1 定义与历史
突触是神经系统中最基本的通信节点，它使得神经元之间或神经元与靶细胞（如肌肉细胞、腺体细胞）能够进行信号传递。一个典型的突触包含三个核心部分：将信号送出的突触前成分、接收信号的突触后成分，以及两者之间的微小间隙。这种结构使得电信号或化学信号能够以极高的精度和效率在神经回路中传递。
1.1 突触的发现
19世纪末，随着显微镜技术的进步和解剖学染色方法的发展，科学家们开始能够观察神经组织的精细结构。西班牙神经解剖学家圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔（Santiago Ramón y Cajal）使用银染法，描绘了大量神经元形态，并提出了“神经元学说”——认为神经系统由大量独立且离散的神经元细胞构成，而非一个连续的网络。卡哈尔注意到神经元之间并非直接相连，而是存在微小的空隙，这为突触概念的诞生奠定了实物基础。
1.2 术语的提出（查尔斯·谢灵顿）
“突触”（Synapse）一词由英国生理学家查尔斯·谢灵顿（Charles Sherrington）在1897年正式提出。谢灵顿在研究反射弧时发现，神经信号在神经元之间的传递存在一个明显的延迟，这无法用简单的电传导来解释。他借用希腊语“synapsis”（意为“连接”或“系结”）来命名这种神经元之间的功能性连接部位。谢灵顿的这一命名既点明了结构上的连接特性，又暗示了功能上的过渡与调节作用，成为神经科学史上的里程碑。
2 突触的结构
突触的结构精巧而复杂，由三个基本组成部分构成，每一部分都承担着特定的功能角色。
2.1 突触前成分
突触前成分是信号发送端，通常位于神经元的轴突末梢。它负责将电信号转化为化学信号，并将神经递质释放到突触间隙中。
2.1.1 突触前膜与囊泡
突触前膜是轴突末梢靠近突触间隙的那部分细胞膜。在突触前膜内侧的胞质中，储存着大量突触囊泡——一种直径约40-50纳米的膜性小泡。囊泡内包裹着高浓度的神经递质分子。不同类型的神经元中，囊泡的大小、内容物和形态略有差异。
2.1.2 活性区与囊泡释放位点
突触前膜上存在特化的蛋白质密集区域，称为活性区。活性区是囊泡融合并释放递质的位点。该区域富含钙离子通道、SNARE蛋白复合物（囊泡与质膜融合所需的分子机器）等关键结构。当动作电位到达时，钙离子通道开放，钙离子内流触发囊泡与活性区的膜融合，递质便被“吐”入突触间隙。
2.2 突触间隙
突触间隙是突触前膜与突触后膜之间约20-30纳米宽的狭小空间，内含细胞外液和一些基质组分。间隙虽小，却恰好为递质分子的扩散提供了物理空间，同时对递质的浓度梯度和扩散速率起到调节作用。电突触中，这个间隙会显著缩小，甚至被连接通道直接跨越。
2.3 突触后成分
突触后成分是信号接收端，通常位于树突或细胞体的膜上。它负责接收化学信号，并将其重新转化为电信号或生化信号。
2.3.1 突触后膜与受体
突触后膜与突触前膜相对，其膜上镶嵌着大量的特异性受体蛋白。这些受体专门识别并绑定从突触前释放的神经递质。受体主要分为两大类：离子型受体（直接控制离子通道的开关）和代谢型受体（通过G蛋白等第二信使系统间接产生影响）。两者都能引起突触后膜电位的改变。
2.3.2 突触后致密区
在突触后膜的内侧，存在一个电子显微镜下可见的致密斑块，称为突触后致密区。该区域由多种支架蛋白、受体结合蛋白、信号转导分子和细胞骨架成分组成，像脚手架一样将受体固定在适当位置，并连接着下游的细胞内信号通路。突触后致密区的组成和结构变化与突触可塑性密切相关。
3 突触的分类
科学依据结构、功能、传递方式等多种标准对突触进行分类，以适应不同的研究需求。
3.1 按传递方式分类
根据信号传递所使用的媒介，突触主要分为化学突触和电突触两大类。绝大多数（人类）突触属于化学突触。
3.1.1 化学突触
化学突触通过释放和接收化学递质（神经递质）来传递信号。其特点是存在单向传递、突触延迟（约0.3-0.5毫秒）以及可调节的增益。
3.1.1.1 经典化学突触
在经典化学突触中，递质从突触前末梢释放后，直接作用于突触后膜上的受体，离子通道迅速响应，产生快速的兴奋性或抑制性突触后电位。这类突触是突触传递的基本形式，速度较快。
3.1.1.2 非经典化学突触（如体积传递）
非经典化学突触，又称体积传递或弥漫性传递，指递质释放后并不局限于突触间隙，而是扩散到较大的细胞外空间，作用于距离释放点较远的受体上。这种传递方式作用范围广、时间持久，常见于单胺类和神经肽类递质的释放活动，构成了神经调控的“背景音”。
3.1.2 电突触
电突触通过直接电流传递电信号，无需化学递质参与。它的传递速度极快，几乎没有延迟。
3.1.2.1 间隙连接的结构
电突触的物理基础是间隙连接。突触前膜和突触后膜在这里几乎贴在一起，间隔仅约3.5纳米。两膜之间由被称为“连接子”的蛋白质六聚体通道直接连通，形成一个低电阻的离子路径，允许离子和小分子在细胞间直接流动。
3.2 按功能极性分类
根据突触传递对突触后神经元兴奋性的影响，可分为兴奋性和抑制性两种。
3.2.1 兴奋性突触
兴奋性突触释放的递质（如谷氨酸）能够使突触后膜去极化，产生兴奋性突触后电位（EPSP）。当多个EPSP叠加并达到阈值时，就会引发突触后神经元产生动作电位。
3.2.2 抑制性突触
抑制性突触释放的递质（如GABA或甘氨酸）使突触后膜超极化，产生抑制性突触后电位（IPSP）。IPSP降低了突触后神经元产生动作电位的可能性，起到“刹车”作用，防止神经回路过度兴奋。
3.3 按形态学分类
根据突触前成分与突触后成分所连接的神经元部位，可进行形态学分类。
3.3.1 轴-树突触
最常见的突触类型。一个神经元的轴突末梢与另一个神经元的树突形成连接，构成“突触脊柱-树突”结构，是神经信息处理的主要场所。
3.3.2 轴-体突触
轴突末梢直接与神经元胞体（细胞体）形成突触。由于靠近轴丘（动作电位发起区），这类突触对神经元的输出控制力度很大。
3.3.3 轴-轴突触
一个神经元的轴突末梢与另一个神经元的轴突末梢连接，主要通过调节后者释放递质的量（突触前抑制或易化），间接影响信号传递。
3.3.4 树-树突触
两个神经元的树突之间形成的局部突触。这类突触常见于中脑和皮层等特定脑区，参与局部神经回路中的信号交互和同步化活动。
4 突触传递机制
突触传递的基本流程清晰而有序，化学突触与电突触的机制差异显著。
4.1 化学突触传递过程
化学突触的传递可分解为五个连续的关键步骤。
4.1.1 动作电位到达与钙离子内流
当动作电位沿轴突传导至突触前末梢时，膜电位去极化导致电压门控钙离子通道开放。细胞外钙离子顺浓度梯度涌入末梢内，形成短暂但高浓度的钙信号。钙离子浓度升高是触发囊泡释放的决定性信号。
4.1.2 囊泡融合与递质释放
钙离子与囊泡膜上的钙感应蛋白（如突触结合蛋白）结合，促使囊泡与突触前膜发生融合。SNARE复合物（突触融合蛋白、SNAP-25、VAMP/突触泡蛋白）在这一过程中充当“拉链”：它将囊泡紧紧拉向质膜，最终导致膜融合并形成开口，囊泡内的递质分子随即被释入突触间隙。这一过程被称为胞吐作用。
4.1.3 递质与受体结合
释放出的神经递质在突触间隙中扩散，到达突触后膜，并与膜上的特异性受体蛋白结合。这种结合（像钥匙插入锁孔）触发受体的构象变化，从而启动后续的离子通道开放或信号级联反应。
4.1.4 突触后电位产生
受体活化后，离子通道开放（或关闭），改变突触后膜的离子通透性，引起局部电位变化。如果是兴奋性突触，阳离子（主要是钠离子）内流，膜电位向去极化方向倾斜，产生兴奋性突触后电位；如果是抑制性突触，以氯离子内流为主的反应导致超极化，产生抑制性突触后电位。
4.1.5 递质清除与回收
一次信号传递结束后，突触间隙中的递质必须迅速被清除，以避免受体持续激活。清除方式主要有三种：酶解（例如乙酰胆碱被乙酰胆碱酯酶分解）、重摄取（通过突触前膜上的转运蛋白将递质重新泵回末梢内）以及扩散清除。这一环节保证了突触的时间精确性并防止递质过度作用。
4.2 电突触传递特点
与化学突触相比，电突触具有完全不同的传递特性。
4.2.1 双向性与高速传递
电突触通过间隙连接直接传导离子流，因此电流可以双向流动——信号可以从突触前传到突触后，也可以反向传递（虽然通常在一个方向上的效率更高）。由于没有化学递质释放和扩散的延迟，电突触的传播速度极快，几乎与轴突传导速度一致。
4.2.2 同步化作用
电突触的一个突出功能是让一群神经元的电活动同步化。例如，在下橄榄核和海马等多个脑区中，电突触确保相邻神经元几乎同时放电，这与节律活动（如脑振荡）的产生密切相关。这种同步化机制对协调肌肉收缩、生成节律性运动以及维持脑功能状态的稳定性至关重要。
5 突触可塑性
突触可塑性指突触强度或结构根据活动模式发生持久改变的能力，是学习和记忆的细胞基础。可塑性可发生在时间尺度从毫秒到数年的不同层面。
5.1 短时程可塑性
短时程可塑性通常持续几毫秒到几分钟，由突触前末梢内钙离子浓度的动态变化导致。
5.1.1 突触易化
当两个动作电位间隔很短（数十毫秒）地连续到达突触前末梢时，第二次释放的递质量比第一次更多，导致突触后反应增强。这是由于细胞内钙离子累积来不及完全清除，为第二次释放提供了更强的钙信号。突触易化在短期记忆和处理高频信息时发挥作用。
5.1.2 突触抑制
与易化相反，如果在高频刺激下，可利用的囊泡库被迅速耗竭，突触传递的效率会短暂下降。这种抑制是突触的一种自我保护机制，防止神经递质耗竭和受体过度刺激。
5.2 长时程可塑性
长时程可塑性持续数分钟到数小时甚至更久，通常涉及突触后受体数量或性质的改变以及下游信号通路的激活。
5.2.1 长时程增强
长时程增强（LTP）是指突触在经历高频刺激后，对后续刺激的反应强度显著且持久地增加。海马中的LTP被认为是记忆存储的核心机制之一。其经典诱导途径是：突触后膜的NMDA受体在钙离子内流后被激活，启动一系列蛋白激酶级联，最终导致AMPA受体插入突触后膜，增加了受体数量，从而永久增强传递效率。
5.2.2 长时程抑制
长时程抑制（LTD）与LTP相对，指突触强度发生持久性减弱。通常由低频刺激引发。LTD被认为有助于筛选和“修剪”不必要的突触连接，与记忆的精细化和遗忘过程有关。LTD的机制涉及受体被内吞、从突触后膜撤走。
5.3 结构可塑性
结构可塑性是突触可塑性的物理形态体现，涉及神经元形态和突触数量的长期调整。
5.3.1 树突棘的生成与消失
树突棘是树突上接收兴奋性突触输入的小突起。LTP可诱导现有树突棘体积增大和新棘的生成；LTD则导致树突棘回缩或消失。这种像“树枝发芽”一样的变化，使神经回路能够根据经验重组布线。
5.3.2 突触数量的调节
在长距离的时间尺度上（数小时到数天），整个神经环路中突触的总数会因学习、环境变化或衰老而发生增减。例如，海马中的突触数量在空间学习训练后显著增加；而在发育早期被剥夺感官刺激（如单眼遮蔽）的脑区，会导致相应突触数量锐减。
6 突触与神经递质
神经递质是突触传递的化学信使，种类繁多，功能各异。不同的递质系统在神经系统覆盖着不同的功能区。
6.1 经典神经递质
经典神经递质包括氨基酸类、单胺类和乙酰胆碱等，它们的合成、释放和灭活途径相对明确。
6.1.1 氨基酸类（谷氨酸、GABA）
谷氨酸是中枢神经系统中最主要的兴奋性神经递质，几乎占所有突触的半数以上。其受体包括AMPA受体、NMDA受体和红藻氨酸（Kainate）受体。GABA（γ-氨基丁酸）是对应的主要抑制性递质，GABA受体分为GABA_A（离子型，直接开门）和GABA_B（代谢型）两种。两者共同维持神经系统的兴奋与抑制平衡。
6.1.2 单胺类（多巴胺、5-羟色胺）
多巴胺与奖赏、运动控制和精神活动有关；5-羟色胺调节情绪、睡眠和食欲。这些递质的系统在脑干有集中的核团（如黑质、中缝核），并以弥漫性投射的方式调控整个大脑。单胺类递质的失衡与抑郁症、帕金森病和精神分裂症密切相关。
6.1.3 乙酰胆碱
乙酰胆碱（ACh）在神经-肌肉接头处是主要的兴奋性递质，控制骨骼肌收缩。在中枢神经系统中，ACh参与注意力、学习和觉醒状态调节。其受体分为烟碱型受体（离子型）和毒蕈碱型受体（代谢型）。
6.2 神经肽类
神经肽是由氨基酸短链构成的大分子递质/调质，如P物质、脑啡肽、生长抑素等。它们通常与经典递质共释放（共同储存在大囊泡中）。神经肽的作用方式更接近“调质”角色：作用慢、持续时间长、范围广，并且在低频率刺激下释放。
6.3 气体类递质（一氧化氮、一氧化碳）
一氧化氮（NO）和一氧化碳（CO）是气体小分子，它们不储存在囊泡中，而是在合成后直接扩散透过细胞膜，以旁分泌方式作用于邻近细胞。一氧化氮特别在突触可塑性和血流调节中扮演重要角色——它扩散到突触前末梢，可以逆向作用于突触前，改变突触强度。
7 突触的病理学
突触功能异常是多种神经系统疾病和神经精神障碍的核心病理环节。
7.1 突触功能障碍相关疾病
突触的损伤或失调直接影响神经元间的通信质量，进而导致复杂的临床表现。
7.1.1 阿尔茨海默病
阿尔茨海默病（AD）以进行性记忆丧失为特征。在细胞水平上，β淀粉样蛋白的异常聚集导致突触毒性，破坏突触后致密区、收缩树突棘，最终大量突触丢失。突触丢失的程度比单纯神经元死亡更能解释认知功能下降。
7.1.2 帕金森病
帕金森病的主要病理基础是中脑黑质多巴胺能神经元的退变，导致向纹状体投射的突触大量减少。多巴胺递质的缺失破坏了基底节的直接与间接通路平衡，引发运动迟缓、僵直和震颤。左旋多巴替代疗法就是通过恢复突触中的多巴胺水平来缓解症状。
7.1.3 精神分裂症
精神分裂症被认为与突触连接异常和神经递质不平衡有关。多巴胺假说指出，中脑边缘系统多巴胺过度活动与阳性症状有关；同时，谷氨酸系统功能低下（特别是NMDA受体功能减退）也被认为是发病机制之一。近年来，“突触修剪异常假说”认为青少年时期过多的突触修剪是精神分裂症发病的重要诱因。
7.1.4 癫痫
癫痫发作是神经元异常同步化、过度放电的结果。许多致病突变直接针对离子通道或突触蛋白（如GABA受体、钠通道、钙通道）。抑制性突触功能减弱或兴奋性突触功能亢进可以打破环路平衡，触发持续性反复放电。
7.2 突触损伤与修复
突触受损后，存在一定程度的自我修复能力。在周围神经损伤后，轴突出芽再生并能重新形成神经-肌肉接头。中枢神经系统中的突触修复速度相对较慢且有限，但仍可以通过以下机制实现部分恢复：轴突出芽（如海马去神经支配后的“代偿性出芽”）、现有突触的结构加强或功能性替代。这一过程是神经可塑性的一部分，对中风和脑外伤后的功能恢复至关重要。
8 研究方法与技术
研究突触需要跨学科的精密技术，从宏观电活动记录到微观分子成像。
8.1 电生理学记录
膜片钳技术是研究单通道电流和突触后电位的金标准。通过将微电极尖端密封在单个突触后膜上，可以同时测量全细胞或单通道的电流变化。场电位记录能反映群体神经元突触内的同步活动。
8.2 钙成像与光学方法
钙成像技术利用钙离子指示剂（如GCaMP荧光蛋白或Fura-2染料），将突触前末梢或树突棘的钙信号转化为荧光强度随时间的变化。双光子显微镜结合结构成像可以追踪单个树突棘的长期形态变化，可塑性研究的基础工具。
8.3 电子显微镜与超微结构分析
透射电子显微镜（TEM）可以清晰显示突触的超微结构——区分突触前囊泡群、突触间隙的宽度、突触后致密区等细节。免疫电镜则结合抗体标记，精确定位特定蛋白在突触内的位置。冷冻电子断层成像技术可对接近原生状态的突触进行三维重建。
8.4 分子生物学技术（如荧光标记、基因敲除）
绿色荧光蛋白（GFP）与特定突触蛋白融合表达，可在活细胞内追踪其分布和动态（例如，GFP标记突触结合蛋白可观察囊泡活动）。光遗传学工具（如channelrhodopsin-2）允许用光精确操控特定突触的活动性。Cre-LoxP系统实现条件性基因敲除，可以定向去掉某一类型突触中的关键蛋白，观察其功能后果。