视觉摘要
摘要
神经退行性疾病深刻影响负责记忆、认知和高级处理的结构和通路。对神经解剖学和生理学的基础理解对于认识这些疾病如何发展以及如何通过分子影像学进行可视化至关重要。神经元、树突、轴突、微管和相关蛋白（如tau蛋白）构成了信息传递的结构基础。胶质细胞支持神经元健康，调节神经传递，维持代谢平衡，并参与伴随衰老而失调的炎症反应。大脑区域如海马体、杏仁核、前额叶皮层和边缘系统协调记忆形成、情绪编码、工作记忆和空间导航。记忆的生理过程依赖于编码、巩固、存储和检索，这些过程由神经递质如乙酰胆碱、谷氨酸、血清素和多巴胺驱动。突触可塑性使神经连接能够适应性增强或减弱，而衰老相关变化则导致自然认知衰退。本文回顾了记忆背后的神经解剖学和细胞生理学，以帮助理解神经退行性模式及其在高级影像中的表现。
关键词：神经解剖学、神经元、胶质细胞、记忆、突触可塑性
神经退行性疾病影响中枢神经系统的基本结构和过程，其中许多负责认知、记忆和高级功能。因此，清晰理解正常神经解剖学和生理学对于认识这些系统在健康状态下如何运作、在疾病中如何改变至关重要。神经元、树突、轴突、微管和胶质细胞构成了一个复杂的通信网络，实现信号传递、代谢调节、突触调节和结构支持。这些组件共同维持复杂过程，如记忆形成、巩固、检索、情绪调节和执行功能。
记忆尤其依赖于海马体、杏仁核、前额叶皮层以及相关的皮层和皮层下网络的协调活动。神经递质通过塑造突触可塑性以及神经连接的增强或减弱来介导这些过程。随着年龄增长，灰质厚度、白质完整性、线粒体效率和胶质细胞反应性的变化会影响认知表现，并导致记忆的正常变异。
本文是两篇系列文章的第一篇，探讨神经退行性变及其与核医学的相关性。本文重点介绍与记忆形成和检索相关的大脑解剖学和生理学、参与神经退行性变的关键解剖结构和过程，以及与正常衰老相关的变化。
与记忆相关的神经解剖学
神经系统是一个由特化细胞和支持结构组成的复杂网络，共同处理信息、维持体内平衡并协调身体的所有功能（1）。神经元——神经系统的核心功能单位——通过电脉冲和化学信号进行通信，从而在神经通路中快速传递信息（1）。围绕并支持这些神经元的是胶质细胞，它们提供结构稳定性、维持化学环境、调节修复过程并在信号传递中发挥重要作用（2）。在每个神经元内部，微管网络形成内部支架，运输营养物质、神经递质和细胞器，这一系统部分由tau蛋白调节，tau蛋白在正常条件下稳定这些微管（1）。神经元之间的通信依赖于神经递质——这些化学信使通过突触传递信号，使神经系统能够编码体验、协调运动、调节情绪并维持认知功能（1,2）。这些组件共同形成一个集成系统，用于创建、存储和检索信息。
神经元
神经元是神经系统的基本结构和功能单位（2）（图1）。神经元利用化学和电成分在神经元之间或全身传递信息（3）。神经元传递协调运动、引发思维过程的信息，并且是记忆形成和检索的关键组成部分（1）。神经元的解剖结构包括三个组成部分：树突、胞体和轴突。
图1. 神经元解剖结构。转载自(1)。CC BY 4.0许可。
树突
树突是接收来自其他神经元传入信号的分支延伸（1,3）。这些树突分支起源于细胞体或胞体（2）。树突比轴突更短、更多。
胞体
胞体包含细胞功能所需的细胞器，包括线粒体、DNA和细胞核（1）。在胞体内，传入信息被综合处理，然后通过轴突传递到下一个神经元。胞体也是神经冲动产生的位置（4）。树突接收信息，胞体处理信息并决定是否应传递该信息或其他信息，如果是，则产生通过轴突流向其他细胞的冲动（4）。
轴突
从胞体延伸出来的是轴突，其长度因神经元类型和功能角色而异（1）。轴突的主要功能是将神经元信号传递到轴突末端的突触。轴突是细长的突起，将信号从神经元传出。轴突可短可长，有些仅在大脑内测量为毫米，而另一些可能延伸超过一米，如支配四肢的轴突。轴突终止于轴突末端，在那里释放神经递质、神经激素和神经调节物质（3）。电信号转化为化学信号，使其能够穿过突触或神经肌肉接头。
轴突可以是髓鞘化的或无髓鞘的（4）。围绕许多轴突的髓鞘由蛋白质和脂肪物质组成。该鞘绝缘轴突，使电脉冲能够快速传导（2）。除了提供保护屏障外，髓鞘还大大提高了信号传输的速度。
微管
轴突内部有微管，贯穿轴突全长（1）。微管也存在于身体其他细胞中，但在轴突中特别丰富。它们提供必要的结构支持，协助细胞内运输，促进细胞内支持，并帮助组织细胞器（2）。微管携带神经递质、突触囊泡、蛋白质和线粒体在胞体和突触末端之间运输（1）。从概念上讲，如果轴突是身体的信息高速公路或铁路，那么微管的功能就像内部桥梁、路面或轨道，维持结构完整性并实现高效运输。
Tau蛋白
与这些微管相关的是tau蛋白，一种在神经元中主要表达的微管相关蛋白，尤其在大脑中（1）。tau蛋白结合在微管的外表面（2）。虽然tau不是微管的结构组成部分，但它稳定微管系统。如果将轴突视为铁路轨道，tau蛋白的功能就像固定轨道的夹子或扣件。它调节间距和组装，并提供关键的稳定性。没有tau蛋白，微管会变得不稳定，容易解体并结构崩溃（2）。这种稳定作用在长轴突中尤其重要。
胶质细胞
支持神经元的是胶质细胞，体内有7种主要类型（1）。四种胶质类型与记忆和神经退行性变特别相关。胶质细胞的数量大约是神经元的10倍，为神经元环境提供必要支持、结构稳定性，并执行各种代谢和免疫功能（2）。
胶质细胞可分为小胶质细胞和大胶质细胞（2）。小胶质细胞充当大脑的免疫细胞。这些小型吞噬细胞清除碎片、去除死亡组织，并对毒素或损伤引发生理反应。小胶质细胞也在神经炎症中发挥重要作用，特别是在阿尔茨海默病等疾病中，它们可能变得过度活跃（2）。在大脑发育过程中，小胶质细胞通过识别并消除发育不良或受损的神经元和轴突参与突触修剪。然而，在神经退行性疾病中，相同的过程可能失调并促进过度炎症（2）。
大胶质细胞包括几种重要的细胞类型，特别是星形胶质细胞和少突胶质细胞（2）。星形胶质细胞调节突触周围的神经递质浓度，控制细胞外钾和钙水平，为神经元提供代谢支持，并修改突触环境以调节通信（1）。它们提供代谢支持并修改突触环境，影响神经元之间的通信。少突胶质细胞产生髓鞘，这是高效轴突传导所必需的关键绝缘材料（2）。这种绝缘支持快速信号传递，并提供关键的结构稳定性，特别是对于远距离发送神经元信号。少突胶质细胞的作用既是保护性的也是功能性的，增强神经元之间的信号传输（1）。胶质细胞对于维持神经稳态至关重要（2）。
宏观脑解剖学
大脑的宏观解剖包括大规模结构，共同支持认知、情感、协调和记忆。大脑分为三个主要部分：端脑、小脑和脑干（图2）（1,2）。端脑形成最大的部分，包含灰质和白质网络，整合感觉信息，支持有意识思维，并在皮层内实现长期信息存储。大脑深处是边缘系统，一组相互连接的结构，包括海马体和杏仁核，在形成、组织和赋予记忆情绪色彩方面起核心作用（1,2）。小脑传统上与运动协调有关，但通过其与皮层和皮层下区域的广泛连接，也对认知加工和程序性记忆有贡献（1,2）。
图2. 脑解剖结构。图片由macrovector提供于Freepik。
理解这些主要解剖系统对于探索大脑如何存储和检索记忆以及理解神经退行性疾病至关重要。由于脑干在记忆形成中不起作用，本文不再进一步讨论。
端脑
端脑是大脑最大的部分，分为额叶、顶叶、颞叶和枕叶（1,2）。端脑主要由神经元和胶质细胞组成。胶质细胞数量显著多于神经元，维持细胞环境并提供结构完整性（1,2）。端脑负责许多高级神经功能，如记忆和情绪。端脑覆盖着一层连续的薄层灰质，称为大脑皮层。更深处是白质和胼胝体，后者为大脑皮层左右半球之间的通信提供主要通路（1）。
端脑在记忆中扮演核心和多方面的角色，是长期记忆在不同感觉和认知领域被存储、组织和整合的主要场所（5）。大脑皮层的不同区域对不同方面的记忆有贡献。例如，颞叶有助于识别信息和回忆事实，而额叶对于在工作记忆中保持和操作信息以及引导检索至关重要（1）。其外层大脑皮层包含广泛的灰质网络，通过突触活动和结构可塑性模式编码体验的细节（5）。
边缘系统
边缘系统是位于内侧颞叶和间脑深处的相互连接结构网络，在动机、学习和记忆中起关键作用（5）。边缘系统包含海马体、杏仁核、扣带回、海马旁皮层、乳头体以及丘脑和下丘脑的部分（图2）。特别是，海马体和杏仁核在记忆形成、存储和情绪处理中发挥关键作用（5）。
海马体对新记忆的形成和空间导航特别关键（1）。海马体在巩固中也起核心作用，临时存储新记忆，然后逐渐将其转移到分布式的皮层网络以长期保留（5）。它与内嗅皮层、前额叶皮层、杏仁核和小脑的持续交互使体验的时间组织、空间导航以及灵活认知图的形成成为可能（6）。海马体的损伤会破坏形成新陈述性记忆的能力，突出了其在记忆系统中的高度专门作用。
杏仁核在赋予体验情绪意义以及增强与情绪相关的记忆强度方面起关键作用（6）。当事件涉及强烈情绪时，杏仁核变得高度活跃，并向海马体和其他记忆相关区域发送信号，增加记忆被深度编码的可能性（6）。杏仁核与应激激素和神经递质相互作用，影响编码、巩固和存储。重要的是要记住，杏仁核并不存储记忆：它强化了与情绪、威胁或奖励相关的记忆的形成（6）。
纹状体
另一个重要结构是纹状体，基底节最大的皮层下组成部分。它由尾状核、壳核和伏隔核组成（2）。纹状体包含白质和灰质，高度参与决策、运动控制、情绪调节和习惯形成。它含有大量多巴胺受体，是多巴胺释放的主要部位（5）。纹状体是基底节回路的一部分，通过重复练习和基于奖励的反馈逐步获取技能和常规（1）。纹状体的多巴胺信号对于加强神经通路、编码信息、行为自动化以及发展长期程序性技能至关重要（1）。纹状体及其回路的损伤或功能障碍会损害程序性记忆和运动技能，如帕金森病或亨廷顿病所见。
小脑
小脑位于端脑下方，第四脑室、脑桥和延髓的后方（5）。小脑负责协调和运动控制，但也对更高级的认知过程如记忆有贡献（7）。通过其与大脑皮层和边缘结构的广泛连接，小脑支持学习、计时和预测的各个方面，以及熟练运动的自动化（5）。
除了运动控制，小脑通过与前额叶皮层、顶叶联合区、边缘系统和丘脑的广泛连接，对认知和情感功能有贡献（7）。这些通路支持小脑参与工作记忆、执行功能、语言处理、情绪调节以及运动和认知序列的预测建模（7）。小脑在程序性记忆和运动学习中也发挥重要作用，特别是通过编码学习到的运动模式的可塑性（1）。小脑结构的损伤不仅导致共济失调和辨距不良，还会导致认知、情感和记忆的损害，反映了其在运动和高级神经系统中的综合作用（7）。
白质与灰质
大脑组织为深部白质区域和外部灰质层（1）。尽管白质和灰质总体积大致相等，但灰质是一层薄层，厚度在1至4.5毫米之间，平均厚度为2.5毫米。白质和灰质不断交互，促进整合的脑功能。
白质由神经细胞的髓鞘化轴突和相关的胶质细胞（如少突胶质细胞和星形胶质细胞）组成（1）。白质约占大脑的60%，主要位于皮层和脊髓表面。浅色来自高密度的脂质。白质在学习、注意力和运动控制中起关键作用。白质还在外周神经系统和灰质之间传递感觉和运动冲动。最后，白质传递自主功能如心率的信息。
大脑皮层，端骨的最外层，包含灰质。灰质约占大脑的40%，
由神经元细胞体、轴突末梢和树突组成(1)。其表面有褶皱（脑回）和沟槽（脑沟）。它缺乏髓鞘，颜色较深是因为其高密度的神经元细胞体和毛细血管。灰质处理来自白质的信息，并掌管高级认知功能。灰质利用白质将信息传递回效应器官，如肌肉和腺体，这些器官执行我们对刺激的反应。灰质控制听觉、感觉、视觉、言语、运动、情绪和记忆(1)。
记忆是如何形成的
记忆是一个复杂的功能，不仅涉及信息的存储，还涉及持续检索该信息的能力(8)。记忆包含三个步骤：编码、存储和检索(9)。这个过程依赖于大脑各个区域之间复杂的相互作用。例如，海马体形成新记忆，而杏仁核是情绪记忆的存储部位(8)。短时记忆存储在前额叶皮层以备快速检索(6)。大脑皮层处理信息以决定哪些记忆可以被巩固和存储。
编码
记忆形成的初始阶段是编码，在此过程中，传入的信息被转化为大脑可以存储的神经活动模式(9)。有效的编码高度依赖于神经递质系统，特别是乙酰胆碱和谷氨酸(6, 10)。乙酰胆碱和谷氨酸调节海马体及相关皮层区域的注意力、突触激活和突触可塑性(8)。乙酰胆碱促进选择性注意，帮助人们专注于传入的信息，从而更容易形成新记忆(10)。谷氨酸触发细胞内级联反应，最终导致突触增强。总之，这些神经化学过程使得感觉输入能够被绑定、组织并编码成记忆痕迹，从而进入短期和长期存储通路(9,10)。换句话说，编码是大脑捕获信息以便保存的方式。
存储
记忆形成的第二阶段是存储：即在记忆被编码后将其保留的过程(1)。存储涉及海马体、杏仁核、前额叶皮层和皮层区域的复杂网络(2)。早期存储依赖于海马体，将体验的不同部分（如视觉、声音和情绪）联系起来(11)。杏仁核强化具有情绪性或对生存重要的记忆(2,6)。随着时间的推移，记忆存储以及神经通路中的记忆痕迹变得越来越不依赖海马体，而是更广泛地分布在前额叶、颞叶和顶叶皮层(2)。这是通过在睡眠和清醒回忆期间的反复激活来实现的，每次都会加强稳定记忆痕迹的神经连接(1,5)。长期存储依赖于突触可塑性、树突的结构重塑以及神经元活动的变化(11,12)。存储是大脑为长期使用而保护和组织记忆的方式。
检索
检索是重新激活和访问存储信息的能力(2,13)。检索依赖于通过编码和存储形成的突触连接的强度和可塑性(14)。如果这些通路失效，记忆就无法被检索。成功的检索需要最初参与编码的海马体和皮层区域之间的协调(8)。在海马体的帮助下，相同的神经元网络被重新激活，本质上为神经通路提供了地图(12)。更强的突触连接将促进更快、更准确的检索，而较弱或退化的连接将导致检索失败或记忆扭曲(2)。当情境或背景线索与记忆形成时相似时，检索效果最佳。
大脑皮层的不同区域专门处理不同的记忆组成部分(2)。颞叶支持识别和事实记忆。顶叶有助于空间和视觉空间记忆。额叶在工作记忆、检索策略、决策以及组织信息进行长期存储方面发挥关键作用(1,2)。在皮层之下，白质束连接这些区域，使得端骨、海马体、边缘结构和小脑之间能够高效通信，形成记忆巩固和回忆所需的分布式网络(2)。随着时间的推移，随着记忆变得更加稳定，大脑皮层承担起存储和重建记忆的更大责任，反映了从依赖于海马体的短期存储向广泛分布的皮层长期记忆系统的转变(1)。
神经递质
神经递质是由神经元分泌的内源性化学物质，使神经元能够相互通信(10)。神经递质存储在轴突末端的突触囊泡中。它们将化学信号从一个神经元穿过突触连接传递到目标神经元、肌肉细胞或腺体(2)。穿过突触连接后，神经递质与目标细胞上的特定受体结合，在目标细胞内引发变化或动作。虽然至少有100种不同的神经递质，但有四种在记忆中发挥特定作用：乙酰胆碱、谷氨酸、血清素和多巴胺(1)。
乙酰胆碱
乙酰胆碱是一种兴奋性神经递质，在中枢和周围神经系统中执行多种功能(1)。乙酰胆碱通过促进选择性注意和促进海马体的长时程增强，帮助人们关注并专注于传入的信息(10)。乙酰胆碱不仅帮助人们关注和专注于重要信息，还有助于建立支持长期记忆的记忆通路(2)。
谷氨酸
谷氨酸是最常见的兴奋性神经递质，也是大脑中最丰富的神经递质(1)。谷氨酸对突触可塑性至关重要，并在思维、学习和记忆中发挥关键作用。谷氨酸有助于修改突触，并对信息存储至关重要(10)。
血清素
血清素是一种抑制性神经递质，有助于调节睡眠、情绪、焦虑、食欲和疼痛(1)。血清素是单胺类神经递质的一部分，有助于调节意识、认知和注意力。许多药物和补充剂会影响单胺类神经递质，许多疾病与血清素失衡有关。血清素有助于记忆编码和情绪调节(5)。
多巴胺
多巴胺也是一种单胺类神经递质(10)。多巴胺参与动机、奖赏学习和行为强化(2)。它还有助于专注力、注意力和记忆。记忆的编码和巩固需要多巴胺(15)。多巴胺触发神经元中的蛋白质合成，并加强微弱的突触连接，以支持长期记忆和工作记忆的发展(2)。
突触可塑性
突触可塑性是根据活动增强或减弱突触的能力(11,14)。神经元连接的强度决定了记忆被检索的容易程度和速度。突触可塑性是树突、神经递质释放、突触后受体以及与邻近神经元同步性之间的复杂关系(11)。这是一个受到精细调节的增加或限制电信号和化学信号的过程。
突触可塑性是学习和信息回忆的核心(11)。海马回路中的突触可塑性，特别是由谷氨酸能传递介导的长时程增强，为编码新信息提供了细胞基础(2)。可塑性的下降会导致与年龄相关的记忆障碍和神经退行性衰退(2)。
正常衰老的神经生物学
正常衰老的标志是大脑结构、化学和功能的渐进且可预测的变化。影响脑血流量的微血管变化进一步导致处理效率低下(2)。虽然神经元数量基本保持稳定，正常衰老可能包括特定区域的少量神经元丢失，但远少于神经退行性疾病。这些过程是渐进的，且比阿尔茨海默病中观察到的要轻微，这与健康衰老和病理萎缩模式之间的影像学差异一致(2,16)。
大脑的白质和灰质会随时间发生变化。最显著的轻度皮层变薄和区域体积损失发生在前额叶皮层和海马体，这些区域与执行功能和记忆处理最为密切(16,17)。正常衰老中，灰质以每年约0.1毫米的速度变薄，这是由于神经元和树突分支的丢失；结构变化还可能包括脑室扩大和脑沟加深(2,17)。白质完整性也随着年龄增长而下降，原因是髓鞘密度降低、白质退化和白质高信号轻微增加(18)。
在细胞和分子水平上，正常衰老涉及神经递质信号传导的改变，包括乙酰胆碱、多巴胺、血清素和谷氨酸水平降低(18)。这些变化影响注意力、处理速度、工作记忆和认知灵活性。正常衰老的特征还在于线粒体效率低下和氧化应激积累，导致突触效率降低，但不会引起疾病中观察到的广泛神经元凋亡(2,18)。小胶质细胞随着年龄增长反应性增强，导致低度神经炎症，但这种反应通常是可控的，不会过度有害(2)。
在神经元内，与年龄相关的细胞骨架变化可能包括tau蛋白的积累(18,19)。正常情况下稳定微管并支持神经元运输的tau蛋白，随着人们年龄的增长其磷酸化程度会增加(2)。tau蛋白过度磷酸化随年龄增长而增加；在正常情况下，tau蛋白结合在微管外表面以维持其完整性。当tau蛋白被过度磷酸化时，它会从微管上脱离并聚集成配对螺旋丝(18)。这些丝状物形成神经纤维缠结，吸引淀粉样斑块，阻断营养运输，并可能导致细胞死亡。虽然tau蛋白缠结的存在是衰老的正常部分，但它与认知衰退和神经退行性变密切相关(2,18,19)。
正常衰老包括淀粉样前体蛋白处理的重要变化。APP是一种在许多组织中发现的跨膜蛋白，但在神经元中特别丰富，支持神经元生长、修复和突触形成(2,5)。在典型的生理条件下，APP被α-分泌酶或γ-分泌酶切割，产生无毒性的肽片段，这些片段不会聚集，并容易被小胶质细胞清除(5)。然而，在淀粉样生成途径中，APP首先被β-分泌酶而非α-分泌酶切割，然后被γ-分泌酶切割，产生淀粉样β肽，主要是Aβ40和Aβ42(18,19)。虽然Aβ40通常无毒且能被有效清除，但Aβ42毒性更大且易于聚集。尽管细胞外淀粉样斑块被认为是病理性的，但许多没有痴呆的老年人作为正常衰老的一部分表现出淀粉样蛋白沉积增加。区别在于程度、积累速度以及随后的小胶质细胞激活。当Aβ42过度积累，聚集成纤维，并引发小胶质细胞过度激活和神经炎症时，它就变得具有病理意义并导致神经退行性变(19)。淀粉样斑块是一种不溶性的纤维状蛋白质，像蜘蛛丝一样聚集。
这些淀粉样纤维破坏组织结构，损害线粒体效率，增加活性氧种类，干扰神经元通信，并可启动细胞凋亡(2,19)。当这些过程加剧超过生理水平时，就会从正常衰老过渡到疾病。
在功能上，正常衰老反映了网络效率的变化，而非广泛的结构损伤。老年人在认知任务中经常动用更大或替代的神经网络，这是一种补偿机制，有助于尽管处理速度较慢但仍能维持表现(18,19)。在正常衰老中观察到的记忆变化主要涉及检索困难，例如回忆姓名或特定词汇(16,17)。识别、学到的技能和程序性记忆保持稳定。正常衰老中，大多数核心认知功能和人格特征保持不变。微妙的血管、代谢和炎症变化会发生，但不会显著损害日常功能(16,17)。与神经退行性疾病相比，健康衰老的生理变化进展缓慢、严重程度有限，反映了适应性的神经重组而非广泛的神经元丢失。
结论
对神经解剖学和生理学的基础理解对于理解大脑在整个生命周期中如何编码、存储和检索信息至关重要。神经元、胶质细胞、微管、神经递质系统以及大脑的大规模区域（如海马体、杏仁核和前额叶皮层）通过精细协调的电过程和化学过程协同工作，实现记忆的形成和回忆。即使在正常衰老过程中发生渐进的分子和结构变化时，这些机制仍保持显著的韧性。轻度皮层变薄、神经递质释放减少、白质退化、微血管变化和低度神经炎症都会导致处理速度变慢和检索更加费力，然而健康老年人记忆网络的基本结构和功能仍然基本保持完整。
对于接触正在接受认知评估或神经影像学检查的患者的技术人员来说，区分这些预期的生理性衰老变化与真正的病理变化至关重要。本系列的第二部分将更深入地讨论正常衰老与神经退行性变的比较，以及认知功能衰退背后的机制。
披露
本文未报告相关的潜在利益冲突。
脚注
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