、阴极射线示波器等，深入研究了神经动作 电位的形成过程 1920 年 德国 loewi 用蛙心灌流实验证明迷走神经末梢释放的“迷走物质”抑制心脏活动，在此基 础上，建立了突触的化学传递理论 1

1939 年 Hokgkin 发现动作电位的超射现象，后来提出了动作电位的“钠学说”，即著名的“离 子学说” 1950 年 Hodgkin，Huxley，Katz 等应用徽电极记录单个细胞的电信号，用电子显微镜揭示神经元 和突触的超微结构 1970 年 计算机图像技术可以使脑的活动模式以相对敏感和直观的方式被观察到；神经调质和第二 信使的发现，扩展了神经元相互作用的时程和复杂性；分子生物学技术被用来分析遗传机理和单个膜 蛋白的特性 1980 年 计算机和神经网络的发展提供了研究神经系统的新的模型，如视觉、语言、记忆和逻辑等 1990 年 “脑的 10 年”。重点在于运用不同技术手段，在不同水平和层次对脑功能和神经系统疾病 进行分析并建立合适的模型 1994年 美国科学家 Gilman 和 Rodbell 发现 G 蛋白在细胞内信息传导中的作用而获得诺贝尔生理 医学奖 1995 年 美国 Liwis，德国 Nusslein-Volhard 和美国 Wiesehaus 由于先后发现控制果蝇体节发育基 因而共获得诺贝尔生理医学奖 1998 年 美国药理学家 Roben F．Furshgott，Louis J．Ignrro 和 Ferid Murad 共获诺贝尔生理医 学奖，表彰他们发现“NO 作为信号传递分子”。首次表明一种气体分子可以穿过细胞膜作为信号发挥 信使作用，提示生物信号传递的新理论。 神经生物学中需了解 3 个基本问题： 首先，神经元由哪些分子组成，它的功能组构特征； 其次，神经元内的各种分子是怎样实现神经元的特殊功能，神经元间的信息传递是怎样完成的； 第三，神经系统的起源和脑的分化以及神经系统学习和记忆的可塑性机制。 本课程将根据这 3 方面内容展开讨论。在本书之后，我们向大家介绍一些进行普通神经生物学实验的技 术和方法。

第一章 神经组织 第一节 神经元 100 多年以前，人们还无法观察到神经元的整体结构。许多人推测，神经元的末梢可能会形成许多细 小的分枝，这些分支会与另外一些细胞的分支相连续，就像体内的小动脉与小静脉通过毛细血管相连一样。 这种观点后来演变为神经结构的“网状学说”：1873 年意大利人高尔基(Golgi)运用重铬酸钾固定组织材料， 然后通过银染在显微镜下观察到了少数神经元的结构：1885 年，高尔基发表了这一观察结果，然而在当时 这一方法并未引起解剖学家们的足够注意。直到 1888 年，西班牙的组织学家 Santiago Ramony Cajal 利 用这种染色方法对多种动物的不同部位的神经系统进行组织化学观察，然后对神经结构进行了系统描述。 Cajal 根据实验推论：神经信号通过细胞的树突和轴突进行传导，神经信号在细胞间的传递是发生于轴突 和树突彼此相接触的部位。 1888～1891 年，Cajal 完成了许多解剖学方面的著作，这些论著吸收了其他许多解剖学家的研究成果， 如 Wilhelm His 在 1886 年关于神经细胞胚胎发育的生物学研究；August Forel 在 1887 年关于单个神经细 胞对损伤的反应等；1891 年，德国柏林的解剖学家和病理学家 Wilhelm Waldeyer 提出，细胞学说同样也 适用于神经系统；Waldeyer 建议使用“神经元”这个术语，因此形成了后来著名的神经元学说。其中许多 研究成果与 Golgi 的论点是相符的。由于 Cajal 和 Golgi 对神经元学说的巨大贡献，两人于 1906 年共同 获得了诺贝尔生理医学奖。 神经元学说虽然已为人们广泛接受，但是还不能证明不同部位的神经元膜是否具有差别，因为这已超 出了光学显微镜所能解决的范围。一直到 20 世纪中叶，David Robertson、Eduardo De Robertis、Stanford 2

Palay 和 George Palade 发表了电子显微镜下对神经元的观察结果，指出神经元膜与其他细胞的单位膜类 似。这些观察结果支持关于每个神经元与机体其他细胞一样都是遗传和解剖学单位的观点，而且推测大量 神经元组成的神经组织构筑了神经系统的基本功能。现在我们把神经元和神经胶质细胞的细胞结构的研究 称为神经元生物学，它主要是建立在细胞分子生物学上的基础研究。这些基础研究主要是通过电子显 微镜与生物化学、分子生物学和电生理技术相结合的研究，最终目标是理解基因产物的分子功能，也 就是研究细胞中的精细结构或细胞器在功能上是如何分工并完成不同的、生命活动所必需的生理机 能，并与周围细胞进行特异相互作用。 传统上对细胞器的研究是在器官中(例如在肝中)进行而不是在脑中，然后再将研究的结果运用到 神经元中。分子生物学的迅速发展改变了这种局面，特别通过对基因的研究，使我们能够从神经元中 直接获得所需要的信息。 神经元是神经系统中最基本的组构和功能单位，了解神经元中细胞器的特性对于理解神经生物学 的原则是最基本的。我们将介绍神经元中的这些不同细胞组分，了解它们在执行神经元的功能时发挥 着的特殊功能。

1 质膜 神经元膜是神经元的重要组分，它具有独特的功能。细胞膜参与跨膜物质的转运和能量转换、神 经元与细胞外物质的识别、神经元跨膜信号传递与代谢调控、神经冲动的扩布等极其复杂的生物学反 应过程。 细胞膜是一种脂质双分子层，它的内外表面附着蛋白质。脂类分子平行排列并垂直于膜平面。细 胞膜含有 30％～40％蛋白质，40％～50％的脂质，1％～5％的糖。通常膜的功能越复杂，膜蛋白质所 占的比例越大。 1972 年 Singer 和 Nicolson 提出了细胞膜的液体镶嵌式模型(fluid mosaic membrane model)。 这个学说的主要内容为：细胞膜由脂质双分子层构成，甘油磷脂形成的亲水性的头部位于膜的两侧表 面，疏水性的碳氢化合物位于膜内两两相对。水分子是不带电的偶极子，易于通过该屏障，盐类的离 子和胞质内的水溶性分子则不能通过。因此，膜的脂质形成了一个天然的屏障以维持胞内离子成分的 稳定。这样，代谢所需要的离子和水溶性分子必须依靠嵌入的膜蛋白来完成转运。膜蛋白分子有的镶 在脂质双分子层的表面，有的则部分或全部嵌入膜内，有的横跨整个脂质层，表现了蛋白质在膜中分 布的不对称性。由于整个膜呈现液态形式，因此称之为液体镶嵌模型。该模型强调了膜的结构成分不 是静止的，而是动态的，膜双分子层具有多形性和活动性，磷脂分子可在双层平面内环绕、左右摆动、 旋转和沿膜平面进行侧向运动。侧向运动会使膜蛋白彼此相互作用或与脂类相互作用，这种作用可能 是某些代谢作用所必需的条件。

1．1 膜脂质 构成膜的脂类有磷脂、胆固醇和糖脂。在膜中以磷脂最为丰富(表 2.1)。构成真核细胞质膜的磷 脂主要有磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰肌醇、磷脂酰丝氨酸和鞘磷脂等。双层磷脂使膜具有电 容特性，它能以膜电位的形式贮存电荷。脂质分子在膜内外侧的分布是不对称的，因而使细胞膜内外 侧面的成分有所不同。外层的头部集团含有大量胆碱；而大多数氨基酸是存在于内层的头部集团中， 这些头部集团可能与膜蛋白质以某些方式发生作用。在内层的磷脂中含有磷脂酰肌醇(4，5-二磷酸磷 脂酰肌醇)。磷脂酰肌醇的水解产物三磷酸肌醇(1，4，5 一三磷酸肌醇 IP3)是细胞内重要的第二信使。 外层头部基团的脂肪酸上含有短链的糖分子，这些脂肪酸称为糖脂。伸出细胞外的短链糖类，称 为寡糖，一般认为它们与细胞识别的功能有关。最复杂的糖脂是神经节苷脂，它是含有一个或几个唾 液酸(N 乙酰神经氨酸)及糖的残基的复合糖，在神经元中的含量很高，因而是神经元质膜所特有的成 分。神经节苷脂本身又是膜上的受体，如破伤风毒素、霍乱毒素、干扰素、促甲状腺素和 5-羟色胺等 受体都属于不同的神经节苷脂。 由于磷脂分子所具有的强烈极性，当它们处于空气与水的界面上时，由磷脂酰碱基和脂肪酸中的 甘油集团形成的头部伸向水中，而由脂肪酸的两条长长的碳氢链形成的尾部则伸向空气中，形成一种 3

双极性分子(amphipathic molecules)。另外还发现，脂质的亲水部分与膜蛋白的亲水氨基酸侧链结 合，膜脂的疏水部分与膜蛋白的疏水氨基酸侧链结合，这种结合能产生一定的张力使膜成为一种稳定 的结构。 表 1．1 不同动物组织中细胞膜表面的脂质组成

CHOL：胆固醇；Pc：磷脂酰胆碱；PE．磷脂酰乙醇胺；Ps：磷脂酰丝氨酸：PI：磷脂酰肌酵；sP：鞘髓磷脂；CE：糖脂；GA： 神经节苷脂；Oth：其他脂类

1．2 膜蛋白 膜蛋白涉及的功能很多：细胞内外的物质转运；接受及传递信号；细胞骨架和外基质的固着点； 决定细胞的特性等。蛋白质以不同的方式结合在膜上。有些蛋白质结合在膜的表面，有些蛋白质部分 深入在膜中，部分突出在膜外；有的从膜的一侧穿过到达膜的另一侧；有的蛋白质几乎完全存在于脂 质双分子层之间，有的可在膜中主动游走。几乎所有的膜蛋白均呈折叠状态，以使其主要的非极性氨 基酸残基区域同其极性区域相互分开。一般将这些膜蛋白分为整合蛋白质和外周蛋白质。

1．2．1 整合蛋白质 一些蛋白能够穿过磷脂双层，它们的疏水区与脂双层中脂类分子的疏水尾部相互作用，亲水区域 暴露在膜的一侧或两侧表面，这类蛋白质称内在蛋白质或整合蛋白质(intrinsic or integral protein)，或叫跨膜蛋白质。大多数整合蛋白质在膜的两侧有极性区，有一个或两个与磷脂层疏水部 分相互作用的结构。有的整合蛋白质在膜的插入区只是作为一种锚，将在膜内侧的蛋白质锚住。膜整 合蛋白质的跨膜功能区主要是α螺旋，这种结构使氨基酸侧链呈辐射状投射。 整合蛋白质在膜上的结构和分布差别，决定了它们有着不同的功能。它们有些成为神经递质或其 他神经活性分子的受体，有些构成离子通道，有些成为细胞代谢过程中葡萄糖、氨基酸等分子的转运 载体，有些起着驱动离子逆浓度梯度进出细胞膜的离子泵的作用。此外，附着在细胞膜内、外的蛋白 质还担负着对细胞的固定作用。 靠近细胞膜内表面的蛋白质，与其他蛋白质一起形成了复杂的格子样结构，此蛋白质称为膜骨架 蛋白。对于膜骨架蛋白的研究成果主要来源于红细胞。尽管将红细胞膜作为研究复杂神经元膜结构的 模型并不太适合，然而它们却给我们提供了许多有价值的数据。 膜骨架蛋白和膜蛋白存在一些特殊的联系类型。例如短链的肌动蛋白，它们在膜下形成了结点样 结构；锚蛋白(ankyrin)可与膜内蛋白质结合(在红细胞中与它结合的是一种阴离子通道)；一种叫做 fodrin 的丝状蛋白质形成的链可将各个结点连接起来。已知存在几种不同的 fodrin，例如在红细胞 中发现的血影蛋白(spectrin)，它是由相对分子质量为 240 000 的α亚基和相对分子量为 220 000 的 β亚基构成的异二聚体。 血影蛋白仅见于完全分化了的神经胞体内。在脑内还有另外一种特殊的 fodrin，它是由一个α亚 基和一个γ亚基构成的异二聚体，它存在于正在发育或成熟的神经元的胞体、树突和轴突中。fodrin 4

的分布表明，它在产生神经元的结构分化及脑区分化具有一定作用。此外，突触小泡的胞吐过程中， 有人认为血影蛋白也发挥一定的作用。

1．2．2 外周蛋白质 有一些膜蛋白完全不能伸入到脂质双分子层的疏水部分，只能通过与其他膜蛋白以共价或非共价 相互作用，结合到膜的胞质面或外表面，这类蛋白称为外周蛋白质。膜外表面常常伸出一些长的分子， 它们与膜蛋白结合形成很长的糖链。这些分子至少可以分为 3 种类型(图 1.1)：迄今所知最大的一组 外周蛋白质属于免疫球蛋白家族，它们含有多次 Ig 折迭域，由二硫键连接而成。它的大部分家族成 员还含有重复的纤粘连蛋白(fibronectin)和大量的糖基化(gycosylation)位点，它们发出含唾液酸 的碳氢分支，这些基团叫做神经元粘附分子(N-CAM)，它调节同种细胞间的粘附反应，或者是调节不 同细胞间相同分子间的相互作用。与此相对应，这个家族的其他成员，如 TAG-1，能调节细胞间的异 种粘附反应，即调节不同类型细胞、分子或不同基质间的相互作用。两种都能在神经发育期间促进神 经元的生长。如果将这些分子的抗体加入到含有这些神经元的培养液中，则能引起纤维束的解聚，推 测存在着特异的细胞——细胞间反应，它们能够促进神经轴突生长并使神经纤维聚合成束，同时向着靶 细胞方向延伸。然而也有证据表明这些神经元和靶细胞的特异反应是通过其他类型的分子调控的。已有事 实证明这一点，抗体中 Ig 折迭结构中氨基酸序列的变异对不同抗原识别的特异性是最基本的，而神经元 中缺乏这种变异。 第二种类型的糖蛋白是钙依赖粘附分子(cadherins，CADs)家族，它们对于神经轴突的生长和纤维束 聚合也是相当重要的。这个家族的成员主要由纤粘连蛋白反复折迭组成。它们参与钙依赖性同种亲和粘附 2+ 反应，而不是像免疫球蛋白类型那些不依赖于 Ca 。它提供了调节相互作用的可选择形式，它涉及到细胞 2+ 中游离 Ca 的浓度和钙结合蛋白。 第三种类型为整合素(integrin)家族，它能调节细胞和细胞基质的相互作用。这种相互作用是通过另 一组细胞外基质糖蛋白发挥作用的，这些糖蛋白存在于细胞间隙中而不是直接插入到细胞膜中。神经系统 中的层粘连蛋白(lanfinin)，是含有类似表皮生长因子(epidermal growth factor，EGF)重复片段的三聚 体。层粘连蛋白在发育早期在神经系统中有广泛的表达，一般认为它与神经轴突的生长和促进轴突向靶区 的生长有关。这些特性赋予了层粘连蛋白在细胞培养中发挥重要的梯度作用的特性。目前还不断有新的细 胞表面分子家族及其功能被发现(表 1.2)。 发出很长糖链的膜蛋白被称为蛋白聚糖，糖基部分称为氨基葡聚糖，它可能占据了整个分子的 95％。 它长长的分支中含有复杂的活化糖的序列，认为在发育过程中对于细胞一细胞问的识别具有重要作用。

图 1.1 细胞表面糖蛋白分子模式图 2+

图的左侧属于免疫球蛋白超级家族，右侧是 Ca 依赖粘附分子家族。

细胞外糖类围绕细胞形成的一层结构叫做外被多糖(glycocalyx)。它们除了参与细胞结构的维持、细胞的 粘附和细胞的识别外，还影响细胞外基质分子的扩散。

5

表 1.2 细胞表面分子

2 神经元的亚显微结构和特征 2．1 细胞核 神经元含一个圆形或卵圆形的核，但住自主神经节细胞中常见双核或三核。核内有与核仁相连的捧状 小体，为 x 染色质：核中大部分核糖核酸位于核仁内：细胞核通过 DNA 发挥两方面的作用：一是存有丝分 裂中复制 DNA。有丝分裂是许多体细胞的基本功能(例如每秒钟能产生 200 万个红细胞)，而这种功能只存 在于发育的神经系统中，大部分神经元(脊椎动物中的嗅感受神经元除外)成熟后即失去这种功能。细胞核 的其他作用是将 DNA 转录成 RNA，用以合成蛋白质，特别是合成一些酶，然后合成细胞内大分子物质。细 胞核具有控制发育期间神经元的分化、生长和成熟的功能。核仁在核糖体的生物发生中起着重要的作用， 这个过程包括 rRNA 的合成、加工和核糖体亚基的组装。虽然 55 S rRNA 在核仁外染色体上合成，70 多种 核糖体蛋白质在细胞质中合成，但它们都必须转移至核仁，在核仁中组装为核糖体亚基，然后再转运至细 胞质。 细胞中存在 3 种 RNA 聚合酶，其中核仁中含聚合酶 I，合成 rRNA；核质内含聚合酶 II 和 III，分别 合成 mRNA 和 tRNA。在核膜上有核孔，是核与胞浆之间信息和物质交换的通道，呈双向运输，神经元的定 向分化一旦开始，有丝分裂的能力就会被抑制或丧失，而且细胞就不能回到原来的有丝分裂的状态。 细胞核的转录功能受到一些因素的影响。例如，核是类固醇类重要激素的作用靶区；一些染色体的畸 变，能够导致神经元内的缺陷和功能障碍(如先天愚型)；有些外界毒素也能作用于核。例如，一些毒蕈碱 能抑制 mRNA 转录的核内聚合酶。 细胞核的大小可以随着细胞体积的大小变化。脊椎动物中，最大的神经元胞体的直径可达 100μm 以 上，核的直径至少可达 20μm；最小的神经元胞体直径为 5μm，在这些细胞中，核几乎充满了整个胞体， 而细胞质仅剩下薄薄的一层。

2．2 核糖体和内质网 核膜是由折叠的内质网形成的双层膜构成，它将核与胞质分开。当核糖体进入细胞质后形成两部 分：一部分在细胞内呈游离状，为单体或多聚体。在大多数细胞中，由这些核糖体翻译的蛋白质留在 细胞内；另一些核糖体则附着在内质网上，附着核糖体的这些内质网称为糙面内质网。内质网是由一 些形状大小不同的小管、小囊或扁囊构成的。在细胞质中，一般由这些小管和小囊连成一个连续的网 状膜系统，其内腔是相通的。由这些核糖体合成的蛋白质，在大多数细胞中嵌入质膜或从细胞中分泌 出去。 神经元的核膜附近聚集着一种特殊的糙面内质网，叫做尼氏体，它是蛋白质合成的活跃部位。在 大的神经元中，尼氏体体积较大、密度较高；在小的神经元中它仅仅呈小块分散状。尼氏体中的许多 核糖体并不附着在内质网的膜上，而是作为多核糖体的形式存在于膜与膜之间。推测这些多核糖体可 能参与合成神经元中的特异蛋白质，以及不同类型神经元中的特异蛋白。尼氏体中合成的一些蛋白可 6

能最终以神经递质形式被分泌，然而大量的蛋白质可能被用于神经元分支中的能量消耗。 内质网在细胞中具有重要功能。它对细胞中多种重要蛋白的合成、修饰加工、转运和分泌，以及 几乎对全部脂类的合成都起着重要的作用。内质网是大部分细胞器(包括内质网、高尔基器、溶酶体)， 以及质膜中的所有跨膜蛋白及脂类合成的场所。几乎所有外分泌的蛋白质及定位到内质网、高尔基器 和溶酶体膜上的蛋白质都来自于内质网管腔。有关内质网合成蛋白质的过程我们将在后面的部分再作 介绍。

2．3 高尔基体和分泌作用 高尔基体又称高尔基器(Colgi complex)，它是意大利细胞学家 Colgi 于 1898 年首先发现的。脊 椎动物中的高尔基器呈复杂的网状结构，它多分布在细胞核的附近。在电子显微镜下可见高尔基器由 光滑膜组成，主要由一些扁平的囊构成，类似于扁盘堆叠的结构，称为叠层，或高尔基堆(Golgi stack)， 在其周围常结合一些小管或大小不同的有被或无被的囊泡。扁囊内充满无定形或颗粒的内容物。高尔 基器一般显示有极性，可区分出靠近细胞中心的一面，称为顺面，或形成面(cig face)，和远离细胞 中心的另一面，称为反面，或成熟面(trans face)。两个面的化学组成、形态及功能均不相同。顺面 多与内质网相连。 在高尔基器中存在大量的各种不同的酶。它们主要有催化糖及蛋白质生物合成的糖基转移酶 (glycosyltransferases) 、 催 化 糖 脂 合 成 的 磺 基 一 糖 基 转 移 酶 、 磷 酸 酶 、 酪 蛋 白 磷 酸 激 酶 (caseinphosphokinase)、甘露糖苷酶、催化磷脂合成的转移酶和磷脂酶等。其中的糖基转移酶被认 为是高尔基器具有的特征性酶，它能把低聚糖转移到蛋白质上形成糖蛋白，此过程称为糖基化作用。 近年的研究表明，高尔基器与细胞的分泌有关，它对糖蛋白具有修饰、加工和分类包装以供转运 的作用，它还是糖类生物合成的主要场所。高尔基器也负责内质网产物的分选和分送，它所合成的许 多寡糖侧链连接到蛋白质和脂类上，成为指导蛋白质定位的标记。 通过高尔基器，我们可以追朔细胞内蛋白质合成及分泌的过程。蛋白质的合成从胞质中的核糖体 开始，运输到内质网，新合成的蛋白质在内质网中进入生物合成分泌途径，然后从内质网输送至高尔 基器，并从高尔基器到细胞表面或其他部位。上述所有的运输过程都是通过运输囊泡来进行的。

2．4 细胞骨架 神经元在发育期间要生长和发出许多分支，并要在分支中运输物质或细胞器，还需要完成定向迁 移并与其他靶细胞形成突触。这些都需要神经元自身所提供的可变性或运动性的结构来支持。神经元 中存在 3 种丝状蛋白质，它们形成细胞骨架的内部网架。这种网架可通过冰冻刻蚀处理后在电镜下看 到。在轴突内，较大的长形结构是微管，小的念珠状结构是神经细丝，最小的是微丝是肌动蛋白。

2．4．1 微管 微管是不分支的长形小管，直径约 20 nm，管壁由微管蛋白的亚基组成。微管由 13 条围绕中央核 心的原丝构成。有两种特殊的蛋白质与微管结合 ，一种是 Tau 蛋白，另一种是微管结合蛋自 (mierotubule-associated proteins，MAPs)，它们具有加强微管聚合的作用，MAP 还能形成使微管与 邻近的结构连接起来的键。微管蛋白包括α和β两个亚基，α和β具有类似的氨基酸序列，这两分子 形成二聚体，并盘绕装配成微管的壁。电镜照片显示出 MAPs 多肽链由两个区段组成，一个区段是微 管结合区，另一区段以横桥方式与其他微管纤维相连。微管蛋白二聚体含有鸟嘌呤核苷酸的两个结合 位点，微管末端通过增加或减少 GTP 管状二聚体分子(GTP-tubulinnlonomers)来保持极性。管状二聚 体是一种 GTP 酶，当发生聚合作用的时候，GTP 被水解形成 GDP，这样微管将处在一个聚合和解聚的 平衡状态之中。 微管的装配和稳定是通过另外一组 MAPs 来调节的。这些 MAPs 分子的相对分子质量有高、低两类： 5 相对分子质量较高的 MAPs 包括 MAPl 和 MAP2，相对分子质量较低的主要为 Tau 蛋白(5.5×10 ～ 5 6.2×10 )。MAP2 由 3 个同分异构体组成，它们主要通过 mRNA 的选择性剪切产生。MAP2a 和 5 5 MAP2b(2.88×10 和 2.80×10 )主要在神经元胞体和树突中表达，nAP2c(7.O×104)是一种小分子的蛋 白，它仅在发育的轴突中出现阶段性表达。Tau 至少有 6 种同分异构体。Tau 与 MAP2 的表达有一定的 区别，Tau 在胞体和轴突中表达，而不在树突中表达。在 Alzheimer 病人脑中，Tau 是作为神经性退 7

化的一个特征出现的，这种病主要发生在老年人脑中。病理显示在病变脑区存在包括 Tan 蛋白在内的 神经微丝的缠结和淀粉样物质的沉积。推测很可能是由于 Tau 蛋白的非正常磷酸化导致了这种疾病的 发生。 微管具有不同的作用。在有丝分裂的细胞中，纺锤丝都由微管构成。在动纤毛和精子的尾部，由 9 对微管围绕着 l 对中央微管，它为纤毛提供了内部的骨架并传递了纤毛的动力。在神经元中，单一 或呈束状微管存在于胞体中。某些植物生物碱(如秋水仙素)可解聚微管致使有丝分裂停止于分裂的中 期。实验中常常使用秋水仙素来阻断轴突内物质的运输。

2．4．2 神经细丝 神经细丝(neurofilaments)是一种长的实心细丝，直径 10 nm 左右。在其他的细胞中，它们被称 为中间型细丝，这主要因为它们的直径位于微管和微丝之间。组成神经细丝的 3 种多肽已经被鉴定，分别 4 5 5 是 NF-1(7.0×10 )，NF-M(1.6×10 )和 NF-H(2.0×10 )。每一个多肽都由一个α螺旋状的杆部、氨基酸末 端的头和带有糖基的尾部组成。它们被称为 vimentin，具有特殊结构的尾部，它与其他细胞中的细丝有很 4 大不同。在胶质细胞中也有这种多肽，它们是由相对分子质量为 5.0×10 的胶原纤维酸性蛋白(GFAP)所组 成。 神经细丝在大的轴突中特别明显，它的数量多于微管。在小的轴突和树突中，情况正好相反。神经细 丝和微管的关系随年龄的增长而变化。 神经元轴突和树突内微管和神经细丝与物质的运输有关。一些生物化学方面的实验已经证实了这一 点。胞体和突起之间的胞内运输对神经元的功能是至关重要的。从末梢向胞体的运输被认为是逆向运输， 从胞体到末梢的运输被看作是顺向运输。通过摄像机摄下的高倍显微图像有助于对这种运输过程进行分 析。人们发现有颗粒小泡沿微管移动，特别使人惊奇的是，颗粒会沿着同一小管正向或逆向移动，或从一 个小管移向另一个小管。近年的研究表明，小管移动的动力并不是来自微管的本身或 MAPs，而与轴浆中一 种可溶性的蛋白质有关。如果将它涂在有微管的玻璃载片上，可以观察到它将引起微管的移动。这种可溶 5 性蛋白主要是两种运动蛋白，一种是相对分子质量为 3.5×10 的 kinesin 蛋白，它沿微管移向其聚合的末 6 端；另一种称作 dynein 的运动蛋白具有较大相对分子质量(1.2×10 )，它沿微管向其解聚的末端移动，还 参与胶质细胞和鞭毛中微管的运动。由于存在不同的运动蛋白因而可以解释为什么小囊泡和颗粒能够沿着 微管作双向逆行移动。按照这种特性，在一个正常的未损伤的轴突中，kinesin 和神经元中的小泡结合， 使其能沿微管的顺行方向向轴突的末梢移动；而 dynein 则可以使小泡沿着微管从轴突的末梢向着胞体方 向运动。 将放射性标记的氨基酸注入到胞体附近，被标记氨基酸就会被胞体吸收并进入到蛋白质中，该蛋白质 就会从轴突转运至末梢。通过这种实验已经鉴别出两种类型的轴突运输：慢运输和快运输，前者每天约 l mm，后者每天约数百毫米。细胞内运输为显示神经系统中神经连接的研究提供了可能。标记物注射后的转 运结果能够通过组织切片的免疫组织化学方法得到证明。

2．4．3 微丝 微丝(microfilaments)是细胞内的第三种细的纤维结构。目前对骨胳肌中的微丝了解得最为清楚，它 由粗肌丝(由肌球蛋白构成)和细肌丝(由肌动蛋白构成)组成。在许多非肌肉细胞中，肌动蛋白含量大约要 占到细胞内全部蛋白的 10％，这显然是一个令人吃惊的数量。这些肌动蛋白或多或少都是以微丝的形式存 在的。在生长的神经突起中，微丝的含量是相当丰富的，另外，神经胶质细胞中也很多。它们与细胞的质 膜、膜骨架蛋白及细胞骨架的形成和运动有关。微丝可能与某些神经元的连接有关。在许多可自由运动的 细胞中，微丝存在于质膜的下面，推测它们控制着膜的移动和原生质的移动。

1．3 神经元的基本结构和功能 1．3．1 神经元的结构 神经元是机体所有细胞中最令人感兴趣和最富有与众不同特征的特殊细胞。除了嗅神经无及海马 的齿状回等极少数特异脑区外，哺乳类神经元从胚胎发育开始的高峰期之后不再出现增殖和分裂。相 反，在许多情况下，它们的体积却显著地增长。在发育期间，一些神经元内的细胞质和 DNA 增长的比率 5 是 10 。 8

1．3 神经元的基本结构和功能 1．3．1 神经元的结构 神经元是机体所有细胞中最令人感兴趣和最富有与众不同特 征的特殊细胞。除了嗅神经无及海马的齿状回等极少数特异脑区 外，哺乳类神经元从胚胎发育开始的高峰期之后不再出现增殖和分 裂。相反，在许多情况下，它们的体积却显著地增长。在发育期间， 5 一些神经元内的细胞质和 DNA 增长的比率是 10 。神经元的寿命很长， 在年老时才开始逐渐死亡。细胞程序性死亡在神经系统的发育中可能 发挥着重要的作用。开始时神经元产生的数量可能是较多的，然而真 正存活下来的却是少数，这反映了神经系统发育的一个共同特征。很 容易想到，神经元所具有的这种长寿和稳定性质是重要的，它对于维 持脑中的信号通路显然是极其必要的。如果神经元的数目出现持续不 断的变化，这必将引起突触连接的不断改变，而这对有效信息的传递 和记忆存贮是极为不利的。 神经元能够接受来自内外的刺激，通过细胞膜电位的变化，将刺 激的信息转变成动作电位的形式，使动作电位沿轴突传递给其他神经 元或效应细胞。神经元的形状与功能有关，它由 3 部分构成：胞体、 树突和轴突(图 1.2)。 神经元胞体是细胞代谢的中心。不同类型的神经元具有不同的胞 图 1.2 多极神经元结构模式图 体形态。例如脑神经节双极感觉神经元的胞体呈梭形，脊髓背角的多 极感觉神经元胞体呈三角形或梭形，脊髓前角运动神经元的胞体呈星型等。在不同种类的神经系统的不同 部位，神经元胞体的大小也有很大的差别。脊椎动物中最小的神经元胞体直径仅有 5～6μm，如小脑的颗 粒细胞和大脑皮层的小星型细胞。大的神经元直径可达 25～100μm，如脊神经节细胞、脊髓腹角运动神经 元和大脑皮层的 Betz 细胞。在许多无脊椎动物中，有些神经元胞体直径可达 l 000μm，如海兔的内脏神 经节细胞。神经元大多只含一个大而圆的细胞核，占胞体的很大部分。神经元核内通常只有一个核仁，但 也有 2～3 个的。神经元核周围部分称为核周质，在核周质中含有多种细胞器。在核周质中分布大量游离 核糖体。有许多附着并平行排列在糙面内质网上。树突内含有核糖体而轴突内没有。核周质内高尔基器发 达，围绕细胞核排列。此外，胞质中还有大量微管、神经细丝、微丝以及分布在高尔基器周围的溶酶体。 神经元膜与其他细胞的质膜基本相似的，但它有着讦多更为特化的功能。神经膜有高度分化的分子结 构和生理功能，膜上存在各种受体，可接受相应递质传来的信息。神经膜上存在大量离子通道，它对膜电 位的变化和信息的传递具有重要的作用。 神经元的突起由轴突和树突构成。树突是从胞体上发出的多个较粗的突起。树突可以反复分枝，形成 类似于树干的分枝样结构，因此得名，它实际是核周质的延伸，因此一般很难分清核周质和树突的界线。 神经元的树突树是代表着神经元的外形特征，它代表了神经元的类型。树突的基部存在高尔基器和糙面内 质网，但在分枝的远端则基本消失。树突内最明显的细胞器是微管、神经细丝和线粒体及滑面内质网。在 树突分枝上常有小同形状的突起，称为树突棘或侧棘。树突棘的分布特征及数量在不同神经元中有较大差 2 异。如在大脑锥体细胞的顶树突上，每 100μm 的表面积约有 30 多个棘，离胞体越远，棘的数量也随之增 加。平均每个锥体细胞有棘 4000 个，占树突和胞体总面积的 43％。树突复杂和丰富的分枝为信号接受提 供了巨大的表面积，而每一个树突棘都能实现一个简单传人信号的整合功能。 神经元的轴突是从胞体凸出的圆锥形隆起(axon hillock)一轴丘向处延伸而来。一般情况下神经元仅 有一个轴突。轴突比树突细而长，表面光滑无侧棘，其末端常呈树状分枝，称轴突终末。轴突的长短有很 大差别。长的可达 l 米以上，短的仅几微米。在轴丘中很少存在核糖体和糙面内质网，因而这也成为电镜 下鉴别轴突和树突的形态学的差别之一。轴突可将胞体中的物质进行顺、逆向转运，它的另一个重要功能 是将胞体的信号传至末梢，然后通过与其他相接触的神经元将信息向外扩布。中枢神经系统中的轴突膜内 面有致密的薄的内衬。起始段中微管集合成束，轴突始段膜的兴奋阈最低，为神经冲动的发起部 9

1．3．2 神经元的分类 中枢神经系统的神经元的数量 巨大，神经元胞体的形状和突起的长 短、形态以及数量等均有极大的差异 (图 1.3)。各种形态各异的神经元具 有不同的连接形式，形成不同的神经 网络并发挥不同的功能。根据神经元 的各种特征，可对神经元进行分类： 按形态进行分类 按神经元的 胞突数目和形态，可将神经元分为单 极、双极和多极神经元。如背根神经 节细胞，先从胞体伸出一根突起，然 后再分为轴突(中枢突)和树突(周围 突)，因而又将其称为假单极神经元。 脊髓的运动神经元、海马和大脑皮质 的锥体细胞，小脑的浦肯野细胞，都 有一根长的轴突和多根树突，它们是 多极神经元。视网膜神经元的胞体两 端各发出一根树突和一根轴突，为双 极神经元。根据轴突长短，还可将神 经元分为高尔基 I 型和高尔基 II 型。前者轴突细长，胞体较大，如锥 体细胞；后者为轴突较短的中间神经 元。 根据树突形态可将神经元分 图 1-3 各种神经元类型 为：无足细胞，无明显的轴突，见 A．有单个轴突的单极神经元，在无脊椎动物中单个轴突的不同部位 于视网膜、嗅球等处的神经元：星 可作为接收或释放递质的表面； 型细胞，其树突均匀地向各个方向 B，C．有两个突起的双极神经元，B．神经元位于脊髓的背根神经节 放射，树突树呈圆球形；锥体细胞， 中，它将感觉信息传至中枢神经系统，属于双极神经元的一种亚型； 其基树突从胞体底部发出，树突树 D．多极神经元，一个轴突和多个树突，是存在于哺乳动物中枢神经 呈半球形，其顶树突又从胞体顶端 系统中最为常见的类型。 伸出，形成另外的树突树；小脑的 浦肯野氏细胞的树突树呈扁平状。 按功能分类根据神经元的功能以及在反射弧弧中所处的位置，可将其分为感觉、运动、传出、传入、 中间和回路神经元。 按电生理特性分类根据神经元的电生理性质可区分为兴奋性神经元和抑制性神经元。 按递质类型分类根据神经元释放递质的类型可将其划分为不同类型神经元，如胆碱能神经元，多巴胺 能神经元，肾上腺素能神经元等。

1．3．3 中枢神经元结构特点 神经元之间通过突触的特殊联系和作用，构成了神经元组构的最初级形式——微环路。微环路所涉及 的范围可以小到μm 级，而作用时间可达 ms 级，因此它们组成了神经信息处理的最初级阶段。神经元在发 育过程中形成的特殊形式的突触连接，以及由这些连接所构成的微环路，具有重要的功能意义。最简单的 微环路有辐散式和聚合式两种组成方式(图 1-4)。 中枢神经系统中的大量神经元能够形成局部回路。一般来说，动物越高级，局部回路中的神经元数 目就越多，连接越复杂。局部回路中的神经元形成了多种类型的突触连接和回路连接方式。例如在尾核中 局部回路中神经元数占尾核全部神经元的 95％，且都是抑制性神经元。小脑浦肯野氏细胞与颗粒细胞(局 10

部回路神经元)的比，在蛙类是 1:22；在鼠是 1:140；在猫是 1:600；猴是 1:950；人是 l:1 600。神经系 统的整合、可塑性及学习、记忆等许多功能都与局部回路神经元及它们的活动有关。

图 1-4 突触连接的类型 A．(a)电传递突触；(b)含有致密核心小泡的脊髓突触； (c)“顺行性”突触或突触曲张体；(d)抑制型突触，注意存 在的椭圆型小泡；(e)树突棘；(f)棘突触；(g)抑制性突触； (h)轴一轴型突触；(i)兴奋性突触。B．通过 3 个神经突起的 横断面：一个轴突和两个树突显示了复杂的组构形式；外周 包绕的阴影部分表示胶质细胞。c．3 个神经突的横断面，两 个树突形成了交互配对形式，它们以负反馈环形式排列，因 而下一级的兴奋能抑制上一级。D．两个树突形成的交互突触， 形成了一个正反馈环，这种连接能够使下一级树突重新兴奋 上一级。ax：轴突；de：树突

第二节 神经胶质细胞 19 世纪中期，应用显微镜对神经元进行观察以 后，发现神经系统中还含有与神经元不同的成分，这 些成分似乎无固定方向地分布在神经元胞体之间。 1856 年，德国著名显微镜学家 Virchow R．认为这些 成分具有如下特征：在脊髓中以间质形式存在，在高 等动物的感觉神经中是以神经胶质(neuroglia)形式 存在，它与神经元共同组成了神经系统。 这些观察结果暗示神经胶质不是细胞而仅仅是类 似胶质的分泌物质。然而 Virchow 进一步的研究指出， 神经胶质是一种细胞，它们中有一些具有吞噬能力。 从那时开始，对神经胶质细胞的研究和对神经元的研 究同步获得发展。Cajal 研究并证明了几种不同的神 经胶质细胞类型，1920 年他的学生对此又作了进一步 探讨。随着电镜技术的发展，现在一般根据神经胶质 细胞的不同结构特征对它们进行了分类。现代细胞生 物学的研究表明，神经胶质细胞本身与神经元之间有 着重要的调节与被调节关系。 神经胶质细胞可分为中枢和外周神经胶质细胞， 它和神经元之比超过 1O:1。分布在中枢神经系统的神 经胶质细胞也具有突起，但无树突和轴突之分，没有 传导神经冲动的功能。神经胶质细胞和神经元共同起 源于神经外胚层。中枢神经系统中的星型胶质细胞和 少突胶质细胞来自神经管的侧壁，雪旺氏细胞起源于 神经嵴，小胶质细胞的来源尚不清楚。 中枢神经胶质细胞主要分为以下几类(图 1-5)：

图 1-5 示中枢神经系统中非神经元的细胞类型。 两个星形胶质细胞与神经胞体和树突并置；一个(上 方)与血管接触，另一个(下方)伸向软膜表面。一个胶质 细胞(中间右侧)为两个轴突提供髓鞘。两个扁平小胶质 细胞，一个邻接血管(中间右方)，另一个在左上端的神 经毡中。 11

星型胶质细胞(astrogia)：是神经胶质细胞中数量最多、体积最大的一种。胞体呈星型，有很多突起，末 端膨大，包围在毛细血管周围。据估计脑内毛细血管的表面有 85％～99％被星型胶质细胞的突起所覆盖。 星型胶质细胞又分为原浆性星型胶质细胞(protoplasmic astrocvte)和纤维性星型胶质细胞(fibrous astrocyte)。前者多分布在灰质，表面粗糙，突起较短，分支多；后者多分布在白质，突起细长，分支少， 表面光滑。 星型胶质细胞的功能主要是：构成神经组织网架，起支持作用；具有分裂能力，CNS 受创后能进行有 丝分裂，形成胶质瘢痕；参与构筑血脑屏障，从血液中摄取物质，供给神经元；参与神经递质代谢，维持 + 神经元周围 K 平衡。 少突胶质细胞(oligodendroglia)：几乎不含神经细丝和糖原颗粒，但含有大量的微管。它们的突起 和分支均较少。少突胶质细胞的主要功能是参与形成和维持髓鞘：其细胞膜由髓磷脂组成，含 20％ 脂质 和 80％ 的蛋白质。在中枢神经系统中主要是少突胶质细胞参与形成髓鞘，而外周的髓鞘则由施旺氏细胞 组成。 小胶质细胞 (nicroglia)：小胶质细胞的直径仅为 4μm，几乎散在分布于整个神经系统，常在损伤和 溃变区出现，并在那里增生为大的吞噬细胞，以清除和吞噬碎片。 + 神经胶质细胞不能产生如神经元轴突那样的“全或无”的动作电位。膜对 K 的通透性很高，缺乏钠通 + + + 道，对 Na 的通透性比神经元低，但存在 Na -K 泵。神经胶质细胞问主要为低电阻的缝隙连接形式，这种 + — 电耦合方式有利于细胞内发生的离子分布不平衡蹬恢复。[Na ]0 和[Cl ]0 的改变均不能对其膜电位产生影 + 响，神经胶质细胞的去极化可能是[K ]0 增加造成的。神经元和神经胶质细胞问无特殊结构连接，神经元的 + + + 活动可使细胞间隙中的 K 浓度增加，改变神经胶质细胞[K ]0／[Ki ]的比值，可导致膜的去极化。

12