脑 II · 突触传递与可塑性
证据地位：突触传递机制【实】（多项诺奖）；LTP 作为学习的细胞机制【实/争】——LTP 现象确凿，"它就是记忆"则是推论，见末节。 上一页讲单个神经元如何产生信号，本页讲信号如何传给下一个神经元——以及更重要的：这个传递的强度如何被经验改变。后者是学习与记忆的物理基础，也是本线通向"记忆"与"意识"的必经之路。
一、化学突触的工作循环
绝大多数中枢突触是化学突触。一次传递的完整链条：
- 动作电位到达轴突末梢 → 去极化；
- 电压门控 Ca²⁺ 通道打开，Ca²⁺ 内流（承上页：这是电→化学的转换点）；
- Ca²⁺ 触发囊泡融合：由 SNARE 蛋白复合体介导膜融合，突触小泡将神经递质释放入突触间隙（约 20 nm）。突触结合蛋白（synaptotagmin）是 Ca²⁺ 传感器——这套分子机器的解析获 2013 年诺奖；
- 递质扩散并结合突触后受体（扩散 20 nm 只需微秒，线二第三页的扩散公式在此完全适用）；
- 突触后电位产生：兴奋性（EPSP，通常 Na⁺/Ca²⁺ 内流）或抑制性（IPSP，通常 Cl⁻ 内流或 K⁺ 外流）；
- 终止：递质被重摄取、酶解或扩散清除。
量子释放：递质以囊泡为单位释放，故突触后反应呈量子化——这是 Katz 的经典发现（诺奖）。单个囊泡产生的微小电位称"微终板电位"。
电突触（缝隙连接）则直接让离子流过，速度更快、可双向，在需要同步的回路（如某些抑制性中间神经元网络）中重要。
二、主要递质系统
| 递质 | 主要作用 | 备注 |
|---|---|---|
| 谷氨酸 | 主要兴奋性递质 | AMPA（快）、NMDA（慢，Ca²⁺ 通透）、代谢型受体 |
| GABA | 主要抑制性递质（成熟脑） | GABA_A（Cl⁻ 通道）、GABA_B（G 蛋白偶联） |
| 甘氨酸 | 抑制性（脊髓、脑干） | |
| 乙酰胆碱 | 神经肌肉接头、脑内调节 | |
| 多巴胺、5-羟色胺、去甲肾上腺素 | 神经调质：不直接传信息，而是改变大片回路的增益与状态 | 见下 |
重要区分：谷氨酸与 GABA 是快速点对点的信息传递（毫秒级、空间精确）；单胺类多为弥散性调质——少量神经元投射到广大区域，缓慢地改变整个网络的工作模式（注意、动机、觉醒、情绪）。
这个区分能纠正一个流行误解：把多巴胺说成"快乐分子"、5-羟色胺说成"幸福分子"是严重简化【炒作】。多巴胺在中脑边缘系统更接近编码奖赏预测误差（实际奖赏与预期之差）——这一发现与强化学习中的 TD 误差惊人对应，是计算神经科学最漂亮的成果之一（🔗 AI 站强化学习；下页展开）。
三、突触整合
一个皮层神经元接收约 10³–10⁴ 个突触输入。单个 EPSP 通常只有 0.1–1 mV，而触发动作电位需要约 15 mV 的去极化——必须多个输入协同：
- 空间总和：不同位置的输入同时到达；
- 时间总和：同一输入快速连续到达（在膜时间常数 \(\tau_m\) 内）；
- 兴奋–抑制平衡（E/I balance）：皮层中兴奋与抑制近似平衡，使网络处于高响应、低饱和的状态。E/I 失衡与癫痫、以及部分神经发育障碍相关【机制部分【争】】。
四、可塑性：Hebb 规则的分子实现
Hebb 假设（1949）："一起放电的神经元连在一起"（fire together, wire together）。长时程增强（LTP）是它的细胞学对应物。
NMDA 受体是关键的符合检测器（coincidence detector）——这是本页最精彩的机制：
- NMDA 受体通道在静息电位下被 Mg²⁺ 堵塞；
- 要打开它，需要同时满足两个条件：(1) 谷氨酸结合（突触前活动）；(2) 突触后膜去极化把 Mg²⁺ 驱离（突触后活动）；
- 二者同时满足 → Ca²⁺ 内流 → 激活 CaMKII 等激酶 → AMPA 受体插入突触后膜 → 突触变强。
分子上直接实现了"前后同时活动才增强"的 Hebb 规则——一个受体分子充当了逻辑与门。这是分子机制与计算原理对应得最漂亮的例子之一。
长时程抑制（LTD）：低频刺激导致 Ca²⁺ 小幅持续升高 → 激活磷酸酶 → AMPA 受体内吞 → 突触变弱。增强与减弱由同一个 Ca²⁺ 信号的幅度与时程区分。
STDP（尖峰时序依赖可塑性）：更精细的规则——若突触前先于突触后放电（前因后果的顺序），突触增强；反之则减弱。时间窗约 ±20 ms。这让突触能学习因果的时间方向，而非仅仅相关性。
稳态可塑性：纯 Hebb 规则不稳定（强的越强，会失控）。神经元通过突触缩放整体调节所有突触强度，维持平均发放率——这是线二第一页控制论视角在突触层面的再现：一个负反馈把系统拉回工作点。
五、从突触到记忆：证据与保留【实/争】
支持 LTP 是记忆基础的证据：
- 阻断 NMDA 受体损害多种学习；
- 学习本身会诱发海马突触的类 LTP 变化；
- 光遗传学操纵：人工诱导特定突触的增强/减弱，可以增强或削弱已形成的记忆（下下页的印迹研究）。
需要保留的地方【争】：
- LTP 多在切片中用非生理性的强刺激诱导，与自然学习的对应并不完全；
- 记忆的存储形式可能不只在突触权重——有研究提示胞内分子状态、核周体、甚至细胞兴奋性也参与；
- 突触蛋白的周转期只有数小时到数天，而记忆可保持数十年——如何在分子不断更换的情况下维持信息，仍未完全解决（候选机制包括自我维持的分子开关、结构性突触重塑、系统层面的重复巩固）。
这是本页最值得记住的诚实："突触可塑性是学习的细胞机制"证据充分；"记忆就是突触权重"则是一个有力但未被完全证明的推论。
六、突触与疾病、药物
- 神经退行：阿尔茨海默病中突触丢失与认知下降的相关性，强于淀粉样斑块负荷——这是近年对"淀粉样级联假说"的重要修正之一【争】；
- 大多数精神类药物作用于突触传递（重摄取抑制、受体激动/拮抗）。但"化学失衡"（如"抑郁是 5-羟色胺不足"）是一个过度简化的模型，近年受到相当强的批评——药物起效延迟数周、而递质水平变化在数小时内，这个时间差本身就说明机制更复杂（涉及可塑性与网络重塑）【争】。本课只述机制，不涉治疗建议。
下一页：脑 III——回路与编码。从单个突触上升到神经元群体：信息如何被编码，回路如何计算，以及"预测"为何可能是皮层的核心原理。