總和（神經生理學）

總和（包含空間總和與時間總和）是一個決定動作電位是否會被興奮性及抑制性訊號的綜合效應所觸發的過程，這些訊號的來源，可以是多個同時輸入（空間總和），也可以是重複輸入（時間總和）。根據眾多個別輸入的總和，此總和作用可能達到或未達到觸發動作電位的閾值電位。

從突觸前神經元末梢釋放的神經傳導物質可分為兩類，取決於受神經傳導物質受體所閘控或調節的離子通道。興奮性神經傳導物質會使突觸後細胞去極化，而抑制性神經傳導物質產生的過極化則會減弱興奮性神經傳導物質的作用。這種去極化稱為EPSP（興奮性突觸後電位），而過極化則稱為IPSP（抑制性突觸後電位）。

神經元之間唯一的相互影響是興奮、抑制，以及透過調節性傳導物質來偏置彼此的興奮性。從如此小範圍的基本交互作用中，一條神經元鏈只能產生有限的反應。一個路徑可由興奮性輸入所易化；移除此類輸入則構成去易化。一個路徑也可能被抑制；移除抑制性輸入則構成去抑制，如果在抑制性輸入中存在其他興奮源，去抑制便可增強興奮作用。

當一個目標神經元接收到來自多個來源的輸入時，如果這些輸入的抵達時間足夠接近，以至於最早抵達的輸入的影響尚未衰退，這些輸入便可進行空間總和。如果目標神經元從單一軸突末梢接收輸入，且該輸入以短間隔重複出現，這些輸入便可進行時間總和。

歷史

神經系統最早在1800年代晚期被納入一般生理學研究的範疇，當時查爾斯·謝靈頓開始測試神經元的電學特性。他對神經生理學的主要貢獻涉及對膝躍反射的研究，以及他從興奮與抑制這兩種交互作用力之間所做的推論。他假定這種調節性反應發生的位置，是神經迴路單向路徑的細胞間隙。他首次提出演化與神經抑制可能扮演的角色，建議「腦部的較高層中樞會抑制較低層中樞的興奮功能」。

現今關於化學突觸傳導的許多知識，是從分析乙醯膽鹼在神經肌肉接合處（也稱為終板）釋放效果的實驗中獲得的。此領域的先驅包括伯納德·卡茨和艾倫·霍奇金，他們利用魷魚巨型軸突作為研究神經系統的實驗模型。神經元的尺寸相對較大，使得利用尖端精細的電極來監測跨膜波動的電生理變化成為可能。1941年，卡茨在青蛙腿部的腓腸-坐骨神經上使用微電極，為該領域帶來了啟發。人們很快就普遍認為，單是終板電位（EPP）就能觸發肌肉動作電位，其表現即為青蛙腿部的收縮。

1951年，卡茨與保羅·法特合作研究，其中一項開創性發現是，即使沒有突觸前運動神經元的刺激，肌細胞膜的電位也會自發性地改變。這些電位突波與動作電位相似，但小得多，通常小於1毫伏；因此被稱為微小終板電位（MEPPs）。1954年，第一批突觸後末梢的電子顯微鏡影像問世，揭示了這些MEPPs是由攜帶神經傳導物質的突觸囊泡所產生。神經傳導物質以量子數量零星釋放的特性，促使卡茨和德爾·卡斯蒂略提出了「囊泡假說」，該假說將傳導物質釋放的量子化歸因於其與突觸囊泡的關聯。這也向卡茨指出，動作電位的產生可由這些個別單元（每個單元相當於一個MEPP）的總和所觸發。

類型

在任何特定時刻，一個神經元可能會接收到來自數千個其他神經元的突觸後電位。是否達到閾值並產生動作電位，取決於該時刻所有輸入的空間（即來自多個神經元）和時間（來自單一神經元）總和。傳統上認為，突觸離神經元細胞體越近，其對最終總和的影響就越大。這是因為突觸後電位經由樹突傳播，而樹突中電壓門控離子通道的濃度較低。因此，突觸後電位在到達神經元細胞體時已經衰減。神經元細胞體就像一台電腦，整合（相加或加總）傳入的電位。淨電位接著被傳送到軸丘，動作電位便在此處啟動。另一個應考量的因素是興奮性與抑制性突觸輸入的總和。抑制性輸入的空間總和將會抵銷興奮性輸入。這種廣泛觀察到的效應稱為EPSP的抑制性「分流」。

空間總和

空間總和是一種透過來自多個突觸前細胞的輸入，在神經元中引發動作電位的機制。它是對來自不同輸入區域（通常在樹突上）電位的代數加總。興奮性突觸後電位的總和會增加電位達到閾值電位並產生動作電位的機率，而抑制性突觸後電位的總和則可以阻止細胞達成動作電位。樹突輸入離軸丘越近，該電位對突觸後細胞觸發動作電位的機率影響就越大。

時間總和

當突觸前神經元的高頻率動作電位引發的突觸後電位相互加總時，便會發生時間總和。一個突觸後電位的持續時間比傳入的動作電位之間的間隔要長。如果細胞膜的時間常數足夠長（如細胞體的情況），則總和的量會增加。當下一個突觸後電位開始時，前一個電位的振幅將與之進行代數加總，產生比個別電位更大的電位。這使得膜電位能夠達到閾值以產生動作電位。

機制

神經傳導物質與受體結合，開啟或關閉突觸後細胞中的離子通道，從而產生突觸後電位（PSPs）。這些電位會改變突觸後神經元發生動作電位的機率。如果PSPs增加動作電位發生的機率，則被視為興奮性；如果降低機率，則為抑制性。

麩胺酸作為興奮性範例

例如，神經傳導物質麩胺酸在脊椎動物中主要以觸發興奮性突觸後電位（EPSPs）而聞名。實驗操作可以透過對突觸前神經元的非強直性刺激來引發麩胺酸的釋放。麩胺酸接著與突觸後膜上所含的AMPA受體結合，導致帶正電的鈉離子流入。這種鈉的內流導致突觸後神經元的短期去極化和EPSP的產生。雖然單次的這類去極化可能對突觸後神經元影響不大，但由高頻刺激引起的重複去極化可導致EPSP總和並超過閾值電位。

GABA作為抑制性範例

與麩胺酸相反，神經傳導物質GABA在脊椎動物中主要功能是觸發抑制性突觸後電位（IPSPs）。GABA與突觸後受體的結合會導致離子通道的開啟，這些通道要麼使帶負電的氯離子流入細胞，要麼使帶正電的鉀離子流出細胞。這兩種選項的效果是使突觸後細胞過極化，即產生IPSP。與其他IPSP及相對的EPSP的總和決定了突觸後電位是否會達到閾值，並在突觸後神經元中觸發動作電位。

EPSP與去極化

只要膜電位低於觸發脈衝的閾值，膜電位就可以對輸入進行總和。也就是說，如果一個突觸的神經傳導物質引起輕微的去極化，位於同一個細胞體上其他位置的另一個突觸同時釋放傳導物質，將會加總起來引起更大的去極化。這稱為空間總和，並由時間總和所補充，即來自一個突觸的連續傳導物質釋放將引起漸進的極化變化，只要突觸前變化的速度快於突觸後神經元膜電位變化的衰減速率。神經傳導物質的效應持續時間比突觸前脈衝長數倍，因此允許效應的總和。因此，EPSP在一個根本方式上與動作電位不同：它對輸入進行總和並表現出等級性反應，而非脈衝放電的全有全無反應。

IPSP與過極化

在一個特定的突觸後神經元接收並總和興奮性神經傳導物質的同時，它也可能接收到告訴它停止放電的衝突訊息。這些抑制性影響（IPSPs）是由抑制性神經傳導物質系統所介導，該系統會導致突觸後膜過極化。這種效應通常歸因於選擇性離子通道的開啟，這些通道要麼允許細胞內的鉀離子離開突觸後細胞，要麼允許細胞外的氯離子進入。無論哪種情況，淨效應都是增加細胞內的負電性，並使膜電位離產生脈衝的閾值更遠。

EPSP、IPSP與代數處理

當EPSP和IPSP在同一個細胞中同時產生時，輸出反應將由興奮性與抑制性輸入的相對強度決定。因此，輸出指令是由這種資訊的代數處理所決定。由於跨突觸的放電閾值是作用於其上的突觸前齊發衝動的函數，且一個特定的神經元可能接收到來自許多軸突的分支，因此在這樣的突觸網路中，脈衝的傳遞可以非常多樣。突觸的多功能性來自於其透過代數加總輸入訊號來修改資訊的能力。突觸後膜刺激閾值的後續變化可以被增強或抑制，取決於所涉及的傳導物質化學品及離子通透性。因此，突觸作為一個決策點，資訊在此匯集，並透過EPSP和IPSP的代數處理進行修改。除了IPSP抑制機制外，還有一種突觸前抑制，涉及被抑制軸突的過極化或持續的去極化；究竟是前者還是後者，取決於所涉及的特定神經元。

當前研究

與現今可用的高科技記錄技術相比，卡茨及其同代人使用的微電極顯得相形見絀。當允許同時記錄樹突叢上多個位點的技術被開發出來後，空間總和開始受到大量研究關注。許多實驗涉及使用感覺神經元，特別是視覺神經元，因為它們不斷地整合不同頻率的抑制性和興奮性輸入。現代對神經總和的研究集中於突觸後電位在樹突和神經元細胞體上的衰減。這些交互作用被認為是非線性的，因為反應小於個別反應的總和。有時這可能是由於一種由抑制引起的稱為分流的現象所致，即興奮性突觸後電位電導的降低。

分流抑制在麥可·艾瑞爾和古後直樹的研究中有所體現，他們在龜的基底視核上進行了全細胞記錄實驗。他們的研究顯示，興奮性和抑制性突觸後電位的空間總和在大多數時間裡，會在抑制性反應期間引起興奮性反應的衰減。他們還注意到，在衰減之後，興奮性反應會出現暫時性的增強。作為對照，他們測試了當電壓敏感通道被過極化電流激活時的衰減情況。他們得出結論，衰減並非由過極化引起，而是由突觸受體通道的開啟導致電導變化所致。

潛在的治療應用

關於傷害性刺激，空間總和是指整合來自大面積的疼痛輸入的能力，而時間總和則是指整合重複性傷害性刺激的能力。廣泛且持久的疼痛是許多慢性疼痛症候群的特徵。這表明空間總和與時間總和在慢性疼痛狀況中都很重要。事實上，透過壓力刺激實驗已證明，空間總和促進了傷害性輸入（特別是壓力痛）的時間總和。因此，同時針對空間和時間總和機制可能對慢性疼痛狀況的治療有益。

參見

• 分流
• 長度常數
• 長期增益
• 神經傳導