化學突觸

化學突觸是一種生物性接點，神經元的信號可藉此傳遞給彼此，以及肌肉或腺體中的非神經元細胞。化學突觸讓神經元得以在中樞神經系統內形成迴路。它們對於構成知覺與思維的生物計算至關重要。它們也讓神經系統能夠連接並控制身體的其他系統。

在化學突觸中，一個神經元會將神經傳導物質分子釋放到鄰近另一個神經元的微小空間（突觸間隙）中。這些神經傳導物質被包含在稱為突觸囊泡的小囊中，並透過胞吐作用釋放到突觸間隙。接著，這些分子會與突觸後細胞上的神經傳導物質受體結合。最後，神經傳導物質會透過幾種可能的機制之一從突觸中清除，包括酶降解，或由突觸前細胞或某些其他神經膠質細胞上的特定轉運蛋白進行再回收，以終止神經傳導物質的作用。

成年人腦估計含有 1014 至 5 × 1014（100-500兆）個突觸。每立方毫米的大腦皮質約含十億（短級數，即 109）個突觸。另外，人類大腦皮質的突觸數量據估計為0.15千兆（150兆）。

「突觸」（synapse）一詞由查爾斯·斯科特·謝靈頓爵士於1897年引入。化學突觸並非生物突觸的唯一類型：也存在電性突觸和免疫突觸。然而，若無特別指明，「突觸」一詞通常指化學突觸。

結構

突觸是神經元之間，或神經元與其他類型細胞之間的功能性連接。一個典型的神經元會產生數千個突觸，儘管有些類型的神經元產生的突觸數量要少得多。大多數突觸連接軸突與樹突，但也有其他類型的連接，包括軸突對細胞體、軸突對軸突，以及樹突對樹突。突觸通常太小，無法用光學顯微鏡辨識，只能看到兩個細胞的膜似乎接觸的點，但其細胞元件可透過電子顯微鏡清楚地觀察。

化學突觸將資訊從突觸前細胞單向傳遞到突觸後細胞，因此在結構和功能上是不對稱的。突觸前軸突末梢，或稱突觸小體，是突觸前細胞軸突內的一個特化區域，含有封裝在稱為突觸囊泡的小型膜結合球體中的神經傳導物質（以及許多其他支持性結構和胞器，如粒線體和內質網）。突觸囊泡停靠在稱為活化區的突觸前質膜區域。

正對面是含有神經傳導物質受體的突觸後細胞區域；對於兩個神經元之間的突觸，突觸後區域可能位於樹突或細胞體上。緊接在突觸後膜後面的是一個由相互連接的蛋白質組成的複雜結構，稱為突觸後緻密區（PSD）。

PSD中的蛋白質參與錨定和運輸神經傳導物質受體，並調節這些受體的活性。受體和PSD通常位於從主樹突幹伸出的特化突起中，稱為樹突棘。

突觸可被描述為對稱或不對稱。在電子顯微鏡下觀察時，不對稱突觸的特徵是突觸前細胞中有圓形囊泡，以及一個顯著的突觸後緻密區。不對稱突觸通常是興奮性的。相比之下，對稱突觸具有扁平或拉長的囊泡，且不含顯著的突觸後緻密區。對稱突觸通常是抑制性的。

突觸間隙——也稱為突觸溝——是突觸前細胞和突觸後細胞之間的一個間隙，寬約20奈米（0.02微米）。間隙的微小體積使得神經傳導物質的濃度能夠迅速升高和降低。

自突觸是一種化學（或電性）突觸，當一個神經元的軸突與其自身的樹突形成突觸時產生。

化學突觸中的信號傳遞

總覽

以下是突觸傳遞中從突觸前神經元到突觸後細胞所發生的一系列事件的摘要。每個步驟將在下面更詳細地解釋。請注意，除了最後一個步驟外，在最快的突觸中，整個過程可能僅需數百微秒。

1. 過程始於一道稱為動作電位的電化學興奮波，沿著突觸前細胞的膜傳播，直到到達突觸。
2. 突觸處膜的電性去極化導致對鈣離子具通透性的通道開啟。
3. 鈣離子流過突觸前膜，迅速增加內部的鈣濃度。
4. 高鈣濃度活化了一組附著在含有神經傳導物質化學物的囊泡上的鈣敏感蛋白。
5. 這些蛋白質改變形狀，導致一些「停靠的」囊泡膜與突觸前細胞的膜融合，從而打開囊泡，將其神經傳導物質內容物傾倒到突觸間隙，即突觸前細胞和突觸後細胞膜之間的狹窄空間。
6. 神經傳導物質在間隙內擴散。一部分會逸出，但一部分會與位於突觸後細胞膜上的化學受體分子結合。
7. 神經傳導物質的結合以某種方式活化受體分子。如下文更詳細的描述，可能有多種類型的活化方式。無論如何，這是突觸過程影響突觸後細胞行為的關鍵步驟。
8. 由於熱振動，即原子在晶體固體中圍繞其平衡位置振動的運動，神經傳導物質分子最終會從受體上脫落並漂走。
9. 神經傳導物質要麼被突觸前細胞再吸收，然後重新包裝以備將來釋放，要麼被代謝分解。

神經傳導物質釋放

神經傳導物質的釋放由神經衝動（或動作電位）的到達所觸發，並透過一個異常迅速的細胞分泌（胞吐作用）過程發生。在突觸前神經末梢內，含有神經傳導物質的囊泡位於突觸膜附近。到達的動作電位在動作電位的下降階段（尾電流）透過電壓依賴性、鈣選擇性離子通道產生鈣離子內流。鈣離子隨後與突觸囊泡膜內的突觸結合蛋白結合，使囊泡能夠與突觸前膜融合。囊泡的融合是一個隨機過程，導致在中樞神經系統中典型的極小突觸處，突觸傳遞頻繁失敗。相反，大型化學突觸（例如神經肌肉接點）的突觸釋放機率實際上為1。囊泡融合是由突觸前末梢中一組稱為SNAREs的蛋白質作用所驅動。總體而言，介導突觸前囊泡停靠和融合的蛋白質複合物或結構稱為活化區。融合過程所增加的膜隨後透過胞吞作用回收，並再利用於形成新的充滿神經傳導物質的囊泡。

哺乳動物味蕾中的II型受體細胞是囊泡融合釋放神經傳導物質這一普遍趨勢的一個例外。在此，神經傳導物質ATP是透過電壓門控通道直接從細胞質釋放到突觸間隙中。

受體結合

突觸間隙對側的受體會與神經傳導物質分子結合。受體可以透過兩種通用方式之一作出反應。首先，受體可以直接打開突觸後細胞膜上的配體門控離子通道，使離子進入或離開細胞，並改變局部的跨膜電位。由此產生的電壓變化稱為突觸後電位。一般來說，在去極化電流的情況下，結果是興奮性的；在超極化電流的情況下，則是抑制性的。一個突觸是興奮性還是抑制性，取決於傳導突觸後電流的離子通道類型，而這又是突觸所使用的受體和神經傳導物質類型的函數。受體影響膜電位的第二種方式是調節突觸後神經元內化學信使的產生。這些第二信使可以放大對神經傳導物質的抑制性或興奮性反應。

終止

神經傳導物質分子與受體分子結合後，必須被移除，以使突觸後膜能夠繼續傳遞後續的EPSPs和/或IPSPs。這種移除可以透過一個或多個過程發生：

• 神經傳導物質可能因其自身和受體的熱誘導振盪而擴散開，使其可在神經元外被代謝分解或被再吸收。
• 突觸下膜內的酶可能會使神經傳導物質失活/代謝。
• 再回收泵可能會主動將神經傳導物質泵回突觸前軸突末梢，以便在後續的動作電位後進行再處理和再釋放。

突觸強度

突觸強度由伯納德·卡茨定義為（突觸前）釋放機率pr、量子大小q（單個神經傳導物質囊泡，即一個「量子」，釋放後引起的突觸後反應）以及釋放位點數n的乘積。「單一連接」通常指連接一個突觸前神經元與一個突觸後神經元的未知數量的個別突觸。 突觸後電位（PSPs）的振幅可低至0.4毫伏，高至20毫伏。PSP的振幅可由神經調節劑調節，或因先前的活動而改變。突觸強度的變化可以是短期的，持續數秒到數分鐘，也可以是長期的（長期增益，或LTP），持續數小時。學習和記憶被認為是透過一種稱為突觸可塑性的機制，由突觸強度的長期變化所產生。

受體脫敏

突觸後受體的脫敏是指對相同神經傳導物質刺激的反應減弱。這意味著當一連串動作電位快速連續到達時，突觸的強度實際上可能會減弱——這種現象產生了所謂的突觸頻率依賴性。神經系統利用此特性進行計算，並可透過磷酸化相關蛋白質等方式來調整其突觸。

突觸可塑性

突觸傳遞可因先前的活動而改變。這些改變稱為突觸可塑性，可能導致突觸效能的降低，稱為抑制，或效能的增加，稱為增益。這些改變可以是長期的或短期的。短期可塑性的形式包括突觸疲勞或抑制以及突觸增強。長期可塑性的形式包括長期抑制和長期增益。突觸可塑性可以是同突觸性的（發生在單一突觸）或異突觸性的（發生在多個突觸）。

同突觸可塑性

同突觸可塑性（或稱同向調節）是因特定突觸的活動歷史而導致的突觸強度變化。這可能源於突觸前鈣濃度的變化，以及對突觸前受體的回饋，即一種自體分泌信號。同突觸可塑性可以影響囊泡的數量和補充速率，或者影響鈣與囊泡釋放之間的關係。同突觸可塑性本質上也可以是突觸後的。它可能導致突觸強度的增加或減少。

一個例子是交感神經系統（SNS）的神經元，它們釋放去甲腎上腺素，除了影響突觸後受體外，還會影響突觸前的α2-腎上腺素能受體，抑制去甲腎上腺素的進一步釋放。這種效應被應用於可樂定，以對SNS產生抑制作用。

異突觸可塑性

異突觸可塑性（或稱異向調節）是因其他神經元的活動而導致的突觸強度變化。同樣，這種可塑性可以改變囊泡的數量或其補充速率，或鈣與囊泡釋放之間的關係。此外，它還可能直接影響鈣的內流。異突觸可塑性本質上也可以是突觸後的，影響受體的敏感度。

另一個例子同樣是交感神經系統的神經元，它們釋放去甲腎上腺素，此外還對副交感神經系統神經元的突觸前末梢產生抑制作用。

突觸輸入的整合

一般而言，如果一個興奮性突觸足夠強，突觸前神經元的一個動作電位將會觸發突觸後細胞的一個動作電位。在許多情況下，興奮性突觸後電位（EPSP）不會達到引發動作電位的閾值。當來自多個突觸前神經元的動作電位同時發放，或者單一突觸前神經元以足夠高的頻率發放時，EPSPs可以重疊並總和。如果足夠多的EPSPs重疊，總和的EPSP可以達到啟動動作電位的閾值。這個過程稱為總和作用，可以作為神經元的高通濾波器。

另一方面，釋放抑制性神經傳導物質（如GABA）的突觸前神經元，可以在突觸後神經元中引起抑制性突觸後電位（IPSP），使膜電位更遠離閾值，降低其興奮性，使神經元更難以啟動動作電位。如果IPSP與EPSP重疊，IPSP在許多情況下可以阻止神經元發放動作電位。如此一來，一個神經元的輸出可能取決於許多不同神經元的輸入，每個神經元的影響程度可能不同，這取決於與該神經元形成的突觸的強度和類型。約翰·卡魯·埃克爾斯進行了一些關於突觸整合的重要早期實驗，並因此在1963年獲得諾貝爾生理學或醫學獎。

體積傳輸

當神經傳導物質在突觸處釋放時，它在突觸間隙的狹窄空間內達到最高濃度，但在被再吸收或分解之前，肯定會有一部分擴散開來。如果它擴散開，就有可能活化位於其他突觸或遠離任何突觸的膜上的受體。神經傳導物質的突觸外活性被稱為體積傳輸。這種效應在一定程度上發生已是公認的事實，但其功能重要性長期以來一直備受爭議。

近期研究表明，對於某些特殊類型的神經元，體積傳輸可能是主要的互動模式。在哺乳動物的大腦皮質中，一類稱為神經膠質樣細胞的神經元可以透過將神經傳導物質GABA釋放到細胞外空間來抑制其他鄰近的皮質神經元。同樣地，從神經膠質樣細胞釋放到細胞外空間的GABA也會作用於周圍的星形膠質細胞，這賦予了體積傳輸在控制離子和神經傳導物質恆定中的角色。大約78%的神經膠質樣細胞突觸小體不形成典型的突觸。這可能是神經元在沒有典型突觸的情況下進行化學通訊的第一個明確例子。

與電性突觸的關係

電性突觸是兩個相鄰神經元之間的導電連結，形成於突觸前細胞和突觸後細胞之間的窄縫，稱為間隙連接。在間隙連接處，細胞彼此接近約3.5奈米，而非化學突觸中分隔細胞的20至40奈米距離。與化學突觸相反，電性突觸中的突觸後電位不是由化學傳導物質打開離子通道引起的，而是由兩個神經元之間的直接電耦合造成的。電性突觸比化學突觸快。電性突觸遍布於神經系統中，包括視網膜、視丘的網狀核、新皮質和海馬迴。雖然化學突觸存在於興奮性和抑制性神經元之間，但電性突觸最常見於較小的局部抑制性神經元之間。電性突觸可以存在於兩個軸突之間、兩個樹突之間，或軸突與樹突之間。在某些魚類和兩棲動物中，電性突觸可見於化學突觸的同一末梢內，如在毛特納細胞中。

藥物效應

化學突觸最重要的特徵之一是它們是大多數精神作用藥物的作用位點。突觸受到諸如箭毒、番木鱉鹼、古柯鹼、嗎啡、酒精、LSD、利培酮以及無數其他藥物的影響。這些藥物對突觸功能有不同的影響，且通常僅限於使用特定神經傳導物質的突觸。例如，箭毒是一種毒藥，它阻止乙醯膽鹼使突觸後膜去極化，從而導致癱瘓。番木鱉鹼阻斷神經傳導物質甘胺酸的抑制作用，這會導致身體接收並反應於較弱且先前被忽略的刺激，從而導致無法控制的肌肉痙攣。嗎啡作用於使用腦內啡神經傳導物質的突觸，而酒精則增強神經傳導物質GABA的抑制作用。LSD干擾使用神經傳導物質血清素的突觸。利培酮是多種受體的阻斷劑，包括數種多巴胺和血清素受體，並且能與某些類型的血清素受體高親和力結合。古柯鹼阻斷多巴胺的再回收，從而增強其作用。

歷史與詞源

在1950年代，伯納德·卡茨和保羅·法特在青蛙的神經肌肉接點觀察到自發性的微小突觸電流。基於這些觀察，他們發展了「量子假說」，這是我們目前對神經傳導物質以胞吐作用形式釋放的理解基礎，卡茨也因此在1970年獲得諾貝爾生理學或醫學獎。在1960年代晚期，里卡多·米萊迪和卡茨提出了去極化引起的鈣離子內流觸發胞吐作用的假說。

查爾斯·斯科特·謝靈頓爵士創造了「突觸」這個詞，該詞的歷史由謝靈頓在他寫給約翰·富爾頓的一封信中給出：

參見

• 適應 (神經元)
• 神經科學
• 神經連結蛋白
• 帶狀突觸

外部連結

• 兒童突觸回顧
• 突觸 – 細胞中心資料庫
• 神經細胞學超微結構圖譜：由 Kristen Harris 實驗室彙編的突觸及其他神經元結構的電子顯微鏡圖片庫。

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