第九单元 神经系统：整体原理和感觉生理学：修订间差异
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神经系统的组织、突触的基本功能和神经递质
神经系统在思维过程和控制行动的极大复杂性方面是独一无二的。每分钟它从不同的感觉神经和感觉器官接收数百万比特的信息，然后将所有这些信息整合以确定身体的反应。
在开始讨论神经系统之前，读者应回顾第5章和第7章，这些章节介绍了膜电位和神经信号传递以及通过神经肌肉接头的信号传递的原理。
神经系统的一般设计
中枢神经系统神经元：基本功能单位
中枢神经系统(central nervous system)估计含有800亿到1000亿个神经元。图46-1显示了大脑运动皮层中一种典型神经元。传入信号主要通过位于神经元树突(dendrites)上的突触(synapses)进入该神经元，但也有一些位于细胞体(cell body)上。对于不同类型的神经元，输入纤维的突触连接可能只有几百个，也可能多达20万个。相比之下，输出信号通过离开神经元的单个轴突(axon)传递。然后，这个轴突可能有许多分支通向神经系统的其他部分或外周身体。
大多数突触的一个特殊特征是，信号通常只沿正向传递，即从前一个神经元的轴突传递到后续神经元的细胞膜上的树突。这一特征迫使信号沿所需方向传递，以执行特定的神经功能。
神经系统的感觉部分——感受器(sensory receptors)
神经系统的多数活动都是由刺激感受器的感觉体验引发的，无论是眼睛中的视觉感受器、耳朵中的听觉感受器、身体表面的触觉感受器，还是其他类型的感受器。这些感觉体验可以立即引起大脑的反应，或者这些体验的记忆可以储存在大脑中几分钟、几周或几年，并在未来的某个时间决定身体的反应。
图46-2显示了感觉系统的躯体部分，它传递来自整个体表和一些深层结构的感受器的感觉信息。这些信息通过外周神经进入中枢神经系统，并立即传递到多个感觉区域：(1)脊髓的所有水平；(2)延髓、脑桥和中脑的网状结构(reticular substance)；(3)小脑(cerebellum)；(4)丘脑(thalamus)；(5)大脑皮层(cerebral cortex)的区域。
神经系统的运动部分——效应器(effectors)
神经系统最重要的最终作用是控制各种身体活动。这一任务通过以下方式实现：(1)控制全身适当骨骼肌的收缩；(2)控制内脏平滑肌的收缩；(3)控制身体许多部位的外分泌腺和内分泌腺分泌活性化学物质。这些活动统称为神经系统的运动功能，而肌肉和腺体被称为效应器，因为它们是执行神经信号指示的功能的实际解剖结构。
图46-3显示了控制骨骼肌收缩的神经系统的"骨骼"运动神经轴。与该轴平行运行的另一个系统称为自主神经系统(autonomic nervous system)，用于控制平滑肌、腺体和其他内部身体系统；该系统在第61章中讨论。
请注意，在图46-3中，骨骼肌可以从中枢神经系统的多个水平进行控制，包括：(1)脊髓；(2)延髓、脑桥和中脑的网状结构；(3)基底神经节(basal ganglia)；(4)小脑；(5)运动皮层。每个区域都有其特定的作用。较低的区域主要负责对感觉刺激的自动、即时的肌肉反应，而较高的区域则负责由大脑思维过程控制的复杂肌肉运动。
图46-1. 大脑中一个大神经元的结构，展示了其重要的功能部分。
信息处理——神经系统的整合功能
神经系统最重要的功能之一是以适当的精神和运动反应发生的方式处理传入的信息。超过99%的感觉信息被大脑视为无关紧要而被丢弃。例如，人们通常不会意识到身体与衣物接触的部分，也不会注意到坐着时的座椅压力。同样，注意力通常只被吸引到视野中的偶尔物体上，甚至周围环境的持续噪音通常也被归入潜意识。
然而，当重要的感觉信息激发大脑时，它会立即被引导到大脑的适当整合和运动区域，以引发所需的反应。这种信息的引导和处理被称为神经系统的整合功能。因此，如果一个人将手放在热炉子上，期望的即时反应是抬起手。其他相关的反应也会随之而来，例如将整个身体移开炉子，甚至可能因疼痛而喊叫。
图46-2. 神经系统的体感轴。
突触在信息处理中的作用
突触是一个神经元到下一个神经元的连接点。在本章后面，我们将讨论突触功能的细节。然而，这里需要注意的是，突触决定了神经信号在神经系统中传播的方向。一些突触轻松地将信号从一个神经元传递到下一个神经元，而另一些突触则只能困难地传递信号。此外，来自神经系统其他区域的促进性和抑制性信号可以控制突触传递，有时打开突触进行传递，有时则关闭它们。此外，一些突触后神经元会以大量的输出脉冲响应，而另一些则只以少量脉冲响应。因此，突触执行选择性动作，通常阻止弱信号通过，而允许强信号通过，但有时会选择和放大某些弱信号，并经常将这些信号引导到多个方向，而不是仅一个方向。
图46-3. 神经系统的骨骼运动神经轴。
信息存储——记忆
即使是最重要的感觉信息，通常也只有一小部分会引发即时的运动反应。然而，大部分信息被存储起来，用于未来的运动活动控制和思维过程。大多数存储发生在大脑皮层，但即使是大脑的基底区域和脊髓也能存储少量信息。
信息的存储过程我们称之为记忆(memory)，这也是突触(synapse)的功能之一。每当某些类型的感觉信号通过一系列突触时，这些突触在下一次传递相同类型信号的能力就会增强，这个过程称为易化(facilitation)。在感觉信号多次通过突触后，突触变得如此易化，以至于即使在没有感觉输入的情况下，大脑内部产生的信号也能通过相同的突触序列传递冲动。这个过程使人产生了体验原始感觉的感知，尽管这些感知只是感觉的记忆。
关于记忆过程中突触长期易化的确切机制仍不确定，但第58章将讨论已知的关于感觉记忆过程及其它细节的内容。
一旦记忆被存储在神经系统中，它们就成为大脑处理机制的一部分，用于未来的"思考"。也就是说，大脑的思考过程将新的感觉体验与存储的记忆进行比较；然后记忆帮助选择重要的新感觉信息，并将其引导到适当的记忆存储区域以备将来使用，或引导到运动区域以引起即时的身体反应。
中枢神经系统功能的主要层次
人类神经系统从人类进化的每个阶段继承了特殊的功能能力。从这一遗产中，中枢神经系统的三个主要层次具有特定的功能特征：(1)脊髓水平；(2)低级脑或皮层下水平；(3)高级脑或皮层水平。
脊髓水平
我们通常认为脊髓只是从身体外周向大脑传递信号或从大脑向身体传递信号的管道。这种假设远非事实。即使在颈部高位切断脊髓后，许多高度组织的脊髓功能仍然存在。例如，脊髓中的神经元回路可以引起(1)行走运动；(2)将身体部分从疼痛物体中撤回的反射；(3)使腿部僵硬以支撑身体对抗重力的反射；(4)控制局部血管、胃肠运动或排尿的反射。事实上，神经系统的上层通常不是通过直接向身体外周发送信号来运作，而是通过向脊髓的控制中心发送信号，简单地"命令"脊髓中心执行其功能。
低级脑或皮层下水平
我们称之为身体潜意识(subconscious)活动的许多(如果不是大多数)功能都由大脑的低级区域控制——即延髓(medulla)、脑桥(pons)、中脑(mesencephalon)、下丘脑(hypothalamus)、丘脑(thalamus)、小脑(cerebellum)和基底神经节(basal ganglia)。例如，动脉压和呼吸的潜意识控制主要在延髓和脑桥中实现。平衡的控制是小脑较古老部分与延髓、脑桥和中脑网状结构(reticular substance)的联合功能。摄食反射(feeding reflexes)，如对食物味道的反应引起的唾液分泌和舔唇，由延髓、脑桥、中脑、杏仁核(amygdala)和下丘脑的区域控制。此外，许多情绪模式，如愤怒、兴奋、性反应、对疼痛的反应和对愉悦的反应，即使在大脑皮层(cerebral cortex)大部分被破坏后仍可发生。
高级脑或皮层水平
在了解了发生在脊髓和低级脑水平的许多神经系统功能后，人们可能会问：“大脑皮层还剩下什么功能？”这个问题的答案很复杂，但首先要明确的是，大脑皮层是一个极其庞大的记忆存储库。皮层从不单独运作，而是始终与神经系统的低级中枢协同工作。
没有大脑皮层，低级脑中枢的功能往往是不精确的。皮层信息的庞大存储库通常将这些功能转化为确定性和精确的操作。
最后，大脑皮层对我们的大多数思维过程至关重要，但它不能独立运作。事实上，唤醒大脑皮层的是低级脑中枢，而不是皮层本身，从而为大脑的思维机制打开了记忆库。因此，神经系统的每个部分都执行特定的功能，但正是皮层为思维打开了一个存储信息的世界。
神经系统与计算机的比较
很明显，计算机与神经系统有许多共同特征。首先，所有计算机都有输入电路，可以与神经系统的感觉部分相比较，以及输出电路，类似于神经系统的运动部分。
在简单的计算机中，输出信号直接由输入信号控制，其操作方式类似于脊髓的简单反射。在更复杂的计算机中，输出由输入信号和已经存储在计算机内存中的信息决定，这与人类高级神经系统中更复杂的反射和处理机制类似。此外，随着计算机变得更加复杂，有必要添加另一个称为中央处理单元(central processing unit)的部件，它决定所有操作的顺序。这个单元类似于大脑中的控制机制，它首先将一个人的注意力引导到一个思想、感觉或运动活动，然后引导到另一个，依此类推，直到复杂的思想或行动序列发生。
图46-4是一台计算机的简单框图。即使快速浏览这张图，也能看出它与神经系统的相似性。通用计算机的基本组件与人类神经系统的组件相似，这一事实表明大脑具有计算机的许多特征，持续收集感觉信息，并利用这些信息与存储的信息一起计算日常身体活动的过程。
图46-4. 通用计算机的框图，展示了基本组件及其相互关系。
中枢神经系统突触
信息在中枢神经系统中主要以神经动作电位（称为神经冲动）的形式通过一系列神经元依次传递。然而，每个冲动（1）可能在从一个神经元传递到下一个神经元时被阻断；（2）可能从单个冲动转变为重复冲动；或（3）可能与其他神经元的冲动整合，从而在后续神经元中产生高度复杂的冲动模式。所有这些功能都可以归类为神经元的突触功能。
突触的类型——化学突触和电突触
突触主要有两种类型（图46-5）——（1）化学突触和（2）电突触。
人类中枢神经系统中用于信号传递的大多数突触是化学突触。在这些突触中，第一个神经元在其神经末梢突触处分泌一种称为神经递质（通常称为递质物质）的化学物质，这种递质随后作用于下一个神经元膜上的受体蛋白，以兴奋神经元、抑制神经元或以其他方式改变其敏感性（视频46-1）。迄今为止，已经发现了50多种重要的神经递质。其中一些最著名的是乙酰胆碱、去甲肾上腺素、肾上腺素、组胺、γ-氨基丁酸（GABA）、甘氨酸、血清素和谷氨酸。
在电突触中，相邻细胞的细胞质通过称为间隙连接的离子通道簇直接连接，这些通道允许离子从一个细胞的内部自由移动到下一个细胞的内部。这种连接在第4章中讨论过，正是通过间隙连接和其他类似连接，动作电位在内脏平滑肌（第8章）中从一个平滑肌纤维传递到下一个平滑肌纤维，以及在心肌（第9章）中从一个心肌细胞传递到下一个心肌细胞。
图46-5. （A）化学突触和（B）电突触的生理解剖。
尽管大脑中的大多数突触是化学突触，但电突触和化学突触可能在中枢神经系统中共存并相互作用。电突触的双向传递使它们能够帮助协调大量相互连接的神经元的活动。例如，电突触在检测一组相互连接的神经元中同时发生的亚阈值去极化时非常有用；这能够增加神经元的敏感性，并促进一组相互连接的神经元的同步放电。
“单向”传导在化学突触(chemical synapses)中的作用。化学突触有一个极其重要的特性，使其非常适合传递神经系统信号。这一特性是它们总是单向传递信号——即从分泌神经递质(neurotransmitter)的神经元（称为突触前神经元(presynaptic neuron)）传递到递质作用的神经元（称为突触后神经元(postsynaptic neuron)）。这种现象是化学突触单向传导的原理，它与通过电突触(electrical synapses)的传导不同，后者通常可以双向传递信号。单向传导机制使信号能够定向传递到特定目标。事实上，正是这种将信号传递到神经系统内部和外周神经末梢的离散且高度集中的区域的特定传递方式，使神经系统能够执行其无数的感觉、运动控制、记忆和其他功能。
突触的生理解剖
图46-6显示了脊髓前角中的一个典型的前角运动神经元(anterior motor neuron)。它由三个主要部分组成——胞体(soma)，即神经元的主体；单个轴突(axon)，从胞体延伸到离开脊髓的外周神经；以及树突(dendrites)，它们是胞体的大量分支突起，延伸到脊髓周围区域，长度可达1毫米。
多达10,000至200,000个微小的突触小体(synaptic knobs)（称为突触前末梢(presynaptic terminals)）位于运动神经元的树突和胞体表面，其中约80%至95%位于树突上，只有5%至20%位于胞体上。这些突触前末梢是来自许多其他神经元的神经纤维(nerve fibrils)的末端。许多突触前末梢是兴奋性的——即它们分泌一种神经递质，兴奋突触后神经元。然而，其他突触前末梢是抑制性的——即它们分泌一种神经递质，抑制突触后神经元。
脊髓和大脑其他部位的神经元与前角运动神经元在以下方面有所不同：(1) 细胞体的大小；(2) 树突的长度、大小和数量，长度从几乎为零到许多厘米不等；(3) 轴突的长度和大小；(4) 突触前末梢的数量，可能从仅几个到多达200,000个不等。这些差异使得神经系统各个部位的神经元对传入的突触信号反应不同，从而执行许多不同的功能。
突触前末梢。对突触前末梢的电子显微镜研究显示，它们具有多种解剖形态，但大多数类似于小的圆形或椭圆形小体，因此有时被称为末梢小体(terminal knobs)、突触小体(boutons)、终足(end-feet)或突触小体(synaptic knobs)。
图46-5A展示了一个化学突触(chemical synapse)的基本结构，显示了突触后神经元(postsynaptic neuron)膜表面上的单个突触前终末(presynaptic terminal)。突触前终末与突触后神经元的胞体(soma)之间被一个通常宽200到300埃(Å)的突触间隙(synaptic cleft)隔开。突触前终末有两个对突触的兴奋或抑制功能至关重要的内部结构：递质囊泡(transmitter vesicles)和线粒体(mitochondria)。递质囊泡含有神经递质(neurotransmitter)，当它们释放到突触间隙时，会兴奋或抑制突触后神经元。如果神经元膜含有兴奋性受体(excitatory receptors)，它会兴奋突触后神经元；如果膜含有抑制性受体(inhibitory receptors)，它会抑制神经元。线粒体提供三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)，进而为合成新的递质物质提供能量。
图46-6. 典型的前角运动神经元(anterior motor neuron)，显示神经元胞体和树突(dendrites)上的突触前终末。还请注意单个轴突(axon)。
当动作电位(action potential)扩散到突触前终末时，其膜的去极化(depolarization)会导致少量囊泡将内容物释放到突触间隙中。释放的递质随后与突触后神经元膜上的受体结合，导致其通透性(permeability)特性立即发生变化，并根据神经元受体的特性引起突触后神经元的兴奋或抑制。
突触前终末的递质释放——钙离子的作用
突触前终末的膜被称为突触前膜(presynaptic membrane)。它含有大量的电压门控钙通道(voltage-gated calcium channels)。当动作电位使突触前膜去极化时，这些钙通道打开并允许大量钙离子流入终末（图46-5A）。随后从终末释放到突触间隙中的神经递质的数量与进入的钙离子数量直接相关（视频46-2）。钙离子引起这种释放的确切机制尚不清楚，但据信如下所述。
当钙离子进入突触前终末时，它们与突触前膜内表面的特殊蛋白质分子结合，这些分子被称为释放位点(release sites)。这种结合进而导致释放位点通过膜打开，允许少量递质囊泡在每次动作电位后将它们的递质释放到突触间隙中。对于储存乙酰胆碱(acetylcholine)的囊泡，每个囊泡中含有2,000到10,000个乙酰胆碱分子，突触前终末中有足够的囊泡来传递从几百到超过10,000个动作电位。
递质对突触后神经元的作用——受体蛋白的功能
突触后神经元的膜含有大量的受体蛋白(receptor proteins)，如图46-5A所示。这些受体分子有两个重要组成部分：(1) 一个结合组件(binding component)，从膜向外突出到突触间隙中，在那里结合来自突触前终末的神经递质；(2) 一个细胞内组件(intracellular component)，穿过突触后膜到达突触后神经元的内部。
受体激活通过以下两种方式之一控制突触后细胞中离子通道的开启：(1) 直接门控离子通道，允许特定类型的离子通过膜；或 (2) 激活“第二信使”(second messenger)，它不是离子通道，而是一种分子，伸入细胞质并激活突触后神经元内部的一种或多种物质。这些第二信使增加或减少特定的细胞功能。
直接门控离子通道的神经递质受体通常称为离子型受体(ionotropic receptors)，而通过第二信使系统起作用的受体则称为代谢型受体(metabotropic receptors)。
离子通道。突触后神经元膜中的离子通道通常有两种类型：(1) 阳离子通道(cation channels)，通常在打开时允许钠离子通过，但有时也允许钾离子和/或钙离子通过；(2) 阴离子通道(anion channels)，主要允许氯离子通过，但也允许少量其他阴离子通过。正如第4章所讨论的，这些离子通道对一种或多种特定离子的运输具有高度选择性。这种选择性取决于其直径、形状以及内表面的电荷和化学键。
图46-7。第二信使系统，通过该系统，来自初始神经元的递质物质可以通过首先引起受体的转化变化来激活第二个神经元，该转化变化释放G蛋白的激活α亚基进入第二个神经元的细胞质。图中显示了\textcircled5蛋白的四种后续可能效应，包括：1，打开第二个神经元膜中的离子通道；2，激活神经元膜中的酶系统；3，激活细胞内酶系统；和/或4，引起第二个神经元中的基因转录。当与α亚基结合的三磷酸鸟苷(GTP)水解为二磷酸鸟苷(GDP)并且β和γ亚基重新附着到α亚基时，G蛋白恢复到非活性状态。
传导钠离子的阳离子通道内衬有负电荷。当通道直径增加到大于水合钠离子的尺寸时，这些电荷吸引带正电的钠离子进入通道。然而，这些相同的负电荷排斥氯离子和其他阴离子并阻止它们通过。
对于阴离子通道，当通道直径变得足够大时，氯离子进入通道并通过到另一侧，而钠、钾和钙阳离子被阻挡，主要是因为它们的水合离子太大而无法通过。
我们稍后将了解到，当阳离子通道打开并允许带正电的钠离子进入时，钠离子的正电荷将反过来兴奋该神经元。因此，打开阳离子通道的神经递质称为兴奋性递质(excitatory transmitter)。相反，打开阴离子通道允许负电荷进入，从而抑制神经元。因此，打开这些通道的神经递质称为抑制性递质(inhibitory transmitters)。
当神经递质激活离子通道时，通道通常在几分之一毫秒内打开；当递质不再存在时，通道同样迅速地关闭。离子通道的打开和关闭为突触后神经元的快速控制提供了一种手段。
突触后神经元中的“第二信使”系统。神经系统的许多功能——例如记忆过程——需要在初始递质消失后，神经元发生持续数秒至数月的长时间变化。离子通道不适合引起长时间的突触后神经元变化，因为这些通道在递质不再存在后的几毫秒内就会关闭。然而，在许多情况下，长时间的突触后神经元兴奋或抑制是通过激活突触后神经元细胞内的第二信使化学系统来实现的，然后由第二信使引起长时间的效果。
有几种类型的第二信使系统。其中最常见的一种使用一组称为G蛋白的蛋白质。图46-7显示了一个膜受体G蛋白。非活性的G蛋白复合物在细胞质中自由存在，由二磷酸鸟苷（GDP）加上三个组分组成：一个α（α）组分，它是G蛋白的激活部分，以及附着在α组分上的β（β）和γ（γ）组分。只要G蛋白复合物与GDP结合，它就保持非活性状态。
当受体被神经递质激活后，随着神经冲动的传递，受体发生构象变化，暴露出G蛋白复合物的结合位点，然后G蛋白复合物与突出到细胞内部的受体部分结合。
这一过程允许α亚基释放GDP并同时结合三磷酸鸟苷（GTP），同时与复合物的β和γ部分分离。分离的α-GTP复合物随后可以在细胞质中自由移动，并根据每种类型神经元的具体特性执行一种或多种功能。图46-7显示了以下四种可能发生的变化：
- 通过突触后细胞膜打开特定的离子通道。图中右上角显示的是一个钾离子通道，它响应G蛋白而打开；与不使用第二信使系统的直接激活离子通道的快速关闭相比，该通道通常会保持长时间打开。
- 激活神经元细胞中的环磷酸腺苷（cAMP）或环磷酸鸟苷（cGMP）。回想一下，cAMP或cGMP可以激活神经元中高度特异性的代谢机制，因此可以引发多种化学结果中的任何一种，包括细胞结构本身的长期变化，这反过来又改变了神经元的长期兴奋性。
- 激活一种或多种细胞内酶。G蛋白可以直接激活一种或多种细胞内酶。反过来，这些酶可以引起细胞中的许多特定化学功能。
- 基因转录的激活。基因转录的激活是第二信使系统激活的最重要效应之一，因为基因转录可以导致神经元内新蛋白质的形成，从而改变其代谢机制或结构。众所周知，适当激活的神经元确实会发生结构变化，尤其是在长期记忆过程中。当与α亚基结合的GTP被水解为GDP时，G蛋白的失活发生。这一作用导致α亚基从其靶蛋白上释放，从而使第二信使系统失活，然后再次与β和γ亚基结合，使G蛋白复合物恢复到其非活性状态。
显然，神经元内第二信使系统的激活，无论是G蛋白类型还是其他类型，对于改变不同神经通路的长期反应特性极为重要。我们将在第58章讨论神经系统的记忆功能时更详细地回到这一主题。
突触后膜中的兴奋性或抑制性受体
在激活时，一些突触后受体会引起突触后神经元的兴奋，而另一些则会引起抑制。拥有抑制性和兴奋性类型受体的重要性在于，这一特征为神经功能提供了额外的维度，允许神经活动的抑制和兴奋。
不同受体用于引起兴奋或抑制的不同分子和膜机制包括以下内容。
兴奋
- 钠通道的开放，允许大量正电荷流向突触后细胞的内部。这一作用使细胞内膜电位向正方向上升，接近兴奋的阈值水平。这是引起兴奋的最广泛使用的手段。
- 通过氯离子或钾离子通道或两者的传导受到抑制。这一作用减少了带负电荷的氯离子向突触后神经元内部的扩散，或减少了带正电荷的钾离子向外部的扩散。无论哪种情况，效果都是使内部膜电位比正常情况更正向，这是兴奋性的。
- 突触后神经元内部代谢的各种变化，以激发细胞活动，或在某些情况下增加兴奋性膜受体的数量或减少抑制性膜受体的数量。
抑制
- 突触后神经元膜上氯离子通道的开放。这一作用允许带负电荷的氯离子从突触后神经元外部快速扩散到内部，从而携带负电荷向内，增加内部的负性，这是抑制性的。
- 钾离子从神经元中传导的增加。这一作用允许正离子扩散到外部，导致神经元内部的负性增加；这是抑制性的。
- 受体酶的激活。这抑制细胞代谢功能，并增加抑制性突触受体的数量或减少兴奋性受体的数量。
作为突触传递物质的化学物质
超过50种化学物质已被证明或假设作为突触递质(synaptic transmitters)发挥作用。其中一些列于表46-1和表46-2中，这两张表提供了两组突触递质。一组由小分子、快速作用的递质组成。另一组则由大量分子量更大的神经肽(neuropeptides)组成，它们通常作用更慢。一些气态分子，如一氧化氮(NO)、硫化氢(H2S)和一氧化碳(CO)，也可能作为递质调节剂(transmitter modulators)发挥作用，尽管它们作为真正神经递质(true neurotransmitters)的作用尚不清楚。
小分子、快速作用的递质引起神经系统的大多数急性反应，如将感觉信号传递到大脑和将运动信号传递回肌肉。相比之下，神经肽通常引起更持久的作用，如神经元受体数量的长期变化、某些离子通道的长期开放或关闭，甚至可能引起突触数量或大小的长期变化。
表46-1 小分子、快速作用的递质
<html><body><table><tr><td>第一类 乙酰胆碱(Acetylcholine)</td></tr><tr><td>第二类:胺类(Norepinephrine Epinephrine Dopamine Serotonin Melatonin Histamine)</td></tr><tr><td>第三类:氨基酸类(Gamma-aminobutyric acid Glycine Glutamate Aspartate)</td></tr><tr><td>第四类 ATP 花生四烯酸(Arachidonic acid) 一氧化氮(Nitric oxide) 一氧化碳(Carbonmonoxide)</td></tr></table></body></html>
小分子、快速作用的递质
在大多数情况下，小分子类型的递质在突触前末梢(terminal)的细胞质(cytosol)中合成，并通过主动运输(active transport)被吸收到末梢中的许多递质囊泡(vesicles)中。然后，每当动作电位(action potential)到达突触前末梢时，一次就有几个囊泡将其递质释放到突触间隙(synaptic cleft)中。这一作用通常在一毫秒或更短时间内通过前面描述的机制发生。小分子递质随后对突触后神经元(postsynaptic neuron)膜受体的作用通常也在另一毫秒或更短时间内发生。大多数情况下，其作用是增加或减少通过离子通道的电导(conductance);例如，增加钠电导(sodium conductance)会引起兴奋，而增加钾或氯电导(potassium or chloride conductance)则会引起抑制。
小分子类型囊泡的回收。储存和释放小分子递质的囊泡不断被回收并反复使用。在与突触膜融合并打开释放其递质后，囊泡膜最初只是成为突触膜的一部分。然而，在几秒到几分钟内，膜的囊泡部分内陷回突触前末梢内部，并掐断形成一个新的囊泡。新的囊泡膜仍然含有合成和/或浓缩囊泡内新递质物质所需的适当酶蛋白(enzyme proteins)或转运蛋白(transport proteins)。
表46-2 神经肽、缓慢作用的递质或生长因子
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下丘脑释放激素
- 促甲状腺激素释放激素 (Thyrotropin-releasing hormone)
- 促黄体生成素释放激素 (Luteinizing hormone-releasing hormone)
- 生长抑素 (Somatostatin, growth hormone inhibitory factor)
垂体肽类
- 促肾上腺皮质激素 (Adrenocorticotropic hormone)
- β-内啡肽 (β-Endorphin)
- α-促黑素细胞激素 (α-Melanocyte-stimulating hormone)
- 催乳素 (Prolactin)
- 促黄体生成素 (Luteinizing hormone)
- 促甲状腺激素 (Thyrotropin)
- 生长激素 (Growth hormone)
- 加压素 (Vasopressin)
- 催产素 (Oxytocin)
作用于肠道和大脑的肽类
- 亮氨酸脑啡肽 (Leucine enkephalin)
- 甲硫氨酸脑啡肽 (Methionine enkephalin)
- P物质 (Substance P)
- 胃泌素 (Gastrin)
- 胆囊收缩素 (Cholecystokinin)
- 血管活性肠肽 (Vasoactive intestinal polypeptide)
- 神经生长因子 (Nerve growth factor)
- 脑源性神经营养因子 (Brain-derived neurotropic factor)
- 神经降压素 (Neurotensin)
- 胰岛素 (Insulin)
- 胰高血糖素 (Glucagon)
来自其他组织的肽类
- 血管紧张素II (Angiotensin II)
- 缓激肽 (Bradykinin)
- 肌肽 (Carnosine)
- 睡眠肽 (Sleep peptides)
- 降钙素 (Calcitonin)
乙酰胆碱 (Acetylcholine) 是一种典型的小分子神经递质，遵循前面提到的合成和释放原则。这种递质物质在突触前终末中由乙酰辅酶A和胆碱在胆碱乙酰转移酶 (choline acetyltransferase) 的作用下合成。随后，它被运输到特定的囊泡中。当囊泡在突触神经元信号传递过程中将乙酰胆碱释放到突触间隙时，乙酰胆碱会被存在于填充突触间隙的蛋白多糖网状结构中的胆碱酯酶 (cholinesterase) 迅速分解为乙酸和胆碱。然后，在突触前终末内，囊泡被回收，胆碱被主动运输回终末，以再次用于合成新的乙酰胆碱。
一些重要的小分子神经递质的特性
乙酰胆碱由神经系统许多区域的神经元分泌，特别是由以下神经元分泌：
- 运动皮层大锥体细胞的终末；
- 基底神经节中的几种不同类型的神经元；
- 支配骨骼肌的运动神经元；
- 自主神经系统的节前神经元；
- 副交感神经系统的节后神经元；
- 交感神经系统的一些节后神经元。
在大多数情况下，乙酰胆碱具有兴奋作用；然而，已知在某些外周副交感神经末梢具有抑制作用，例如迷走神经对心脏的抑制。
去甲肾上腺素 (Norepinephrine) 由许多神经元的终末分泌，这些神经元的细胞体位于脑干和下丘脑。具体来说，位于脑桥蓝斑 (locus ceruleus) 的去甲肾上腺素分泌神经元向大脑的广泛区域发送神经纤维，以帮助控制整体活动和情绪，例如提高清醒水平。在大多数这些区域，去甲肾上腺素可能激活兴奋性受体，但在少数区域，它激活抑制性受体。去甲肾上腺素也由交感神经系统的大多数节后神经元分泌，在那里它兴奋某些器官但抑制其他器官。
多巴胺(dopamine)由起源于黑质(substantia nigra)的神经元分泌。这些神经元的末梢主要终止于基底神经节(basal ganglia)的纹状体(striatal)区域。多巴胺的作用通常是抑制性的。
甘氨酸(glycine)主要在脊髓(spinal cord)的突触处分泌。它被认为总是作为抑制性递质(inhibitory transmitter)发挥作用。
γ-氨基丁酸(Gamma-aminobutyric acid, GABA)由脊髓、小脑(cerebellum)、基底神经节和大脑皮层(cortex)许多区域的神经末梢分泌。它是成年中枢神经系统(central nervous system)中主要的抑制性神经递质。然而，在大脑发育的早期阶段，包括胚胎期(embryonic period)和出生后第一周，GABA被认为起到兴奋性神经递质(excitatory neurotransmitter)的作用。
谷氨酸(glutamate)由许多进入中枢神经系统的感觉通路以及大脑皮层许多区域的突触前末梢(presynaptic terminals)分泌。它很可能总是引起兴奋。
5-羟色胺(serotonin)由起源于脑干(brain stem)中缝核(median raphe)并投射到大脑和脊髓许多区域的核团分泌，尤其是脊髓背角(dorsal horns)和下丘脑(hypothalamus)。5-羟色胺在脊髓中作为痛觉通路的抑制剂发挥作用；在神经系统较高区域的抑制作用被认为有助于控制人的情绪，甚至可能引起睡眠。
一氧化氮(nitric oxide)由负责长期行为和记忆的大脑区域的神经末梢产生。因此，这种气体递质(gaseous transmitter)可能在未来解释一些迄今为止难以理解的行为和记忆功能。一氧化氮在突触前末梢的形成机制和对突触后神经元(postsynaptic neuron)的作用方面与其他小分子递质(small-molecule transmitters)不同。它不像其他递质那样预先形成并储存在突触前末梢的囊泡(vesicles)中。相反，它几乎在需要时立即合成，然后在几秒钟内从突触前末梢扩散出去，而不是以囊泡包的形式释放。接下来，它扩散到附近的突触后神经元中。在突触后神经元中，它通常不会显著改变膜电位(membrane potential)，而是改变细胞内代谢功能，从而在几秒、几分钟甚至更长时间内改变神经元的兴奋性(neuronal excitability)。
神经肽(Neuropeptides)
神经肽的合成方式不同，其作用通常较慢，在其他方面也不同于小分子递质。神经肽不是在突触前末梢的细胞质(cytosol)中合成的。相反，它们是由神经元细胞体内的核糖体(ribosomes)作为大蛋白质分子的组成部分合成的。
蛋白质分子随后进入细胞体内质网(endoplasmic reticulum)的空间，随后进入高尔基体(Golgi apparatus)，在那里发生两个变化。首先，形成神经肽(neuropeptide)的蛋白质被酶促分裂成较小的片段，其中一些片段要么是神经肽本身，要么是其前体。其次，高尔基体将神经肽包装成微小的递质囊泡(transmitter vesicles)，这些囊泡被释放到细胞质中。然后，递质囊泡通过轴突细胞质的轴突流(axonal streaming)以每天仅几厘米的缓慢速度一直运输到神经纤维的尖端。最后，这些囊泡在神经元末梢响应动作电位(action potentials)释放其递质，其方式与小分子递质(small-molecule transmitters)相同。然而，囊泡被自溶(autolyzed)并且不再重复使用。
由于这种形成神经肽的费力方法，通常释放的神经肽数量比小分子递质少得多。这种差异部分被以下事实所补偿：神经肽通常比小分子递质强效一千倍或更多。神经肽的另一个重要特征是它们通常引起更持久的作用。其中一些作用包括钙通道(calcium channels)的长时间关闭、细胞代谢机制的长时间变化、细胞核中特定基因激活或失活的长时间变化，以及/或兴奋性或抑制性受体数量的长时间改变。其中一些效应持续数天，但其他效应可能持续数月或数年。我们对神经肽功能的了解才刚刚开始发展。
神经肽和小分子递质可能共存于同一神经元中。缓慢作用的神经肽递质和快速作用的小分子递质通常存储并释放自同一神经元。在某些情况下，这些递质中的两种或更多种共定位于同一突触囊泡(synaptic vesicles)中，并在动作电位到达突触前末梢(presynaptic terminal)时共同释放（图46-8A）。在其他情况下，这些递质可能定位于同一神经元的不同突触囊泡群体中，并有助于信号向突触后神经元(postsynaptic neuron)的共同传递。此外，由于不同的钙离子敏感性（图46-8B）或囊泡在不同突触扣(boutons)上的空间分离（图46-8C），它们的释放可能受到不同的调节。
图46-8. 神经递质的共释放(co-release)和神经元信号的共传递(co-transmission)。A，在共释放中，两种递质（绿色和紫色）储存在同一组突触小泡(synaptic vesicles)中，当动作电位(action potential)到达突触前末梢(presynaptic terminal)时一起释放。B，在共传递中，递质储存在不同群体的突触小泡中，其释放由不同的钙离子(C a^2+)敏感性介导；单个动作电位可能释放一组小泡（绿色），而多个动作电位可能需要释放两组小泡（绿色和紫色）。C，共传递还可以依赖于小泡群体在不同突触末梢(boutons)中的空间分离，从而允许将统一的信息传递到不同的突触后靶点(postsynaptic targets)。
递质的共释放和信号的共传递显然具有重要的功能意义。从同一突触前神经元释放的每种不同递质都有其特定的受体，并可能对突触后靶点产生抑制性或兴奋性影响。不同的神经元可能释放不同组合的快速作用递质，这些递质直接激活突触后受体，以及需要激活第二信使级联(second messenger cascades)和突触后基因表达变化的慢速作用递质。
在位于脑干(brain stem)的raphe nucleus中发现了两种小分子递质的共释放例子。这些神经元为多个脑区提供神经支配(innervation)，它们可以共释放血清素(serotonin)和谷氨酸(glutamate)，并在睡眠和觉醒周期中发挥重要作用（见第59章和第60章）。
神经元兴奋期间的电气事件
神经元兴奋期间的电气事件尤其在脊髓前角(anterior horns)的大运动神经元(motor neurons)中得到了研究。因此，接下来的几节中描述的事件主要适用于这些神经元。除了数量上的差异外，它们也适用于神经系统中的大多数其他神经元。
神经元胞体(soma)的静息膜电位(resting membrane potential)。
图46-9显示了脊髓运动神经元的胞体，其静息膜电位约为-65毫伏(mV)。这个静息膜电位比在外周大神经纤维和骨骼肌纤维中发现的静息膜电位稍微不那么负；较低的电压很重要，因为它允许对神经元的兴奋性进行正向和负向控制。也就是说，将电压降低到较不负的值会使神经元的膜更易兴奋，而将电压增加到更负的值会使神经元更不易兴奋。这种机制是神经元两种功能模式——兴奋或抑制——的基础，如下一节所述。
神经元胞体膜上的离子浓度差异
图46-9还显示了神经元胞体膜上三种对神经元功能最重要的离子——钠离子、钾离子和氯离子的浓度差异。在该图的顶部，钠离子浓度在细胞外液(142~mEq/L)中较高，但在神经元内部(14mEq/L)较低。这种钠浓度梯度是由强大的胞体膜钠泵(somal membrane sodium pump)引起的，该泵不断将钠离子泵出神经元。
图46-9. 钠离子、钾离子和氯离子在神经元胞体膜上的分布；胞内膜电位的起源。
图46-9还显示，钾离子在神经元胞体内的浓度较高（120~mEq/L），而在细胞外液中的浓度较低（4.5mEq/L）。此外，图中还显示存在一个钾泵（Na+-K+泵的另一半），它将钾离子泵入细胞内。
图46-9描绘了氯离子在细胞外液中的浓度较高，而在神经元内的浓度较低。膜对氯离子可能有一定的通透性，并且可能存在一个较弱的氯泵。然而，神经元内氯离子浓度低的主要原因之一是神经元内的-65 mV电位。也就是说，这个负电压排斥带负电荷的氯离子，迫使它们通过通道向外移动，直到膜内的浓度远低于膜外。
让我们回顾一下第4章和第5章的内容，如果细胞膜两侧的电势具有适当的极性和大小，它可以阻止离子通过膜的移动。完全阻止某种离子移动的电势称为该离子的能斯特电位（Nernst potential），由以下公式表示：
E M F\left(m V\right)=\pm61×l o g\left(\fracC o n c e n t r a t i o n~i n s i d eC o n c e n t r a t i o n~o u t s i d e\right)
其中，E M F（电动势）是膜内侧的能斯特电位，单位为毫伏。对于正离子，电位为负(-)，对于负离子，电位为正(+)。
现在让我们计算能够完全阻止钠离子、钾离子和氯离子移动的能斯特电位。
对于图46-9中所示的钠离子浓度差异（外部为142mEq/L，内部为14mEq/L），完全阻止钠离子通过钠通道移动的膜电位计算为+61mV。然而，实际的膜电位为-65mV，而不是+61~mV。因此，泄漏到细胞内的钠离子会立即被钠泵泵回细胞外，从而维持神经元内的-65-mV负电位。
对于钾离子，神经元内的浓度梯度为120 mEq/L，外部为4.5mEq/L。该浓度梯度计算出的能斯特电位为神经元内的-86mV，比实际存在的-65更负。因此，由于细胞内钾离子浓度较高，钾离子有向神经元外扩散的净趋势，但这一趋势被持续将这些钾离子泵回细胞内的过程所抵消。
最后，氯离子梯度，外部为107mEq/L，内部为8mEq/L，在神经元内部产生的Nernst电位为-70mV，这仅比实际测量值-65mV略负。因此，氯离子倾向于非常轻微地泄漏到神经元内部，但那些泄漏的离子可能会通过主动的氯离子泵被移回外部。
请记住这三个Nernst电位，并记住不同离子倾向于扩散的方向，因为这些信息对于理解通过突触激活或离子通道失活对神经元的兴奋和抑制非常重要。
神经元胞体内电位的均匀分布。神经元胞体内部含有高度导电的电解液，即神经元的细胞内液。此外，神经元胞体的直径较大（从10到80微米），导致电流从胞体内部的一部分传导到另一部分几乎没有阻力。因此，只要神经元不传递动作电位，胞体内液任何部分的电位变化都会导致胞体内部所有其他点的电位几乎完全相等的变化。这一原理很重要，因为它在从多个来源进入神经元的信号的“总和”中起着重要作用，我们将在本章的后续部分中看到。
突触兴奋对突触后膜的影响——兴奋性突触后电位。图46-10A显示了静息神经元，其表面有一个未兴奋的突触前终端。胞体各处的静息膜电位为-65mV。
图46-10B显示了一个突触前终端，它向终端和神经元胞体膜之间的裂隙分泌了兴奋性递质。这种递质作用于膜的兴奋性受体，增加了膜对N a^+的通透性。由于钠离子浓度梯度大且神经元内部电负性大，钠离子迅速扩散到膜内部。
带正电的钠离子迅速流入内部，中和了部分静息膜电位的负性。因此，在图46-10B中，静息膜电位从-65增加到-45mV。这种电压的正向增加——即达到比正常静息神经元电位更不负的值——被称为兴奋性突触后电位（EPSP），因为如果这种电位在正向上升得足够高，它将引发突触后神经元的动作电位，从而兴奋它。（在这种情况下，EPSP为+20mV——即比静息值正向增加了20mV。）
图46-10. 神经元的三种状态。A，静息神经元，具有正常的神经元内电位-65~m V。B，兴奋状态的神经元，由于钠离子流入导致神经元内电位较不负(-45mV)。C，抑制状态的神经元，由于钾离子流出、氯离子流入或两者兼而有之，导致神经元内膜电位更负(-70m V)。
单个突触前终末的放电永远无法将神经元电位从-65~mV提升到-45mV。这种幅度的提升需要多个终末同时或快速连续放电——对于典型的前角运动神经元来说，大约需要40到80个终末。这种同时放电通过一个称为总和(summation)的过程发生，这将在接下来的章节中讨论。
轴突起始段动作电位的产生——兴奋阈值
当兴奋性突触后电位(EPSP)在正方向上上升到足够高的水平时，就会达到一个点，此时这种上升会在神经元中引发动作电位。然而，动作电位并不是在兴奋性突触附近开始的，而是在轴突离开神经元胞体的起始段开始的。动作电位在此处产生的主要原因是，胞体膜上的电压门控钠通道相对较少，这使得EPSP难以打开足够数量的钠通道来引发动作电位。相反，轴突起始段的膜上电压门控钠通道的浓度是胞体的七倍，因此比胞体更容易产生动作电位。在轴突起始段引发动作电位所需的EPSP介于+10到+20mV之间，而胞体则需要+30或+40mV甚至更高。
一旦动作电位开始，它会沿着轴突向外周传播，通常也会反向传播到胞体。在某些情况下，它会反向传播到树突，但不会传播到所有树突，因为树突和神经元胞体一样，电压门控钠通道非常少，因此通常根本无法产生动作电位。因此，在图46-10B中，神经元的兴奋阈值显示为约-45mV，这代表+20mV的EPSP——即比正常静息神经元电位-65mV正20~mV。
神经元抑制期间的电位变化
抑制性突触对突触后膜的影响——抑制性突触后电位
抑制性突触主要打开氯离子通道，使氯离子更容易通过。要理解抑制性突触如何抑制突触后神经元，我们必须回顾一下关于氯离子Nernst电位的知识。我们计算出氯离子的Nernst电位约为-70mV。这个电位比静息神经元膜内通常存在的-65~mV更负。因此，打开氯离子通道将使带负电的氯离子从细胞外液移动到细胞内，从而使膜内电位比正常情况更负，接近-70mV的水平。
打开钾离子通道( potassium channels )将允许带正电荷的钾离子移动到细胞外，同时也会使膜内电位比平时更负。因此，氯离子内流( chloride influx )和钾离子外流( potassium efflux )都会增加细胞内负电性的程度，称为超极化( hyperpolarization )。由于膜电位比正常的细胞内电位更负，神经元被抑制。因此，负电性增加到超过正常静息膜电位水平时，称为抑制性突触后电位( inhibitory postsynaptic potential, IPSP )。
图46-10C显示了抑制性突触激活对膜电位的影响，允许氯离子内流和/或钾离子外流，膜电位从正常值-65mV下降到更负的值-70mV。这个膜电位比正常值负5 mV，因此是一个-5mV的IPSP，它抑制了神经信号通过突触的传递。
突触前抑制( Presynaptic Inhibition )
除了由作用于神经元膜的抑制性突触引起的突触后抑制外，突触前抑制( presynaptic inhibition )通常发生在信号到达突触之前的突触前末梢。
突触前抑制是由抑制性物质释放到突触前神经纤维( presynaptic nerve fibrils )的外部引起的，这些纤维的末端终止于突触后神经元。在大多数情况下，抑制性递质是GABA，它打开阴离子通道( anion channels )，允许大量氯离子扩散到末梢纤维中。这些离子的负电荷抑制了突触传递，因为它们抵消了动作电位到达时进入末梢纤维的带正电荷的钠离子的兴奋性效应。
突触前抑制发生在神经系统的许多感觉通路中。事实上，相邻的感觉神经纤维经常相互抑制，这最大限度地减少了感觉通路中信号的横向扩散和混合。我们将在后续章节中更详细地讨论这一现象的重要性。
突触后电位的时间过程( Time Course of Postsynaptic Potentials )
当兴奋性突触兴奋前运动神经元时，神经元膜对钠离子的通透性在1到2毫秒内变得非常高。在这短暂的时间内，足够的钠离子扩散到突触后运动神经元的内部，使其神经元内电位增加几毫伏，从而产生图46-11中蓝色和绿色曲线所示的兴奋性突触后电位( EPSP )。然后，这个电位在接下来的15~毫秒内缓慢下降，因为这是多余的正电荷从兴奋的神经元中泄漏出来并重新建立正常静息膜电位所需的时间。
对于IPSP，情况正好相反。也就是说，抑制性突触在1到2毫秒内增加了膜对钾离子或氯离子或两者的通透性，这一作用使神经元内电位降低到比正常值更负的值，从而产生IPSP。这个电位也在大约15毫秒内消失。
其他类型的递质可以在更长的时间内兴奋或抑制突触后神经元——数百毫秒甚至数秒、数分钟或数小时。这对于一些神经肽递质尤其如此。
神经元中的“空间总和”(Spatial Summation)——兴奋阈值
神经元表面单个突触前末梢的兴奋几乎不会引起神经元的兴奋。单个末梢释放的神经递质引起的兴奋性突触后电位(EPSP)通常不超过0.5到1~mV，而达到兴奋阈值通常需要10到20mV。
然而，许多突触前末梢通常同时受到刺激。尽管这些末梢分布在神经元的广泛区域，但它们的效果仍然可以相加；也就是说，它们可以相互叠加，直到神经元兴奋发生。我们之前指出，胞体内任何一点的电位变化都会导致胞体内各处的电位几乎同等变化。因此，对于每个同时放电的兴奋性突触，胞内总电位会变得更正0.5到1.0mV。当EPSP足够大时，将达到兴奋阈值，动作电位将在轴突的起始段自发产生，如图46-11所示。图中最低的突触后电位是由4个突触同时刺激引起的；下一个更高的电位是由8个突触刺激引起的；最后，更高的EPSP是由16个突触刺激引起的。在最后一种情况下，达到了兴奋阈值，轴突中产生了动作电位。
图46-11. 兴奋性突触后电位。这表明仅少数突触同时放电不会引起足够的总和电位以引发动作电位，但许多突触同时放电会将总和电位提高到兴奋阈值并引起叠加的动作电位。
通过在神经元膜广泛分布的区域激活多个末梢来总和同时发生的突触后电位的效果称为空间总和(Spatial Summation)。
由突触前末梢连续放电引起的“时间总和”(Temporal Summation)
每次突触前末梢放电时，释放的神经递质物质最多打开膜通道1到2毫秒。然而，突触膜通道关闭后，突触后电位的变化持续长达15毫秒。因此，同一通道的第二次打开可以将突触后电位提高到更高的水平，刺激速率越快，突触后电位越大。因此，单个突触前末梢的连续放电，如果发生得足够快，可以相互叠加；也就是说，它们可以总和。这种类型的总和称为时间总和(Temporal Summation)。
抑制性和兴奋性突触后电位的同时总和。如果IPSP倾向于将膜电位降低到更负的值，而EPSP同时倾向于增加电位，这两种效果可以完全或部分相互抵消。因此，如果神经元被EPSP兴奋，来自另一个来源的抑制信号通常可以将突触后电位降低到低于兴奋阈值，从而关闭神经元的活动。
神经元的易化(Facilitation of Neurons)
通常，突触后电位的总和是兴奋性的，但尚未上升到足以达到突触后神经元放电的阈值。当这种情况发生时，神经元被称为被易化(facilitated)。也就是说，其膜电位比正常情况更接近放电阈值，但尚未达到放电水平。因此，从其他来源进入神经元的另一个兴奋性信号可以非常容易地激发神经元。神经系统中的弥散信号通常会易化大量神经元，使它们能够快速且容易地对来自其他来源的信号做出反应。
树突在激发神经元中的特殊功能
树突的大空间激发场。前运动神经元的树突通常从神经元胞体向各个方向延伸500至1000微米，这些树突可以从运动神经元周围的大空间区域接收信号。这一特征为来自许多独立突触前神经纤维的信号总和提供了广泛的机会。
同样重要的是，前运动神经元的所有突触前末梢中，有80%到95%终止于树突，而只有5%到20%终止于神经元胞体。因此，大部分兴奋性信号是通过树突传递的。
大多数树突不能传递动作电位——但它们可以通过电紧张传导(electrotonic conduction)在同一神经元内传递信号。大多数树突无法传递动作电位，因为它们的膜上相对较少的电压门控钠通道，且它们的激发阈值太高，无法产生动作电位。然而，它们确实通过电紧张电流将信号传递到胞体。电紧张电流的传递意味着电流通过树突液体中的离子传导直接传播，但不产生动作电位。这种电流对神经元的刺激（或抑制）具有特殊特性，如下所述。
树突中电紧张传导的衰减——靠近胞体的突触具有更大的兴奋性（或抑制性）效应。在图46-12中，多个兴奋性和抑制性突触显示刺激神经元的树突。在左侧的两根树突上，靠近末梢处有兴奋性效应。注意这些末梢处的高水平EPSP（即这些点的膜电位较不负）。然而，大部分EPSP在到达胞体之前就丢失了。树突很长，它们的膜很薄，并且至少部分对钾离子和氯离子具有通透性，使它们对电流“泄漏”。因此，在兴奋性电位到达胞体之前，大部分电位通过膜泄漏而丢失。这种膜电位在沿树突向胞体电紧张传播时的减少称为衰减传导(decremental conduction)。
兴奋性突触离神经元胞体越远，衰减越大，到达胞体的兴奋性信号就越少。因此，靠近胞体的突触在引起神经元兴奋或抑制方面的效果远大于远离胞体的突触。
树突中兴奋和抑制的总和
图46-12中最上方的树突(dendrite)显示同时受到兴奋性突触(excitatory synapse)和抑制性突触(inhibitory synapse)的刺激。在树突的尖端有一个强的兴奋性突触后电位(EPSP)，但在靠近胞体(soma)的地方有两个抑制性突触作用于同一树突。这些抑制性突触提供了一个超极化电压(hyperpolarizing voltage)，完全抵消了兴奋性效应，并且实际上通过电紧张传导(electrotonic conduction)向胞体传递了少量的抑制。因此，树突可以像胞体一样对兴奋性和抑制性突触后电位(IPSPs)进行总和。图中还显示了几个直接位于轴突丘(axon hillock)和轴突起始段(initial axon segment)上的抑制性突触。这个位置提供了特别强大的抑制，因为它直接提高了在动作电位(action potential)通常产生的点的兴奋阈值(threshold for excitation)。
图46-12. 位于树突上的突触前终末对神经元的刺激，显示了左侧两个树突中兴奋性(E)电紧张电位的递减传导(decremental conduction)以及最上方树突中树突兴奋的抑制(I)。还显示了轴突起始段上抑制性突触的强大效应。
图46-13. 不同类型神经元对不同兴奋状态水平的反应特性。
神经元的兴奋状态和放电频率
“兴奋状态(Excitatory State)”是神经元兴奋性驱动(excitatory drive)的总和程度。如果在任何给定时刻，神经元的兴奋程度高于抑制程度，则神经元处于兴奋状态。相反，如果抑制程度高于兴奋程度，则神经元处于抑制状态。
当神经元的兴奋状态上升到超过兴奋阈值(threshold for excitation)时，只要兴奋状态保持在该水平，神经元就会重复放电。图46-13显示了三种类型神经元对不同兴奋状态水平的反应。注意，神经元1的兴奋阈值较低，而神经元3的兴奋阈值较高。但也要注意，神经元2的最大放电频率最低，而神经元3的最大放电频率最高。
中枢神经系统(central nervous system)中的一些神经元会持续放电，因为即使是正常的兴奋状态也高于阈值水平。通常可以通过进一步增加其兴奋状态来进一步提高其放电频率。通过在神经元上叠加抑制状态，可以降低放电频率，甚至可以停止放电。因此，不同的神经元有不同的反应方式，有不同的兴奋阈值，并且有广泛不同的最大放电频率。稍加想象，人们可以很容易理解拥有这些多种反应特性的不同神经元对执行神经系统广泛功能的重要性。
突触传递的特殊特性
突触传递的疲劳 (Fatigue of Synaptic Transmission)
当兴奋性突触 (excitatory synapses) 被快速重复刺激时，突触后神经元 (postsynaptic neuron) 的放电次数最初非常多，但在随后的几毫秒或几秒内，放电频率逐渐降低。这种现象被称为突触传递的疲劳 (fatigue of synaptic transmission)。
疲劳是突触功能的一个极其重要的特征，因为当神经系统的某些区域过度兴奋时，疲劳会使它们在一段时间后失去这种过度的兴奋性。例如，疲劳可能是癫痫发作期间大脑过度兴奋最终被抑制从而使发作停止的最重要机制。因此，疲劳的发展是对抗神经元过度活动的一种保护机制。这一主题将在第47章关于回响神经元回路 (reverberating neuronal circuits) 的描述中进一步讨论。
疲劳的机制主要是突触前末梢 (presynaptic terminals) 中神经递质 (transmitters) 储存的耗尽或部分耗尽。许多神经元的兴奋性末梢只能储存足够的兴奋性递质来引发约10,000次动作电位 (action potentials)，而在快速刺激下，递质可能在几秒到几分钟内耗尽。疲劳过程的部分原因可能还来自另外两个因素：(1) 突触后膜 (postsynaptic membrane) 上许多受体的逐渐失活 (inactivation)；(2) 突触后神经元细胞内离子浓度异常的缓慢发展。
酸中毒或碱中毒对突触传递的影响 (Effect of Acidosis or Alkalosis on Synaptic Transmission)
大多数神经元对周围组织液 (interstitial fluids) 的pH变化高度敏感。通常情况下，碱中毒 (alkalosis) 会显著增加神经元的兴奋性。例如，动脉血pH从正常值7.4上升到7.8至8.0时，通常会由于部分或全部大脑神经元的兴奋性增加而导致脑癫痫发作。对于易患癫痫的人来说，即使是短时间的过度通气 (hyperventilation)（排出二氧化碳并升高pH）也可能引发癫痫发作。
相反，酸中毒 (acidosis) 会显著抑制神经元活动；pH从7.4下降到7.0以下通常会导致昏迷状态。例如，在非常严重的糖尿病或尿毒症酸中毒中，几乎总是会出现昏迷。
缺氧对突触传递的影响 (Effect of Hypoxia on Synaptic Transmission)
神经元的兴奋性也高度依赖于充足的氧气供应。仅停止供氧几秒钟就可能导致某些神经元完全失去兴奋性。当大脑血流暂时中断时，可以观察到这种效应，因为在3到7秒内，人会失去意识。
药物对突触传递的影响 (Effect of Drugs on Synaptic Transmission)
已知许多药物可以增加神经元的兴奋性，而另一些药物则可以降低兴奋性。例如，咖啡、茶和可可中分别含有的咖啡因 (caffeine)、茶碱 (theophylline) 和可可碱 (theobromine) 都能增加神经元的兴奋性，可能是通过降低神经元兴奋的阈值 (threshold) 来实现的。
士的宁(Strychnine)是所有增加神经元兴奋性(neuronal excitability)的药物中最著名的一种。然而，它并不是通过降低神经元的兴奋阈值来实现这一点的；相反，它抑制了一些通常具有抑制作用的神经递质(neurotransmitter)的作用，尤其是甘氨酸(glycine)在脊髓中的抑制作用。因此，兴奋性递质的作用变得压倒性，神经元变得如此兴奋以至于它们进入快速重复放电状态，导致严重的强直性肌肉痉挛(tonic muscle spasms)。
大多数麻醉剂(anesthetics)会增加神经元膜的兴奋阈值，从而减少神经系统中多个突触的传递。由于许多麻醉剂特别易溶于脂质(lipid-soluble)，其中一些可能会改变神经元膜的物理特性，使它们对兴奋性药物的反应减弱。
突触延迟(Synaptic Delay)。在神经信号从突触前神经元(presynaptic neuron)传递到突触后神经元(postsynaptic neuron)的过程中，会消耗一定的时间，包括：(1) 突触前末梢释放神经递质；(2) 神经递质扩散到突触后神经元膜；(3) 神经递质作用于膜受体；(4) 受体作用增加膜通透性；(5) 钠离子向内扩散，使兴奋性突触后电位(EPSP)升高到足以引发动作电位(action potential)的水平。即使在大量的兴奋性突触同时被刺激的情况下，所有这些事件发生所需的最短时间约为0.5毫秒，称为突触延迟。神经生理学家(neurophysiologists)可以测量神经元池中输入冲动(input volley)与随之而来的输出冲动(output volley)之间的最小延迟时间。通过测量延迟时间，可以估算出回路中串联神经元的数量。
感觉感受器与信息处理的神经回路
我们对体内信号和周围世界的感知是由一个复杂的感觉感受器系统介导的，这些感受器能够检测诸如触觉、声音、光线、疼痛、寒冷和温暖等刺激。在本章中，我们将讨论这些感受器如何将感觉刺激转化为神经信号，并传递到中枢神经系统进行处理的基本机制。
感觉感受器的类型及其检测的刺激
表47-1列出并分类了五种基本类型的感觉感受器：(1) 机械感受器(mechanoreceptors)，检测感受器或其邻近组织的机械压缩或拉伸；(2) 温度感受器(thermoreceptors)，检测温度变化，其中一些感受器检测寒冷，另一些检测温暖；(3) 伤害感受器(nociceptors，疼痛感受器)，检测组织中发生的物理或化学损伤；(4) 电磁感受器(electromagnetic receptors)，检测眼睛视网膜上的光线；(5) 化学感受器(chemoreceptors)，检测口腔中的味觉、鼻腔中的嗅觉、动脉血中的氧水平、体液的渗透压(osmolality)、二氧化碳浓度以及其他构成身体化学环境的因素。
我们将讨论几种特定类型感受器的功能，主要是外周机械感受器，以说明感受器运作的一些原理。其他感受器将在其他章节中讨论，涉及它们所服务的感觉系统。图47-1展示了在皮肤或身体深层组织中发现的几种机械感受器类型。
感受器的差异敏感性
两种类型的感觉感受器如何检测不同类型的感觉刺激？答案是“通过差异敏感性”。也就是说，每种类型的感受器对其设计用于检测的某种刺激高度敏感，而对其他类型的感觉刺激几乎无反应。因此，眼睛的视杆细胞和视锥细胞对光线高度敏感，但对正常范围内的热、冷、眼球压力或血液中的化学变化几乎完全没有反应。下丘脑视上核的渗透压感受器(osmoreceptors)能够检测体液中微小的渗透压变化，但从未被发现对声音有反应。最后，皮肤中的疼痛感受器几乎不会被通常的触觉或压力刺激激活，但当触觉刺激严重到足以损伤组织时，它们会变得高度活跃。
感觉模式——“标记线”原则
我们能够体验的每种主要感觉类型——疼痛、触觉、视觉、听觉等——被称为感觉模式(modality of sensation)。然而，尽管我们体验这些不同的感觉模式，神经纤维仅传递冲动。那么，不同的神经纤维如何传递不同的感觉模式呢？
答案是，每条神经束都在中枢神经系统(central nervous system)的特定点终止，当神经纤维受到刺激时感受到的感觉类型取决于该纤维在神经系统中导向的点。例如，如果一条痛觉纤维受到刺激，无论是什么类型的刺激激发了该纤维，人都会感受到疼痛。刺激可以是电刺激、纤维过热、纤维挤压或组织细胞损伤对痛觉神经末梢的刺激。在所有这些情况下，人都会感受到疼痛。同样，如果触觉纤维通过触觉感受器的电刺激或以任何其他方式受到刺激，人会感受到触觉，因为触觉纤维导向大脑中的特定触觉区域。类似地，来自眼睛视网膜的纤维终止于大脑的视觉区域，来自耳朵的纤维终止于大脑的听觉区域，温度纤维终止于温度区域。
神经纤维仅传递一种感觉类型的这种特异性被称为标记线原理(labeled line principle)。
感觉刺激转换为神经冲动
神经末梢的局部电流——感受器电位(receptor potentials)
所有感觉感受器都有一个共同特征。无论激发感受器的刺激类型是什么，其直接效果都是改变感受器的膜电位。这种电位变化被称为感受器电位(receptor potential)。
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表47-1 感觉受体的分类
1. 机械感受器 (Mechanoreceptors)
皮肤触觉感受 (Skin tactile sensibilities) (表皮和真皮)
- 游离神经末梢 (Free nerve endings)
- 扩展尖端末梢 (Expanded tip endings)
- Merkel盘 (Merkel's discs)
- 其他几种变体
- 喷射末梢 (Spray endings)
- Ruffini末梢 (Ruffini's endings)
- 包裹末梢 (Encapsulated endings)
- Meissner小体 (Meissner's corpuscles)
- Krause小体 (Krause's corpuscles)
- 毛发末梢器官 (Hair end-organs)
深层组织感受 (Deep tissue sensibilities)
- 游离神经末梢 (Free nerve endings)
- 扩展尖端末梢 (Expanded tip endings)
- 喷射末梢 (Spray endings)
- Ruffini末梢 (Ruffini's endings)
- 包裹末梢 (Encapsulated endings)
- Pacinian小体 (Pacinian corpuscles)
- 其他几种变体
- 肌肉末梢 (Muscle endings)
- 肌梭 (Muscle spindles)
- Golgi腱器官 (Golgi tendon receptors)
听觉 (Hearing)
- 耳蜗的声音感受器 (Sound receptors of cochlea)
平衡 (Equilibrium)
- 前庭感受器 (Vestibular receptors)
动脉压 (Arterial pressure)
- 颈动脉窦和主动脉的压力感受器 (Baroreceptors of carotid sinuses and aorta)
II. 温度感受器 (Thermoreceptors)
冷 (Cold)
- 冷感受器 (Cold receptors)
温暖 (Warmth)
- 温暖感受器 (Warm receptors)
III. 伤害感受器 (Nociceptors)
疼痛 (Pain)
- 游离神经末梢 (Free nerve endings)
IV. 电磁感受器 (Electromagnetic Receptors)
视觉 (Vision)
- 视杆细胞 (Rods)
- 视锥细胞 (Cones)
V. 化学感受器 (Chemoreceptors)
味觉 (Taste)
- 味蕾的感受器 (Receptors of taste buds)
嗅觉 (Smell)
- 嗅上皮的感受器 (Receptors of olfactory epithelium)
动脉氧 (Arterial oxygen)
- 主动脉体和颈动脉体的感受器 (Receptors of aortic and carotid bodies)
渗透压 (Osmolality)
- 视上核或其附近的神经元 (Neurons in or near supraoptic nuclei)
血液CO2 (Blood CO2)
- 延髓表面或主动脉体和颈动脉体的感受器 (Receptors in or on surface of medulla and in aortic and carotid bodies)
血糖、氨基酸、脂肪酸 (Blood glucose, amino acids, fatty acids)
感受器电位(Receptor Potential)的机制
不同的感受器可以通过以下几种方式被兴奋，从而产生感受器电位(Receptor Potential)：
- 通过感受器的机械变形(Mechanical Deformation)，拉伸感受器膜并打开离子通道；
- 通过在膜上施加化学物质，同样打开离子通道；
- 通过改变膜的温度，从而改变膜的通透性(Permeability)；
- 通过电磁辐射(Electromagnetic Radiation)的作用，例如光对视网膜视觉感受器(Retinal Visual Receptor)的作用，直接或间接地改变感受器膜的特性，使离子通过膜通道流动。
图47-1 几种类型的躯体感觉神经末梢(Somatic Sensory Nerve Endings)。
这四种兴奋感受器的方式通常对应于已知的不同类型的感受器。在所有情况下，膜电位变化的根本原因是感受器膜通透性的改变，这使得离子或多或少地更容易通过膜扩散，从而改变跨膜电位(Transmembrane Potential)。
感受器电位的最大幅度(Maximum Receptor Potential Amplitude)
大多数感觉感受器电位的最大幅度约为100~mV，但这一水平仅在感觉刺激强度极高时才会出现。这与动作电位(Action Potential)中记录的最大电压大致相同，也是当膜对钠离子的通透性达到最大时的电压变化。
感受器电位与动作电位的关系(Relation of the Receptor Potential to Action Potentials)
当感受器电位上升到足以引发与感受器相连的神经纤维产生动作电位的阈值(Threshold)以上时，动作电位就会发生，如图47-2所示。还应注意的是，感受器电位超过阈值水平的幅度越大，动作电位的频率就越高。
图47-2 当感受器电位上升到阈值水平以上时，感受器电位与动作电位之间的典型关系。
图47-3 由Pacinian小体(Pacinian Corpuscle)产生的感受器电位兴奋感觉神经纤维。
Pacinian小体的感受器电位——感受器功能的一个例子(Receptor Potential of the Pacinian Corpuscle—an Example of Receptor Function)
在图47-1中可以看到，Pacinian小体有一个中央神经纤维(Central Nerve Fiber)穿过其核心。围绕这个中央神经纤维的是多层同心囊层(Concentric Capsule Layers)；因此，小体外部的任何压缩都会使中央纤维伸长、凹陷或以其他方式变形。
图47-3显示了在去除所有囊层后，仅剩一层囊层的Pacinian小体的中央纤维。囊内中央纤维的尖端是无髓鞘的(Unmyelinated)，但在离开小体进入外周感觉神经之前，纤维会变得有髓鞘(Myelinated)（图中显示的蓝色鞘）。
图47-3还展示了Pacinian小体产生感受器电位(receptor potential)的机制。观察由于小体受压而变形的末梢纤维的小区域，并注意到膜上的离子通道已经打开，允许带正电的钠离子扩散到纤维内部。这一作用在纤维内部产生了增加的阳性，称为“感受器电位”。感受器电位反过来诱导了局部电流回路，如箭头所示，沿着神经纤维传播。在位于Pacinian小体囊内的第一个Ranvier结处，局部电流使该结处的纤维膜去极化，然后引发典型的动作电位(action potentials)，沿着神经纤维向中枢神经系统传递。
图47-4 感受器电位的幅度与施加于Pacinian小体的机械刺激强度的关系。(数据来自Loëwenstein WR: Excitation and inactivation in a receptor membrane. Ann N Y Acad Sci 94:510, 1961.)
刺激强度与感受器电位之间的关系。图47-4显示了由于逐渐增强的机械压缩（增加的“刺激强度”）实验性地施加于Pacinian小体中央核心而引起的感受器电位幅度的变化。注意，幅度最初迅速增加，但在高刺激强度下逐渐增加得较慢。
反过来，从感受器传递的重复动作电位的频率大约与感受器电位的增加成正比。将这一原理与图47-4中的数据结合起来，可以看到，对感受器的非常强烈的刺激导致动作电位数量的增加逐渐减少。这一极其重要的原理适用于几乎所有感受器。它使感受器能够对非常微弱的感觉体验敏感，但在感觉体验极端之前不会达到最大放电率。这一特性使感受器具有从非常微弱到非常强烈的极端响应范围。
感受器的适应(Adaptation of Receptors)
感受器的另一个特征是它们在一段时间后会部分或完全适应任何恒定的刺激。也就是说，当施加连续的感觉刺激时，感受器最初以高脉冲速率响应，然后逐渐减慢，直到最后，动作电位的速率减少到非常少或完全没有。
图47-5 不同类型感受器的适应，显示了一些感受器的快速适应和其他感受器的慢速适应。
图47-5显示了某些类型感受器的典型适应。注意，Pacinian小体适应得非常快，毛发感受器在大约一秒内适应，而一些关节囊和肌梭感受器适应得较慢。
此外，某些感觉受体(sensory receptors)比其他受体更容易适应。例如，Pacinian小体(Pacinian corpuscles)在几百分之一秒内适应到“消失”状态，而毛囊基部的受体在一秒或更长时间内适应到消失状态。大多数机械感受器(mechanoreceptors)最终几乎完全适应，但有些需要数小时或数天才能适应，这些被称为“非适应型”受体(nonadapting receptors)。机械感受器几乎完全适应所需的最长时间约为2天，这是许多颈动脉和主动脉压力感受器(baroreceptors)的适应时间；然而，一些生理学家认为这些特化的压力感受器永远不会完全适应。一些非机械感受器——例如化学感受器(chemoreceptors)和痛觉感受器(pain receptors)——可能永远不会完全适应。
受体适应的机制 受体适应的机制因每种受体类型而异，这与受体电位(receptor potential)的产生是个体特性类似。例如，在眼睛中，视杆细胞(rods)和视锥细胞(cones)通过改变其光敏化学物质的浓度来适应（详见第51章）。
对于机械感受器，研究最详细的是Pacinian小体。这种受体的适应通过两种方式发生。首先，Pacinian小体是一种粘弹性结构，因此当一侧突然施加变形力时，这种力会通过小体的粘性成分立即传递到中央神经纤维的同一侧，从而引发受体电位。然而，在几百分之一秒内，小体内的液体会重新分布，受体电位不再被引发。因此，受体电位在压缩开始时出现，但在压缩持续的情况下，在极短时间内消失。
第二种较慢的Pacinian小体适应机制源于一种称为适应(accommodation)的过程，这一过程发生在神经纤维本身。也就是说，即使中央核心纤维偶然继续变形，神经纤维的尖端也会逐渐适应刺激。这可能是由于神经纤维膜中钠通道(sodium channels)的逐渐“失活(inactivation)”所致，这意味着通过通道的钠电流会导致它们逐渐关闭，这种效应似乎发生在所有或大多数细胞膜钠通道中，如第5章所述。
可以推测，这两种适应机制也适用于其他类型的机械感受器。也就是说，部分适应源于受体结构的重新调整，部分源于末梢神经纤维中的电学适应。
缓慢适应受体检测持续刺激强度——“紧张型”受体 缓慢适应受体(slowly adapting receptors)在刺激存在期间（或至少持续数分钟或数小时）继续向大脑传递冲动。因此，它们使大脑持续了解身体的状况及其与周围环境的关系。例如，来自肌梭(muscle spindles)和高尔基腱器官(Golgi tendon apparatuses)的冲动使神经系统能够随时了解肌肉收缩的状态和肌腱上的负荷。
其他慢适应感受器包括以下类型：(1) 前庭器官中斑块(macula)的感受器；(2) 痛觉感受器(pain receptors)；(3) 动脉树(arterial tree)的压力感受器(baroreceptors)；(4) 颈动脉体和主动脉体(carotid and aortic bodies)的化学感受器(chemoreceptors)。
由于慢适应感受器能够持续传递信息数小时甚至数天，因此它们被称为紧张性感受器(tonic receptors)。
快速适应感受器检测刺激强度的变化——"速率感受器(rate receptors)"、"运动感受器(movement receptors)"或"相位感受器(phasic receptors)"。快速适应的感受器不能用于传递连续信号，因为它们仅在刺激强度变化时被激活。然而，在变化实际发生时，它们会强烈反应。因此，这些感受器被称为速率感受器、运动感受器或相位感受器。以Pacinian小体为例，突然施加在组织上的压力会在几毫秒内激活该感受器，然后即使压力持续存在，其激活也会停止。然而，当压力释放时，它会再次传递信号。换句话说，Pacinian小体在向神经系统传递快速组织变形信息方面极其重要，但在传递身体恒定状态信息方面则毫无用处。
速率感受器的预测功能。如果已知身体状态变化的速率，就可以预测几秒甚至几分钟后身体的状态。例如，当一个人绕弯道跑步时，耳前庭器官中的半规管(semicircular canals)感受器会检测到头部开始转动的速率。利用这一信息，一个人可以预测自己在接下来的2秒内会转动多少，并可以提前调整腿部的运动以防止失去平衡。同样，位于关节内或附近的感受器有助于检测身体不同部位的运动速率。例如，当一个人跑步时，来自关节速率感受器的信息使神经系统能够预测在接下来的任何精确时间分数内脚的位置。因此，可以向腿部肌肉传递适当的运动信号，以进行任何必要的位置预期调整，从而防止跌倒。失去这种预测功能会使一个人无法跑步。
传递不同类型信号的神经纤维及其生理学分类
有些信号需要极其迅速地传递到中枢神经系统或从中枢神经系统传出；否则，信息将毫无用处。一个例子是感觉信号，这些信号在跑步时每秒的每一刻向大脑传递腿部的瞬时位置。另一方面，某些类型的感觉信息，如描述持续性疼痛的信息，不需要快速传递，因此慢传导纤维就足够了。如图47-6所示，神经纤维的直径从0.5到20微米不等；直径越大，传导速度越快。传导速度的范围在0.5到120m/sec之间。
神经纤维的一般分类
图47-6展示了不同类型神经纤维的“一般分类”和“感觉神经分类”。在一般分类中，纤维被分为A型和C型；A型纤维进一步细分为α、β、γ和δ纤维。
A型纤维是典型的脊髓神经中的大、中型有髓鞘纤维。C型纤维是小型无髓鞘神经纤维，以低速传导冲动。C型纤维构成了大多数外周神经中超过一半的感觉纤维，以及所有的节后自主神经纤维。
图47-6还展示了不同类型神经纤维的大小、传导速度和功能。值得注意的是，一些大型有髓鞘纤维可以以高达120m/sec的速度传导冲动，1秒钟内可以覆盖比足球场还长的距离。相反，最小的纤维传导冲动的速度仅为0.5m/sec，从大脚趾到脊髓需要大约2秒钟。
感觉生理学家使用的替代分类
某些记录技术使得将Aα型纤维分为两个亚组成为可能，但这些相同的记录技术难以区分Aβ和Aγ纤维。因此，感觉生理学家经常使用以下分类。
图47-6 神经纤维的生理学分类和功能。
Ia组：来自肌梭环状末梢的纤维，平均直径约为\bf\tilde\rho\approx17微米；这些纤维在一般分类中属于α型A纤维。
Ib组：来自高尔基腱器官的纤维（平均直径约为(\approx16微米；这些纤维也属于α型A纤维）。
II组：来自大多数离散的皮肤触觉感受器和肌梭花状末梢的纤维，平均直径约为\tilde\left[\approx8\right]微米；这些纤维在一般分类中属于β型和γ型A纤维。
III组：传导温度、粗触觉和刺痛感觉的纤维，平均直径约为\bf\Pi[\approx3微米；它们在一般分类中属于8型A纤维。
\mathbf\nabla/V\ast组：传导疼痛、痒、温度和粗触觉的无髓鞘纤维（直径0.5–2微米；它们在一般分类中属于C型纤维）。
图47-7 从被针刺的皮肤区域引出的神经中疼痛纤维的刺激模式。这种刺激模式是空间总和的一个例子。
神经束中的信号强度传导——空间和时间总和
每个信号必须传达的特征之一是信号强度(signal intensity)——例如，疼痛的强度。不同的强度等级可以通过增加平行纤维的数量或沿单根纤维发送更多的动作电位(action potentials)来传输。这两种机制分别称为空间总和(spatial summation)和时间总和(temporal summation)。
空间总和。图47-7展示了空间总和的现象，即通过使用越来越多的纤维来传输增强的信号强度。该图显示了由大量平行痛觉纤维支配的皮肤部分。每根纤维分支成数百个微小的游离神经末梢，作为痛觉感受器(pain receptors)。来自一根痛觉纤维的整个纤维簇通常覆盖直径达5厘米的皮肤区域。这个区域称为该纤维的感受野(receptor field)。末梢的数量在感受野的中心较多，但向周边逐渐减少。从图中还可以看到，分支的纤维与其他痛觉纤维的分支重叠。因此，皮肤的针刺通常会同时刺激来自许多不同痛觉纤维的末梢。当针刺位于特定痛觉纤维感受野的中心时，由于中心区域有更多的游离神经末梢，该纤维的刺激程度远高于位于感受野周边时的刺激程度。
图47-8 将信号强度转换为频率调制的神经冲动序列，显示信号强度（上方）和单独的神经冲动（下方）。此图是时间总和的示例。
因此，图47-7的下部显示了从皮肤区域引出的神经束横截面的三个视图。左侧是弱刺激的效果，只有神经束中间的一根神经纤维被强烈刺激（用红色纤维表示），而几根相邻的纤维被弱刺激（半红色纤维）。神经横截面的另外两个视图显示了中等刺激和强刺激的效果，随着刺激强度的增加，越来越多的纤维被激活。因此，更强的信号扩散到越来越多的纤维，这种现象称为空间总和。
时间总和。传输增强信号的第二种方法是通过增加每根纤维中神经冲动的频率，称为时间总和。图47-8展示了这一现象，上半部分显示信号强度的变化，下半部分显示神经纤维传输的实际冲动。
神经元池中的信号传输与处理
中枢神经系统(central nervous system)由数千到数百万个神经元池(neuronal pools)组成；其中一些池包含少量神经元，而另一些则包含大量神经元。例如，整个大脑皮层(cerebral cortex)可以被视为一个大的神经元池。其他神经元池包括不同的基底神经节(basal ganglia)以及丘脑(thalamus)、小脑(cerebellum)、中脑(mesencephalon)、脑桥(pons)和延髓(medulla)中的特定核团。此外，脊髓(spinal cord)的整个背侧灰质也可以被视为一个长的神经元池。
每个神经元池(neuronal pool)都有其独特的组织方式，使其能够以自身特有的方式处理信号，从而使所有神经元池共同实现神经系统的多种功能。然而，尽管它们在功能上存在差异，神经元池也具有许多相似的功能原则，这些将在以下部分进行描述。
图47-9 神经元池的基本组织。详见正文。
通过神经元池的信号传递
神经元池中用于传递信号的神经元组织。图47-9是神经元池中几个神经元的示意图，左侧显示输入纤维，右侧显示“输出”纤维。每根输入纤维会分支出数百到数千次，提供一千或更多的终末纤维，这些纤维在池中扩散到较大的区域，与池中神经元的树突或细胞体形成突触。树突通常也会分支并在池中扩散数百到数千微米。
每根传入神经纤维所刺激的神经元区域称为其刺激场(stimulatory field)。请注意，每根输入纤维的终末大部分位于其“场”中最近的神经元上，但随着距离的增加，终末数量逐渐减少。
阈值和阈下刺激——兴奋或易化(facilitation)。如第46章所述，单个兴奋性突触前终末的放电几乎不会引起突触后神经元的动作电位。相反，必须在同一神经元上同时或快速连续地放电大量输入终末才能引起兴奋。例如，在图47-9中，我们假设需要六个终末几乎同时放电才能兴奋任何一个神经元。请注意，输入纤维1有足够的终末使神经元a放电。输入纤维1对该神经元的刺激被称为兴奋性刺激(excitatory stimulus)；它也被称为超阈值刺激(suprathreshold stimulus)，因为它超过了兴奋所需的阈值。
图47-10 神经元池的“放电”和“易化”区域。
输入纤维1也为神经元b和c提供了终末，但不足以引起兴奋。然而，这些终末的放电使这两个神经元更容易被其他传入神经纤维的信号兴奋。因此，这些神经元的刺激被称为阈下刺激(subthreshold stimuli)，而这些神经元被称为被易化(facilitated)。
同样，对于输入纤维2，神经元d的刺激是超阈值刺激，而神经元b和c的刺激是阈下但易化的刺激。
图47-9展示了一个高度简化的神经元池(neuronal pool)模型，因为每条输入神经纤维通常会在其分布的“场”中向数百或数千个神经元提供大量的分支末梢，如图47-10所示。在该图的中心区域（由圆圈标记的区域），所有神经元都被传入纤维刺激。因此，这被称为传入纤维的放电区(discharge zone)，也称为兴奋区(excited zone)或阈值区(liminal zone)。在两侧，神经元被易化(facilitated)但未被兴奋；这些区域被称为易化区(facilitated zone)，也称为亚阈值区(subthreshold zone)或亚兴奋区(subliminal zone)。
神经元池的抑制 一些传入纤维会抑制神经元，而不是兴奋它们。这种机制与易化相反，抑制分支的整个区域被称为抑制区(inhibitory zone)。由于中心区域有大量的末梢，该区域中心的抑制程度很高，并向边缘逐渐减弱。
通过神经元池的信号发散
通常，进入神经元池的弱信号能够兴奋更多离开神经元池的神经纤维，这一点非常重要。这种现象被称为发散(divergence)。有两种主要类型的发散，它们具有完全不同的目的。
图47-11 神经元通路中的“发散”。A，通路内的发散以引起信号的“放大”。B，发散到多个通路以将信号传递到不同的区域。
图47-12 多个输入纤维汇聚到一个神经元上。A，来自单一来源的多个输入纤维。B，来自多个不同来源的输入纤维。
图47-1lA展示了一种放大类型的发散。放大发散(amplifying divergence)意味着输入信号在通过其路径中的连续神经元时，扩散到越来越多的神经元。这种类型的发散是皮质脊髓通路(corticospinal pathway)在控制骨骼肌时的特征，运动皮层中的单个大锥体细胞在高度易化的条件下能够兴奋多达10,000条肌纤维。
第二种类型的发散如图47-11B所示，是发散到多个通路。在这种情况下，信号从神经元池向两个方向传递。例如，通过脊髓背柱传递的信息在脑的下部采取两条路径：(1)进入小脑(cerebellum)；(2)继续通过脑的下部区域到达丘脑(thalamus)和大脑皮层(cerebral cortex)。同样，在丘脑中，几乎所有感觉信息都被传递到丘脑的更深层结构，同时传递到大脑皮层的离散区域。
信号的汇聚
汇聚(convergence)意味着来自多个输入信号的联合以兴奋单个神经元。图47-12A展示了来自单一来源的汇聚——即来自单一传入纤维束的多个末梢终止于同一个神经元上。这种类型的汇聚的重要性在于，神经元几乎从未被来自单一输入末梢的动作电位所兴奋。然而，来自多个末梢的动作电位汇聚到神经元上，提供了足够的空间总和(spatial summation)，使神经元达到放电所需的阈值。
图47-13 抑制性回路。神经元2是一个抑制性神经元。
汇聚也可以来自多个来源的输入信号（兴奋性或抑制性），如图47-12B所示。例如，脊髓的中间神经元接收来自以下来源的汇聚信号：（1）进入脊髓的外周神经纤维；（2）从一个脊髓节段传递到另一个脊髓节段的脊髓固有纤维；（3）来自大脑皮层的皮质脊髓纤维；以及（4）从大脑下行到脊髓的其他几条长通路。然后，来自中间神经元的信号汇聚到前角运动神经元上，以控制肌肉功能。
这种汇聚允许来自不同来源的信息进行总和，最终的反应是所有不同类型信息的总和效应。汇聚是中枢神经系统关联、总和和分类不同类型信息的重要方式之一。
具有兴奋性和抑制性输出信号的神经元回路
有时，传入神经元池的信号会导致一个方向的输出兴奋性信号，同时另一个方向的抑制性信号。例如，当一组神经元在脊髓中传递兴奋性信号以引起腿部向前运动时，另一组神经元传递抑制性信号以抑制腿部背面的肌肉，使它们不会阻碍向前运动。这种类型的回路是控制所有拮抗肌对的特征；它被称为交互抑制回路(reciprocal inhibition circuit)。
图47-13展示了实现抑制的方式。输入纤维直接兴奋兴奋性输出通路，但它也刺激了一个中间的抑制性神经元（神经元2），该神经元分泌一种不同类型的递质物质以抑制来自神经元池的第二个输出通路。这种类型的回路在防止大脑许多部分的过度活动方面也很重要。
通过神经元池延长信号——后放电(afterdischarge)
到目前为止，我们已经考虑了仅仅通过神经元池传递的信号。然而，在许多情况下，进入神经元池的信号会导致一个延长的输出放电，称为后放电(afterdischarge)，在传入信号结束后持续几毫秒到几分钟。后放电发生的最重要机制将在以下部分描述。
突触后放电 (Synaptic Afterdischarge)
当兴奋性突触在树突或神经元胞体表面放电时，神经元中会产生突触后电位 (postsynaptic electrical potential)，并持续数毫秒，尤其是在涉及某些长效突触递质 (long-acting synaptic transmitter substances) 的情况下。只要这种电位持续存在，它就可以继续兴奋神经元，使其传递一连串输出冲动，正如第46章所解释的那样。因此，仅凭这种突触后放电机制，单个瞬时输入信号就可能引起持续的信号输出（一系列重复放电），持续数毫秒。
回响（振荡）回路 (Reverberatory (Oscillatory) Circuit) 作为信号延长的原因
在整个神经系统中，最重要的回路之一是回响或振荡回路 (reverberatory or oscillatory circuit)。这种回路是由神经元回路内的正反馈 (positive feedback) 引起的，正反馈会重新兴奋同一回路的输入。因此，一旦受到刺激，回路可能会长时间重复放电。
图47-14展示了几种可能的回响回路类型。最简单的回路如图47-14A所示，仅涉及单个神经元。在这种情况下，输出神经元发出侧支神经纤维返回到自身的树突或胞体，以重新刺激自身。尽管这种回路的重要性尚不明确，但从理论上讲，一旦神经元放电，反馈刺激可能会使神经元在之后长时间持续放电。
图47-14B展示了反馈回路中的一些额外神经元，这会导致初始放电和反馈信号之间的延迟更长。图47-14C展示了一个更复杂的系统，其中既有易化纤维 (facilitatory fibers) 也有抑制纤维 (inhibitory fibers) 作用于回响回路。易化信号增强了回响的强度和频率，而抑制信号则抑制或停止回响。
图47-14D显示，大多数回响通路由许多平行纤维构成。在每个细胞站，终末纤维广泛分布。在这样的系统中，总回响信号可以是弱的或强的，这取决于有多少平行神经纤维暂时参与回响。
回响回路的信号延长特性
图47-15展示了一个典型回响回路的输出信号。输入刺激可能仅持续1毫秒左右，但输出可以持续数毫秒甚至数分钟。图中显示，输出信号的强度通常在回响早期增加到较高值，然后下降到临界点，此时突然完全停止。这种突然停止的原因是回路中突触连接的疲劳 (fatigue of synaptic junctions)。超过某个临界水平的疲劳会降低回路中下一个神经元的兴奋性，使其低于阈值水平，从而突然中断回路反馈。
图47-14 A-D，复杂性逐渐增加的回响回路。
图47-15 单个输入刺激后，回响回路(reverberatory circuit)输出信号的典型模式，显示了易化(facilitation)和抑制(inhibition)的效果。
图47-16 来自回响回路或具有内在放电(intrinsically discharging)特性的神经元池的连续输出。该图还显示了兴奋性或抑制性输入信号的效果。
在信号停止之前，总信号的持续时间也可以通过来自大脑其他部分的信号来控制，这些信号可以抑制或易化回路。这些输出信号模式是从运动神经记录到的，这些神经在足部疼痛刺激后兴奋参与屈曲反射(flexor reflex)的肌肉（如图47-18所示）。
某些神经元回路的连续信号输出
一些神经元回路即使在没有兴奋性输入信号的情况下也会连续发出输出信号。至少有两种机制可以引起这种效应：(1) 神经元的内在连续放电；(2) 连续的回响信号。
由神经元内在兴奋性引起的连续放电。神经元与其他可兴奋组织一样，如果其兴奋性膜电位(excitatory membrane potential)水平上升到某个阈值以上，就会重复放电。许多神经元的膜电位即使在正常情况下也足够高，足以使它们持续发出冲动。这种现象尤其发生在小脑(cerebellum)的许多神经元以及脊髓(spinal cord)的大多数中间神经元(interneurons)中。这些细胞发出冲动的速率可以通过兴奋性信号增加或通过抑制性信号减少；抑制性信号通常可以将放电速率降低到零。
作为信息传递手段的回响回路发出的连续信号。一个不会因疲劳而停止回响的回响回路是连续冲动的来源。此外，进入回响池的兴奋性冲动可以增加输出信号，而抑制则可以减少甚至熄灭信号。
图47-16显示了一组神经元的连续输出信号。这组神经元可能由于内在的神经元兴奋性或回响效应而发出冲动。请注意，兴奋性输入信号大大增加了输出信号，而抑制性输入信号则大大减少了输出。熟悉无线电发射机的学生会认识到这是一种载波类型的信息传输。也就是说，兴奋性和抑制性控制信号不是输出信号的原因，但它们确实控制其强度变化。请注意，这种载波系统允许信号强度的减少和增加，而到目前为止，我们讨论的信息传输类型主要是正信息而不是负信息。这种类型的信息传输被自主神经系统(autonomic nervous system)用来控制诸如血管张力(vascular tone)、肠道张力(gut tone)、虹膜(iris)收缩程度和心率(heart rate)等功能。也就是说，通过回响神经元通路的辅助输入信号，可以增加或减少到这些区域的神经兴奋信号。
图47-17 来自呼吸中枢的神经冲动节律性输出，显示逐渐增加的颈动脉体刺激会增加膈神经信号的强度和频率，从而增加呼吸。
节律性信号输出
许多神经元回路会发出节律性输出信号——例如，节律性呼吸信号起源于延髓和脑桥的呼吸中枢。这种呼吸节律信号会持续一生。其他节律性信号，例如引起狗后腿抓挠运动或任何动物行走运动的信号，需要输入刺激到相应的回路中以启动节律性信号。
所有或几乎所有通过实验研究的节律性信号都被发现是由回响回路或一系列连续的回响回路产生的，这些回路在一个循环路径中从一个神经元池传递兴奋性或抑制性信号到下一个神经元池。
兴奋性或抑制性信号也可以增加或减少节律性信号输出的幅度。例如，图47-17显示了膈神经中呼吸信号输出的变化。当颈动脉体受到动脉氧不足的刺激时，呼吸节律性输出信号的频率和幅度都会逐渐增加。
神经元回路的不稳定性和稳定性
大脑的几乎每个部分都直接或间接地与其他部分连接，这带来了严重的挑战。如果第一部分兴奋第二部分，第二部分兴奋第三部分，第三部分兴奋第四部分，依此类推，直到信号最终重新兴奋第一部分，那么进入大脑任何部分的兴奋信号都会引发所有部分的连续重新兴奋循环。如果这种循环发生，大脑将被大量不受控制的回响信号淹没——这些信号不会传递任何信息，但会消耗大脑的回路，使得任何信息信号都无法传递。这种效应在癫痫发作期间发生在大脑的广泛区域。中枢神经系统如何防止这种效应一直发生？答案主要在于中枢神经系统中起作用的两种基本机制：(1) 抑制性回路；和 (2) 突触疲劳。
抑制性回路作为稳定神经系统功能的机制
大脑广泛区域中的两种抑制性回路有助于防止信号的过度扩散：(1) 抑制性反馈回路，从通路的末端返回到同一通路的初始兴奋性神经元（这些回路几乎存在于所有感觉神经通路中，并在末端过度兴奋时抑制感觉通路中的输入神经元或中间神经元）；和 (2) 一些神经元池对大脑的广泛区域施加总体抑制控制（例如，许多基底神经节在整个肌肉控制系统中施加抑制性影响）。
突触疲劳作为稳定神经系统的手段
突触疲劳(synaptic fatigue)简单来说就是随着兴奋时间的延长和强度的增加，突触传递逐渐减弱。图47-18显示了在动物足垫施加疼痛刺激引起的屈曲反射的三次连续记录。注意每次记录中收缩强度逐渐"递减"(decrements)——即其强度减弱。这种效应很大程度上是由屈曲反射回路中突触的疲劳引起的。此外，连续屈曲反射之间的间隔越短，后续反射反应的强度就越低。
通过疲劳机制自动短期调节通路敏感性。那些过度使用的神经元通路通常会迅速疲劳，因此它们的敏感性降低。相反，那些使用不足的通路会得到休息，它们的敏感性会增加。
图47-18 连续屈曲反射显示通过反射通路的传导疲劳。
因此，疲劳和从疲劳中恢复构成了调节不同神经系统回路敏感性的重要短期手段。这些功能有助于保持回路在允许有效功能的敏感性范围内运行。
由突触受体自动下调或上调引起的突触敏感性长期变化。当活动不足时，通过上调突触部位受体蛋白的数量，以及当活动过度时下调受体，可以极大地改变突触的长期敏感性。这一过程的机制如下。受体蛋白不断由内质网-高尔基体系统形成，并不断插入受体神经元的突触膜中。然而，当突触过度使用以致过量的递质物质与受体蛋白结合时，许多这些受体就会失活并从突触膜中移除。
确实幸运的是，受体的上调和下调，以及其他调节突触敏感性的控制机制，不断地将每个回路的敏感性调整到几乎正好适合正常功能所需的水平。试想一下，如果只有少数这些回路的敏感性异常高，那将是多么严重；人们可能会预期几乎持续的肌肉痉挛、癫痫发作、精神障碍、幻觉、精神紧张或其他神经系统疾病。幸运的是，每当回路开始过于活跃或过于抑制时，自动控制通常会将回路的敏感性重新调整回可控的反应性范围。
参考文献
Anvarian Z, Mykytyn K, Mukhopadhyay S, et al: Cellular signalling by primary cilia in development, organ function and disease. Nat Rev Nephrol 15:199, 2019. Bennett DL, Clark AJ, Huang J, et al: The role of voltage-gated sodium channels in pain signaling. Physiol Rev 99:1079, 2019.
Bokiniec P, Zampieri N, Lewin GR, Poulet JF: The neural circuits of thermal perception. Curr Opin Neurobiol 2:98, 2018. Chiu CQ, Barberis A, Higley MJ: Preserving the balance: diverse forms of long-term GABAergic synaptic plasticity. Nat Rev Neurosci 20:272, 2019.
Fettiplace R, Kim KX: 听觉中的机械电转导通道的生理学。Physiol Rev 94:951, 2014. Gallivan JP, Chapman CS, Wolpert DM, Flanagan JR: 感觉运动控制中的决策。Nat Rev Neurosci 19:519, 2018. Maßberg D, Hatt H: 人类嗅觉受体：鼻子之外的新细胞功能。Physiol Rev 98:1739, 2018. Murata Y, Colonnese MT: 丘脑抑制回路和网络活动的发展。Brain Res 1706:13, 2019. Pangrsic T, Singer JH, Koschak A: 电压门控钙通道：视网膜和内耳感觉编码中的关键角色。Physiol Rev 98:2063, 2018. Proske U, Gandevia SC: 动觉。Compr Physiol 8:1157, 2018. Robertson CE, Baron-Cohen S. 自闭症中的感觉感知。Nat Rev Neurosci 18:671, 2017. Roelfsema PR, Holtmaat A: 深层皮层网络中突触可塑性的控制。Nat Rev Neurosci 19:166, 2018. Roper SD, Chaudhari N: 味蕾：细胞、信号和突触。Nat Rev Neurosci 18:485, 2017. Singh A: 帕金森病中皮层-基底节-丘脑神经回路中的振荡活动。Eur J Neurosci 48:2869, 2018. Sjöström PJ, Rancz EA, Roth A, Häusser M: 树突兴奋性和突触可塑性。Physiol Rev 88:769, 2008. Solinski HJ, Hoon MA: 哺乳动物温度感觉的细胞和回路。Neurosci Lett 690:167, 2019. Stein BE, Stanford TR, Rowland BA: 从单个神经元的角度看多感官整合的发展。Nat Rev Neurosci 15:520, 2014.
躯体感觉：I. 一般组织、触觉和位置感觉
躯体感觉是从全身收集感觉信息的神经机制。这些感觉与特殊感觉（特指视觉、听觉、嗅觉、味觉和平衡觉）形成对比。
躯体感觉的分类
躯体感觉可以分为三种生理类型：(1) 机械感受性躯体感觉，包括触觉和位置感觉，这些感觉由身体某些组织的机械位移刺激引起；(2) 温度感受性感觉，检测热和冷；(3) 痛觉，由损伤组织的因素激活。
本章讨论机械感受性触觉和位置感觉。第49章将讨论温度感受性和痛觉。触觉包括触觉、压力、振动和痒觉，位置感觉包括静态位置和运动速率感觉。
其他躯体感觉分类。躯体感觉也经常被分为以下几类：
外感受性感觉（Exteroreceptive sensations）来自身体表面。本体感受性感觉（Proprioceptive sensations）与身体的物理状态有关，包括位置感觉、肌腱和肌肉感觉、来自脚底的压力感觉，甚至平衡感觉，后者通常被认为是“特殊”感觉而非躯体感觉。
内脏感觉（Visceral sensations）来自身体的内脏。使用这个术语时，通常特指来自内部器官的感觉。
深层感觉（Deep sensations）来自深层组织，如筋膜、肌肉和骨骼。主要包括“深层”压力、疼痛和振动。
触觉的检测和传递
触觉、压觉和振动觉之间的相互关系。尽管触觉、压觉和振动觉经常被分类为不同的感觉，但它们都是由相同类型的感受器检测到的。它们之间主要有三个区别：(1) 触觉通常是由皮肤或紧贴皮肤下方的组织中的触觉感受器（tactile receptors）受到刺激引起的；(2) 压觉通常是由深层组织的变形引起的；(3) 振动觉是由快速重复的感觉信号引起的；然而，其中一些感受器与触觉和压觉的感受器类型相同。
触觉感受器（Tactile Receptors）。至少有六种完全不同的触觉感受器类型，但还有许多类似的感受器也存在。其中一些在图47-1（前一章）中展示；它们的特殊特征如下。
首先，一些游离神经末梢（free nerve endings）分布在皮肤和许多其他组织中，能够检测触觉和压觉。例如，即使轻轻接触角膜（cornea），尽管角膜中除了游离神经末梢外没有其他类型的神经末梢，仍然可以引发触觉和压觉。
其次，一种高度敏感的触觉感受器是Meissner小体（Meissner's corpuscle）（在图47-1和图48-1中展示），它是一种被包裹的细长神经末梢，属于大型（Aβ型）有髓鞘感觉神经纤维。在包裹内部有许多分支的末梢神经丝。这些小体存在于皮肤的无毛区域，特别是在指尖、嘴唇和其他皮肤区域，这些区域对触觉空间位置的辨别能力高度发达。Meissner小体在受到刺激后会在几分之一秒内适应，这意味着它们对物体在皮肤表面的移动以及低频振动特别敏感。
第三，指尖和其他含有大量Meissner小体的区域通常也含有大量扩展末梢触觉感受器（expanded tip tactile receptors），其中一种类型是Merkel盘（Merkel's discs），如图48-1所示。皮肤的有毛区域也含有适量的扩展末梢感受器，尽管它们几乎没有Meissner小体。这些感受器与Meissner小体的不同之处在于，它们会传递一个最初强烈但部分适应的信号，然后是一个持续较弱的信号，适应速度较慢。因此，它们负责发出稳态信号，使人们能够确定物体对皮肤的持续接触。
图48-1. 皮肤中的机械感受器（Mechanoreceptors）。注意位于基底表皮中的Merkel盘簇，它们连接到一根大型有髓鞘纤维。Meissner细胞也位于基底表皮中，靠近乳头状嵴的边缘，而Pacinian小体和Ruffini末梢则位于真皮中；每根有髓鞘纤维支配这些感受器器官中的一个。
Merkel盘(Merkel discs)通常聚集在一起形成一个称为触觉圆顶(touch domes)的感受器器官，它们向上突起紧贴皮肤上皮的下表面。这种向上的突起导致该处的上皮向外突出，从而形成一个圆顶，构成一个极其敏感的感受器。同时请注意图48-1中，整个Merkel盘群由一根粗大的有髓神经纤维(type Aβ)支配。这些感受器，连同前面讨论的Meissner小体(Meissner's corpuscles)，在将触觉定位到身体特定表面区域以及确定所感知物体的质地方面起着极其重要的作用。
第四，身体上任何毛发的轻微运动都会刺激缠绕在其基部的神经纤维。因此，每根毛发及其基部神经纤维，称为毛端器官(hair end-organ)(图48-1)，也是触觉感受器。这种感受器很容易适应，像Meissner小体一样，主要检测以下内容:(1)物体在身体表面的运动;或(2)与身体的初始接触。
第五，位于皮肤深层以及更深的内部组织中的是许多Ruffini末梢(Ruffini's endings)，它们是多分支的包裹末梢，如图47-1和图48-1所示。这些末梢适应非常缓慢，因此对于信号传递组织的持续变形状态(如长时间的重压和压力信号)很重要。它们也存在于关节囊中，有助于信号传递关节旋转的程度。
第六，Pacinian小体(Pacinian corpuscles)，在第47章中详细讨论过，位于紧贴皮肤下方和身体筋膜组织深处。它们仅由组织的快速局部压缩刺激，因为它们在百分之几秒内就能适应。因此，它们对于检测组织振动或组织机械状态的其他快速变化特别重要。
外周神经纤维中触觉信号的传递。几乎所有特化的感觉感受器，如Meissner小体、Iggo圆顶感受器(Iggo dome receptors)、毛发感受器、Pacinian小体和Ruffini末梢，都在传导速度为30至70m/sec的Aβ型神经纤维中传递信号。相反，游离神经末梢触觉感受器主要通过传导速度仅为5至30m/sec的小型Aδ有髓纤维传递信号。
一些触觉游离神经末梢通过传导速度从几分之一米到2m/sec的C型无髓纤维传递信号。这些神经末梢将信号发送到脊髓和低位脑干，可能主要服务于痒感(tickle)的感觉。
因此，更关键的感觉信号类型——那些有助于确定皮肤上的精确定位、强度的微小梯度或感觉信号强度的快速变化——都在传导速度更快的感觉神经纤维类型中传递。相反，较粗糙的信号类型，如压力、定位不良的触觉，尤其是痒感，通过传导速度慢得多、非常细小的神经纤维传递，这些纤维在外周神经束中占用的空间比快速纤维少得多。
振动检测
所有触觉感受器(tactile receptors)都参与振动检测，尽管不同的感受器检测不同频率的振动。Pacinian小体(Pacinian corpuscles)可以检测30到800次/秒的信号振动，因为它们对组织的微小和快速变形反应极快。它们还通过Aβ型神经纤维(type Aβ nerve fibers)传递信号，这些纤维每秒可以传递多达1000个脉冲。相比之下，2到80次/秒的低频振动刺激其他触觉感受器，特别是Meissner小体(Meissner’s corpuscles)，它们比Pacinian小体适应得更慢。
机械感受游离神经末梢对痒和痒感的检测
神经生理学研究已经证明存在非常敏感、快速适应的机械感受游离神经末梢(mechanoreceptive free nerve endings)，它们只引起痒和痒感。此外，这些末梢几乎只存在于皮肤的表层，这也是通常可以引起痒和痒感的唯一组织。这些感觉通过非常小的C型、无髓鞘纤维(type C, unmyelinated fibers)传递，类似于传递缓慢疼痛的纤维。
痒感的目的是引起对轻微表面刺激的注意，例如跳蚤在皮肤上爬行或苍蝇即将叮咬；然后引发的信号激活抓挠反射(scratch reflex)或其他动作，以消除刺激物。如果抓挠动作去除了刺激物，或者抓挠足够强烈以引起疼痛，痒感可以得到缓解。据信，疼痛信号通过侧向抑制(lateral inhibition)在脊髓中抑制痒信号，如第49章所述。
将体感信号传递到中枢神经系统的感觉通路
几乎所有来自身体体节的感觉信息都通过脊神经的背根(dorsal roots)进入脊髓。然而，从进入脊髓到大脑，感觉信号通过两种替代感觉通路之一传递：(1)背柱-内侧丘系系统(dorsal column–medial lemniscal system)；或(2)前外侧系统(anterolateral system)。这两个系统在丘脑(thalamus)水平部分重新汇合。
背柱-内侧丘系系统，顾名思义，主要在脊髓的背柱(dorsal columns)中将信号向上传递到脑的延髓(medulla)。然后，在信号在延髓中突触并交叉到对侧后，它们通过内侧丘系(medial lemniscus)继续向上通过脑干到达丘脑。
相反，前外侧系统中的信号在从脊神经背根进入脊髓后，立即在脊髓灰质的背角(dorsal horns)中突触，然后交叉到脊髓的对侧，并通过脊髓的前外侧白柱(anterior and lateral white columns)上升。它们在脑干下部的所有水平和丘脑中终止。
背柱-内侧丘系系统由大的有髓鞘神经纤维(large myelinated nerve fibers)组成，以30到110m/sec的速度向大脑传递信号，而前外侧系统由较小的有髓鞘纤维(smaller myelinated fibers)组成，以每秒几米到40m/sec的速度传递信号。
这两个系统之间的另一个区别是，背柱-内侧丘系系统(dorsal column–medial lemniscal system)的神经纤维相对于其起源具有高度的空间定向性，而前外侧系统(anterolateral system)的空间定向性要低得多。这些差异立即表征了这两个系统可以传输的感觉信息的类型。也就是说，必须在时间和空间保真度上快速传输的感觉信息主要在背柱-内侧丘系系统中传输；而不需要快速传输或具有高度空间保真度的感觉信息则主要在前外侧系统中传输。
前外侧系统具有背柱系统所不具备的特殊能力——能够传输广泛的感觉模态(sensory modalities)，如疼痛、温暖、寒冷和粗糙的触觉。这些感觉模态中的大多数将在第49章中详细讨论。背柱系统仅限于离散类型的机械感受感觉(mechanoreceptive sensations)。
考虑到这些差异，我们现在可以列出在这两个系统中传输的感觉类型。
背柱-内侧丘系系统
- 需要高度刺激定位的触觉
- 需要传输强度细微变化的触觉
- 相位感觉，如振动感觉
- 信号皮肤上运动的感觉
- 来自关节的位置感觉
- 与压力强度精细判断相关的压力感觉
前外侧系统
- 疼痛
- 温度感觉，包括温暖和寒冷感觉
- 只能在身体表面进行粗略定位的粗糙触觉和压力感觉
- 痒和瘙痒感觉
- 性感觉
背柱-内侧丘系系统中的传输
背柱-内侧丘系系统的解剖
通过脊神经背根进入脊髓后，来自特化机械感受器(specialized mechanoreceptors)的大型有髓纤维几乎立即分为内侧分支和外侧分支，如图48-2中通过脊根进入的右侧纤维所示（视频48-1）。内侧分支首先向内侧转弯，然后在背柱中向上行进，通过背柱通路一直到达大脑。
图48-2. 脊髓的横截面，显示脊髓灰质的解剖结构以及脊髓白柱中的上行感觉束。
外侧分支进入脊髓灰质的背角，然后多次分支以提供与脊髓灰质中间和前部区域的局部神经元突触的终端。这些局部神经元反过来具有三个功能：
- 它们中的大部分发出纤维，进入脊髓的背柱，然后向上行进到大脑。
- 许多纤维非常短，终止于脊髓灰质中，以引发局部脊髓反射，这将在第55章中讨论。
- 其他纤维产生脊髓小脑束(spinocerebellar tracts)，我们将在第57章中讨论与小脑功能相关的内容。
在丘脑(thalamus)中，内侧丘系纤维(medial lemniscal fibers)终止于丘脑感觉中继区(sensory relay area)，称为腹基底复合体(ventrobasal complex)。如图48-4所示，从腹基底复合体发出的三级神经纤维(third-order nerve fibers)主要投射到大脑皮层(postcentral gyrus)的中央后回，称为躯体感觉区I(somatic sensory area I)(如图48-6所示，这些纤维也投射到顶叶皮层外侧的一个较小区域，称为躯体感觉区II(somatic sensory area II))。
背柱-内侧丘系通路(Dorsal Column–Medial Lemniscal Pathway)。请注意图48-3中，进入背柱(dorsal columns)的神经纤维不间断地向上传递到延髓背侧(dorsal medulla)，在那里它们与背柱核(dorsal column nuclei)(楔束核(cuneate nucleus)和薄束核(gracile nucleus))形成突触。从那里，二级神经元(second-order neurons)立即交叉到脑干(brain stem)的对侧，并通过内侧丘系(medial lemnisci)继续向上到达丘脑。在这个通过脑干的通路中，每个内侧丘系都加入了来自三叉神经(trigeminal nerve)感觉核的额外纤维；这些纤维为头部提供与背柱纤维为身体提供的相同的感觉功能。 图48-3. 传递关键类型触觉信号的背柱-内侧丘系通路。
背柱-内侧丘系系统中神经纤维的空间定位
背柱-内侧丘系系统的一个显著特征是来自身体各个部位的神经纤维在整个过程中保持明显的空间定位。例如，在脊髓(spinal cord)的背柱中，来自身体下部的纤维位于脊髓的中心，而那些在更高节段水平进入脊髓的纤维则在外侧形成连续的层。
图48-4. 背柱-内侧丘系系统通过丘脑投射到躯体感觉皮层(somatosensory cortex)。
在丘脑中，仍然保持着明显的空间定位，身体的尾端由腹基底复合体的最外侧部分代表，而头部和面部由复合体的内侧区域代表。由于内侧丘系在延髓中的交叉，身体的左侧在丘脑的右侧代表，身体的右侧在丘脑的左侧代表。
躯体感觉皮层
图48-5是人类大脑皮层的图谱，显示它根据组织学结构差异分为大约50个不同的区域，称为Brodmann区(Brodmann’s areas)。这张图谱很重要，因为几乎所有神经生理学家和神经学家都用它来按编号指代人类皮层的许多不同功能区域。
请注意图48-5中横跨大脑的水平中央裂(central fissure)(也称为中央沟(central sulcus))。一般来说，来自所有感觉模式的感觉信号终止于中央裂后方的皮层。通常，顶叶(parietal lobe)的前半部分几乎完全与躯体感觉信号的接收和解释有关，但顶叶的后半部分提供了更高层次的解释。
图48-5. 人类大脑皮层中结构上不同的区域，称为Brodmann分区。特别注意区域1、2和3，它们构成了初级躯体感觉区I，以及区域5和7A，它们构成了躯体感觉联合区。
视觉信号终止于枕叶，听觉信号终止于颞叶。
相反，位于中央沟前方并构成额叶后部的大脑皮层部分称为运动皮层；它几乎完全用于控制肌肉收缩和身体运动。这种运动控制的大部分是对从皮层的感觉部分接收到的躯体感觉信号的响应，这些信号使运动皮层了解不同身体部位的位置和运动。
躯体感觉区I和II。图48-6显示了顶叶前部的两个独立的感觉区域，称为躯体感觉区I和躯体感觉区II。之所以分为两个区域，是因为在这两个区域中发现了身体不同部位的明显且独立的空间定位。然而，躯体感觉区I比躯体感觉区II广泛得多且重要得多，因此在日常使用中，“躯体感觉皮层”一词几乎总是指区域I。
躯体感觉区I对身体不同部位有高度的定位，如图48-6中几乎所有身体部位的名称所示。相比之下，躯体感觉区II的定位较差，尽管大致上，面部位于前部，手臂位于中部，腿部位于后部。
关于躯体感觉区II的功能知之甚少。已知信号从脑干进入该区域，从身体两侧向上传递。此外，许多信号来自躯体感觉区I和大脑的其他感觉区域，甚至来自视觉和听觉区域。躯体感觉区I的投射是躯体感觉区II功能所必需的。然而，移除躯体感觉区II的部分对躯体感觉区I中神经元的反应没有明显影响。因此，我们对躯体感觉的大部分了解似乎可以通过躯体感觉区I的功能来解释。
图48-6. 两个躯体感觉皮层区域，躯体感觉区I和II。
图48-7. 躯体感觉区I中身体不同区域的表示。（来自Penfield W, Rasmussen T: Cerebral Cortex of Man: A Clinical Study of Localization of Function. New York: Hafner, 1968.）
躯体感觉区I中来自身体不同部位信号的空间定位。躯体感觉区I位于中央沟的正后方。它位于人类大脑皮层的中央后回（Brodmann分区3、1和2）。
图48-7展示了大脑在中央后回水平的横截面，显示了躯体感觉I区不同区域对身体各部分的表征。然而，需要注意的是，皮层的每一侧几乎只接收来自身体对侧的感觉信息。
身体的某些区域在躯体皮层中占据较大的面积——嘴唇的面积最大，其次是面部和拇指——而躯干和身体下部的表征区域相对较小。这些区域的大小与身体各外周区域中特化的感觉受体数量成正比。例如，嘴唇和拇指中有大量的特化神经末梢，而躯干皮肤中只有少量。
还需注意的是，鼻子、嘴唇、口腔和面部在躯体感觉I区的最外侧部分有表征，而头部、颈部、肩部和身体下部则在内侧有表征。
躯体感觉皮层的层次及其功能
大脑皮层包含六层神经元，从靠近大脑表面的第I层开始，逐渐延伸到更深层的第VI层，如图48-8所示。正如预期的那样，每一层的神经元执行的功能与其他层不同。其中一些功能如下：
- 传入的感觉信号首先兴奋第IV层神经元；然后信号向皮层表面和更深层扩散。
- 第I层和第II层接收来自低级脑中枢的弥散性、非特异性输入信号，这些信号促进皮层的特定区域；这一系统在第58章中有描述。这种输入主要控制受刺激区域的整体兴奋水平。
- 第II层和第III层的神经元通过胼胝体将轴突发送到大脑对侧的相关皮层部分。
图48-8. 大脑皮层的结构——I层，分子层；II层，外颗粒层；III层，小锥体细胞层；IV层，内颗粒层；V层，大锥体细胞层；VIa和VIb层，梭形或多形细胞层。（来自Ranson SW, Clark SL: Anatomy of the Nervous System. Philadelphia: WB Saunders, 1959.）
- 第V层和第VI层的神经元将轴突发送到神经系统的更深部分。第V层的神经元通常较大，投射到更远的区域，如基底神经节、脑干和脊髓，控制信号传递。从第VI层，尤其是大量的轴突延伸到丘脑，提供来自大脑皮层的信号，这些信号与进入丘脑的传入感觉信号相互作用，并帮助控制其兴奋水平。
感觉皮层以垂直的神经元柱组织；每个柱检测身体上具有特定感觉模态的不同感觉点
从功能上讲，躯体感觉皮层(somatosensory cortex)的神经元以垂直柱状排列，贯穿皮层的六层结构，每个柱状结构的直径为0.3至0.5毫米，可能包含约10,000个神经元细胞体。每个柱状结构负责一种特定的感觉模式(sensory modality)；一些柱状结构对关节周围的牵张感受器(stretch receptors)作出反应，一些对触觉毛发的刺激作出反应，另一些则对皮肤上离散的局部压力点作出反应，等等。在第IV层，输入的感觉信号首次进入皮层，这些神经元柱状结构几乎完全独立地运作。在柱状结构的其他层次，神经元之间的相互作用启动了对感觉信号意义的分析。
在中央后回(postcentral gyrus)最前端的5至10毫米处，位于中央沟(central fissure)深处的Brodmann 3A区，特别多的垂直柱状结构对肌肉、肌腱和关节的牵张感受器作出反应。来自这些感觉柱状结构的许多信号随后向前传播，直接到达位于中央沟前方的运动皮层(motor cortex)。这些信号在控制激活肌肉收缩序列的传出运动信号中起主要作用。
在躯体感觉I区(somatosensory area I)向后移动时，越来越多的垂直柱状结构对缓慢适应的皮肤感受器(slowly adapting cutaneous receptors)作出反应；再向后，更多的柱状结构对深部压力敏感。
在躯体感觉I区的最后部，约6%的垂直柱状结构仅在刺激以特定方向在皮肤上移动时作出反应。因此，这是对感觉信号的更高层次解释；随着信号从躯体感觉I区进一步向后传播到顶叶皮层(parietal cortex)，即称为躯体感觉联合区(somatosensory association area)的区域，这一过程变得更加复杂，我们将在后面讨论。
躯体感觉I区的功能
广泛的双侧切除躯体感觉I区会导致以下类型的感觉判断丧失：
- 个体无法精确地定位身体不同部位的不同感觉。然而，他或她可以粗略地定位这些感觉，例如定位到特定的手、躯干的主要部位或某一条腿。因此，显然脑干(brain stem)、丘脑(thalamus)或通常被认为与躯体感觉无关的大脑皮层部分可以进行某种程度的定位。
- 个体无法判断身体所受压力的临界程度。
- 个体无法判断物体的重量。
- 个体无法判断物体的形状或形态。这种情况称为实体觉缺失(astereognosis)。
- 个体无法判断材料的质地，因为这种判断依赖于手指在被判断表面上移动时产生的高度敏感的感觉。
需要注意的是，在此列表中并未提及痛觉和温度觉的丧失。在仅缺失躯体感觉I区的特定情况下，这些感觉模式的质量和强度仍然得以保留。然而，感觉的定位能力较差，这表明痛觉和温度觉的定位在很大程度上依赖于躯体感觉I区中身体的拓扑图(topographic map)来定位来源。
躯体感觉联合区
大脑皮层的Brodmann 5区和7区位于躯体感觉I区(参见图48-5)后方的顶叶皮层，在解读躯体感觉区感觉信息的深层含义方面起着重要作用。因此，这些区域被称为躯体感觉联合区(somatosensory association areas)。
对躯体感觉联合区进行电刺激，偶尔会让清醒的人体验到复杂的身体感觉，有时甚至是"感觉"到物体，如刀或球。因此，躯体感觉联合区似乎很明显地将来自初级躯体感觉区多个点的信息结合起来，以解读其含义。这种现象也与进入躯体感觉联合区的神经束的解剖学排列相吻合，因为它接收来自以下部位的信号:(1)躯体感觉I区;(2)丘脑的腹侧基底核;(3)丘脑的其他区域;(4)视觉皮层;(5)听觉皮层。
移除躯体感觉联合区的无形态合成效应(Amorphosynthesis Effect)。当大脑一侧的躯体感觉联合区被移除时，人会丧失识别身体对侧感受到的复杂物体和复杂形态的能力。此外，人还会丧失对自身身体或身体对侧部位形态的大部分感知。事实上，人主要对身体对侧毫无察觉——也就是说，忘记了它的存在。因此，人也常常忘记使用对侧进行运动功能。同样，当触摸物体时，人往往只识别物体的一侧，而忘记了另一侧的存在。这种复杂的感觉缺陷被称为无形态合成(amorphosynthesis)。
背柱-内侧丘系信号传递和分析的特征
背柱-内侧丘系系统的基本神经元回路。图48-9的下部显示了脊髓背柱通路神经元回路的基本组织，表明在每个突触阶段都会发生发散。图的上部曲线显示，放电程度最大的皮层神经元是每个相应受体皮层"场"中心部分的神经元。因此，弱刺激只引起最中心的神经元放电。更强的刺激会引起更多神经元放电，但中心区域的神经元放电速度明显快于远离中心的神经元。
两点辨别(Two-Point Discrimination)。一种常用的测试触觉辨别能力的方法是测定人的所谓"两点"辨别能力。在这个测试中，两根针同时轻轻压在皮肤上，人判断感受到的是一个点还是两个点的刺激。在指尖，人通常可以区分两个独立的点，即使针尖相距只有1到2毫米。然而，在人的背部，针尖通常必须相距30到70毫米才能检测到两个独立的点。造成这种差异的原因是这两个区域的特化触觉受体数量不同。
图48-9. 点状刺激信号向大脑皮层的传递。
图48-10展示了背柱通路（以及其他所有感觉通路）传递两点辨别信息的机制。该图显示了皮肤上两个相邻的强烈刺激点，以及由这两个刺激点的信号所兴奋的体感皮层区域（大大放大）。蓝色曲线显示了当两个皮肤点同时受到刺激时皮层兴奋的空间模式。注意，兴奋区域有两个分离的峰值。这两个峰值被一个谷分开，使得感觉皮层能够检测到两个刺激点的存在，而不是单个点。感觉系统区分这两个刺激点存在的能力受到另一种机制——侧抑制（lateral inhibition）的强烈影响，这将在下一节中解释。
图48-10. 来自两个相邻点状刺激的信号向皮层的传递。蓝色曲线表示没有“周围”抑制时的皮层刺激模式，两条红色曲线表示发生“周围”抑制时的模式。
侧抑制增加感知空间模式对比度的效果。如第47章所述，几乎每一条感觉通路在兴奋时都会同时产生侧抑制信号；这些抑制信号向兴奋信号的侧面扩散并抑制相邻的神经元。例如，考虑背柱核中的一个兴奋神经元。除了中央兴奋信号外，短的侧向通路将抑制信号传递给周围的神经元——也就是说，这些信号通过额外的中间神经元传递，这些中间神经元分泌抑制性递质。
侧抑制（也称为周围抑制）的重要性在于它阻止了兴奋信号的侧向扩散，从而增加了大脑皮层感知到的感觉模式的对比度。
在背柱系统的情况下，侧抑制信号发生在每个突触水平——例如：（1）延髓的背柱核；（2）丘脑的腹基底核；以及（3）皮层本身。在每一个水平上，侧抑制都有助于阻止兴奋信号的侧向扩散。结果，兴奋的峰值突出，周围的许多弥散刺激被阻断。这种效果在图48-10中的两条红色曲线中得到了展示，显示了当侧抑制强度很大时，峰值完全分离。
快速变化和重复感觉的传递。背柱系统在向感觉系统传递快速变化的周围条件方面也特别重要。根据记录的动作电位，该系统可以识别在千分之一秒内发生的刺激变化。
振动觉 (Vibratory Sensation)
振动信号是快速重复的，可以被检测为高达700次/秒的振动。高频振动信号源自皮肤和深层组织中的Pacinian小体 (Pacinian corpuscles)，但低频信号（\ k<200 次/秒）也可能源自Meissner小体 (Meissner's corpuscles)。这些信号仅通过背柱通路 (dorsal column pathway) 传输。因此，将振动（例如来自“音叉”）应用于身体的不同外周部位是神经科医生用于测试背柱功能完整性的重要工具。
感觉刺激强度的解释 (Interpretation of Sensory Stimulus Intensity)
大多数感觉刺激的最终目标是让大脑了解身体及其周围环境的状态。因此，我们有必要简要讨论一些与感觉刺激强度传递到神经系统更高层次相关的原理。
感觉系统如何能够传递强度变化极大的感觉体验？例如，听觉系统可以检测到最微弱的耳语，但也能辨别爆炸声的含义，尽管这两种体验的声音强度可能相差超过100亿倍；眼睛可以看到光强度变化高达50万倍的视觉图像，皮肤可以检测到10,000到100,000倍的压力差异。
作为对这些效应的部分解释，前一章的图47-4显示了由Pacinian小体产生的感受器电位 (receptor potential) 与感觉刺激强度之间的关系。在低刺激强度下，强度的微小变化会显著增加电位，而在高刺激强度下，感受器电位的进一步增加则较小。因此，Pacinian小体能够准确测量低强度水平下刺激的极微小变化，但在高强度水平下，刺激的变化必须更大才能引起相同程度的感受器电位变化。
耳蜗 (cochlea) 检测声音的转导机制展示了另一种分离刺激强度梯度的方法。当声音刺激基底膜 (basilar membrane) 上的特定点时，弱声音仅刺激那些位于最大振动点的毛细胞 (hair cells)。然而，随着声音强度的增加，远离最大振动点的更多毛细胞也会受到刺激。因此，信号通过逐渐增加的神经纤维数量传递，这是另一种将刺激强度传递到中枢神经系统的机制。这种机制，加上刺激强度对每根神经纤维冲动速率的直接影响，以及其他几种机制，使得某些感觉系统能够在刺激强度变化高达数百万倍的情况下合理地忠实运作。
感觉接收的巨大强度范围的重要性
如果人们无法体验到感觉接收的巨大强度范围，各种感觉系统将经常在错误的范围内运作。这一原则可以通过大多数人在使用相机拍照时，不依赖测光表而仅凭直觉调整曝光的行为来证明。在明亮的白天，人们几乎总是会让胶片过度曝光，而在黄昏时分，则会让胶片严重曝光不足。然而，人眼却能够在明亮的阳光或黄昏时分以极高的细节分辨视觉对象；相机由于胶片正确曝光所需的光强度范围较窄，在没有特殊操作的情况下无法实现这种分辨。
刺激强度的判断
Weber-Fechner 原则：检测刺激强度的“比率”。在19世纪中叶，Weber 首先提出，随后 Fechner 进一步发展了这一原则，即刺激强度的分级大致与刺激强度的对数成比例。例如，一个人手中已经持有30克重量时，几乎无法察觉到1克的增加；而当手中持有300克时，几乎无法察觉到10克的增加。因此，在这种情况下，检测所需的刺激强度变化比率基本保持不变，约为1比30，这正是对数原则的含义。用数学公式表达这一原则为：
解释的信号强度 = 对数（刺激）^+ 常数
最近的研究表明，Weber-Fechner 原则仅在视觉、听觉和皮肤感觉体验的较高强度下定量准确，而对大多数其他类型的感觉体验适用性较差。然而，Weber-Fechner 原则仍然值得记住，因为它强调了背景感觉强度越大，心理检测到变化所需的额外变化也越大。
幂律：生理心理学家尝试找到的另一种良好数学关系是以下公式，称为幂律：
解释的信号强度 =K×( ( 刺激 - k)
在这个公式中，指数 y 和常数 K 和 k 对于每种感觉类型都是不同的。
当使用双对数坐标在图表上绘制这种幂律关系时，如图48-11所示，并且找到适当的 y、K 和 k 的定量值时，几乎任何类型的感觉感知都可以在解释的刺激强度和实际刺激强度之间实现大范围的线性关系。
位置感觉
位置感觉通常也被称为本体感觉。它们可以分为两种子类型：(1) 静态位置感觉，即对身体不同部位相对于彼此的定向的有意识感知；(2) 运动速率感觉，也称为运动觉或动态本体感觉。
位置感觉受体(位置感觉受体, position sensory receptors)。对位置(包括静态和动态)的感知依赖于了解所有关节在所有平面上的角度变化及其变化速率。因此，多种不同类型的受体共同用于确定关节角度并用于位置感知。皮肤触觉受体(皮肤触觉受体, skin tactile receptors)和关节附近的深层受体(深层受体, deep receptors)都被使用。在手指的情况下，皮肤受体非常丰富，据信多达一半的位置识别是通过皮肤受体检测到的。相反，对于身体大多数较大的关节，深层受体更为重要。
图48-11. 实际刺激强度与大脑解释强度之间的“幂律”关系的图示。请注意，幂律在非常弱或非常强的刺激强度下不成立。
在确定关节运动的中间范围角度时，肌梭(肌梭, muscle spindles)是最重要的受体之一。它们对于帮助控制肌肉运动也非常重要，如第55章所述。当关节角度发生变化时，一些肌肉被拉伸，而另一些肌肉则放松，来自肌梭的净拉伸信息被传递到脊髓的计算系统和背柱系统的高位区域，以解码关节角度。
在关节角度的极端情况下，关节周围的韧带和深层组织的拉伸是确定位置的另一个重要因素。用于此目的的感觉末梢类型包括Pacinian小体(Pacinian小体, Pacinian corpuscles)、Ruffini末梢(Ruffini末梢, Ruffini’s endings)和类似于肌肉肌腱中的Golgi腱受体(Golgi腱受体, Golgi tendon receptors)的受体。
Pacinian小体和肌梭特别适合检测快速变化速率。这些受体很可能是最负责检测运动速率的受体。
在背柱-内侧丘系通路中处理位置感觉信息。参考图48-12，可以看到对关节旋转反应的丘脑神经元分为两类：(1) 当关节完全旋转时受到最大刺激的神经元；和 (2) 当关节最小旋转时受到最大刺激的神经元。因此，来自各个关节受体的信号用于告诉心理每个关节旋转了多少。
图48-12. 当膝关节在其运动范围内移动时，丘脑腹基底复合体中五种不同丘脑神经元(1-5)的典型反应。(数据来自Mountcastle V B, Poggie G F, Werner G: The relation of thalamic cell response to peripheral stimuli varied over an intensive continuum. J Neurophysiol 26:807, 1963.)
前外侧通路中的感觉信号传递
与背柱通路不同，前外侧通路（anterolateral pathway）将感觉信号传递至脊髓并进入大脑，传递的感觉信号不需要对信号源进行高度精确的定位，也不需要区分强度的细微差异。这些类型的信号包括疼痛、热、冷、粗略触觉、痒、瘙痒和性感觉（视频48-2）。在第49章中，将特别讨论疼痛和温度感觉。
前外侧通路的解剖
脊髓前外侧纤维主要起源于背角（dorsal horn）的I、IV、V和VI层（见图48-2）。这些层是许多背根感觉神经纤维进入脊髓后终止的地方。
如图48-13所示，前外侧纤维立即在脊髓的前连合（anterior commissure）交叉到对侧的前白柱和侧白柱，在那里它们通过前脊髓丘脑束（anterior spinothalamic tract）和侧脊髓丘脑束（lateral spinothalamic tract）向上转向大脑。
两条脊髓丘脑束的上端终点主要有两个：(1) 脑干网状核（reticular nuclei）；(2) 丘脑的两个不同核复合体，即腹基底复合体（ventrobasal complex）和板内核（intralaminar nuclei）。一般来说，触觉信号主要传递到腹基底复合体，终止于与背柱触觉信号相同的丘脑核。从这里，信号与来自背柱的信号一起传递到躯体感觉皮层（somatosensory cortex）。
相反，只有一小部分疼痛信号直接投射到丘脑的腹基底复合体。大多数疼痛信号终止于脑干的网状核，并从那里传递到丘脑的板内核，在那里疼痛信号进一步处理，详见第49章。
图48-13. 前外侧感觉通路的前部和侧部分支。
前外侧通路的传递特性
一般来说，前外侧通路的传递原则与背柱-内侧丘系系统（dorsal column–medial lemniscal system）相同，但有以下区别：(1) 传递速度仅为背柱-内侧丘系系统的三分之一到一半，范围为8到40~m/sec；(2) 信号的空间定位能力较差；(3) 强度的分级也远不如背柱系统准确，大多数感觉被识别为10到20个强度等级，而不是背柱系统的多达100个等级；(4) 传递快速变化或快速重复信号的能力较差。
因此，显然前外侧系统是一种比背柱-内侧丘系系统更粗糙的传递系统。即便如此，某些感觉模式仅通过该系统传递，而完全不通过背柱-内侧丘系系统传递。这些感觉包括疼痛、温度、痒、瘙痒和性感觉，以及粗略触觉和压力。
躯体感觉功能的一些特殊方面
丘脑在躯体感觉中的功能
当人类的躯体感觉皮层(somatosensory cortex)被破坏时，该人会丧失大部分关键触觉敏感性(critical tactile sensibilities)，但仍有轻微的粗略触觉敏感性(crude tactile sensibility)会恢复。因此，必须假设丘脑(thalamus)（和其他低级中枢）具有轻微的触觉辨别能力，尽管丘脑通常主要将此类信息传递到皮层。
相反，躯体感觉皮层的丧失对疼痛感觉的感知影响很小，对温度感知的影响也仅为中等。因此，下脑干、丘脑和其他相关的脑基底区域被认为在这些敏感性的辨别中起主导作用。有趣的是，这些敏感性在动物的系统发育(phylogenetic development)中很早就出现了，而关键的触觉敏感性和躯体感觉皮层则是较晚才发展出来的。
感觉敏感性的皮层控制——“皮层传出”(Corticofugal)信号
除了从外周传递到大脑的躯体感觉信号外，皮层传出信号还从大脑皮层向后传递到丘脑、延髓和脊髓的低级感觉中继站。它们控制感觉输入的敏感性强度。
皮层传出信号几乎完全是抑制性的，因此当感觉输入强度过大时，皮层传出信号会自动减少中继核中的传递。这种作用有两个效果：首先，它减少了感觉信号向邻近神经元的横向扩散，从而增加了信号模式的清晰度。其次，它使感觉系统在敏感性范围内运行，既不会低到信号无效，也不会高到系统超出其区分感觉模式的能力。这种皮层传出感觉控制的原则被所有感觉系统使用，不仅仅是躯体系统，正如后续章节所解释的那样。
图48-14. 皮节(Dermatomes)。（改编自Grinker RR, Sahs AL: Neurology, 6th ed. Springfield, IL, 1966. 由Charles \boldsymbolC Thomas Publisher, Ltd., Springfield, Illinois提供。）
感觉的节段性区域——皮节(Dermatomes)
每条脊神经支配皮肤的“节段性区域”，称为皮节(dermatome)。不同的皮节如图48-14所示。图中显示相邻皮节之间有明显的边界，但这远非真实情况，因为节段之间存在大量重叠。
图48-14显示，身体的肛门区域位于最远端脊髓节段的皮节，即S5皮节。在胚胎中，这是尾部区域和身体的最远端部分。腿部在胚胎学上起源于腰部和上骶部节段（L2至S3），而不是远端骶部节段，这在皮节图中显而易见。当外周感觉因损伤而受到干扰时，可以使用如图48-14所示的皮节图来确定脊髓损伤发生的水平。
躯体感觉：II. 疼痛、头痛和温度感觉
身体的许多疾病都会引起疼痛。此外，诊断不同疾病的能力在很大程度上取决于医生对不同疼痛性质的认识。基于这些原因，本章的第一部分主要讨论疼痛及其相关临床现象的生理基础。
当组织受到损伤时，疼痛就会发生，并促使个体做出反应以消除疼痛刺激。即使是像长时间坐着这样简单的活动，也可能由于皮肤受压导致血流不足而引起组织损伤。当皮肤因缺血而感到疼痛时，人们通常会下意识地转移重心。然而，失去痛觉的人——例如脊髓损伤后——无法感受到疼痛，因此也不会转移重心。这种情况很快会导致受压区域的皮肤完全破损和脱屑。
快痛和慢痛及其性质
疼痛被分为两种主要类型：快痛（fast pain）和慢痛（slow pain）。快痛在疼痛刺激施加后约0.1秒内被感知，而慢痛则在1秒或更长时间后才开始，并在数秒甚至数分钟内缓慢增强。在本章中，我们将看到这两种疼痛的传导通路是不同的，并且它们各自具有特定的性质。
快速疼痛也被许多其他名称描述，如锐痛(sharp pain)、刺痛(pricking pain)、急性疼痛(acute pain)和电击痛(electric pain)。当针刺入皮肤、用刀割伤皮肤或皮肤被急性烧伤时，会感受到这种类型的疼痛。当皮肤受到电击时也会感受到快速锐痛。在身体的大多数深层组织中不会感受到快速锐痛。
慢痛(slow pain)也有许多名称，如慢烧痛(slow burning pain)、酸痛(aching pain)、搏动痛(throbbing pain)、恶心痛(nauseous pain)和慢性疼痛(chronic pain)。这种类型的疼痛通常与组织破坏有关。它可能导致长时间的、几乎无法忍受的痛苦。慢痛既可以发生在皮肤上，也可以发生在几乎任何深层组织或器官中。
痛觉感受器及其刺激
痛觉感受器是游离神经末梢(free nerve endings)。皮肤和其他组织中的痛觉感受器都是游离神经末梢。它们广泛分布于皮肤表层，以及某些内部组织中，如骨膜(periosteum)、动脉壁(arterial walls)、关节表面(joint surfaces)和颅腔内的镰状窦(falx)和小脑幕(tentorium)。大多数其他深层组织只有稀疏的痛觉末梢分布；然而，任何广泛的组织损伤都可以累加，导致这些区域出现缓慢、慢性、酸痛类型的疼痛。
机械、热和化学刺激激活痛觉感受器。疼痛可以由多种类型的刺激引起，分为机械、热和化学疼痛刺激。一般来说，快速疼痛由机械和热刺激引起，而慢痛可以由所有三种类型的刺激引起。
一些激活化学类型疼痛的化学物质包括缓激肽(bradykinin)、5-羟色胺(serotonin)、组胺(histamine)、钾离子(potassium ions)、酸(acids)、乙酰胆碱(acetylcholine)和蛋白水解酶(proteolytic enzymes)。此外，前列腺素(prostaglandins)和P物质(substance P)增强了痛觉末梢的敏感性，但不直接激活它们。这些化学物质在刺激组织损伤后发生的慢痛类型中尤为重要。
痛觉感受器的非适应性特性。与身体的大多数其他感觉感受器相比，痛觉感受器的适应能力非常弱，有时甚至完全不适应。事实上，在某些情况下，随着疼痛刺激的持续，痛觉纤维的兴奋会逐渐增强，特别是对于缓慢、酸痛、恶心的疼痛。痛觉感受器敏感性的这种增加被称为痛觉过敏(hyperalgesia)。人们可以很容易理解痛觉感受器不适应的重要性，因为它可以让疼痛持续提醒人们注意组织损伤刺激的存在。
组织损伤速率作为疼痛刺激。如图49-1所示，当皮肤被加热到45°C以上时，普通人开始感知疼痛。这也是组织开始被热损伤的温度；事实上，如果温度无限期地保持在这个水平以上，组织最终会被破坏。因此，很明显，由热引起的疼痛与组织损伤发生的速率密切相关，而与已经发生的总损伤无关。
图49-1. 从大量人群中获得的分布曲线，显示了引起疼痛的最低皮肤温度。(修改自Hardy JD: Nature of pain. J Clin Epidemiol 4:22, 1956.)
疼痛的强度也与除热以外的其他原因引起的组织损伤速率密切相关，例如细菌感染(bacterial infection)、组织缺血(tissue ischemia)、组织挫伤(tissue contusion)等。
组织损伤期间化学性疼痛刺激的特殊重要性。从受损组织中提取的物质在注射到正常皮肤下时会引起剧烈疼痛。这些提取物中可以找到大多数先前列出的能够刺激化学性疼痛受体(chemical pain receptors)的化学物质。其中一种似乎比其他物质更疼痛的化学物质是缓激肽(bradykinin)。研究人员认为，缓激肽可能是组织损伤后引起疼痛的主要物质。此外，感受到的疼痛强度与局部钾离子浓度增加或蛋白水解酶(proteolytic enzymes)增加有关，这些酶直接攻击神经末梢，并通过使神经膜对离子更具通透性来激发疼痛。
组织缺血作为疼痛的原因。当流向组织的血流被阻断时，组织通常会在几分钟内变得非常疼痛。组织的代谢速率越高，疼痛出现得越快。例如，如果将血压袖带放在上臂并充气直到动脉血流停止，前臂肌肉的运动有时可以在15到20秒内引起肌肉疼痛。在没有肌肉运动的情况下，即使肌肉血流保持为零，疼痛也可能不会在3到4分钟内出现。
缺血期间疼痛的一个可能原因是组织中大量乳酸的积累，这是无氧代谢(anaerobic metabolism)（即没有氧气的代谢）的结果。也可能由于细胞损伤而在组织中形成其他化学物质，如缓激肽和蛋白水解酶，这些物质除了乳酸外，还会刺激疼痛神经末梢。
肌肉痉挛作为疼痛的原因。肌肉痉挛也是疼痛的常见原因，并且是许多临床疼痛综合征的基础。这种疼痛可能部分是由于肌肉痉挛直接刺激机械敏感性疼痛受体(mechanosensitive pain receptors)的结果，但也可能是由于肌肉痉挛间接压迫血管并导致缺血的结果。痉挛还增加了肌肉组织中的代谢速率，从而使相对缺血更加严重，为释放化学性疼痛诱导物质创造了理想条件。
疼痛信号传入中枢神经系统的双重途径
尽管所有的疼痛受体都是游离神经末梢(free nerve endings)，但这些末梢使用两种不同的途径将疼痛信号传递到中枢神经系统(central nervous system)。这两种途径主要对应于两种类型的疼痛——快速锐痛(fast-sharp pain)途径和慢速慢性疼痛(slow-chronic pain)途径。
外周疼痛纤维——“快速”和“慢速”纤维
快速锐痛信号由机械性或热性疼痛刺激引起。它们通过外周神经中的小Aδ纤维(type Aδ fibers)以6到30m/sec的速度传递到脊髓。相反，慢速慢性疼痛主要由化学性疼痛刺激引起，但有时也由持续的机械性或热性刺激引起。这种慢速慢性疼痛通过C纤维(type C fibers)以0.5到2m/sec的速度传递到脊髓。
由于这种双重疼痛神经支配系统，突然的疼痛刺激通常会产生“双重”疼痛感觉：首先是通过Aδ纤维通路传递到大脑的快速锐痛，随后大约一秒钟后是通过C纤维通路传递的慢痛。锐痛在使人立即做出反应以远离刺激方面起着重要作用。慢痛往往会随着时间的推移而加剧，最终产生难以忍受的疼痛，并使人不断尝试缓解疼痛的原因。
当疼痛纤维从脊髓背根进入脊髓时，它们终止于背角的传递神经元。在这里，疼痛信号在传递到大脑的过程中再次通过两个系统进行处理，如图49-2和图49-3所示。
图49-2. 快速锐痛和慢速慢性痛信号在传递到大脑的过程中通过脊髓的传递。Aδ纤维传递快速锐痛，C纤维传递慢速慢性痛。
图49-3. 通过快速刺痛通路和慢速灼痛通路将疼痛信号传递到脑干、丘脑和大脑皮层。
脊髓和脑干中的双重疼痛通路——新脊髓丘脑束和旧脊髓丘脑束
当疼痛信号进入脊髓时，它们通过两条通路传递到大脑：(1) 新脊髓丘脑束和 (2) 旧脊髓丘脑束。
新脊髓丘脑束用于快速疼痛
快速的Aδ型疼痛纤维主要传递机械性和急性热痛。它们主要终止于背角的I层（边缘层），如图49-2所示，并在那里兴奋新脊髓丘脑束的第二级神经元。这些第二级神经元发出长纤维，立即通过前连合交叉到脊髓的对侧，然后向上传递，通过前外侧柱传递到大脑。
新脊髓丘脑束在脑干和丘脑中的终止。新脊髓丘脑束的一些纤维终止于脑干的网状区域，但大多数纤维不间断地传递到丘脑，终止于腹基底复合体，与触觉的背柱-内侧丘系通路一起，如第48章所述。一些纤维也终止于丘脑的后核群。从这些丘脑区域，信号被传递到大脑的其他基底区域，以及躯体感觉皮层。
神经系统可以定位身体中的快速疼痛。快速锐痛在身体的不同部位可以比慢速慢性痛更精确地定位。然而，当只有疼痛感受器被刺激，而没有同时刺激触觉感受器时，即使是快速疼痛也可能定位不准确，通常只能在受刺激区域约10厘米范围内定位。然而，当同时刺激触觉感受器并兴奋背柱-内侧丘系系统时，定位可以几乎精确。
谷氨酸(glutamate)，可能是Aδ型快痛纤维的神经递质(neurotransmitter)。据信，谷氨酸是Aδ型痛觉神经纤维末梢在脊髓中分泌的神经递质物质。谷氨酸是中枢神经系统(central nervous system)中最广泛使用的兴奋性递质之一，通常作用持续时间仅持续几毫秒。
传递慢-慢性痛的古脊髓丘脑通路(paleospinothalamic pathway)
古脊髓丘脑通路是一个更为古老的系统，主要传递来自外周慢-慢性C型痛觉纤维的疼痛，尽管它也传递一些来自Aδ型纤维的信号。在该通路中，外周纤维几乎完全终止于脊髓背角(dorsal horn)的第II和第III层，这两层合称为胶状质(substantia gelatinosa)，如图49-2中最外侧的背根C型纤维所示。大多数信号随后通过背角内的一个或多个额外的短纤维神经元，主要进入同样位于背角的第V层。在这里，该系列中的最后一个神经元发出长轴突，这些轴突大多与来自快痛通路的纤维汇合，首先通过前连合(anterior commissure)到达脊髓的对侧，然后通过前外侧通路(anterolateral pathway)向上传递到大脑。
P物质(substance P)，可能是C型神经末梢的慢-慢性神经递质。进入脊髓的C型痛觉纤维末梢释放谷氨酸递质和P物质递质。谷氨酸递质瞬时起作用，仅持续几毫秒。P物质的释放要慢得多，其浓度在几秒甚至几分钟内逐渐增加。事实上，有人认为，针刺后感觉到的“双重”疼痛可能部分是由于谷氨酸递质产生更快的痛觉，而P物质递质产生更滞后的感觉。尽管具体细节尚不清楚，但似乎很明显，谷氨酸是主要参与将快痛传递到中枢神经系统的神经递质，而P物质与慢-慢性痛有关。
古脊髓丘脑通路（慢-慢性痛信号）向脑干和丘脑的投射。慢-慢性古脊髓丘脑通路广泛终止于脑干，如图49-3中的大阴影区域所示。只有10%到25%的纤维一直传递到丘脑。相反，大多数纤维终止于以下三个区域之一：(1) 延髓、脑桥和中脑的网状核(reticular nuclei)；(2) 中脑顶盖区(tectal area)，位于上丘(superior colliculi)和下丘(inferior colliculi)的深部；(3) 围绕Sylvius导水管(periaqueductal gray region)的导水管周围灰质。这些脑的下部区域似乎对感受痛苦类型的疼痛很重要。从脑干疼痛区域，多个短纤维神经元将疼痛信号向上传递到丘脑的板内核(intralaminar nuclei)和腹外侧核(ventrolateral nuclei)，以及下丘脑(hypothalamus)的某些部分和大脑的其他基底区域。
神经系统在精确定位通过慢慢性通路传递的疼痛来源方面的能力较差。通过古脊髓丘脑通路传递的疼痛定位是不精确的。例如，慢慢性疼痛通常只能定位到身体的主要部分，如一只手臂或腿，但不能定位到手臂或腿上的特定点。这种现象与该通路的多突触、弥散性连接性相一致。这解释了为什么患者通常在定位某些慢性疼痛的来源时遇到严重困难。
网状结构、丘脑和大脑皮层在疼痛感知中的功能。完全移除大脑皮层的体感区域并不会阻止疼痛感知。因此，进入脑干网状结构、丘脑和其他低级脑中心的疼痛冲动很可能引起有意识的疼痛感知。这并不意味着大脑皮层与正常的疼痛感知无关；对皮层体感区域的电刺激确实会导致人从大约3%的刺激点感知到轻度疼痛。然而，尽管疼痛感知可能主要是低级中心的功能，但人们认为皮层在解释疼痛质量方面起着特别重要的作用。
疼痛信号在唤醒整体大脑兴奋性方面的特殊能力。在脑干的网状区域和丘脑的内侧核团（慢痛苦型疼痛终止的区域）进行电刺激，对整个大脑的神经活动有强烈的唤醒作用。这两个区域构成了大脑主要唤醒系统的一部分，在第60章中讨论。这解释了为什么人在剧烈疼痛时几乎不可能入睡。
疼痛通路的手术中断。当一个人有严重且难以控制的疼痛（有时是由于迅速扩散的癌症引起的），有必要缓解疼痛。为了提供疼痛缓解，可以在几个点中的任何一个切断疼痛神经通路。如果疼痛位于身体的下部，通常在脊髓的胸段进行脊髓切开术可以缓解疼痛几周到几个月。为了进行脊髓切开术，在疼痛对侧的脊髓前外侧象限切断疼痛传导束，以中断前外侧感觉通路。
脊髓切开术并不总是能成功缓解疼痛，原因有二。首先，许多来自身体上部的疼痛纤维在到达大脑之前不会交叉到脊髓的对侧，而脊髓切开术不会切断这些纤维。其次，疼痛通常在几个月后再次出现，部分原因是其他通路的敏化，这些通路通常太弱而无法有效传递疼痛（例如，脊髓背外侧的稀疏通路）。
大脑和脊髓中的疼痛抑制（镇痛）系统
不同人对疼痛的反应程度差异巨大。这种差异部分源于大脑本身通过激活一个称为镇痛系统的疼痛控制系统来抑制疼痛信号输入到神经系统的能力。
镇痛系统(analgesia system)，如图49-4所示，由三个主要部分组成：(1) 中脑和上脑桥的导水管周围灰质(periaqueductal gray)和脑室周围区(periventricular areas)，围绕Sylvius导水管和第三、第四脑室的部分。这些区域的神经元向(2) 位于下脑桥和上延髓的中线薄核——中缝大核(raphe magnus nucleus)以及位于延髓外侧的巨细胞旁网状核(nucleus reticularis paragigantocellularis)发送信号。从这些核团，二级信号通过脊髓的背外侧柱传递到(3) 位于脊髓背角(dorsal horns)的疼痛抑制复合体(pain inhibitory complex)。在此处，镇痛信号可以在疼痛信号传递到大脑之前阻断它。
图49-4. 大脑和脊髓的镇痛系统，显示(1) 在脊髓水平对传入的疼痛信号的抑制，以及(2) 在脊髓和脑干中分泌脑啡肽(enkephalin)的神经元的存在，这些神经元抑制疼痛信号。
在导水管周围灰质区或中缝大核进行电刺激可以抑制许多通过脊髓背根传入的强烈疼痛信号。此外，刺激大脑更高层次中能兴奋导水管周围灰质区的区域也可以抑制疼痛。这些区域包括：(1) 位于下丘脑、紧邻第三脑室的脑室周围核(periventricular nuclei)；以及(2) 也在下丘脑中的内侧前脑束(medial forebrain bundle)，尽管其作用较小。
镇痛系统涉及多种神经递质(transmitter substances)，尤其是脑啡肽(enkephalin)和5-羟色胺(serotonin)。许多来自脑室周围核和导水管周围灰质区的神经纤维在其末梢分泌脑啡肽。因此，如图49-4所示，中缝大核中许多纤维的末梢在受到刺激时会释放脑啡肽。
起源于该区域的纤维向脊髓背角发送信号，在其末梢分泌5-羟色胺。5-羟色胺导致局部脊髓神经元也分泌脑啡肽。据信，脑啡肽在传入的C型和Aδ型疼痛纤维在背角突触处引起突触前和突触后抑制(presynaptic and postsynaptic inhibition)。
因此，镇痛系统可以在疼痛信号最初进入脊髓时阻断它们。它还可以阻断许多由疼痛信号引起的局部脊髓反射，特别是第55章中描述的退缩反射(withdrawal reflexes)。
大脑的阿片系统——内啡肽(endorphins)和脑啡肽(enkephalins)
50多年前，人们发现将微量的吗啡注射到第三脑室周围的室周核或脑干的导水管周围灰质区域会引起极度的镇痛作用。在随后的研究中，发现吗啡类药物（主要是阿片类药物）在镇痛系统的许多其他部位也起作用，包括脊髓的背角。由于大多数改变神经元兴奋性的药物都是通过作用于突触受体来实现的，因此人们推测镇痛系统中的“吗啡受体”一定是大脑中自然分泌的某种吗啡样神经递质的受体。因此，人们开始广泛寻找大脑中的天然阿片类物质。目前，在神经系统的不同部位已经发现了大约十几种这样的阿片样物质。它们都是三种大蛋白质分子——前阿黑皮素原、前脑啡肽原和前强啡肽原的分解产物。其中较为重要的阿片样物质包括β-内啡肽、甲硫氨酸脑啡肽、亮氨酸脑啡肽和强啡肽。
这两种脑啡肽存在于脑干和脊髓中，位于之前描述的镇痛系统的部分区域，而β-内啡肽则存在于下丘脑和垂体中。强啡肽主要存在于与脑啡肽相同的区域，但数量要少得多。
因此，尽管大脑阿片系统的细节尚未完全明了，但通过进入导水管周围灰质和室周区域的神经信号激活镇痛系统，或通过吗啡样药物抑制疼痛通路，几乎可以完全抑制通过外周神经传入的许多疼痛信号。
通过同时的触觉感觉信号抑制疼痛传递
疼痛控制史上的另一个重要事件是发现刺激来自外周触觉感受器的大Aβ型感觉纤维可以抑制来自同一身体区域的疼痛信号的传递。这种效应可能是由于脊髓中的局部侧向抑制所致。这解释了为什么在疼痛区域附近摩擦皮肤等简单操作通常能有效缓解疼痛，也可能解释了为什么外用搽剂常用于缓解疼痛。
这种机制以及同时的心理源性中枢镇痛系统的激活可能也是针灸缓解疼痛的基础。
通过电刺激治疗疼痛
已经开发了几种临床程序，通过使用电刺激来抑制疼痛。刺激电极被放置在皮肤的选定区域，有时植入在脊髓上方，据称是为了刺激背侧感觉柱。
在一些患者中，电极被立体定向地放置在丘脑的适当板内核或间脑的室周或导水管周围区域。然后，患者可以亲自控制刺激的程度。据报道，在某些情况下，疼痛得到了显著缓解。此外，据报道，仅几分钟的刺激后，疼痛缓解可以持续长达24小时。
内脏炎症、内脏感染性疾病和其他内脏疾病。通常，内脏除了疼痛外没有其他感觉模式的感觉感受器。此外，内脏疼痛在几个重要方面与表面疼痛不同。
表面疼痛(surface pain)和内脏疼痛(visceral pain)之间最重要的区别之一是，高度局部化的内脏损伤很少引起剧烈疼痛。例如，外科医生可以在清醒的患者身上将肠道完全切断，而不会引起明显的疼痛。相反，任何刺激如果引起整个内脏器官的痛觉神经末梢的广泛刺激，都会导致可能非常剧烈的疼痛。例如，由于大面积肠道供血受阻引起的缺血会同时刺激许多广泛的痛觉纤维，并可能导致极度的疼痛。
牵涉痛(REFERRED PAIN)
通常，一个人会感觉到身体某个部位的疼痛，而这个部位与引起疼痛的组织相距甚远。这种现象被称为牵涉痛(referred pain)。例如，内脏器官之一的疼痛常常被牵涉到身体表面的某个区域。了解不同类型的牵涉痛在临床诊断中非常重要，因为在许多内脏疾病中，唯一的临床体征就是牵涉痛。
牵涉痛的机制。图49-5显示了大多数疼痛被牵涉的可能机制。在该图中，内脏痛觉纤维的分支显示在脊髓中与接收来自皮肤的痛觉信号的相同二级神经元(1和2)突触。当内脏痛觉纤维受到刺激时，来自内脏的痛觉信号通过至少一些与传导来自皮肤的痛觉信号相同的神经元传导，因此人会有感觉来自皮肤的感觉。
内脏疼痛(VISCERAL PAIN)
来自腹部和胸部不同内脏的疼痛是可用于诊断的少数标准之一。
图49-5. 牵涉痛和牵涉性痛觉过敏的机制 神经元1和2接收来自皮肤和内脏的痛觉信号。
真正内脏疼痛的原因
任何刺激如果引起内脏广泛区域的痛觉神经末梢兴奋，都会导致内脏疼痛。这些刺激包括内脏组织的缺血、内脏表面的化学损伤、中空内脏平滑肌的痉挛、中空内脏的过度扩张以及内脏周围或内部的结缔组织的拉伸。基本上所有起源于胸腔和腹腔的内脏疼痛都是通过C型小痛觉纤维传导的，因此只能传导慢性、酸痛、痛苦类型的疼痛。
缺血。缺血引起内脏疼痛的方式与其他组织相同，可能是由于酸性代谢终产物或组织退化产物（如缓激肽、蛋白水解酶或其他物质）的形成，这些物质刺激了痛觉神经末梢。
化学刺激。有时，有害物质会从胃肠道泄漏到腹膜腔中。例如，蛋白水解的酸性胃液可能通过破裂的胃或十二指肠溃疡泄漏。这种液体会引起内脏腹膜的广泛消化，从而刺激广泛的痛觉纤维。这种疼痛通常非常剧烈。
空腔脏器痉挛
空腔脏器的一部分，如肠道、胆囊、胆管、输尿管或其他空腔脏器的痉挛可能通过机械刺激痛觉神经末梢而引起疼痛。另一种可能是痉挛可能导致肌肉血流减少，同时肌肉对营养物质的代谢需求增加，从而引起剧烈疼痛。
通常，痉挛性脏器的疼痛以绞痛的形式出现，疼痛程度急剧上升至高峰后逐渐减轻。这一过程每隔几分钟间歇性地重复。间歇性周期是由平滑肌的收缩期引起的。例如，每当蠕动波沿着过度兴奋的痉挛肠道传播时，就会发生绞痛。这种绞痛型疼痛常见于患有阑尾炎、胃肠炎、便秘、月经、分娩、胆囊疾病或输尿管梗阻的患者。
空腔脏器过度扩张
空腔脏器的极度过度充盈也可能导致疼痛，推测是由于组织本身的过度拉伸。过度扩张还可能压迫环绕脏器或进入其壁的血管，从而可能引发缺血性疼痛。
无痛觉的脏器
一些内脏区域对任何类型的疼痛几乎完全无感。这些区域包括肝脏的实质和肺的肺泡。然而，肝包膜对直接创伤和拉伸极为敏感，胆管也对疼痛敏感。在肺部，尽管肺泡无痛觉，但支气管和壁层胸膜对疼痛非常敏感。
由内脏疾病引起的“壁层疼痛”
当疾病影响脏器时，疾病过程通常会扩散到壁层腹膜、胸膜或心包。这些壁层表面与皮肤一样，由周围脊神经提供广泛的痛觉神经支配。因此，覆盖脏器的壁层疼痛通常是剧烈的。这里的一个例子可以强调这种疼痛与真正内脏疼痛的区别——通过壁层腹膜的刀切口非常疼痛，而通过脏层腹膜或肠壁的类似切口则不太疼痛，甚至可能完全不痛。
内脏疼痛的定位——“内脏”和“壁层”疼痛传导路径
来自不同脏器的疼痛通常难以定位，原因有几个。首先，患者的大脑没有直接经验知道不同内脏器官的存在；因此，任何源自内部的疼痛只能大致定位。其次，来自腹部和胸部的感觉通过两条路径传递到中枢神经系统，即真正内脏路径和壁层路径。真正的内脏疼痛通过自主神经束中的痛觉感觉纤维传递，这些感觉通常被投射到远离疼痛器官的身体表面区域。相反，壁层感觉直接从壁层腹膜、胸膜或心包传导到局部脊神经，这些感觉通常直接定位在疼痛区域上方。
通过内脏通路传递的牵涉痛定位
当内脏痛被牵涉到体表时，患者通常将其定位在胚胎时期内脏器官起源的皮节(segment)区域，而不一定是内脏器官当前所在的位置。例如，心脏起源于颈部和上胸部，因此心脏的内脏痛纤维沿着交感感觉神经向上传递，并进入C3到T5节段之间的脊髓。因此，如图49-6所示，心脏的疼痛被牵涉到颈部侧面、肩部、胸肌上方、手臂下方以及上胸部的胸骨下区域。这些是体表区域，它们自身的体感神经纤维进入C3到T5节段的脊髓。通常，疼痛发生在左侧而不是右侧，因为心脏左侧比右侧更常涉及冠状动脉疾病。
图49-6. 不同内脏器官的牵涉痛体表区域。
胃大约起源于胚胎的第7到第9胸椎节段。因此，胃痛被牵涉到脐上方的上腹部前侧，这是由第7到第9胸椎节段支配的体表区域。图49-6显示了其他内脏器官牵涉痛的其他体表区域，通常代表了胚胎中相应器官起源的区域。
腹部和胸部疼痛的壁层通路传递
内脏痛经常同时定位到体表的两个区域，这是因为疼痛通过牵涉性内脏通路和直接的壁层通路双重传递。因此，图49-7显示了来自发炎阑尾的双重传递。疼痛冲动首先从阑尾通过位于交感神经束内的内脏痛纤维传递，然后进入大约T10或T11节段的脊髓；这种疼痛被牵涉到脐周围的区域，表现为酸痛或痉挛性疼痛。疼痛冲动也常常起源于发炎阑尾接触或粘连到腹壁的壁层腹膜。这些冲动导致右下腹受刺激的腹膜上方直接出现锐痛。
图49-7. 阑尾疼痛信号的内脏和壁层传递。
疼痛和其他体感的一些临床异常
痛觉过敏(Hyperalgesia)——对疼痛的过度敏感
疼痛神经通路有时会变得过度兴奋，从而导致痛觉过敏。痛觉过敏的可能原因包括：(1) 疼痛感受器的过度敏感，称为原发性痛觉过敏(primary hyperalgesia)；(2) 感觉传递的易化，称为继发性痛觉过敏(secondary hyperalgesia)。
原发性痛觉过敏(primary hyperalgesia)的一个例子是晒伤皮肤的极度敏感，这是由于烧伤产生的局部组织产物(可能是组胺、前列腺素等)使皮肤痛觉末梢敏感化所致。继发性痛觉过敏(secondary hyperalgesia)通常由脊髓或丘脑的病变引起。这些病变中的几种将在后续章节中讨论。
带状疱疹(Herpes Zoster, Shingles)
偶尔，疱疹病毒(herpesvirus)会感染背根神经节(dorsal root ganglion)。这种感染会导致该神经节支配的皮节(dermatomal)区域出现剧烈疼痛，从而引发一种环绕身体半圈的节段性疼痛。由于常伴随皮肤发疹，该病被称为带状疱疹(herpes zoster)或shingles。
疼痛的原因可能是病毒对背根神经节中痛觉神经元的感染。除了引起疼痛外，病毒还通过神经元胞质流(neuronal cytoplasmic flow)沿着神经元外周轴突(peripheral axons)到达其皮肤起源处。在这里，病毒会在几天内引起皮疹，形成水疱(vesiculate)，然后在接下来的几天内结痂(crust over)，所有这些都发生在受感染背根神经支配的皮节区域内。
图49-8. 脊髓横切面，右侧显示主要上行传导束，左侧显示主要下行传导束。
三叉神经痛(Tic Douloureux)
一种撕裂样或刺痛样疼痛偶尔会出现在某些人的面部一侧，位于第五或第九对脑神经的感觉分布区(或部分区域);这种现象被称为三叉神经痛(tic douloureux)(或三叉神经痛(trigeminal neuralgia)或舌咽神经痛(glossopharyngeal neuralgia))。疼痛感觉像突然的电击，可能每次只持续几秒钟，也可能几乎持续不断。通常，它是由面部表面、口腔内或咽喉内部的极其敏感的触发区(trigger area)引发的——几乎总是由机械感受性刺激(mechanoreceptive stimulus)而非痛觉刺激引发。例如，当患者吞咽一团食物时，食物接触到扁桃体，可能会引发第五对脑神经下颌支区域的剧烈撕裂样疼痛。
三叉神经痛的疼痛通常可以通过手术切断来自超敏区域的外周神经来阻断。第五对脑神经的感觉部分通常在其进入颅内的位置被切断，在那里第五对脑神经的运动根和感觉根彼此分离，这样在破坏感觉成分的同时可以保留许多下颌运动所必需的运动部分。这种手术会使面部一侧失去感觉，这可能会令人烦恼。此外，有时手术并不成功，这表明引起疼痛的病变可能位于脑干的感觉核(sensory nucleus)而非外周神经。
布朗-塞卡尔综合征(Brown-Sequard Syndrome)
如果脊髓完全横断(transection)，横断节段远端的所有感觉和运动功能都会被阻断；但如果脊髓仅在一侧横断，则会发生Brown-Séquard综合征。这种横断的影响可以通过了解图49-8所示的脊髓纤维束来预测。在横断水平以下的所有节段，横断侧的所有运动功能都会被阻断。然而，只有部分感觉模式在横断侧丧失，而其他感觉模式在对侧丧失。疼痛、热和冷的感觉——由脊髓丘脑通路(spinothalamic pathway)传递的感觉——在横断水平以下2-6个皮节(dermatome)的对侧身体部位丧失。相比之下，仅在背柱(dorsal column)和背外侧柱(dorsolateral column)中传递的感觉——运动觉(kinesthetic sensation)和位置觉(position sensation)、振动觉(vibration sensation)、精确定位(discrete localization)和两点辨别觉(two-point discrimination)——在横断水平以下的所有皮节的横断侧丧失。横断侧的精细"轻触觉(light touch)"受损，因为传递轻触觉的主要通路——背柱——被横断。也就是说，该柱中的纤维在到达脑髓质(medulla)之前不会交叉到对侧。定位较差的"粗触觉(crude touch)"仍然存在，因为在对侧脊髓丘脑束中有部分传递。
头痛
头痛是一种从头部深层结构传递到头部表面的疼痛。一些头痛是由颅内产生的疼痛刺激引起的，而另一些则是由颅外产生的疼痛引起的，例如来自鼻窦的疼痛。
颅内起源的头痛
颅穹窿(cranial vault)中的疼痛敏感区域。脑组织本身几乎完全对疼痛不敏感。即使切割或电刺激大脑皮层的感觉区域也很少引起疼痛；相反，它会在受刺激的感觉皮层部分所代表的身体区域引起刺痛类型的异常感觉(paresthesias)。因此，很可能大部分或大部分的头痛疼痛不是由大脑本身的损伤引起的。
相反，牵拉大脑周围的静脉窦、损伤小脑幕(tentorium)或拉伸大脑基底的硬脑膜(dura)会引起剧烈的疼痛，这种疼痛被认为是头痛。此外，几乎任何类型的对脑膜血管的创伤、挤压或拉伸刺激都会引起头痛。一个特别敏感的结构是脑膜中动脉(middle meningeal artery)；神经外科医生在使用局部麻醉进行脑部手术时，会特别注意麻醉这条动脉。
颅内头痛传递到的头部区域。刺激小脑幕上方颅穹窿中的疼痛感受器，包括小脑幕本身的上面，会引发第五神经大脑部分的疼痛冲动，因此会导致头痛传递到由第五颅神经的躯体感觉部分供应的头部前半部分的表面区域，如图49-9所示。
相反，来自幕下的疼痛冲动主要通过舌咽神经(glossopharyngeal nerve)、迷走神经(vagus nerve)和第二颈神经(second cervical nerve)进入中枢神经系统(central nervous system)，这些神经也支配耳上方、后方和略下方的头皮。幕下疼痛刺激会引起“枕部头痛(occipital headache)”，即头部后部的疼痛。
颅内头痛的类型
脑膜炎引起的头痛(Meningitis Headache)。最严重的头痛之一是脑膜炎引起的头痛，脑膜炎会导致脑膜(meninges)发炎，包括硬脑膜(dura mater)的敏感区域和静脉窦(venous sinuses)周围的敏感区域。这种强烈的损伤会导致整个头部的剧烈头痛。
低脑脊液压引起的头痛(Low Cerebrospinal Fluid Pressure Headache)。从椎管中抽取少至20毫升的脑脊液，特别是如果患者保持直立姿势，通常会引起剧烈的颅内头痛。抽取这些液体后，脑脊液对大脑的浮力会部分丧失。大脑的重量会拉伸并扭曲各种硬脑膜表面，从而引发头痛。
图49-9. 不同原因引起的头痛区域。
偏头痛(Migraine Headache)。偏头痛是一种特殊类型的头痛，可能是由于血管功能异常引起的，尽管确切机制尚不清楚。偏头痛通常以各种前驱症状(prodromal symptoms)开始，如恶心、部分视野丧失、视觉先兆(visual aura)和其他类型的感觉幻觉(sensory hallucinations)。通常，前驱症状在头痛开始前30到60分钟出现。任何解释偏头痛的理论也必须解释这些前驱症状。
关于偏头痛的一种理论是，长期的情绪或紧张会导致头部某些动脉的反射性血管痉挛(vasospasm)，包括供应大脑的动脉。理论上，血管痉挛会导致大脑部分区域的缺血(ischemia)，这是前驱症状的原因。然后，由于严重的缺血，血管壁可能发生某种变化，例如平滑肌收缩的衰竭，导致血管变得松弛，无法在24到48小时内维持正常的血管张力。血管内的血压使它们扩张并强烈搏动，推测动脉壁的过度拉伸——包括一些颅外动脉，如颞动脉(temporal artery)——是偏头痛实际疼痛的原因。关于偏头痛病因的其他理论包括扩散性皮质抑制(spreading cortical depression)、心理异常(psychological abnormalities)以及脑细胞外液(extracellular fluid)中局部钾离子过多引起的血管痉挛。
偏头痛可能有遗传倾向，因为据报道，在65%到90%的病例中，偏头痛有阳性家族史。女性偏头痛的发病率大约是男性的两倍。
酒精性头痛。正如许多人所经历的那样，过量饮酒后常常会出现头痛。这可能是由于酒精对组织具有毒性，直接刺激脑膜并引起颅内疼痛。脱水也可能在酒精狂欢后的宿醉中起到一定作用；补水通常可以缓解但并不能完全消除头痛和其他宿醉症状。
图49-10. 冷痛纤维、冷纤维、温纤维和热痛纤维在不同皮肤温度下的放电频率。
颅外型头痛
肌肉痉挛引起的头痛。情绪紧张常常导致头部许多肌肉，特别是附着在头皮上的肌肉和附着在枕骨上的颈部肌肉，发生痉挛；这种机制被认为是头痛的常见原因。痉挛的头部肌肉的疼痛被认为会传递到头部上方的区域，并引起与颅内病变相同类型的头痛。
鼻和鼻旁结构刺激引起的头痛。鼻和鼻窦的黏膜对疼痛敏感，但并不是非常敏感。然而，鼻结构广泛区域的感染或其他刺激性过程常常会累积并引起头痛，这种头痛通常被传递到眼睛后方，或者在额窦感染的情况下，传递到前额和头皮的前表面，如图49-9所示。此外，来自下鼻窦（如上颌窦）的疼痛可能会在面部感受到。
眼部疾病引起的头痛。眼睛难以清晰聚焦可能会导致眼睫状肌过度收缩，以试图获得清晰的视觉。尽管这些肌肉非常小，但它们的强直性收缩被认为会引起眶后头痛。此外，过度尝试聚焦眼睛可能会导致各种面部和眼外肌的反射性痉挛，这也是头痛的一个可能原因。
另一种起源于眼睛的头痛发生在眼睛暴露于过量的光线照射时，特别是紫外线。即使只是几秒钟的太阳光或电弧焊的弧光照射也可能导致持续24至48小时的头痛。这种头痛有时是由于结膜的“光化”刺激引起的，疼痛会传递到头部表面或眶后区域。然而，将来自电弧或太阳的强光聚焦在视网膜上也可能会烧伤视网膜，这可能是头痛的原因。
温度感觉
温度感受器及其兴奋
人们可以感知从极冷到冷、凉爽、中性、温暖、热到灼热的不同温度梯度。
温度梯度至少由三种类型的感觉感受器（sensory receptors）来区分——冷感受器（cold receptors）、温感受器（warmth receptors）和痛感受器（pain receptors）。痛感受器仅在极端的热或冷刺激下被激活，并与冷感受器和温感受器一起负责“极冷”和“灼热”的感觉。
冷和热感受器(receptor)位于皮肤下方离散的分离点。身体大多数区域的冷点数量是热点的3到10倍；身体不同区域的冷点数量从嘴唇的15到25个冷点/^\primec m2到手指的3到5个冷点/\primec m2，再到躯干某些大面积区域不到1个冷点/\primec m^2不等。
热感受器被认为是游离神经末梢(free nerve ending)，因为热信号主要通过无髓鞘的C型神经纤维(type C nerve fiber)以仅0.4到2m/sec的传输速度传递。
一种明确的冷感受器已被鉴定。它是一种特殊的、小的、有髓鞘的Aδ型神经末梢(type Aδ myelinated nerve ending)，它分支多次，其尖端突出到基底表皮细胞(basal epidermal cell)的底部表面。信号通过这些感受器通过薄髓鞘的Aδ型神经纤维(type Aδ nerve fiber)以约20~m/秒的速度传递。一些冷感觉也被认为是通过C型神经纤维传递的，这表明一些游离神经末梢也可能作为冷感受器发挥作用。
热感受器的刺激——冷、凉、中性、暖和热的感觉。图49-10显示了不同温度对四种神经纤维反应的影响：(1) 被冷刺激的痛觉纤维；(2) 冷纤维；(3) 热纤维；(4) 被热刺激的痛觉纤维。特别要注意的是，这些纤维在不同温度水平下的反应不同。例如，在非常冷的区域，只有冷痛觉纤维被刺激（如果皮肤变得更冷以至于几乎冻结或实际冻结，这些纤维不能被刺激）。当温度上升到+10℃到15℃时，冷痛觉冲动停止，但冷感受器开始被刺激，在约24℃时达到峰值刺激，并在略高于40℃时逐渐消失。在约30℃以上，热感受器开始被刺激，但这些也在约49℃时逐渐消失。最后，在约45℃时，热痛觉纤维开始被热刺激，并且矛盾的是，一些冷纤维再次开始被刺激，可能是由于过度热对冷末端的损伤。
从图49-10可以理解，一个人通过不同类型末端的相对刺激程度来确定热感觉的不同等级。也可以理解为什么极端的冷和热都会引起疼痛，以及为什么这两种感觉在足够强烈时可能会产生几乎相同的感觉质量——即，极冷的和极热的感觉几乎感觉相同。
温度上升和下降的刺激效应——热感受器的适应。当冷感受器突然受到温度急剧下降时，它首先会被强烈刺激，但这种刺激在前几秒内迅速减弱，并在接下来的30分钟或更长时间内逐渐减慢。换句话说，感受器在很大程度上“适应”了，但永远不会达到100%。
因此，很明显，热觉(thermal senses)不仅能够对温度的稳态做出反应，还会对温度的变化做出显著反应。这意味着，当皮肤温度正在下降时，人会感到比温度保持在同一低温水平时更冷。相反，如果温度正在上升，人会感到比温度保持在同一水平时更热。对温度变化的反应解释了为什么人在刚进入一盆热水时会感到极度炎热，以及为什么在寒冷的天气里从温暖的房间走到室外时会感到极度寒冷。
热感受器(thermal receptors)的刺激机制
据信，冷觉和热觉感受器是通过其代谢率的变化而被刺激的，而这些变化是由于温度每变化10℃时，细胞内化学反应速率会发生超过两倍的变化。换句话说，热觉检测可能不是由于热或冷对神经末梢的直接物理效应，而是由于温度改变导致的末梢化学刺激。
热觉的空间总和(Spatial Summation of Thermal Sensations)。由于身体任何表面区域的冷觉或热觉末梢数量较少，当刺激小面积皮肤时，很难判断温度的梯度变化。然而，当大面积皮肤同时受到刺激时，来自整个区域的热觉信号会累积。例如，如果温度变化同时影响整个体表，即使变化仅为0.01℃，也能被检测到。相反，当受影响的皮肤面积仅为1平方厘米时，即使温度变化大100倍，也常常无法被检测到。
热觉信号在神经系统中的传递
一般来说，热觉信号的传递路径与痛觉信号的传递路径平行。进入脊髓后，信号会在Lissauer束中向上或向下传递几个节段，然后主要终止于背角(dorsal horns)的I、II和III层——与痛觉信号相同。经过一个或多个脊髓神经元的少量处理后，信号进入长距离的上升热觉纤维，这些纤维交叉到对侧的前外侧感觉束(anterolateral sensory tract)，并终止于（1）脑干网状结构(reticular areas)和（2）丘脑的腹基底复合体(ventrobasal complex)。
一些热觉信号也会从丘脑的腹基底复合体传递到大脑的躯体感觉皮层(somatic sensory cortex)。偶尔，通过微电极研究发现，皮层躯体感觉区I中的某些神经元对特定皮肤区域的冷或热刺激有直接反应。然而，移除一个人的整个中央后回(postcentral gyrus)会降低但不会完全消除区分温度梯度的能力。
参考文献
Alles SRA, Smith PA: Etiology and pharmacology of neuropathic pain. Pharmacol Rev 70:315, 2018. Ashina M, Hansen JM, Do TP, Melo-Carrillo A, Burstein R, Moskowitz MA: Migraine and the trigeminovascular system-40 years and counting. Lancet Neurol18:795, 2019. Baral P, Udit S, Chiu IM. Pain and immunity: implications for host defence. Nat Rev Immunol 19:433, 2019. Bennett DL, Clark AJ, Huang J, Waxman SG, Dib-Haj SD: The role of voltage-gated sodium channels in pain signaling. Physiol Rev 99:1079, 2019.
Bokiniec P, Zampieri N, Lewin GR, Poulet JF: 热感知的神经回路。Curr Opin Neurobiol 52:98, 2018. Bourinet E, Altier C, Hildebrand ME, 等: 疼痛信号中的钙通透性离子通道。Physiol Rev 94:81, 2014. Charles A: 偏头痛的病理生理学：对临床管理的启示。Lancet Neurol 17:174, 2018. Darcq E, Kieffer BL: 阿片受体：成瘾的驱动者？Nat Rev Neurosci 19:499, 2018. Denk F, McMahon SB, Tracey I: 疼痛易感性：神经生物学的视角。Nat Neurosci 17:192, 2014. Dodick DW: 偏头痛：Lancet. 391:1315, 2018. Edvinsson L, Haanes KA, Warfvinge K: 炎症在偏头痛中起作用吗？Nat Rev Neurol 15:483, 2019. Gebhart GF, Bielefeldt K: 内脏疼痛的生理学。Compr Physiol 6:1609, 2016. Goadsby PJ, Holland PR, Martins-Oliveira M, 等: 偏头痛的病理生理学：感觉处理的紊乱。Physiol Rev 97:553, 2017. Groh A, Krieger P, Mease RA, Henderson L: 人类和动物模型丘脑皮质系统中的急性和慢性疼痛处理。Neuroscience 387:58, 2018. Huang S, Borgland SL, Zamponi GW: 内侧前额叶皮层中疼痛信号的多巴胺能调节：挑战与展望。Neurosci Lett 702:71, 2019. LaMotte RH, Dong X, Ringkamp M: 介导痒觉的感觉神经元和回路。Nat Rev Neurosci. 15:19, 2014. Prescott SA, Ma Q, De Koninck Y: 引起疼痛的体感刺激的正常和异常编码。Nat Neurosci 17:183, 2014. Steinhoff MS, von Mentzer B, Geppetti P, 等: 速激肽及其受体：对生理控制和疾病机制的贡献。Physiol Rev 94:265, 2014. Waxman SG, Zamponi GW: 调节外周传入神经的兴奋性：新兴的离子通道靶点。Nat Neurosci 17:153, 2014. Zeilhofer HU, Wildner H, Yévenes GE: 脊髓感觉处理和疼痛控制中的快速突触抑制。Physiol Rev 92:193, 2012.