原创 邓穗馨 、舒友生 细胞世界

猜猜看——人类的大脑大约有多少个神经元？

答案是800-1000亿个，是我国人口数目的50倍还多。这些神经元并不是各自为政的“孤岛”，而是通过一种称为突触的结构相互连接，构成复杂但有序的各种功能神经网络或神经环路。我们正常的脑功能（如感知、情绪与行为等），正是以网络内兴奋性和抑制性信号的平衡为重要基础和前提。反之，失衡的网络可导致癫痫、精神分裂症、焦虑症、孤独症等神经系统疾病。因此，揭示神经网络的解剖构成，理解平衡的神经网络活动特征，探索能够调控神经网络活动、甚至干预病理网络活动的各种策略，是神经科学领域重要的研究内容。

01 兴奋性神经元和抑制性神经元，相向而生

电影《头脑特工队》将人类的五种情绪（悲伤、害怕、开心、厌恶、愤怒）拟人化，讲述了这五个小人在大脑中怎样互相沟通、扶持或对立，共同控制人的外向情感表露。虽然实际情况比这复杂得多，但在真正的大脑神经环路中，平衡确实是多个神经元多方面“沟通交流”的结果。

我们从主要的两种神经元讲起。“世上没有两片完全相同的树叶”，也没有两个完全相同的神经元——每个神经元都有特定的细胞形态、基因表达组合、突触连接和电生理学特征。但是，也可以把神经元依据相似的特征归为特定的类群。

不同神经元接受外界刺激后会增强或减弱其下游神经元的活动强度，即分别释放兴奋性或抑制性的神经递质（一般是谷氨酸或g-氨基丁酸）来兴奋或抑制下游神经元的活动。由此对神经元进行分类，可以大致分为兴奋性神经元或抑制性神经元。这就像世界万物的两极，有正有负、有奇有偶、有寒有暑、有阴有阳……那么是不是兴奋性神经元负责高兴，抑制性神经元负责不高兴，只要它俩好好相处就能达到阴阳平衡？没那么简单，否则《头脑特工队》里就不会有那么多不同类型的情绪小人吵个不停了。

02 重获平衡，道路阻且长

以我们人类最发达的大脑皮层为例，皮层神经网络中兴奋性神经元有几种不同的类型，其中最主要的叫做锥体细胞（Pyramidal cell，即PC，因其细胞胞体形状似锥体而得名），而抑制性神经元的种类就更丰富多样了。正常情况下这些兴奋性和抑制性神经元释放的信号总是相互制衡。在异常情况下，兴奋和抑制失衡不止会引发情绪波动，更会导致严重的脑疾病发生。比如，兴奋性神经元的活动增强或抑制性神经元的活动减弱都可能导致癫痫；抑制性神经元活动的异常还可引发精神分裂症和焦虑症等。

那么，兴奋性和抑制性神经元在神经网络中怎样产生和传递信号？

神经网络活动主要表现为电活动。神经元的细胞膜内外存在电位差，一般在-70毫伏左右，细胞内电位较细胞外电位负。神经元受到刺激或突触信息传入时，细胞内外电位差变小，可导致神经元产生时程1-2毫秒、幅度大约为100毫伏的电压波动，即所谓的动作电位（Action potential）。神经元通过产生动作电位的频率和精确时间对信息进行编码，参与脑的信息处理；同时，产生动作电位的能力反映了神经元的可兴奋性。不同神经元的可兴奋性有高有低，而无论兴奋性神经元还是抑制性神经元都具有可兴奋性。

由于神经元轴突从细胞发出的开始节段（即轴突始段，距胞体约20-50微米长）分布有高密度的钠离子通道，因此动作电位在此首先爆发。在皮层的锥体神经元上，轴突始段距胞体较远处和近处分布的钠通道种类存在差异，较远处的钠通道亚型Nav1.6电压阈值低，决定了动作电位最先产生；而近处分布的Nav1.2在动作电位产生后调控其向胞体和树突的反向传播。因此，这两类通道亚型控制着兴奋性锥体神经元的可兴奋性。

看来钠通道亚型就是控制一切的关键，那我们根据这一点来拯救大脑，让它重获平衡吧！等等……但这些抑制性神经元怎么不受控制呢？抑制性神经元是否含有一些区别于兴奋性神经元的特点？

03 各显神通的神经元，拯救大脑

研究表明，抑制性神经元上表达有一类与锥体神经元截然不同的钠通道亚型Nav1.1，这种通道的功能缺失突变可导致抑制性神经元可兴奋性降低，脑网络缺乏有效抑制，引起兴奋和抑制失衡，最终导致癫痫等严重的神经系统疾病的发生。因此，还得研究脑内不同类群神经元的可兴奋性机制，才能完全掌控我们的神经网络。

插图来自文献：邓穗馨, 舒友生. 大脑皮质神经元及其网络的兴奋[J]. 中国药理学与毒理学杂志, 2017, 31(11):1033-1044.

再者，不同种类的抑制性神经元会与兴奋性神经元通过突触连接形成特定的局部神经微环路，它们的突触活动也能影响神经网络中的阴阳平衡。我们脑内抑制性神经元的种类比兴奋性神经元丰富得多，它们有的高挑而精致，喜欢伸长触手控制锥体神经元的远端树突；有的圆润而本分，只喜欢控制附近的锥体神经元的胞体和近端树突。虽然都能释放抑制性信号，但作用于神经网络活动的效果各不相同。

插图修改自文献：Kepecs A, Fishell G. Interneuron cell types are fit to function[J]. Nature, 2014, 505(7483):318-326.

在皮层网络中，抑制性神经元中数目最多的篮状细胞（电生理特性是快速发放神经元，FS）主要支配胞体附近；低阈值发放神经元（LTS）支配树突，而吊灯形细胞支配轴突始段。此外，抑制性中间神经元接收的兴奋性突触输入在电生理特性（如短时程可塑性）方面的不同也影响它们所介导的抑制信号在时程上的巨大差异。对这些因素不断深入的认识，均能给我们拯救大脑带来一些提示。

此外，皮层的网络活动还受到其他脑区和皮层下各类核团，以及各类神经调质（五羟色胺、多巴胺、乙酰胆碱等）的调控。而且当我们的大脑处于不同的活动状态时（比如清醒或睡眠情况下），神经元胞外离子浓度、神经递质或调质的浓度都会产生周期性的变化，从而影响神经网络活动的调控效果。所以，拯救大脑的路途不是一蹴而就的，让我们继续撸起袖子加油干吧！

本文作者

邓穗馨 复旦大学脑科学转化研究院

舒友生 复旦大学脑科学转化研究院

·END·

■ ■ ■ ■

1980-2020

原标题：《【科学普及】脑网络中兴奋和抑制的平衡：如此“平常”，最是可贵》

阅读原文