多面的谷氨酸

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  2025-01-21
  型的神经元并未受损。进一步的研究揭示了多巴胺能神经元为何及如何被MPTP选择性杀死，答案令人震惊。MPTP进人大脑后被星形胶质细胞摄取。星形胶质细胞中有一种名为“单胺氧化酶B”的酶，其正常功能是降解多巴胺。这种酶会氧化MPTP（即从MPTP中移除电子），形成MPP。然后，MPP被从星形胶质细胞中排出，并选择性地只转运到多巴胺能神经元中。产生这种选择性的原因是，多巴胺能神经元的轴突膜上有一个多巴胺转运体，其功能是在突触处释放多巴胺后将其带回轴突。该转运体会将MPP移人多巴胺能神经元，使MPP在其中高浓度积聚。MPTP会改变多巴胺能神经元的能量代谢及损害线粒体的功能，从而损伤和杀死多巴胺能神经元。多巴胺能神经元与大脑中的所有神经元一样，也是被谷氨酸激活的。当多巴胺能神经元的能量水平被MPP耗尽时，它们排出Na和Ca2+的能力就会受损。多巴胺能神经元具有高水平的谷氨酸受体，因此当它们的线粒体被MPP失活时，就会因为兴奋性毒性损伤而死亡。流行病学研究表明，因职业接触某些杀虫剂和除草剂会增加患帕金森病的风险。鱼藤酮就是一种可能导致帕金森病的杀虫剂（Cicchetti，Drouin--Ouellet，。and Gross2009），可从生长在东南亚的豆科鱼藤属植物根部分离出来。许多人至今仍在购买鱼藤酮，并将其施用在花园植物上。这种杀虫剂能很好地防止虫子啃食蔬菜，但当人吃下这些蔬菜时，也会摄人鱼藤酮。与MPP一样，鱼藤酮会损害线粒体的电子传递链，从而减少细胞中ATP的产量。高剂量的鱼藤酮反而不会产生急性毒性，因为它们会引起呕吐，不会在血
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  2025-01-21
  有自发的运动，而且表现出蜡样屈曲（他的手臂会不由自主地拾起，并长时间保持这个姿势）。答案呼之欲出。根据我的经验，当你被动屈曲紧张性昏迷患者的手腕或肘部时，会明显感觉到不规则的自发阻力。这位患者表现出帕金森病的铅管样强直和齿轮样强直。事实上，在左旋多巴出现前，他看起来就像一个教科书般典型的进展性帕金森病患者。但这个病例不符合以上的所有答案。患者才40岁出头，各种症状是一夜之间出现的。我们遇到了一个医学谜团。（Langston2017，S12）在接下来的几天里，又有6名症状相同的年轻患者来到当地医院就诊。这些患者在接受左旋多巴治疗后，症状得到了显著改善。左旋多巴是一种能提高多巴胺水平的药物，被广泛用于治疗帕金森病患者。问题也随之而来：这7个人有什么共同点？他们互不相识，但都吸食海洛因，且在最近获得了一批特制海洛因。兰斯顿拿到了警方在突袭行动中没收的各种合成海洛因样本，对样本的分析表明，虽然大多数成分确实是海洛因，但“帕金森病患者”使用的那批海洛因几乎完全由化学物质1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氢吡啶组成（MPTP）。兰斯顿的下一步是观察给实验动物施用MPTP是否会导致类似帕金森病的症状（Langston2017）。只需使用一剂MPTP，一天内，大鼠和小鼠控制身体运动的能力就出现了严重损伤。对它们大脑的检查显示，黑质中的多巴胺能神经元遭到了广泛的破坏，但其他类
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  2025-01-21
  的。这些上运动神经元不断发出信号，刺激脊髓中的下运动神经元，引起肌肉收缩。纹状体中的神经元的功能是抑制上运动神经元发出的信号，否则这些信号会导致不必要的身体运动。纹状体中的抑制性神经元被称为“中型多棘神经元”，它们使用GABA神经递质。但亨廷顿病患者的中型多棘神经元退化，从而导致不受控制的肢体运动。那么问题来了：为什么在摄入霉变甘蔗的人中，纹状体中的GABA能中型多棘神经元会被选择性地破坏？神经科学家发现，接触3-NPA后，大鼠会因为中型多棘神经元死亡而表现出不受控制的肢体运动（Ludolph et al。。1991）。进一步的研究表明，3-NPA会抑制线粒体中产生ATP所必需的一种酶。通过这种抑制作用，3-NPA会导致神经元的能量不足。中型多棘神经元因为具有高激发率和来自谷氨酸能神经元的强输入，所以需要大量的ATP来支持它们的活动，也因此可能特别容易受到3-NPA的影响。神经科学家的研究表明，阻断谷氨酸能受体的药物能阻止暴露在3-NPA中的大鼠的中型多棘神经元发生变性。因此，3NPA显然是通过兴奋性毒性机制杀死神经元的。神经病学史上有一个知名的故事发生于1982年。J。威廉·兰斯顿在美国加利福尼亚州圣何塞的圣克拉拉谷医疗中心工作时，接到住院总医师的电话，对方说他正在接诊一位不寻常的患者。据兰斯顿的描述：患者的情况确实非同寻常。他显然是清醒的，但几乎没
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  2025-01-21
  1987年，在加拿大爱德华王子岛的一家餐馆，有100多人因食用紫贻贝而生病，其中许多人经历了癫痫发作和持续性的记忆丧失，3人死亡。对紫贻贝的分析显示，它们含有高浓度的软骨藻酸（Todd1993）。软骨藻酸不是紫贻贝产生的，而是因为紫贻贝在“赤潮年”摄入了产生软骨藻酸的藻类。软骨藻酸激活了谷氨酸的红藻氨酸受体。细胞外基质的谷氨酸从突触前端释放后被迅速清除，软骨藻酸则没有被清除。软骨藻酸会导致谷氨酸受体被持续激活，这可能导致了癫痫发作和神经元死亡。因此，软骨藻酸被认为是一种兴奋性毒素。海马中的锥体细胞特别容易被癫痫和兴奋性毒性损伤，这是由于海马中谷氨酸受体的组成和海马神经元连接的特殊性。在爱德华王子岛食用紫贻贝的顾客之所以出现了癫痫发作和记忆丧失，就是由于海马中神经元因兴奋性毒性而变性造成的。1961年，在美国加利福尼亚州圣克鲁斯，发生了一起引发狂乱的海鸟袭击路人的事件。据说，这些鸟类食用了含有高浓度软骨藻酸的贝类。这一事件是惊悚电影《群鸟》中一幕的灵感来源，电视剧（如《福尔摩斯：基本演绎法》）中甚至有用软骨藻酸下毒害人的情节。除了软骨藻酸，世界各地的各种生物也会产生其他兴奋性毒素。20世纪50年代，从海藻中分离出了红藻氨酸。彼时谷氨酸受体尚未被确认，红膜氨酸便被用来确认谷氨酸受休，我们现在称其为“红藻氨酸受体”。红藻氨酸受体会令大量Na流通，导致神经元细胞膜去极化，并通过NMDA谷氨酸受体通道令C：流人。另一种天然存在的兴奋性毒素是鹅膏草氨酸，它是由鹅膏菌属中某些种类的毒蘑菇产生的。与软骨藻酸和红藻氨酸一样，摄人鹅膏草氨酸会损害海马神经元，导致失忆。我和其他神经科学家都曾用红藻氨酸和鹅膏蕈氨酸在大鼠和小鼠的癫痫和阿尔茨海默病模型中引起神经元网络的过度兴奋和兴奋性毒性。软骨藻酸、红藻氨酸和鹅膏蕈氨酸会直接激活谷氨酸受体，其他天然毒素也会间...
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  2025-01-21
  神经元需要大量能量来支持其电化学活动，其中大部分能量消耗在突触处。神经元的能量来源主要有三种—葡萄糖、酮体和乳酸。葡萄糖主要来自食物中的碳水化合物，酮体则来自脂肪。乙酰乙酸和P羟丁酸是神经元可以用来产生ATP（细胞的分子能量货币）的两种酮体。神经元膜上有可以将这些能量源输送到细胞内的蛋白质：葡萄糖转运蛋白3（GLUT3）将葡萄糖转运到神经元中，单羧酸转运蛋白2（MCT2）将酮体转运到神经元中。突触处的星形胶质细胞和神经元之间的密切关系，旨在最大限度地提高神经元的细胞能量效率。星形胶质细胞将葡萄糖分解成乳酸分子。乳酸从星形胶质细胞中释放出来，并被输送到毗邻的神经元中。与酮体一样，乳酸随后被输送到神经元的线粒体中，用于产生ATP。由于星形胶质细胞与神经突触密切相关，因此，从星形胶质细胞输送到神经元的乳酸可能是对毗邻突触的能量需求的反应。然而，我们并不能确定这一点，因为目前还没有办法监测乳酸从星形胶质细胞到神经元这么短距离的移动。神经元网络的活动需要消耗大量能量。大脑虽然只占人体总重量的2%，但它消耗的能量却高达人体静息能量的20%。大脑消耗的绝大部分能量来自谷氨酸能神经元的活动。当某一脑区的神经元网络活动增加时，流向该脑区的血流量也会增加，以便为神经元提供更多的氧气和能量。事实上，MRI脑部扫描检测到的正是血流量，而由于整个大脑中超过90%的神经元都是谷氨酸能的，因此MRI信号可被视为谷氨酸能神经元活动的反映。事实证明，星形胶质细胞在神经元活动与脑血流的耦合中也起着关键作用。19世纪末，意大利神经科学家卡米洛·高尔基使用一种新开发的染色方法将脑组织切片染色，观察到星形胶质细胞与脑血管密切相关（图5-3）。单个星形胶质细胞与突触和脑血管都有广泛的连接。每个星形胶质细胞都包裹着多个突触，并将它们与毗邻的血管偶联。谷氨酸在突触处释放时，毗邻的...
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  2025-01-21
  的海马中。几周后，海马神经元上的突触数量减少，这表明线粒体生物合成对维持已经形成的突触至关重要。层出不穷的研究结果表明，人们有可能通过三种方式来增加大脑神经元中线粒体的数量，即参与智力挑战、定期锻炼和间歇性禁食。这三种提高神经元产生ATP能力的方式有一个共同点，那就是它们都是间歇性的生物能挑战。我将在第1章专门讨论这三种方式的调整如何改善整个大脑中谷氨酸能和GABA能神经元回路的功能和复原力。星形胶质细胞：大脑能量的调配师GABA能中间神经元与谷氨酸能神经元密切相关。事实上，谷氨酸和GABA是由葡萄糖产生的，这是神经元能量代谢与谷氨酸之间的另一种联系。谷氨酸能神经元和GABA能神经元依赖星形胶质细胞产生它们的神经递质。这一过程如下（图5-2）：星形胶质细胞利用葡萄糖产生谷氨酰胺。然后，谷氨酰胺从星形胶质细胞中释放出来，并被输送到毗邻神经元中。谷氨酸能神经元和GABA能神经元都包含一种酶，能将谷氨酰胺转化为谷氨酸。GABA能神经元还有一种醇酶，即谷氨酸脱羧酶，可以将谷氨酸转化为GABA。谷氨酸和GABA一旦产生，就会集中在突触前末梢的突触囊泡中。当谷氨酸和GABA在突触处释放时，紧密贴合的星形胶质细胞就会吸收二者，并将它们转化回谷氨酰胺。
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  2025-01-21
  我们的脑细胞会产生可能致命的气体，这一事实也许会让很多人震惊。神经元在它们的谷氨酸突触被激活后会产生一氧化氮、硫化氢和一氧化碳。有证据表明，这些气体与学习和记忆有关。大多数人可能都听说过在密闭空间内燃烧燃料导致一氧化碳中毒死亡的事例。吸人大量闻起来像臭鸡蛋的硫化氢也会致命。事实上，硫化氢气体曾在第一次世界大战中被用作化学武器。一氧化氮的浓度达到百万分之一百或更高时，也会对健康和生存造成直接威胁。这三种气体在高浓度时都有毒，但脑细胞产生的浓度极低。除了二氧化碳，人们首先发现的动物细胞中产生的气体是、氧化氯。198年、费里德·穆拉德、罗伯特·佛契哥特和路易斯伊格纳罗因发现“一氧化氯是心血管系统中的信号分子”而荣获诺肌尔生理学或医学奖（Smi曲1998，1215。他们发现，动脉内皮细胞释放出一氧化氯，然后扩散到周围的平滑肌细胞，使它们放松。这样，一氧化氯就会增加动脉的直径，从而增加通过动脉的血流量，这就是为什么硝酸甘油对因冠状动脉疾病而胸痛的患者有益：硝酸甘油会转化为一氧化氯，一氧化氨会放松动脉周围的肌肉细胞，从而增加血流量并减轻疼痛。一氧化氨被认为在大脑中也具有重要功能。约翰斯·霍普金斯大学的神经科学家戴维·布雷特和所罗门·斯奈德（1990）发现，当谷氨酸受体被激活时，神经元中会产生一氧化氮。一氧化氮的产生源自Ca的流人。Ca与蛋白质钙调蛋白结合，然后促使钙调蛋白激活一氧化氨合酶。这种酶以释放一氧化氨的方式作用于精氨酸。一氧化氯随后在整个细胞内扩散，并激活鸟苷酸环化酶，从而产生环鸟苷酸（cGMP）。与cAMP类似，cGMP也会激活激酶，将鸟苷-一磷酸（GMP）中的磷酸基团转移到离子通道和转录因子等蛋白质上。在斯坦福大学工作的埃林，舒曼和戴维·麦迪逊（1991）提供的证据表明，突触后神经元中因谷氨酸受体激活而产生的一氧化氮会扩散到突触前轴突...
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  2025-01-21
  在大脑发育过程中的第二波神经元死亡中，谷氨酸被认为在决定哪些神经元存活、哪些神经元死亡方面起着重要作用。所有神经元都有谷氨酸受体，它们的激活会让Ca流人细胞。当生长中的轴突将谷氨酸释放到潜在目标神经元的树突上时，随之而来的Ca流入会让细胞产生数种神经营养因子。然后，神经营养因子从树突中释放出来，激活轴突表面的受体。神经营养因子受体的激活反过来又会刺激防止细胞凋亡的蛋白质的产生（Burek and Oppenheim 1996）。在已发现的各种神经营养因子中，BDNF是大脑在谷氨酸受体激活后产生的最强大的神经营养因子。在发育中的神经系统中，谷氨酸受体激活导致的BDNF产量增加有两大功能：一是促进突触的形成和稳定，二是支持神经元的存活。BDNF的作用是增加突触的大小，并增加与突触相关的线粒体的数量。这样，BDNF就可以增加局部可用的能量，以支持突触的维持和功能（A。Cheng，Wan，etaL。2012）。BDNP可能会通过增加抗凋亡蛋白，如B细胞淋巴瘤2（Bl-2）抗氧化酶和修复受损DNA的蛋白的分泌，来防止细胞凋亡。谷氨酸促进突触形成和维持突触的能力只有在特定水平和模式的突触活动中才会出现。如果突触活动过少，神经营养因子的产量就不足；而突触活动过多又会导致突触消失。1998年，我首次用“突触凋亡”一词来描述单个突触的消失。我发现，突触因为谷氨酸受体激活而发生的变化，与之前细胞凋亡过程中的变化相同（Mattson，Keller，。and Begley199%）。第一个变化是半胱氨酸天冬蛋白酶被激活。这些酶可以在不破坏细胞膜的情况下咀嚼细胞内多种不同的蛋白质。第二个变化发生在向小胶质细胞发出吞噬和“吃掉”爵亡细胞信号的细胞外膜上。在细胞膜发生变化时，一种名为“磷脂酰丝氨酸”的脂质分子从细胞膜内部移动到细胞膜外表面。利用荧光分子探针，我得以证明，当海马神经...
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  2025-01-21
  24-48小时内，其中一个神经突加快了增长，成为轴突（图1-2）其他神经突的生长速度较慢，并出现大量分支，形成“树突树”。轴突继续生长，直到遇到其他神经元，准备形成突触。轴突的这些“目标神经元”可能在同一脑区，也可能在不同脑区或脊髓。在大脑发育过程中，神经元要想存活，就必须找到目标神经元并同目标神经元形成突触。不能成功形成突触的神经元会死亡，而在大脑发育过程中确实有很多神经元死亡。一般认为，最初神经元的过量生产可确保大脑含有足够数量的神经元，以形成支持大脑众多功能所需的全部神经元网络。生产得更多总是更好。神经元并不是大脑中唯一的细胞类型。事实上，星形胶质细胞与神经元一样丰富。星形胶质细胞来自与神经元不同类型的干细胞。在大脑发育过程中，神经元先于星形胶质细胞诞生，因此在妊娠的前几个月，人脑中大部分是神经元。此后，星形胶质细胞成为大脑中增加的主要细胞类型。星形胶质细胞有许多重要功能，包括帮助维持神经元的能量水平、神经递质的新陈代谢，以及产生促进神经元生长和突触形成的蛋白质。另一种脑细胞是少突胶质细胞。少突胶质细胞将其脂肪膜层层包裹在神经元轴突周围，这一过程被称为“髓鞘形成”。通过这种方式对轴突加以绝缘，少突胶质细胞提高了沿轴突下行的电脉冲速度。少突胶质细胞大量存在于大脑的白质中，在这里，一束束长轴突在脑区之间穿行在大脑的同侧或对侧，或向下延伸至脊髓。本章讲述谷氨酸在大脑发育过程中参与神经元网络形成的故事。我要回答的问题包括：谷氨酸以何种方式影响树突和轴突的生
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  2025-01-21
  婴儿大脑的雕塑师人脑神经元网络令人困惑的复杂性，是由错综复杂的细胞形态发生过程建立起来的。这些过程以母亲体内卵子经过卵巢和子宫之间的输卵管被受精作为开始。受精卵在移动到子宫的过程中会发生多次分裂，细胞数量在子宫中呈指数级增长。妊娠第一个月末，我们就能用肉眼看到胎儿初生的大脑。到3个月时，发育中的大脑皮质明显可见，表面光滑。在余下的妊娠期里，大脑皮质逐渐增大，并形成成人大脑特有的褶皱。这种褶皱使更多的神经元能够“装”进头骨。从出生到死亡，一个人的大脑将包含大约900亿个神经元，其中大200亿个神经元在大脑皮质，500亿个神经元在小脑。大脑中总共有超过800亿个神经元和90万亿个突触是谷氨酸能的。随着大脑的发育，神经元干细胞不断增殖，然后停止分裂，成为神经元。干细胞呈球形，从干细胞中诞生的神经元最初也是球形的，但在短短几小时内，它们开始延伸出多个“神经突”。在
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  2025-01-21
  在流行文化中，多巴胺被认为与愉悦和成瘾有关。更广泛地说，多巴胺参与动机、愉悦体验的强化和奖赏。多巴胺能神经元网络通常被称为“奖赏回路”。这些奖赏回路进化的目的是使动物能够确定某种行为是自己想要的还是厌恶的。例如，是否要吃某种特定的浆果，是否要与某个特定的人发生性关系。为了更好地定义这种行为，神经科学家使用了“动机突显”这一术语，它可以被定义为对刺激的注意和认知处理，从而让行为接近或远离某个对象及感知到的结果或事件。多巴胺通过调节前额叶皮质、基底节和海马的谷氨酸能神经元的活动，对动机突显产生影响。神经科学家和神经学家已经阐明了与动机行为、奖赏和成瘾有关的神经元回路（图2-5）。这些回路中一个非常重要的组成部分是位于脑干上端的VTA中的多巴胺能神经元集合。这些多巴胺能神经元接受来自前额叶皮质、下丘脑和丘脑的谷氨酸能输人。它们还接受来自下丘脑和伏隔核（基底前脑的一个区域）的GABA能输入。VTA中的多巴胺能神经元主要支配伏隔核中的GABA能神经元。伏隔核中的谷氨酸能神经元和GABA能神经元接受来自多个脑区的谷氨酸能输入，包括前额叶皮质、海马和杏仁核。VTA中的多巴胺能神经元除了支配伏隔核，还向海马、基底节、杏仁核和前额叶皮质输出。
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  2025-01-21
  觉皮质神经元的输入，并向控制喉部和舌头肌肉的运动神经元输出。1874年，德国医生卡尔·韦尼克对失语症患者做了研究。失语症是指丧失了理解或表达口头或书面语言的能力。脑卒中患者会表现出失语症。韦尼克描述了位于题上回后部的一个脑区，该区域一旦受损就会导致失语。此后，顶叶皮质的邻近区域也被证明与语言理解和表达有关。除了语言区域，在灵长类进化的过程中，另一个体积急剧增大的区域是前额叶皮质。事实上，前额叶皮质体积的增大是人类与灵长类动物中亲缘关系最近的黑猩猩之间大脑总体积差异的主要原因。前额叶皮质位于额叶的最前端，对智力、创造力、语言处理和决策至关重要。它使人类善于高效地处理信息，帮助人类成功地实现目标。有趣的是，前额叶皮质要到20岁左右才发育完全，而其他脑区的发育则要早得多。神经科学家认为，这可能是大多数儿童和青少年决策能力差的原因。在研究改变心智的药物和精神疾病方面，前额叶皮质也很受关注。我将在第9章介绍前额叶皮质谷氨酸能神经元的改变如何导致精神分裂症的症状，在第10章解释前额叶皮质谷氨酸能神经递质的改变对致幻药物的精神改变作用。
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  2025-01-21
  （杏仁校）至关重要的区城紧密相连。与其他感官不同，嗅觉信息直接进人嗅觉皮质、不经过丘脑。枕叶或视觉皮质位于大脑皮质最靠后的区域，接收来自眼睛的信息。视网膜神经元的轴突通过视神经延伸到丘脑神经元，丘脑神经元将来自眼睛的信号传递给视觉皮质的神经元。这些信息由视觉皮质中的谷氨酸能神经元加以初步处理，然后传递给其他脑区的谷氨酸能神经元、包括顶叶皮质、额叶皮质和海马。听觉皮质位于颗叶的上部，给它提供输人信号的神经元会对空气中声波引起的鼓膜振动做出反应。鼓膜振动传递到3块听小骨、进而引起名叫“耳蜗”的螺旋管中液体的运动。液体的运动刺藏耳蜗中排列的毛细胞，毛细胞将信号传递给螺旋神经节中的神经元。谷氨酸能螺旋神经节神经元的轴突投射到丘脑，然后通过谷氨酸能神经元传递到听觉皮质。大脑的“语言中枢”包括与视觉皮质、听觉皮质和运动皮质相毗邻的大脑皮质区域：与视觉皮质相邻的下顶叶皮质区、与听觉皮质相邻的上颞叶区域，以及与运动皮质紧密相邻的额叶区域。如我们所料，人类这些语言中枢的尺寸远远大于其他灵长类动物。人类学家、行为学家、神经科学家和语言学家对语言的研究历史悠久。1861年，法国神经学家和人类学家保罗·布罗卡描述了一位患者的症状，该患者额叶皮质上与运动皮质相邻的区域受损，只能正确发出一个单词“1am”。另一名患者的同一脑区受损，在发音方面也表现出严重的障得。这个脑区被称为“布罗卡区”，现在被确定为语言中松。布罗卡区的谷氨酸能神经元接收来自听觉和视
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  2025-01-21
  码和回忆的理解大多来自对海马中谷氨酸能神经元的研究。因此，我在第4章专门讨论谷氨酸在学习和记忆中的基本作用时，重点就在海马。在多种脑部疾病，包括抑郁症、癫痫和阿尔茨海默病等中，都会发现海马神经元的功能障碍和损伤。我将在第6章至第9章讲述谷氨酸在这些脑部疾病中的作用。大脑皮质是大脑中进化程度最高的神经元网络集合。在灵长类动物的进化过程中，大脑皮质相对于身体的体积不断增大，到人类时达到顶峰。在低等哺乳动物中，大脑皮质是由细胞组成的单层“薄片”，覆盖着其下的大脑结构。在灵长类动物的进化过程中，大脑皮质发生了折叠，使更多的神经元能够“装”进头骨。这种褶皱表现为脑回（脊）和脑沟（槽）。在整个大脑中，大脑皮质的厚度约为3毫米。在显微镜下，大脑皮质中的神经元呈现立体组织结构（图2-3）。大型谷氨酸能锥体细胞排列成有明确区分的5层。与其他脑区一样，GABA能神经元也分布在大脑皮质各处，与相邻的谷氨酸能神经元形成突触。因此，大脑皮质的神经元只有兴奋性的谷氨酸能神经元和抑制性的GABA能神经元。神经科学家根据大脑皮质的主要功能将它划分成不同的区域。体感皮质是一个很大的脑回，在大脑皮质中部垂直延伸。它处理来自感觉神经元的感觉信息，这些神经元分布在四肢和身体各处，对疼痛、触觉、压力和温度做出反应。对空气中的化学物质（气味）做出反应的化学感受器位于鼻子里，它们受嗅球神经元的支配。嗅球神经元将信息传递到大脑皮质中一个被称为“蝶窦”的区域。蝶窦位于额叶的下部，与大脑中对学习、记忆（海马）及恐惧反应
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  2025-01-21
  器中的动作序列方面也发挥着重要作用。基底节位于脑干和大脑皮质之间，其中的神经元与脑干、丘脑和大脑皮质中的神经元之间有重要的相互联系。基底节与运动皮质和前额叶皮质的神经元之间的相互联系尤为紧密。通过这些连接，基底节控制身体运动，并在学习、记忆、决策和情绪方面发挥重要作用。这个脑区对学习和执行重复性的身体动作序列至关重要，例如演奏乐器或体育运动。基底节的主要输入来自大脑皮质和丘脑的谷氨酸能神经元，还有上脑干的多巴胺能神经元。基底节的主要输出来自被称作“中型多棘神经元”的大型GABA能神经元。在这方面，基底节与小脑相似。这两个脑区的GABA能输出会抑制不必要的肢体动作和行为，从而只表现出适当的动作和行为。丘脑位于大脑中部，毗邻基底节。与脑干和纹状体一样，丘脑也是一种在进化上相当古老的结构。它的功能是作为感觉信息的中继站。丘脑中的神经元接收来自眼睛（视觉）入、耳朵（听觉）舌头（味觉）和脊髓（触觉、痛觉、压力和温度）的谷氨酸能神经元的感觉输入。然后，丘脑中的谷氨酸能神经元将与感觉输入相关的信息传递到大脑皮质相应的感觉区域。对海马（大脑两侧各有一个）的研究表明，这里的谷氨酸在大脑发育、学习和记忆及神经系统疾病中的重要性超过了其他任何脑区。海马的主要输人来自大脑皮质的感觉区域一视觉、听觉、躯体感觉、味觉和嗅觉。海马与涉及情绪（杏仁核入决策（前额叶皮质）及压力反应、食物相关行为和性（下丘脑）的回路有者紧密的联系。海马对学习和记忆至关重要，我们目前对记忆如何被编
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  2025-01-21
  控制肌肉运动的脑神经细胞使用乙酰胆碱作为神经递质，而传递感觉信息的神经细胞则使用谷氨酸。每个脑神经元的树突上都有谷氨酸能突触，细胞体上则有GABA能突触。刺激眼部、面部、下颌和舌头肌肉的脑干神经元由位于运动皮质的谷氨酸能上运动神经元控制。脑干的第三个功能是影响动机和对压力的反应。这一功能涉及分布在中缝核的一个神经元群（它们使用的神经递质是血清素），以及一个位于蓝斑核的神经元群（它们使用的神经递质是去甲肾上腺素）。后文将详细阐述谷氨酸能神经元与使用血清素或去甲肾上腺素的神经元之间的相互影响。小脑位于脑干上方、大脑皮质枕叶下方。小脑分为前叶、后叶和绒球小结叶。脊髓小脑占据前叶和后叶的中间区域。脊髓小脑中的神经元对四肢和身体的运动做出微调。它们接收传递身体位置信息（本体感觉）的神经元的谷氨酸能输入，还接收视觉和听觉通路及三叉神经的输人。前叶和后叶的外侧区是皮层小脑，它接收大脑皮质多个区域（包括顶叶）的输人，并向丘脑和运动皮质输出。外侧区的神经元通过评估与运动相关的感觉信息，参与运动。绒球小结叶对身体在空间中的平衡和定向起着关键作用。
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  2025-01-21
  基因数量更多。例如，大豆和藜麦各有大约45000个基因，小麦和油菜各有超过100000个基因。研究认为，植物拥有更多基因的主要原因是它们不能移动，因此必须能够应对恶劣的环境，如极端的温度、干旱及昆虫和食草动物或杂食动物的咀嚼。为了抵御昆虫和动物的攻击，植物会产生大量令人眼花缭乱的化学物质。因此，植物中的许多基因都致力于生产对潜在捕食者有害的化学物质，让捕食者知道它们有害，因为这些化学物质有苦味或有毒（Kou2005；Mattson 2015 ）当基因测序研究发现许多植物拥有的谷氨酸受体基因比人类更多时，植物学家和神经科学家都大吃一惊（Price，。Jelesko，andOkumoto2012）。证据表明，与植物对压力的适应性反应有关的一些基因的表达是由谷氨酸控制的（Qiu et al。2020）。例如，当植物的一片叶子受损时，其他未受损的叶子会增加防御性化学物质的生产，这些化学物质具有天然杀虫剂的功能。这种机制可以保护植物不被某只昆虫完全摧毁。谷氨酸受体参与了这种防御反应。谷氨酸受体也被证明能介导植物叶片间的伤口愈合（Mousavietal，2013）。丰田正嗣和同事提供的证据表明，当昆虫破坏植物的一片叶子时，伤口部位细胞中的Ca水平会升高（Toyota et al。2018）。然后，同一叶片上远离伤口部位的细胞，甚至该植株上相邻叶片的细胞中，Ca2+水平都会升高。据测定，谷氨酸和Ca2信号在植物体内的传播速度约为每秒1毫米，这一速度足以提醒远处的细胞，昆虫正在啃食植物的另一部分。通过操纵编码谷氨酸受体的基因，丰田正嗣及其同事发现，谷氨酸受体的活化与C2信号在叶片内部和叶片之间的传播有关。在谷氨酸的作用下，叶片细胞中的C：”含量增加，导致细胞产生令昆虫避之不及的化学物质。通过这种方式，谷氨酸在植物对昆虫啃食的防御反应中发挥着重要作用。谷氨酸的...
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  2025-01-21
  谷氨酸遍布生命之树有证据表明，细菌是最早的生物，这些单细胞生物一直在整个地球上的海洋、湖泊和士壤中繁衍生息。某些种类的细菌进化出了利用太阳能量产生糖分的能力，这一过程被称为“光合作用”。在大约20亿年前，植物进化并发展得多样化，形成了现在主宰地球景观的数百万个物种。至少还要再过10亿年，动物才会出现。在研究谷氨酸在大脑中的作用之前，我们应该从进化的角度来看看谷氨酸在低等生物中的作用，比如细菌、植物、黏菌、蠕虫和苍蝇。值得注意的是，正是由于膜片钳技术的发展，以及发现谷氨酸是一种神经递质，人们才意识到细菌对谷氨酸有反应。细菌体积之小，给尝试使用膜片钳方法记录离子穿越膜的运动的科学家带来了挑战。但当科学家们克服了这一技术障碍后，他们记录下了Na、Ca2、K和CI穿越细菌细胞膜的运动，并证明膜上存在这些离子的通道。细菌接触谷氨酸，会促发K的跨膜运动。细菌的这一过程与神经元不同，神经元在谷氨酸的作用下会使Na和Ca向内流入。然而，细菌中的谷氨酸受体通道与神经元中的谷氨酸受体通道在氨基酸序列上有明显的相似之处。谷氨酸受体离子通道结构的这些相似性表明，人类大脑中所有神经元的谷氨酸受体都是由细菌中的谷氨酸受体进化而来的。虽然谷氨酸受体通道在细菌日常生活中的大部分功能还是未知的，但这些通道可能感知压力的变化，因此很可能帮助细菌适应了环境中盐浓度的变化。其他通道可能有助于细菌耐受酸性环境和其他压力条件。种名为网柄菌的黏菌生活在森林中的腐木上，主要以细菌为食。当细菌供应充足时，网柄菌以单细胞形式生活，像变形虫一样四处游动。这些变形虫样细胞是单倍体，这意味着它们的基因组中的每个基因都只有一个拷贝。它们可以交配形成二倍体细胞，这样每个基因就有两个拷贝。二倍体细胞可以融合形成大型细胞，称为“合胞体”。在饥饿状态下，合胞体移动到腐木表面，大约10万个单细胞聚集在一起，形成一个柄，或称为“...
• 麒麟

  2025-01-21
  生命之树的古老信使我们身体DNA中的氨元素、牙齿中的钙元素、血液中的铁元素及苹果派中的碳元素都是在坍缩恒星的内部产生的。我们是由星尘构成的。一卡尔·萨根，《宇宙》我们可能永远没法知道谷氨酸起源于宇宙何处。可能在地球上，也可能不在。确实，有迹象表明，谷氨酸可能存在于太阳系的其他行星及其卫星上。土星的卫星土卫六的体积与水星相当。土卫六的大气主要由氨气和少量的甲烷和乙烷构成，它的红色烟云被认为是由坠落到卫星表面的复杂有机分子形成的。实验证明，当与士卫六成分相似的大气暴露在紫外线辐射下，就可以形成复杂分子，包括核苷酸（DNA的基础组件）和氨基酸（蛋白质的基础组件）。谷氨酸就是这样一种氨基酸。谷氨酸首次出现在地球上大约是40亿年前。斯坦利·米勒1952年在芝加哥大学读研究生时所做的著名实验证实了这一点。米勒向氢、氨（NH，）和甲烷（CH，）的混合物中持续注人蒸汽。然后，他将气态混合物暴露在电击下，一周后使用“纸色谱”这种方法检测出了数种氨基酸。谷氨酸正是米勒“原始汤”实验中产生的氨基酸之一（D。Ring et al。1972）。地球上首批出现的细胞是大约35亿年前的细菌。这些微生物使用谷氨酸作为基本组分来合成蛋白质。尽管当今的蛋白质由20种不同的氨基酸合成，但研究人员认为，在生命的极早期进化中，最开始的几种蛋白质是由少数几种氨基酸构成的。在20种氨基酸中，谷氨酸是结构最简单的一种氨基酸，因此被认为是原始汤中产生的首批氨基酸之一。细菌除了用谷氨酸组成蛋白质，还用它生产维持生存并支持其功能和复制的ATP。谷氨酸分子由5个碳原子、4个氧原子、8个氢原子和1个氮原子组成（图2-1）。氢是“创世大爆炸”之后产生的第一个元素，是宇宙中含量最丰富的元素。随着字宙的膨胀和冷却，更大、更稳定的元素形成了，然后一个元素与其他一个或...
• 麒麟

  2025-01-21
  谷氨酸作为一种神经递质，对神经元网络的快速运转至关重要。但在20世纪80年代，我发现谷氨酸还能在大脑发育过程中“雕塑”神经元网络错综复杂的结构特征，因此对大脑“神经架构”的建立至关重要。其他神经科学家已经证明，大脑神经元网络的结构远非“硬连接”，而是在人的一生当中以微妙但重要的方式发生着变化。谷氨酸通过类似大脑发育过程中发生的机制，协调了神经元网络的这种适应性调整，这一过程被神经科学家称为“神经可塑性”。我将在第5章介绍谷氨酸如何协调脑细胞内部和细胞之间的能量分配，从而最大限度地提高能量效率。在进化过程中，谷氨酸的最初功能之一很可能是促进细胞内的能量生产。这种功能对细菌等简单细胞的生存至关重要，对脑细胞也很重要。整个大脑的神经元网络在不同程度上可谓全天候活跃。有些神经元网络，比如控制呼吸的，是一直活跃的；而有些神经元网络则在运动、阅读或冥想等活动时更为活跃。人在不运动时，大脑消耗的能量是其他器官的3倍多。就像肌肉细胞一样，神经元在非常活跃时，会比不那么活跃时消耗更多的能量。因此，当神经元受到谷氨酸刺激时，其能量需求就会增加。谷氨酸能突触的激活会迅速增加线粒体中能量（ATP）的产生。随着时间的推移，神经元网络的活动甚至可以增加神经元中线粒体的数量，其发生机制类似于肌肉细胞对日常运动的反应。