什么是神经科学：概述、历史与主要分支
什么是认知神经科学？
认知神经科学旨在发现脑结构如何影响我们处理信息的方式，并将认知功能映射到大脑的特定区域。这通常通过使用脑成像技术如功能性磁共振成像（fMRI）和正电子发射断层扫描（PET）来完成。
神经科学的最早历史根源可以追溯到古埃及人，他们进行了钻孔术——在头骨上钻孔以治疗脑部和/或精神疾病——并拥有对脑损伤症状的一些了解（Mohamed, 2008）。
后来，显微镜的发明和染色程序的使用导致了桑地亚哥·拉蒙·卡哈尔在19世纪末发现了单个神经元（神经系统细胞），为现代神经系统的研究奠定了基础（Guillery, 2004）。神经科学作为独立领域的出现始于20世纪，由大卫·里奥奇、弗朗西斯·O·施密特和斯蒂芬·库夫勒等人开创（Cowan et al., 2000）。
神经科学的主要分支
神经科学的主要分支主要由其分析尺度定义——即它们从哪些角度分析神经系统。神经系统的分子构成了神经元功能和通信的基础，这是分子神经科学的重点。
这些分子过程产生了更大规模的细胞功能，如神经信号传导，这是细胞神经科学的重点。这些功能使得神经元之间复杂的通信系统成为可能，这是系统神经科学的重点。
最终，这些系统构成了思维和行为的基础，这是认知和行为神经科学的重点。
对神经系统的科学研究为我们提供了理解心灵和大脑运作的关键见解，因此对心理学至关重要。
神经科学使我们能够理解心灵的许多运作方式是通过神经连接网络实现的，就像计算机通过电连接运行一样。
通过研究这些神经连接的工作原理，我们可以更好地理解正常的人类认知和疾病——即当这些神经连接出现问题时的情况。
神经科学学会（2015）列出该领域的“核心概念”如下：
- 大脑是最复杂的器官。
- 神经元使用电和化学信号进行通信。
- 遗传决定的电路是神经系统的基础。
- 生活经历改变了神经系统。
- 智力源于大脑的推理、计划和解决问题的能力。
- 大脑使我们能够通过语言交流知识。
- 人类的大脑赋予我们对世界如何运作的自然好奇心。
- 基本发现促进了健康生活和疾病的治疗。
神经元和突触
神经元是构成神经系统的最基本细胞单元。人类大约有1000亿个神经元。一个单独的神经元通常由胞体（细胞体）、树突和轴突组成。
胞体包含细胞核（储存DNA的地方）并产生神经元功能所需的蛋白质。
从胞体延伸出的是树突，这些树枝状结构与其他神经元形成连接，接收和处理电信号。最后，轴突从胞体的另一端伸出，产生并传递电信号给其他神经元。
每个神经元通常只有一条轴突，尽管结构可能在初始从胞体投射后分支（Woodruff, 2019）。
轴突和树突传输的电信号称为动作电位。神经元是电设备——它们包含允许正离子和负离子从细胞外进入细胞内或反之亦然的通道，从而产生相对于细胞膜（细胞周围的屏障）的电位差。
默认情况下（当神经元处于“静息”状态时），细胞内部比外部更负，产生约-70毫伏的静息膜电位。然而，这种电位会不断响应来自其他细胞的输入而变化，这些输入导致离子流入或流出细胞。
其中一些输入是“兴奋性”的，意味着它们使细胞膜电位变得更不负（例如，通过使正离子流入细胞），而另一些则是“抑制性”的，意味着它们使细胞膜电位变得更负。
如果神经元接收到足够的兴奋性输入且没有太多的抑制性输入，其膜电位将超过所谓的“动作电位阈值”（约为-50毫伏），此时会发生动作电位。
电学上，动作电位是神经元膜电位的短暂但显著的峰值。神经科学家通常简单地将动作电位称为“尖峰”。
当神经元的膜电位超过动作电位阈值时，它会触发电压门控钠通道的开启，允许带正电的钠离子进入细胞。
这导致细胞膜电位迅速变得更为正，从而产生尖峰。这一信号随后迅速沿着神经元的轴突传播，因为尖峰本身会导致更远的电压门控钠通道打开——如此循环往复。
最终，动作电位到达轴突的末端，神经元将这一信号传递给其他神经元。
神经元通过称为突触的结构相互沟通。单个突触由突触前末梢、突触间隙和突触后末梢组成。
一旦动作电位到达神经元轴突的末端，它会到达突触前末梢，导致神经递质从细胞中释放。这些神经递质被释放到突触间隙，这是一个介于突触前末梢和突触后末梢之间的微小（20-40纳米）空隙。
神经递质随后穿过突触间隙并激活突触后末梢上的神经递质受体。当这些受体被激活时，它们会导致正离子或负离子流入突触后神经元，分别导致兴奋或抑制。
当神经递质作用于受体导致正离子流入突触后神经元时，这被称为兴奋，因为神经元更接近其动作电位阈值，因此更有可能放电。
相反，当神经递质作用于受体导致负离子流入突触后神经元时，这被称为抑制，因为神经元离其动作电位阈值更远，因此更不可能放电。
因此，一些神经递质被称为兴奋性神经递质（因为它们的作用导致兴奋），而另一些则被称为抑制性神经递质。
常见的兴奋性神经递质包括谷氨酸和多巴胺；常见的抑制性神经递质包括γ-氨基丁酸（GABA）和甘氨酸。一些神经递质，如血清素，根据其作用的受体类型，既可以是兴奋性的也可以是抑制性的。
神经系统
我们的神经系统由数十亿个神经元组成，所有这些神经元都在产生动作电位并通过突触相互沟通。
这些神经元网络最终形成了执行专门功能的更大结构。通过研究神经系统的解剖学，我们可以开始理解它是如何分配其众多任务的。
神经系统最重要的解剖学划分是中枢神经系统和周围神经系统。中枢神经系统由大脑和脊髓组成，周围神经系统由全身与中枢神经系统沟通的神经组成。
中枢神经系统和周围神经系统共同作用以解释感官数据并启动运动（Sukel, 2019）。感觉信息从周围神经传递到脊髓，然后传递到大脑；运动信息从大脑传递到脊髓，最终通过周围神经传递到肌肉。
大脑本身由三部分组成：脑干、小脑和大脑皮层。脑干主要控制所谓的“自主”功能，即无意识调节的身体功能，如心率和呼吸。小脑位于脑干旁边，控制平衡和运动协调。
最后，大脑皮层位于脑干和小脑上方，是大多数人想到大脑时所想到的部分——它负责构成我们精神生活的感知和认知功能（Sukel, 2019）。
大脑皮层又分为两个半球和四个叶。连接左右半球的是一束神经纤维，称为胼胝体。
与普遍看法相反，大多数认知过程都与大脑皮层的两个半球相关（即右半球并不更“创造”，左半球也不更“分析”）。然而，一个例外是大多数与语言相关的神经结构都位于左半球（Sukel, 2019）。
除了两个半球，大脑皮层还分为四个叶：枕叶、颞叶、顶叶和额叶。枕叶位于大脑后部，主要负责处理视觉信息。
颞叶位于额头后面，主要处理声音信息（包括语言）和某些记忆方面。
顶叶位于耳朵上方，主要处理感官、触觉和空间信息。最后，额叶（最大的叶）位于眼睛上方的皮层前部。它负责高级认知功能，如推理、决策和规划。
人们认为，我们高度发达的额叶使人类与灵长类祖先区分开来（Sukel, 2019）。
每个叶包含两种不同类型的神经组织：灰质和白质。灰质呈灰色，由神经元的胞体、树突和非神经元支持细胞组成。白质呈白色，由神经元的轴突组成，用于在大脑的不同区域之间形成连接。
白色是由髓鞘引起的，髓鞘是一种包裹在轴突周围的脂肪物质，使它们能够更有效地发送信号（Sukel, 2019）。
大脑还包含许多具有更具体功能的小区域。重要区域包括：
- 下丘脑——自主功能（如体温和血压）以及饥饿、口渴和性欲等行为的控制中心。
- 垂体腺——与下丘脑相连，调节内分泌系统，分泌涉及性发育、骨骼和肌肉生长及压力的激素。
- 丘脑——主要的“中继站”，调节进出大脑皮层的信息。
- 基底节——与小脑一起帮助协调精细的运动。
- 杏仁核——在对刺激的情感反应中起重要作用。
- 海马体——负责长期记忆（“解剖学”，2018）。
神经科学与心理学
对大脑的科学研究对于对心灵的科学研究至关重要。虽然神经科学和心理学关注不同的领域，神经科学处理物理属性领域，而心理学处理更为抽象的精神领域。
我们不断发展的能力将大脑状态与精神状态相关联，意味着这两个学科可以进行有意义的对话。
科学家们寻求理解大脑与心灵在正常和异常人类认知中的关系。这是认知神经科学的主要目标。
认知神经科学的许多研究都是通过使用神经成像（指任何有助于可视化大脑的技术）来进行的，因为它使我们能够“观察”活人的颅骨内部。
认知神经科学研究中最常用的神经成像技术是磁共振成像（MRI），它利用氢离子在不同环境下的反应来获取有关大脑的信息。
MRI可以提供关于大脑的结构信息——即关于某人大脑解剖结构的信息，如不同区域的大小——通过区分头骨内的不同类型组织并创建物理大脑图。
它还可以提供关于大脑不同区域活动的功能信息——通过检测含氧量高的血液水平较高的区域，这与大脑活动相关。
通过神经成像研究，认知神经科学家可以使用结构和功能信息构建人类认知模型，理解不同大脑系统和区域在思维和行为中的作用（Kalra, 2012）。
除了揭示一般人类心灵背后的神经过程外，神经科学还通过在我们对精神疾病的理解方面取得重大进展，彻底改变了临床心理学。
通过将健康受试者的大脑与患有精神疾病个体的大脑进行比较，神经科学家提高了我们对这些疾病的原因及其最有效治疗方法的了解。
例如，神经成像研究表明，一些抑郁症患者可能有较小的海马体。这可能与压力有关，压力被认为会减少海马体中的神经发生（新神经元的产生）。
这一发现也与证据一致，即抗抑郁药物通过促进海马体中的神经发生来发挥作用——由于这一过程需要很长时间，这可能解释了为什么患者通常需要几周时间才能注意到抗抑郁药的效果。
虽然抗抑郁药会对被认为与情绪有关的神经递质水平产生直接影响，但这些发现表明，神经发生最终是更重要的作用机制，应开发专门针对神经发生的药物（“是什么原因”，2019）。
另一个例子是精神分裂症。各种神经化学、神经成像和动物模型研究表明，多巴胺这种神经递质在该疾病中起着重要作用——特别是大脑中一个称为纹状体的部分中多巴胺水平异常高。人们认为多巴胺的一个作用是信号传递外部刺激的重要性。
例如，食物可能被信号传递为重要的，因为它对生存是必要的。因此，科学家们假设纹状体中异常的多巴胺活动可能导致精神分裂症患者对无害的刺激产生异常的重要性，从而导致关于这些刺激的妄想和幻觉。
因此，抗精神病药物的一个关键机制是阻断多巴胺受体（Winton-Brown et al., 2014）。
多巴胺也与成瘾有关。这种神经递质在动机和奖励（一种重要性）中起关键作用，当增加多巴胺水平的药物被摄入时，会产生条件反射。
通常，这个奖励回路受到前额叶皮层中控制执行功能的回路的制约：抵制短期欲望以服务于长期目标的能力。
然而，在成瘾者中，药物的条件反射非常强烈，以至于奖励回路压倒了前额叶回路，导致即使面对负面后果也会产生强迫性药物寻求行为（Volkow and Boyle, 2018）。
当代研究表明，神经科学和心理学可以相互合作，互惠互利。通过了解心灵和身体的关系，我们可以更好地理解两者。
参考文献
Cowan, W. M., Harter, D. H., & Kandel, E. R. (2000). 现代神经科学的兴起：对神经病学和精神病学的一些启示 . 《年度神经科学评论》, 23 (1), 343–391.
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神经科学学会. (2015). 《神经科学核心概念：神经科学的基本原则》. 华盛顿特区.
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Volkow, N. D., & Boyle, M. (2018). 成瘾的神经科学：预防和治疗的相关性. 《美国精神病学杂志》, 175 (8), 729–740.
Winton-Brown, T. T., Fusar-Poli, P., Ungless, M. A., & Howes, O. D. (2014). 精神病中重要性失调的多巴胺基础. 《神经科学趋势》, 37 (2), 85–94.
Woodruff, A. (2019年8月13日). 什么是神经元？昆士兰脑研究所. https://qbi.uq.edu.au/brain/brain-anatomy/what-neuron.
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引用来源
本文翻译自以下网站：
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