一、神经系统的结构和功能

神经系统是人体内起主导作用的功能调节系统。人体的结构与功能均极为复杂，体内各器官、系统的功能和各种生理过程都不是各自孤立地进行，而是在神经系统的直接或间接调节控制下，互相联系、相互影响、密切配合，使人体成为一个完整统一的有机体，实现和维持正常的生命活动。同时，人体又是生活在经常变化的环境中，神经系统能感受到外部环境的变化对体内各种功能不断进行迅速而完善的调整，使人体适应体内外环境的变化。可见，神经系统在人体生命活动中起着主导的调节作用，人类的神经系统高度发展，特别是大脑皮层不仅进化成为调节控制人体活动的最高中枢，而且进化成为能进行思维活动的器官。因此，人类不但能适应环境，还能认识和改造世界。

图2-1 人体的神经系统

（一）神经系统的组成

神经系统（Nervous System）是机体内起主导作用的系统，分为中枢神经系统和周围神经系统两大部分。

1.中枢部分

中枢部分包括脑和脊髓，分别位于颅腔和椎管内，两者在结构和功能上紧密联系，组成中枢神经系统。

（1）脑（Brain）是中枢神经系统的主要部分，位于颅腔内。脑包括端脑（大脑）、间脑、小脑、脑干（脑干包括：中脑、脑桥和延髓），其中分布着很多由神经细胞集中而成的神经核或神经中枢，并有大量上、下行的神经纤维素通过，连接大脑、小脑和脊髓，在形态上和机能上把中枢神经各部分联系为一个整体。脑各部内的腔隙称脑室，充满脑脊液。

（2）脊髓（Spinal Cord）人和脊椎动物中枢神经系统的一部分，在椎管里面，上端连接延髓，两旁发出成对的神经，分布到四肢、体壁和内脏。脊髓的内部有一个H形（蝴蝶形）灰质区，主要由神经细胞构成；在灰质区周围为白质区，主要由有髓神经纤维组成。脊髓是许多简单反射的中枢。脊髓是中枢神经的一部分，位于脊椎骨组成的椎管内，呈长圆柱状，人的脊髓全长41～45厘米。上端与颅内的延髓相连，下端呈圆锥形随个体发育而有所不同，成人终于第一腰椎下缘或第二腰椎上部（初生儿则平第三腰椎）。临**作腰椎穿刺或腰椎麻醉时，多在第3～4或第4～5腰椎之间进行，因为在此处穿刺不会损伤脊髓。

图2-2 脊髓横截面图

2.周围神经系统

又称外周神经系统。包括12对脑神经和31对脊神经，它们组成周围神经系统。外周神经分布于全身，把脑和脊髓与全身其他器官联系起来，使中枢神经系统既能感受内外环境的变化（通过传入神经传输感觉信息），又能调节体内各种功能（通过传出神经传达调节指令），以保证人体的完整统一及其对环境的适应。神经系统的基本结构和功能单位是神经元（神经细胞），而神经元的活动和信息在神经系统中的传输则表现为一定的生物电变化及其传播。例如，外周神经中的传入神经纤维把感觉信息传入中枢，传出神经纤维把中枢发出的指令信息传给效应器，都是以神经冲动的形式传送的，而神经冲动就是一种称为动作电位的生物电变化，是神经兴奋的标志。

（二）神经元的结构和功能

神经元（Neuron）是一种高度特化的细胞，是神经系统的基本结构和功能单位，它具有感受刺激和传导兴奋的功能。

1.神经元的构造

一个典型的神经元由细胞体和突起两部分构成。

神经元的胞体（Soma）在于脑和脊髓的灰质及神经节内，其形态各异，常见的形态为星形、锥体形、梨形和圆球形状等。胞体大小不一，直径在5～150微米之间。胞体是神经元的代谢和营养中心。胞体的结构与一般细胞相似，有细胞膜、细胞质和细胞核。

（1）细胞膜：胞体的胞膜和突起表面的膜，是连续完整的细胞膜。除突触部位的胞膜有特异的结构外，大部分胞膜为单位膜结构。神经细胞膜的特点是一个敏感而易兴奋的膜。在膜上有各种受体和离子通道，二者各由不同的膜蛋白所构成。形成突触部分的细胞膜增厚。膜上受体可与相应的化学物质神经递质结合。当受体与乙酰胆碱递质或γ-氨基丁酸递质结合时，膜的离子通透性及膜内外电位差发生改变，胞膜产生相应的生理活动：兴奋或抑制。

（2）细胞核：多位于神经细胞体中央，大而圆，异染色质少，多位于核膜内侧，常染色质多，散在于核的中部，故着色浅，核仁1～2个，大而明显。细胞变性时，核多移向周边而偏位。

（3）细胞质：位于核的周围，又称核周体，其中含有发达的高尔基复合体、滑面内质网，丰富的线粒体、尼氏体及神经原纤维，还含有溶酶体、脂褐素等结构。

神经元的突起是神经元胞体的延伸部分，由于形态结构和功能的不同，可分为树突和轴突。

（1）树突（Dendrite）：是从胞体发出的一至多个突起，呈放射状。胞体起始部分较粗，经反复分支而变细，形如树枝状。树突的结构与脑体相似，胞质内含有尼氏体、线粒体和平行排列的神经元纤维等，但无高尔基复合体。在特殊银染标本上，树突表面可见许多棘状突起，长0.5～1.0微米，粗0.5～2.0微米，称树突棘（Dendritic Spine），是形成突触的部位。一般电镜下，树突棘内含有数个扁平的囊泡称棘器（Spine Apparatus）。树突的分支和树突棘可扩大神经元接受刺激的表面积。树突具有接受刺激并将冲动传入细胞体的功能。

（2）轴突（Axon）：每个神经元只有一根胞体发出轴突的细胞质部位多呈贺锥形，称轴丘（Axon Hillock），其中没有尼氏体，主要有神经原纤维分布。轴突自胞体伸出后，开始的一段，称为起始段（Initial Segment），长15～25微米，通常较树突细，粗细均一，表面光滑，分支较少，无髓鞘包卷。离开胞体一定距离后，有髓鞘包卷，即为有髓神经纤维。轴突末端多呈纤细分支称轴突终末（Axon Terminal），与其他神经元或效应细胞接触。轴突表面的细胞膜，称轴膜（Axolemma），轴突内的胞质称轴质（Axoplasm）或轴浆。轴质内有许多与轴突长袖平行的神经原纤维和细长的线粒体，但无尼氏体和高尔基复合体，因此，轴突内不能合成蛋白质。轴突成分代谢更新以及突触小泡内神经递质，均在胞体内合成，通过轴突内微管、神经丝流向轴突末端。

2.神经元的分类

（1）根据突起的数目，可将神经元从形态上分为假单极神经元、双极神经元和多极神经元3类。假单极神经元：胞体在脑神经节或脊神经节内。由胞体发出一个突起，不远处分两支，一支至皮肤、运动系统或内脏等处的感受器，称周围突；另一支进入脑或脊髓，称中枢突。双极神经元：由胞体的两端各发出一个突起，其中一个为树突；另一个为轴突。多极神经元：有多个树突和一个轴突，胞体主要存在于脑和脊髓内，部分存在于内脏神经节。

（2）根据神经元的功能，可分为感觉神经元、运动神经元和联络神经元3类。感觉神经元又称传入神经元，一般位于外周的感觉神经节内，为假单极或双极神经元，感觉神经元的周围起突接受内外界环境的各种刺激，经胞体和中枢突将冲动传至中枢；运动神经元又名传出神经元，一般位于脑、脊髓的运动核内或周围的植物神经节内，为多极神经元，它将冲动从中枢传至肌肉或腺体等效应器；联络神经元又称中间神经元，是位于感觉和运动神经元之间的神经元，起联络、整合等作用，为多极神经元。

（三）神经纤维

神经元较长的突起（主要由轴突）及套在外面的鞘状结构，称神经纤维（Nerve-fibers）。在中枢神经系统内的鞘状结构由少突胶质细胞构成，在周围神经系统的鞘状结构则是由神经膜细胞（也称施万细胞）构成。神经纤维末端的细小分支叫神经末梢。

（四）突起

神经元间联系方式是互相接触，而不是细胞质的互相沟通。该接触部位的结构特化称为突触（Synapse），通常是一个神经元的轴突与另一个神经元的树突或胞体借突触发生机能上的联系，神经冲动由一个神经元通过突触传递到另一个神经元。长而分支少的是轴突，短而呈树枝状分支的是树突。

（五）神经胶质

神经胶质（Neuroglia）数目是神经元的10～50倍，突起无树突、轴突之分，胞体较小，胞浆中无神经原纤维和尼氏体，不具有传导冲动的功能。神经胶质对神经元起着支持、绝缘、营养和保护等作用，并参与构成血脑屏障。

（六）神经冲动

神经冲动就是动作电位，在静息状态下（即没有神经冲动传播的时候）神经纤维膜内的电位低于膜外的电位，即静息电膜位是膜外为正电位，膜内为负电位。也就是说，膜属于极化状态（有极性的状态）。在膜上某处给予刺激后，该处极化状态被破坏，叫作去极化。在极短时间内，膜内电位会高于膜外电位，即膜内为正电位，膜外为负电位，形成反极化状态。接着，在短时间内，神经纤维膜又恢复到原来的外正内负状态——极化状态。去极化、反极化和复极化的过程，也就是动作电位——负电位的形成和恢复的过程，全部过程只需数毫秒的时间。

神经细胞膜上出现极化状态：由于神经细胞膜内外各种电解质离子浓度不同，膜外钠离子浓度高，膜内钾离子浓度高，而神经细胞膜对不同粒子的通透性各不相同。神经细胞膜在静息时对钾离子的通透性大，对钠离子的通透性小，膜内的钾离子扩散到膜外，而膜内的负离子却不能扩散出去，膜外的钠离子也不能扩散进来，因而出现极化状态。

动作电位的产生：在神经纤维膜上有两种离子通道，一种是钠离子通道；一种是钾离子通道。当神经某处收到刺激时会使钠通道开放，于是膜外的钠离子在短期内大量涌入膜内，造成了内正外负的反极化现象。但在很短的时期内钠通道又重新关闭，钾通道随机开放，钾离子又很快涌出膜外，使得膜电位又恢复到原来外正内负的状态。

二、神经损伤后再生

（一）神经损伤的实质

1.神经元的胞体的损伤

此类损伤是不能再生的，这是由于神经元胞体的丧失，致使该神经元的轴突与树突失去营养中心随之死亡。

2.神经突起的损伤

主要是轴突中断。轴突的中断会使靶组织去传入神经或去神经支配，导致轴突与靶组织连接中断。而轴突的损伤可以导致神经元的一部分细胞质丧失，这通常引起神经元的退化和变性现象。

（二）神经细胞损伤后的退化现象

当直接损伤到神经元胞体时，整个神经元将会死亡。当损伤仅限于轴突与树突时，其结果可能会引起神经元的死亡或可能以一种改变了的状态存活下来。

1.部分损伤神经元

部分损伤神经元是指损伤局限于神经元的突起、轴突或树突。轴突被切断的神经元常常出现胞体萎缩的现象，严重时甚至可以导致神经元的完全死亡，通常称之为逆向性变性。这种逆向变性引起神经死亡的概率与轴突被切断后丧失细胞质的多少密切相关。但如果轴突被切断的神经元仍保留有为损伤的轴突侧支投射，及时轴突的细胞质大部分丧失，也不会表现出逆向变性，通常称这种现象为支持侧支。

2.跨神经元变性

通常把失去正常的神经传入或靶组织的神经元发生萎缩或死亡现象，称为跨突触效应。把失去传入神经引起神经元死亡的现象称为正向跨神经元变性。而把失去靶组织而引起神经元死亡的现象称为逆向跨神经元变性。

3.跨神经萎缩

通常大多神经元失去靶组织或者失去神经支配，并不足以致使神经元的死亡，但这些神经元会显示出一些退化现象。这通常也包括正向与逆向跨神经元萎缩两种情况。

（三）神经细胞损伤后的再生

神经细胞受到损伤后通常会有两种结局，一种是完全变性；另一种是恢复。如果损伤没有导致神经细胞完全变性，则神经细胞会进入损伤后再生恢复的过程。完全有效的再生过程一般包括轴突的出芽、生长和延伸，与靶细胞重新轴突联系，实现神经在支配而功能修复。

1.轴突的再生

主要是指轴突损伤后的再生，分为完全再生和再生的出芽生长。完全的再生是指轴突能成功地与其他正常的靶组织重新建立连接；再生的出芽生长是指出现损伤轴突的短距离再生，但不能与正常的靶组织重新建立连接。在某种程度上，轴突再生仅发生在周围神经系统内，故很长一段时间人们普遍认为高等脊椎动物的中枢神经系统的损伤是不能再生的。但近年来研究表明，高等脊椎动物胚胎与幼体时期的中枢神经系统具有再生的能力，而成年动物的中枢神经系统再生能力极其有限。中枢神经系统不能进行完全的轴突再生并不是由于其轴突失去生长的能力，实际上中枢神经系统的轴突可以通过残存轴突侧支出芽生长或损伤位点的出芽生长的形式再生，但由于其出芽生长的距离较短，导致不能到达靶组织，因失去营养支持而夭折。

2.再生的出芽生长

受损的轴突可以生长，但这种生长不能与原来的靶组织重新建立连接，这种现象称为再生的出芽生长。年幼的动物在神经损伤后出芽生长的速度非常快，而且所有类型的出芽生长都易发生在年幼的动物中。根据出芽再生的方式及最后的结果可以分为以下几种类型。

（1）侧支或终末旁的出芽生长：是指在神经细胞参与生长的情况下，轴突和（或）突触成分对损伤的反应性生长。这种生长一般表现为两种方式：一种是从存活的突触前终末生长出一个新的终末树状分支，即突触旁的出芽生长；另一种则是沿着仍存在的轴突的任何地方产生一个新侧支的出芽生长，即侧支的出芽生长。两者的共同点为其出芽生长发自相邻未受损的神经元轴突或者其远端的终末分支。

（2）中枢神经系统中的出芽生长：是指存在与神经支配区域的未受损伤的轴突形成额外的突触连接。在中枢神经中，在许多情况下都已发生出芽生长的现象。有证据证明：出芽生长有助于脑损伤后功能的恢复。

（3）与剪除相关的出芽生长：是指当神经元的一个侧支受损时，轴突和（或）突触连接的生长。其与再生的出芽生长的区别在于与剪除相关的出芽生长并未涉及受损伤的轴突。因此，出芽生长发生的地点可以远离损伤位点。

（四）影响神经再生的因素

1.促进神经再生的因子

影响神经再生的因子主要有以下几种：

（1）神经营养因子：正常的神经细胞必须从靶组织器官和（或）远端胶质细胞获得足够的神经营养因子，但当神经损伤后，就切断其营养的来源，这导致神经细胞营养不良甚至死亡。但此时如果有外源性神经营养的供给，神经细胞仍然可以得以生存与再生。

（2）神经生长相关蛋白—43（Growth Associated Protein—43，GAP-43）：是一种胞膜磷酸蛋白质，属于膜快速运转蛋白，它不仅与神经细胞生长发育、突触形成以及神经可塑性密切相关，而且与周围和神经系统轴突的生长和再生密切相关，作为轴突发芽的一种标志。

（3）巨噬细胞和施万细胞：两者都能促进神经损伤后的再生。这两种细胞不仅能分泌神经营养因子或者促进神经营养因子的分泌，还能通过吞噬作用伟神经细胞再生创造条件。此外，血旺细胞还能生成髓鞘细胞与基底膜，进而促进神经细胞的再生。

2.与神经再生有关的细胞因子

大多数神经因子都能促进神经细胞的生长与存活，但能刺激神经细胞生长的很多活性物质并非都是神经因子。已知的细胞因子均为多元和多向性，如星形胶质细胞、施万细胞及唾液分泌的神经生长因子，成纤维细胞分泌的成纤维细胞生长因子等。在缺血性脑卒中恢复的过程中，梗死灶周边区神经细胞再生及细胞间突触联系的重建或重组具有重要作用。而脑内细胞因子（维持神经细胞生长的细胞因子、神经生长必需的蛋白质以及维持细胞间联系的细胞因子）与中枢神经功能的恢复密切相关，他们对神经再生、神经元移行、轴突的发芽、延长与成束以及正确神经环路的形成起着重要作用。因此，运动能减轻脑卒中的损害，这与脑梗死区血管形成和神经营养因子的过度表达有关。

3.与血管再生有关的细胞因子

血管生成素（Angiogenin，ANG）及其受体和血管内皮生长因子（Vacular Endothelial Growth Factor，VEGF）可以介导血管生成，它们可能在侧支循环发生中起着重要作用。尽管成年后大脑血管内皮的增生已停止，但动物实验证明局灶性缺血后存在新生血管生成。脑卒中后2～7天在缺血灶边缘区开始出现新生毛细血管，这些新生血管早期表现为梗死灶边缘区血管管径增大、管壁变薄，脑卒中2～28天通过发芽与分支形成新生小血管进入梗死灶。

4.影响神经细胞凋亡相关的因素

在神经系统的发育过程中，细胞生长分化的同时也发生大量的细胞死亡，发育中出现的这种由细胞内特定基因程序表达介导的细胞死亡称为程序性细胞死亡（Programmed Cell Death）或成为凋亡。凋亡是多细胞动物生命活动中必不可少的过程，与细胞增殖等同重要。研究表明，生物体内、外多种因素都可以诱发细胞凋亡的发生，如射线、糖皮质激素、肿瘤坏死因子和谷氨酸等。细胞凋亡不仅是一种特殊的细胞死亡类型，还是多基因严格控制的过程。现已发现机体内对细胞凋亡的控制基因主要有促凋亡基因与抗凋亡基因两类，它们的功能正好相反，一类是促细胞凋亡基因；另一类是抑制细胞凋亡的基因，这两者的比值决定生精细胞凋亡是否发生。只有这两个过程互相平衡，神经系统的发育才能正常进行。

5.胶质细胞和施万细胞以及神经细胞黏附分子

损伤后中枢与外周神经的共同特点是引起胶质细胞和施万细胞的增殖分泌，这种增值与分泌所产生的效应是双向性的，适当增值有利于再生轴突的生长，但是过度增值所形成的瘢痕则会阻碍再生轴突的生长与延伸，并导致再生轴突再次退变。神经细胞黏附分子质膜上的一种整合蛋白，通过黏连与导向作用不仅影响神经突起的生长与延伸，从而调节神经元的形态，同时还可借此影响神经元细胞骨架蛋白的分配与集合及细胞骨架的组装。

（五）中枢神经系统的恢复

神经系统的功能主要是由亿万神经细胞的胞体及其突起组成复杂的网络来完成的。其中，神经元即神经细胞是神经系统结构和功能的基本单位，也是神经系统损伤修复研究的重要环节。由于中枢神经系统（Central Nervous System，CNS）的神经元损伤后极难再生，1906年诺贝尔医学生理学奖获得者、西班牙著名的神经组织学家Cajar就曾断言哺乳动物CNS不具备再生能力。直到1958年，Liu和Chambers第一次证实成年哺乳动物CNS损伤后仍具有可塑性后，才使人们重新将目光真正聚焦在CNS损伤后的再生修复问题上来。在各国医学家们的努力下，CNS的可塑性研究有了一些突破性进展，但是目前尚不能取得满意的临床疗效。中枢神经系统疾病是当今社会最具破坏力的疾病之一。美国每年有超过1万例新发偏瘫及四肢瘫患者，超过10万永久神经功能缺失病例。如何促进中枢神经再生提高损伤修复临床治疗效果，是神经科学研究者迫切需要回答的问题。因此，进行神经细胞的损伤修复研究具有十分重要的理论及现实意义。目前，CNS修复研究已形成以下两个重要的研究方向：（1）试图控制CNS神经元存活及轴突生长的信号途径，来改变中枢神经内在的生长能力；（2）采用干预手段，创造CNS中受损神经元生存的适宜环境，进一步激活自身NSC及内源性修复机制。若能促进自体NSC在体内增殖、迁移、分化，进而修复受损的神经细胞，将会使脑缺血等多种脑损伤的自我修复成为可能，并将为NSC的研究提供更加广阔的应用前景。

三、中枢神经可塑性和功能代偿

中枢神经系统的可塑性的主要类型及其机制：为了主动适应和反应外界环境各种变化，神经系统发生结构和功能的改变，并维持一定时间，这种变化就是神经的可塑性。这包括后天的差异损伤及环境对神经系统的影响（成年期损伤后系统内的功能重组，内外界的其他影响因素。），神经系统的可塑性决定了机体对内外环境刺激发生行为改变的反应能力和功能的代偿。分为大脑可塑性和脊髓可塑性。（在CNS可塑性方面大脑比脊髓大，原因主要是脑体积较大，不容易造成完成性损伤，因此残留部分可以通过各种功能重组来代偿。而脊髓则不然，其横断面比脑小得多，容易造成完全性损伤，一旦出现完全性损伤，代偿的机会就小得多，主要依靠轴突长芽和神经移植的方法来解决）。

（一）大脑可塑性

1.发育期可塑性；

中枢神经系统在发育阶段如果受到外来的干预（如感受器、外周神经或中枢通路的损伤），相关部位的神经联系将会发生明显的异常改变。

2.成年损伤后可塑性；

3.脑损伤后的可塑性；

4.突触传递可塑性；

5.神经损伤后功能代偿。

（二）脊髓可塑性

脊髓是中枢神经的低级部位，同大脑一样也具有可塑性。脊髓损伤后轴突的出芽主要包括再生性出芽，侧支出芽，代偿性出芽三种变化。

1.再生性出芽

再生性出芽是指在受损轴突的神经元存活时，该轴突近侧端以长出新芽的方式进行再生。

2.侧支出芽

在损伤累及神经元胞体或近端轴突进而造成整个神经元死亡时，附近未受伤神经元从其自身的侧支上生出枝芽。

3.代偿性出芽

代偿因受伤而丢失的侧支而在其正常的侧支发出新芽。