第一節　腦

腦由大腦、小腦、間腦、腦干組成。其中大腦是中樞神經系統的最高級部分，也是腦的主要部分，分為左右兩個大腦半球，二者由神經纖維構成的胼胝體相連。

一、丘腦

（一）概述

丘腦（thalamus）又稱為背側丘腦，位于中腦和大腦皮層之間，在第三腦室的兩側呈對稱分布，借丘腦間黏合（約20%缺如）相連，是哺乳動物間腦中最大的一對卵圓形灰質團塊。人類丘腦是邊緣系統中最重要的調節器，丘腦本身不能單獨引起大腦皮層神經元細胞放電，主要發揮改變大腦皮層興奮性、增強大腦皮層反應性的作用。因為意識存在的前提條件是人體能夠保持正常的睡眠覺醒周期以及能對周圍環境作出適當的反應，而維持覺醒狀態與腦干網狀結構、丘腦及大腦皮層有著緊密的聯系，所以保持丘腦功能的完整性對維持皮層腦電覺醒是必不可少的。

在意識的處理過程中，丘腦是一條獨立的、平行的信息處理器的起點。丘腦一方面是連接皮層和皮層下結構的門戶，控制著感覺及運動信息上行傳遞至大腦皮層；另一方面，大腦皮層的反饋性神經沖動同時也向下傳入丘腦，構成了丘腦-皮層環路。在上行網狀激活系統背側通路中，丘腦是其重要的組成部分，除了嗅覺以外，來自全身的各種感覺傳導幾乎均需要在丘腦內更換神經元后繼續上傳，所以丘腦當中富含大量功能各異的核團，不同的核團與上行網狀激活系統、大腦皮層、邊緣系統等存在著廣泛的纖維聯系，參與調節機體語言、學習、記憶和運動協調等各個方面的生理活動。因此，當丘腦發生損傷后會導致機體出現意識障礙、運動障礙、感覺障礙、認知功能障礙等各種高級神經功能異常。

此外，當丘腦病變時會導致機體產生丘腦綜合征，主要的臨床表現為對側的感覺缺失和/或產生刺激癥狀，引起對稱的不自主性運動，并可有記憶與情感障礙。當各種原因導致丘腦受損后主要會產生如下的一系列癥狀：

1.丘腦外側核群尤其是腹后內側核和腹后外側核受損會導致患者出現對側的偏身感覺障礙，具有如下特點：①感覺異常，各種感覺均發生障礙。②精細觸覺和深感覺障礙重于淺感覺。③四肢軀干的感覺障礙重于面部。④可因深感覺障礙而導致共濟失調。⑤對側偏身出現自發性疼痛，俗稱丘腦痛，疼痛的程度可隨著情緒的刺激而加重；疼痛的部位彌散，不固定；疼痛的性質多難以描述，且常伴有自主神經功能障礙，如導致血壓、血糖升高，心跳加速等。

2.丘腦至皮下（錐體外系統）諸神經核的纖維聯系受損時會導致患者產生面部表情分離性運動功能障礙，表現當患者大笑或大哭時，病灶對側的面部表情完全喪失，但囑其做隨意動作時，該側面肌并無癱瘓。

3.下丘腦、邊緣系統及丘腦前核的神經纖維聯絡受損時患者易產生情感功能障礙，表現為情緒不穩和/或強哭強笑。

4.丘腦外側核群與小腦、紅核、蒼白球之間的神經纖維聯絡受損時患者可產生對側的偏身不自主性運動，表現為手足徐動樣動作或舞蹈樣動作。

（二）丘腦核團的分類

根據丘腦功能和輸入-輸出的聯系不同，丘腦被分為丘腦特異性核團、丘腦非特異性核團、丘腦聯合核團三類核團。丘腦特異性核團接受來自皮層下腦區特定的感覺信息傳入，并將這些感覺信息中繼投射至大腦皮層的特定區域。丘腦非特異性核團接受來自皮層下腦區的信息后將這些信息投射至大腦皮層的廣泛區域，因此具有調節廣泛皮層興奮性的特點，比如參與覺醒的調節。（圖1-2-1）

1.丘腦非特異性核團

丘腦非特異性核團（nonspecific thalamic nuclei）是背側丘腦中進化較古老的部分，故又稱為古丘腦。丘腦非特異性核團主要包括中央內側核、丘腦網狀核、丘腦板內核等。這些非特異性核團主要接受來自腦干網狀結構和嗅腦的傳入神經纖維，經傳出神經纖維投射至紋狀體和下丘腦等結構，并與這些纖維結構形成往返的神經纖維聯系環路。此外，腦干網狀結構中匯聚著各種感覺神經纖維，相互影響共同組成上行網狀激動系統，這些上行纖維經丘腦非特異核團進行轉接，繼而彌散地投射至大腦皮層的廣泛區域，發揮維持機體覺醒狀態的作用。

研究表明，給予小鼠丘腦非特異核團以高頻的電刺激，大腦皮層廣泛領域的腦電活動會呈現出覺醒化水平狀態，這證明了丘腦的非特異性投射作用。同時也觀察到當小鼠丘腦被破壞后，小鼠仍能夠維持覺醒的現象，說明腦干網狀結構→丘腦非特異核→大腦皮層的神經通路對維持覺醒狀態來說并非是唯一的路徑。另外已證實上行性網狀激活系統的另一條途徑是由腦干網狀結構→前腦基底部→大腦皮層，腦干網狀結構的去甲腎上腺素能神經元發放的神經沖動投射到前腦基底部，使此處的膽堿能神經元活性被激活，進一步激活大腦。這兩條通路前者被稱為背側徑路，后者為腹側徑路。除此之外，還有部分神經沖動傳至中腦中央灰質和丘腦下部后區后反過來發放沖動影響腦干網狀結構，形成一個反饋系統，幫助大腦皮層維持在一定水平的興奮性。

2.丘腦特異性核團

丘腦特異性核團（specific thalamic nuclei）為背側丘腦內進化上較新的部分，又稱為舊丘腦，包括腹前核、腹外側核和腹后核。其主要功能是充當脊髓或腦干等結構的特異性上行傳導系統的轉接核。特異性上行投射系統包括傳導淺感覺的脊丘系，傳導深感覺的內側丘系，傳導面部感覺的三叉丘系，傳導視覺和內臟感覺的傳導束及傳導聽覺的外側丘系這五大丘系，是經典的感覺傳導通路的總稱。這類核團發出的神經纖維除了將不同的運動及感覺信息傳送到大腦特定區域以產生特定的感覺以外，還可以在腦干的上行途中發出側支并與非特異性上行投射系統聯系，從而發揮出對大腦皮層的激活作用。

3.丘腦聯合核團

丘腦聯合核團（association thalamic nuclei）為背側丘腦內進化最新的神經核團，又被稱為新丘腦，主要包括外側核、內側核和前核的背側組。此類核團功能上主要與腦的高級神經活動如情感、學習與記憶等有關。接受神經纖維傳入，與大腦皮層形成豐富的纖維聯系。

（三）丘腦的功能解剖學

丘腦在生理解剖上屬于間腦的一部分，在第三腦室的兩側呈對稱分布，其前端的膨隆處稱丘腦前結節，后端膨大處稱為丘腦枕，外側面的外側緣與端腦的尾狀核之間隔有終紋，下方分別為外側膝狀體和內側膝狀體。丘腦主要由灰質構成，在灰質內部有由白質構成的“Y”字形內髓板，在水平面上將兩側丘腦劃分為三個核群：前側核群、內側核群和外側核群。另外，內髓板內還散布著一些細胞核團，稱為板內核群。在丘腦內側面，第三腦室側壁上的薄層灰質及丘腦間黏合內的核團，合稱中線核，內髓板內有若干板內核。此外，外側核群分為背、腹兩層，背層從前向后分為背外側核、后外側核及枕外側核，腹層由前及后分為腹前核、腹外側核（又稱腹中間核）和腹后核，腹后核又可分為腹后內側核和腹后外側核。在外側核群與內囊之間的薄層灰質稱丘腦網狀核，網狀核與外側核群間為外髓板。在上行網狀激活系統中，丘腦網狀核就像是守門員一樣發揮著門控作用，丘腦門控受前額葉皮質的負反饋作用，允許一部分刺激而不允許其他刺激投射到大腦皮層，丘腦網狀核的門控作用與注意力的構成有很大關系。以下主要介紹一些目前研究比較清楚的丘腦經典核團及其與意識之間的聯系。

1.丘腦前核

丘腦前核主要位于丘腦前結節的深面，是由前背側核（anterior dorsal nuclei，AD）、前腹側核（anterior ventral nuclei，AV）和前內側核（anterior medial nuclei，AM）三個亞核組成，其中前腹側核體積最大，前內側核次之，前背側核最小。丘腦前核主要參與機體的記憶形成。

目前解剖學上已證實，丘腦前核主要與扣帶回、海馬以及大腦皮層之間存在著直接或者間接的神經纖維聯系，并且參與形成Papez環路，是記憶形成的重要部位之一。直接聯系是指從海馬區發出的神經纖維經過穹隆部直接到達丘腦前核，反過來海馬區也能夠接受來自丘腦前核處直接發出的神經纖維，從而在丘腦前核與海馬區之間形成了一個往返的直接通路。間接聯系是指從海馬區發出的神經纖維經過穹隆處的中轉先到達乳突體，然后通過乳頭體丘腦束上傳至丘腦前核。此外，丘腦前核發出的神經纖維也可以傳至扣帶回，然后由海馬接受來自扣帶回的神經纖維，同時，丘腦前核也可以接受來自扣帶回發出的神經纖維，因此丘腦前核與扣帶回之間也存在著緊密的聯系。最終構成了一個完整的神經傳導環路：海馬-扣帶回-丘腦前核-乳頭丘腦束-乳頭體-穹隆-海馬。研究發現，不同丘腦前核的亞核神經纖維之間的聯系也不完全一致，其中外側乳頭體發出的神經纖維主要傳達至丘腦前背側核，內側乳頭體發出的神經纖維主要傳達至丘腦前腹側核，海馬區發出的神經纖維也可以在丘腦前背側核群接收。由此可見，丘腦前核處于記憶環路中的重要位置，丘腦前核與記憶之間具有密切的關聯。

動物研究顯示，損傷恒河猴的雙側丘腦會使其情景記憶明顯受損，情景記憶是指發生在某一特定時間和地點的事件記憶，主要由編碼、鞏固、儲存、提取四個過程組成，信息的儲存和提取主要依賴內側顳葉、額葉和扣帶回，海馬區為參與情景記憶的重要腦區。顳葉、額葉、皮質下損傷會導致情景記憶的編碼受損，丘腦投射至皮質的神經纖維中斷會加重情景記憶的受損。破壞大鼠一側的丘腦前核和對側的海馬區后，讓大鼠在T迷宮中和Moms水迷宮中進行測試，發現大鼠的空間記憶明顯受損，而破壞大鼠同側的丘腦前核與海馬區或者僅破壞單側的海馬區，其空間記憶幾乎不受影響，說明空間處理能力的缺損是由于丘腦前核傳入的海馬神經纖維受損所致的。除了空間工作記憶以外，丘腦前核還可能與空間參考記憶相關聯。在Moms水迷宮中，當大鼠的丘腦前核受損后，其穿過臺面的能力明顯下降，遇到障礙后逃避的反應時間明顯延長，說明大鼠的空間參考記憶明顯下降。然而，目前對于丘腦的其他核團是否參與記憶的研究較少，有待今后的進一步研究。

2.丘腦背內側核

丘腦背內側核（mediodorsal thalamic nucleus，MD）位于中線核和內髓板之間，是丘腦內側核群中最大的亞核，其前方為腹側核，后方為丘腦枕，內側面和室管膜共同構成第三腦室的側壁。丘腦背內側核是唯一一個與前額葉皮質（prefrontal cortex，PFC）有著神經纖維相互聯系的丘腦中繼核，并且與丘腦網狀核、丘腦的其他核團、端腦的其他核團以及腦干均有復雜的聯系。丘腦背內側核團主要參與機體的情緒、學習、認知、攝食行為、胃腸功能等生理功能。

丘腦背內側核的神經元主要分為兩種類型：星形神經元和梭形神經元。前者屬于中型到大型的神經元，是神經元的主要類型，其胞體呈橢圓形，其內含有大量的細胞器和細胞質，其周圍具有4～8個一級樹突，樹突會不斷地發出樹突棘從而形成樹突冠狀的樹突野。后者屬于小型神經元，在丘腦背側核當中含量較少，神經元胞體呈圓形，其中含有的細胞質較稀疏，其周圍具有3～5個樹突，樹突棘發出的神經纖維形成的樹突野呈球形。此外，使用免疫組織化學法研究發現，中腦被蓋背外側區有乙酰膽堿能纖維投射到丘腦背內側核外側區；使用3H-D-天門冬氨酸逆行追蹤法研究發現，梨形皮質和內側前額葉皮質均有大量的天門冬氨酸和谷氨酸能纖維投射至丘腦背內側核；使用放射自顯影方法發現，γ-氨基丁酸A型受體和γ-氨基丁酸B型受體呈中到高水平不均勻地分布在丘腦背內側核內，主要集中在丘腦背內側核內側大細胞部和外側小細胞部；使用多巴胺和酪氨酸羥化酶免疫雙標法研究獼猴丘腦背內側核多巴胺轉運蛋白免疫反應性軸突的分布，發現多巴胺轉運蛋白的免疫反應性軸突的密度在背內側大細胞部的軸突密度最低，丘腦背內側核腹側小細胞部分布最高。以上研究說明，丘腦背內側核神經元受多種神經遞質所調控，包括乙酰膽堿、天門冬氨酸、谷氨酸、γ-氨基丁酸、多巴胺。

3.丘腦室旁核

丘腦室旁核（paraventricular thalamus，PVT）屬于丘腦非特異性核團，主要位于中線丘腦的背側部。最新研究報道，丘腦室旁核是丘腦中維持覺醒的關鍵核團。丘腦室旁核一方面接受來自外側下丘腦和腦干中大量的肽能神經元如Orexin神經元的信號輸入，另一方面丘腦室旁核的神經信號又廣泛投射至皮層和皮層下區域，參與調控機體的覺醒依賴行為，如攝食、獎賞與成癮、情緒和應激等。并且丘腦室旁核還接受來自晝夜節律中樞視交叉上核（suprachiasmatic nucleus，SCN）的信號傳遞。

丘腦室旁核的活動具有顯著的與覺醒相關的晝夜節律性變化，嚙齒動物處于黑暗期時，丘腦室旁核神經元的自發性動作電位和c-fos表達明顯高于光照期。對小鼠進行睡眠剝奪，可以發現丘腦室旁核的c-fos表達水平進一步增高，提示丘腦室旁核的神經元活動水平與覺醒狀態密切相關。針對丘腦室旁核是如何發揮覺醒調控作用的這一問題，研究發現，丘腦室旁核與皮層下伏隔核之間存在著興奮性的單突觸聯系，激活丘腦室旁核→伏隔核通路可以誘發小鼠從睡眠向覺醒的轉變。反之，抑制這一通路可以降低小鼠的覺醒水平，使小鼠出現覺醒向睡眠的轉變。同時發現丘腦室旁核中的谷氨酸能神經元接受來自外側下丘腦Orexin神經元的神經支配，當激活外側下丘腦Orexin神經元→丘腦室旁核通路時，可以誘發小鼠從睡眠向覺醒的轉變，反之抑制外側下丘腦Orexin神經元的信號輸入時，可以降低小鼠的覺醒量，誘發小鼠從覺醒向睡眠的轉變。該研究表明，丘腦室旁核的上游可能受外側下丘腦Orexin神經元的調控，下游受伏隔核的支配。但對于丘腦室旁核是如何與其他核團協同作用控制覺醒，丘腦核團又是如何整合神經和體液信息參與覺醒控制這些問題仍未闡明。

4.丘腦中央正中核

丘腦中央正中核（Central medial thalamus，CMT）屬于高級丘腦核團，又稱為丘腦中央內側核團，位于中線丘腦的中部，屬于丘腦非特異性投射系統。其神經細胞形態各異，樹突上存在眾多的膨體，外形上易將遠端樹突錯看成軸突。作為高階丘腦的的代表，丘腦中央正中核既可以接受間腦和腦干之間的支配，也可以接受來自特異性核團的信號傳入，同時向包括扣帶回在內的皮層和皮層下組織發出廣泛的神經纖維，是腦干網狀結構-丘腦-皮質軸的重要組成成分。丘腦中央正中核神經元中含有多種類型的神經遞質受體，是全身麻醉藥物作用時的關鍵區域之一。

眾多研究已經證實，丘腦中央正中核在維持覺醒和由睡眠或者麻醉向覺醒的轉變過程中扮演著重要的角色。當丘腦中央正中核被損毀時，會使動物迅速進入昏迷狀態，而激活這一區域可促進腦外傷后處于微小意識狀態患者的意識及功能的恢復。1953年，丘腦中央正中核在麻醉中的作用被首次報道，在麻醉時該核團的電位是被阻斷的，而到達感覺性大腦皮層的橫向傳導并未受損。動物研究顯示，在小鼠清醒狀態下向丘腦中央正中核區域注射γ-氨基丁酸受體激動劑以后，大鼠的翻正反射會消失，進入類似麻醉的狀態，提示丘腦中央正中核神經元中的γ-氨基丁酸神經元對誘導意識消失具有關鍵作用。與其他鄰近的核團相比，丘腦中央正中核的局部電場位在非快速眼動睡眠向覺醒的轉變過程中是最早發生改變的，提示無論是從麻醉或者睡眠到覺醒的意識恢復過程，還是從意識清醒到睡眠的意識消失過程，丘腦中央正中核在丘腦核團當中的局部電活動都具有引領作用。然而目前對于丘腦中央正中核參與機體睡眠-覺醒的機制尚不十分明確，但丘腦中央正中核可能是維持機體覺醒狀態，介導機體由清醒向睡眠轉變的關鍵核團。

5.丘腦底核

丘腦底核（subthalamic nucleus，STN）又稱為Luys體，是丘腦底部的關鍵核團。位于乳頭體的背外側區，在額狀切面上丘腦底核呈雙凸透鏡形，其腹外側與黑質、大腦腳相連，后中部與紅核相鄰。未定帶及豆核束的一部分在其背側部將其與丘腦腹側分開，內囊纖維從丘腦底核的外側面將其與蒼白球相隔離。丘腦底核由中等大小密集分布的多級細胞組成，細胞形態不一，有梭形、錐形、圓形或三角形等。丘腦底核主要參與機體的情感、運動、認知調控功能，是我國帕金森病患者在接受深部腦刺激時采用最多的核團。

根據功能不同，可以將靈長類動物的丘腦底核分為三個區域，每個區域分別與大腦皮層、紋狀體等核團的相應區域相互聯系構成不同的神經環路，發揮不同的作用，這三個區域分別為聯合區、運動區、邊緣/聯合區。丘腦底核主要參與機體的情感控制、運動控制、認知等生理功能。過去認為丘腦底核是僅僅在基底神經節→丘腦→皮質通路中起開關、中繼作用的一個中腦小核團，而現在認為丘腦底核在基底神經節神經沖動輸出的過程中發揮重要作用，與基底神經節的情感、運動控制及認知調控功能均密切相關，尤其是在運動調控方面，丘腦底核神經元電活動發生改變是實現精確發起和停止運動的基礎，特別是提出基底神經節“中心-環繞”功能模型及“超直接”通路后，使人們對錐體外系運動控制功能的認識得到進一步補充和完善。

二、下丘腦

（一）概述

下丘腦（hypothalamus）又稱為丘腦下部，主要位于背側丘腦的前下方，由第三腦室周圍的灰質組成，構成第三腦室側壁的下份和底壁，后上方借下丘腦溝與背側丘腦為界，其前端達室間孔與側腦室相通，后端與中腦被蓋相續。從腦底面觀察，終板和視交叉居前部，向后依次為視束、灰結節和乳頭體?；医Y節向前下方形成中空的圓錐狀部分稱漏斗，灰結節與漏斗移行部的上端膨大成正中隆起；漏斗下端與垂體相連。下丘腦雖然體積很小，僅占全腦重量的0.3%左右，但其神經纖維之間的聯系卻是廣泛而又復雜的，下丘腦與基底核、腦干、邊緣系統、丘腦及大腦皮層之間均有著密切的纖維聯系。

當下丘腦損害時，會出現以下一系列十分復雜的癥狀和綜合征：①體溫調節障礙。當下丘腦的散熱和產熱中樞損害時可產生體溫調節障礙。例如前內側區為散熱中樞，尤其是視前區，對體溫的升高十分敏感。正常機體中，當體溫增高時散熱功能被發動，表現為大量出汗和表皮血管擴張、繼而通過熱輻射和汗液的蒸發帶走多余的熱量以維持正常體溫。如此區病變破壞了散熱機制，則可表現體溫過高。②中樞性尿崩癥。此癥表現為多飲、煩渴、多尿、尿比重降低、尿滲透壓低于290mmol/L，尿中不含糖，是由于視上核和視旁核及其纖維束損害導致抗利尿激素分泌不足所致。③睡眠覺醒障礙。下丘腦視前區與后區網狀結構損害可產生睡眠覺醒障礙。研究表明，下丘腦視前區與睡眠有關，此區損害可出現失眠。下丘腦后區屬網狀結構的一部分，參與上行激活系統的功能，與覺醒有關，損害時可產生睡眠過度、嗜睡、昏迷等。④攝食異常。下丘腦飽食中樞和攝食中樞受損可產生攝食異常。飽食中樞（下丘腦腹內側核）損害，往往表現為因食欲亢進、食量增大而導致過度肥胖，稱下丘腦性肥胖；攝食中樞（下丘腦的外側區）損害，表現為因缺乏食欲、厭食而導致消瘦甚至惡病質。⑤自主神經功能障礙。下丘腦的后區和前區損害可出現自主神經功能障礙。下丘腦的后區和前區分別為交感神經與副交感神經的高級中樞，受損時可出現心率改變、血壓不穩、多汗、腺體分泌障礙及胃腸功能失調等癥狀，嚴重時還可出現胃腸功能障礙，有時甚至可導致胃和十二指腸潰瘍和出血。⑥生殖與性功能障礙。下丘腦腹內側核和結節區損害可產生生殖與性功能障礙。性行為抑制中樞位于腹內側核，病損時可導致機體出現早熟、智力低下等。促性腺中樞位于下丘腦結節區的腹內側核，受損時導致促性腺激素釋放不足，若病損波及相近的調節脂肪代謝的神經結構，常同時可出現肥胖性生殖無能癥，表現為性器官發育遲緩、女性原發性閉經、男性睪丸較小、向心性肥胖等病癥。

（二）下丘腦的生理解剖結構及功能

解剖學上，下丘腦從前向后分為4區，分別為視前區（位于視交叉前緣）、視上區（位于視交叉上方）、結節區（位于灰結節內及其上方）和乳頭體區（位于乳頭體內及其上方）。由內向外分為三帶：室周帶（位于第三腦室室管膜下的薄層灰質）、內側帶和外側帶（以穹隆柱和乳頭丘腦束分界）。下丘腦主要核團包括位于視上區的視交叉上核/室旁核和視上核等；位于結節區的漏斗核（哺乳動物又稱弓狀核）、背內側核和腹內側核等；位于乳頭體區的乳頭體核和下丘腦后核。下丘腦的纖維聯系作為內臟活動的高級調控中樞，與中樞神經系統其他部位有著復雜的纖維聯系，主要包括：①與垂體的聯系，由視上核和室旁核合成分泌的抗利尿激素、ADH和催產素經視上垂體束投射到神經垂體，在此貯存并在需要時釋放入血液；由漏斗核及鄰近室周區合成分泌的多種激素釋放因子或抑制因子經結節漏斗束，投射到垂體門脈系統，調控腺垂體的內分泌功能。②與邊緣系統的聯系，通過穹隆將海馬結構和乳頭體核相聯系；經前腦內側束將隔區、下丘腦（橫貫下丘腦外側區）和中腦被蓋相聯系；借終紋將隔區、下丘腦和杏仁體相聯系。③與丘腦、腦干和脊髓的聯系，分別通過乳頭丘腦束、乳頭被蓋束、背側縱束。腦脊髓束與丘腦前核、中腦被蓋、腦干副交感核、脊髓的側角（交感節前神經元和脊髓的副交感節前神經元）相聯系。

下丘腦雖然體積很小，卻有著很強大的生理功能。下丘腦是調節內分泌活動和內臟活動的主要神經中樞，其中的一些細胞既是神經細胞又是內分泌細胞。因此它不僅參與神經-內分泌的調控，又參與內臟活動的高級調節，對調節機體的攝食、水鹽、體溫、內分泌活動、情緒活動等平衡均發揮著重要的作用。其主要功能可以分為以下幾類：①神經-內分泌的調節。下丘腦是腦控制內分泌的重要結構，通過其功能性軸系將神經調節與激素調節融為一體。這些功能性軸系主要包括下丘腦垂體-甲狀腺軸系、下丘腦-垂體性腺軸系和下丘腦-垂體腎上腺軸系。這些軸系的概念有助于臨床對某些疾病的診斷和鑒別診斷。例如突眼的患者可能為下丘腦-垂體-甲狀腺軸系病變，作為醫生應考慮到甲狀腺、垂體、下丘腦的病變均可導致突眼。②自主神經的調節。下丘腦是調節交感與副交感活動的主要皮質下中樞。副交感神經系統受下丘腦前區內側調節，交感神經系統受下丘腦后區外側調節，通過背側縱束和下丘腦脊髓束調控腦干和脊髓的自主神經活動。③體溫的調節。下丘腦前區（含前核）和后區（含后核）中分別具有熱敏神經元和冷敏神經元，前者對體溫升高敏感，若體溫升高，會啟動機體的散熱機制，導致排汗、骨骼肌舒張、表皮血管擴張在內的一系列生理變化，若此區受損，可導致中樞性高熱。后者對體溫降低敏感，若體溫下降，會啟動機體的產熱機制，產生包括停止出汗、骨骼肌戰栗、表皮血管收縮在內的一系列生理變化。此區受損，可導致變溫癥（體溫隨環境改變）。④攝食行為的調節。下丘腦腹內側核為機體的飽食中樞，下丘腦外側部為機體的攝食中樞。若前者損毀會因過度飲食而導致肥胖，后者損毀會因厭食而導致過度消瘦。⑤晝夜節律的調節。下丘腦的視交叉上核接受來自視網膜的傳入，通過下丘腦的下行通路達脊髓的交感神經低級中樞，再經交感神經頸上神經節的節后纖維隨頸內動脈的分支達上丘腦的松果體，控制褪黑素的分泌，從而調節機體晝夜節律的變化。⑥情緒活動的調節。有研究表明，下丘腦參與情感、學習與記憶等腦的高級神經/精神活動。

（三）下丘腦的功能解剖學

迄今為止，人類對于如何調控睡眠-覺醒的中樞神經機制仍未被徹底闡明，但目前人類已經發現下丘腦腹外側視前區（ventrolateral preoptic area，VLPO）內的γ-氨基丁酸能神經元在睡眠時活性明顯增強，因此該區被稱之為睡眠核團。近期研究表明，下丘腦外側區（lateral hypothalamic area，LHA）位于腹側背蓋區（ventral tegmental area，VTA）前方和視前區后方，其中含有多種類型神經元細胞，屬于大腦內的多功能核團，主要參與調控機體的攝食、睡眠-覺醒、代謝平衡和獎賞等多種生理功能。并且下丘腦外側區內的神經元與腦內多個調控睡眠-覺醒的核團比如藍斑核、丘腦網狀核、結節乳頭核等之間均存在神經纖維環路的聯系。

下丘腦外側區是包含多種類型神經元細胞的大型下丘腦區域，其內側與弓狀核、內側核和視前區交界，外側與視神經束、內囊和丘腦下核的尾部相連。根據其解剖位置主要分為三個區域：結節區（大致位于下丘腦腹內側）、前區、后區。研究發現，下丘腦外側區內包含的神經元主要有以下幾種類型：食欲素神經元、黑色素濃集激素神經元、谷氨酸能神經元、γ-氨基丁酸能神經元等。以下就下丘腦外側區中調節睡眠-覺醒的神經元進行闡述。

1.Orexin神經元

Orexin神經元主要集中在下丘腦外側區的穹狀緣（PeF）區域。Orexin又稱食欲素，是一種主要由下丘腦分泌的神經肽類物質，又稱為下視丘分泌素。在大腦中廣泛分布著兩種類型的食欲素受體，分別是Orexin 1和2受體（OX1R和OX2R），因此在下丘腦外側區內分布的食欲素神經元對脊髓甚至整個大腦均存在廣泛的神經纖維投射。在臨床中發現，患者的下丘腦外側區神經元受損后，會導致患者出現突然的意識消失，呈現出嗜睡狀態。動物實驗發現，安靜狀態下嚙齒動物下丘腦外側區內的食欲素神經元活動性較低，在快速眼動睡眠和非快速眼動睡眠期間幾乎沒有電活動；在清醒狀態下食欲素神經元的活性會明顯增加，尤其是在遇見新鮮事物或遭受疼痛刺激時。這些研究結果說明下丘腦外側區內的食欲素神經元在促進覺醒方面起著重要作用。

在神經環路層面，下丘腦外側區內的食欲素神經元主要是通過以下兩個方面來調節睡眠-覺醒過程的。一方面，下丘腦外側區內的食欲素神經元接受來自參與睡眠調節的一些神經核團的投射，包括正中視前區（Median preoptic nucleus，MnPO）和下丘腦腹外側視前區的GABA能神經元的神經纖維投射。研究發現，在睡眠期間，上述兩個核團的GABA能神經元活性強烈，尤其是在非快速眼動睡眠期間，使用光遺傳學技術激活這兩個核團的GABA能神經元時，能有效地抑制下丘腦外側區內的食欲素神經元的活性，使小鼠從清醒向睡眠狀態轉換。另一方面，食欲素神經元可以激活其他具有促醒作用的單胺能神經元，包括結節乳頭核的組胺能神經元、藍斑核的去甲腎上腺素能神經元、中縫背核的5-羥色胺能神經元等，目前已有研究發現，這三種類型的神經元均含有食欲素受體，食欲素神經元能對其產生投射并形成神經環路，從而發揮其促醒作用。采用光遺傳學技術特異性的激活這些神經環路，可以降低嚙齒動物非快速眼動睡眠的快速眼動睡眠的時間。此外，近期有學者發現，下丘腦外側區內的食欲素神經元還可與丘腦室旁核的谷氨酸能神經元形成環路，從而參與覺醒的維持，當激活這條環路后，小鼠可出現從睡眠到覺醒狀態的明顯轉換。綜上所述，下丘腦外側區內的食欲素神經元是促進覺醒的關鍵性神經元。

2.黑色素濃集激素神經元

下丘腦外側區內的黑色素濃集激素（melanin concentrating hormone，MCH）神經元具有調節能量平衡、進食平衡和自主活動等多種生理功能，同時對睡眠-覺醒狀態之間的轉換也發揮著作用。通過活體動物胞外記錄實驗發現，黑色素濃集激素陽性神經元在腦內的放電情況與覺醒、快速眼動睡眠和非快速眼動睡眠這三個階段密切相關：清醒狀態時，下丘腦外側區內的黑色素濃集激素神經元主要處于靜息狀態；在快速眼動睡眠期間時其放電頻率明顯增高；而在非快速眼動睡眠期間中僅偶爾放電，表明下丘腦外側區內的黑色素濃集激素陽性神經元可能在調節快速眼動睡眠期間中起著重要作用。

在神經環路層面，下丘腦外側區內的黑色素濃集激素神經元調控快速眼動睡眠的下游通路主要有以下三條：分別為結節乳頭核的組胺能神經元、內側隔核神經元、導水管周圍腹外側灰質的GABA能神經元。有研究表明，導水管周圍腹外側灰質的GABA能神經元是快速眼動睡眠的抑制性門控。在雙染大鼠的下丘腦外側區內的黑色素濃集激素神經元的同時，在導水管周圍腹外側灰質處注射逆行示蹤劑霍亂毒素b亞單位，發現黑色素濃集激素神經元可以大量投射到導水管周圍腹外側灰質，而且黑色素濃集激素神經元可以通過抑制導水管周圍腹外側灰質的“REM-off”GABA能神經元來觸發快速眼動睡眠。此外，研究發現，黑色素濃集激素神經元還能與下游核團結節乳頭核的內側隔核神經元形成神經環路，從而影響睡眠。

3.γ-氨基丁酸能神經元

目前，GABA能神經元在產生和維持睡眠中的作用已被人們廣泛接受。有學者在大鼠正常睡眠-覺醒周期時對其下丘腦外側區神經元進行了電生理記錄，發現大量的GABA能神經元分布在下丘腦外側區，且在非快速眼動睡眠和快速睡眠期間均表現出了很強的神經元活性，尤其是在快速眼動睡眠睡眠期間。同時下丘腦外側區內的GABA神經元還可以抑制其他參與覺醒的神經元，比如上文所提及的食欲素神經元，從而發揮其促進睡眠的作用。這表明在下丘腦外側區調控睡眠-覺醒的過程中，GABA能神經元是除了黑色素濃集激素神經元以外的另一種參與睡眠調節的重要神經元。

然而，近期有新的研究發現，下丘腦外側區的GABA能神經元可以發出投射并明顯抑制丘腦網狀核的GABA能神經元（一個控制睡眠的核團）。當采用光遺傳學技術在小鼠非快速眼動睡眠期間施加刺激，特異性的激活下丘腦外側區→丘腦網狀核環路的GABA能神經元時，可以引起小鼠從非快動眼睡眠期清醒，達到快速覺醒效果。并且發現，在此環路中的GABA能神經元在睡眠期間能表現出自發放電，尤其是當動物從睡眠狀態切換到清醒狀態時，發現GABA能神經元放電增加。此外，下丘腦外側區的GABA能神經元除了可以通過投射到丘腦網狀核，并抑制該區的睡眠核團從而引起覺醒以外，還可以投射到藍斑核、丘腦室旁核等覺醒核團，并激活這些核團的神經元從而促進清醒。以上結果表明，內下丘腦外側區的GABA能神經元對整個睡眠-覺醒系統都產生了影響，不僅能參與睡眠調節過程，還能參與覺醒維持過程。

三、基底前腦

（一）概念

基底前腦（basal forebrain，BF）是指位于大腦半球前端腹側面和內側面的一組異質結構，通常包括基底部巨細胞核、內側隔核、斜角帶水平部、斜角帶垂直部、無名質區和巨細胞視前區?；浊澳X是ARAS和大腦皮層之間相互聯系的重要中繼站，它一方面將來自丘腦ARAS和腦干的神經信號投射至大腦皮層的廣泛區域，另一方面又接受來自大腦皮層的信號轉而投射至各個皮層下腦區。其中構成基底前腦的神經元錯綜復雜，包括膽堿能神經元及非膽堿能神經元，非膽堿能神經元以谷氨酸能神經元和GABA能神經元為主。因此，基底前腦在意識、睡眠-覺醒、體液平衡、晝夜節律、認知、注意力等多個方面都發揮著重要作用。

（二）基底前腦與睡眠-覺醒行為

早期的動物實驗研究發現，用藥物非特異性損毀大鼠的單側基底前腦神經元時，大鼠同側的大腦皮層慢波活動會明顯增加，且以delta波（1～4Hz）譜能增強為主，而對側大腦皮層活動無明顯改變。當大面積損壞大鼠基底前腦的幾乎所有神經元之后，發現動物在術后的第10天時突然陷入一種“類似昏迷”的狀態，且腦電圖呈現為單調的低頻慢波，以sub-delta波（＜1.0Hz）為主。這些研究結果均表明，當基底前腦功能受損時，動物的覺醒度和覺醒量會降低，說明基底前腦在維持覺醒和昏迷促醒中至關重要。上述提到基底前腦主要由三種不同類型的神經元組成。然而在調節睡眠-覺醒時，有研究發現，三種神經元發揮的作用是不同的，它們之間既相互區別又相互聯系。

1.基底前腦膽堿能神經元

目前，在基底前腦的各類神經元之中，對膽堿能神經元的研究最為透徹。研究發現，膽堿能神經元的缺失或損壞與阿爾茨海默病、腦外傷后的認知障礙、失語癥以及精神分裂癥的陰性癥狀均有相關，所以即使膽堿能神經元只占基底前腦神經元的少部分（10%～20%），但其在調控睡眠-覺醒環路時極為重要。近年來，隨著化學遺傳學和光遺傳學研究技術的普遍使用，為基底前腦特定類型神經元在促進覺醒方面所發揮作用的研究揭開了新的帷幕。通過光遺傳學技術特異性地激活膽堿能神經元，發現可以促進非快速眼動睡眠向覺醒的轉變，且在刺激期間覺醒次數明顯增加，皮質θ波活性增強而δ波活性被抑制。同樣，使用化學遺傳學技術特異性激活小鼠基底前腦膽堿能神經元時，小鼠的非快速眼動睡眠和覺醒時相關片段增加，表明小鼠睡眠-覺醒相轉換的次數增多；且快速眼動睡眠延遲出現，腦電圖顯示delta波譜能明顯減弱。這些結果均表明激活基底前腦神經元具有促醒作用。此外，有學者使用藥物特異性地損毀大鼠基底前腦膽堿能神經元，結果發現膽堿能神經元被損毀后，小鼠短期內非快速眼動睡眠量有所增加，但十幾天后仍可恢復至術前水平。此研究結果目前尚存在一些爭議，可能與實驗過程中注射藥物的位置不同或者使用藥物的濃度不同有關，導致損毀的膽堿能神經元數目與主要損毀區域之間存在差異所致。

綜上所述，基底前腦膽堿能神經元在睡眠-覺醒行為中主要發揮著維持覺醒和昏迷促醒的作用。

2.基底前腦GABA能神經元

基底前腦神經元中約有35%為γ-氨基丁酸能神經元，γ-氨基丁酸是一種抑制性神經遞質。GABA能神經元存在多種亞型，主要包括生長激素抑制素陽性神經元、血管活性腸肽陽性神經元、小清蛋白陽性神經元等。動物研究發現，生理性睡眠-覺醒周期時，基底前腦的GABA能神經元放電特性并不完全一致，其中在非快速眼動睡眠期間有28%的神經元呈高頻放電，且與皮層delta波成正相關；在快速眼動睡眠期間和覺醒期有36%的神經元呈高頻放電，且與皮層gamma波成正相關；剩余36%的神經元主要在快速眼動睡眠期放電最強，且與腦電圖的活動成負相關。使用光遺傳學技術非特異性地抑制生長激素抑制素陽性神經元之后，發現前額葉皮層的電活動顯著增強，而前額葉皮質是控制睡眠-覺醒的關鍵大腦皮層。同樣，當使用光遺傳學技術特異性地激活小鼠小清蛋白陽性神經元時，發現小鼠的覺醒量顯著增加而非快速眼動睡眠顯著減少，且腦電圖顯示皮層的gamma波活動增強。由此可見，在覺醒期，除了基底前腦膽堿能神經元可釋放乙酰膽堿直接興奮皮層神經元以外，基底前腦皮層投射型GABA能神經元可能釋放GABA抑制皮層中間型GABA能神經元的活動，間接發揮維持覺醒和促進覺醒的作用。在非快速眼動睡眠期間，基底前腦處中間型GABA能神經元很有可能是局部GABA水平升高，抑制了附近的皮層投射型GABA能神經元和膽堿能神經元活動，從而使皮層GABA水平升高和乙酰膽堿水平降低，使得皮層活動同步化。

綜上所述，基底前腦區的GABA能神經元由于其存在不同的亞型，故在睡眠-覺醒通路中扮演中不同的角色。

3.基底前腦谷氨酸能神經元

基底前腦谷氨酸能神經元約占基底前腦神經元的55%。迄今為止，相較于基底前腦區的GABA和膽堿能神經元，對谷氨酸能神經元的研究較少。最新研究結果表明，使用光遺傳學技術特異性地激活小鼠的基底前腦谷氨酸能神經元后，可以使小鼠從非快速眼動睡眠期直接進入覺醒期，并可使動物的覺醒量增多而非快速眼動睡眠減少。而當使用化學遺傳學技術特異性地激活小鼠谷氨酸能神經元時發現，小鼠的非快速眼動睡眠期間的beta波和delta波譜能減弱，而對其睡眠覺醒的量沒有顯著改變。這兩種實驗結果的差異可能與實驗方法不同有關，也可能因為對基底前腦的定位不夠統一，使得被激活的谷氨酸能神經元分布存在差異。此外，基底前腦谷氨酸能神經元對其附近的GABA能神經元以及膽堿能神經元具有興奮作用，其很有可能就是“興奮的中轉站”，通過激活其他類型的神經元來發揮作用。

（三）總結

基底前腦作為大腦網狀上行系統中的重要一站，不僅與大腦的其他核團具有廣泛聯系，而且其內部的多種神經元之間也存在著復雜的微環路結構。目前認為這三種類型的基底前腦神經元的促醒順序可概括為：谷氨酸能神經元→膽堿能神經元→小清蛋白/GABA神經元，且均能被生長激素抑制素/GABA能神經元所抑制。因此，探明基底前腦區各類神經元在睡眠-覺醒行為中所發揮的作用，以及它們之間的調控機制，不僅有助于研究核團內部神經微環路的作用及機制，而且對理解認知與意識的形成基礎、相關功能障礙的產生機制和睡眠-覺醒環路的調控機制均有重要的意義。但目前為止，對基底前腦調控皮質的研究主要在嚙齒動物中進行，針對哺乳動物的研究甚少，遂需未來的進一步研究。

四、腦葉

（一）概念

大腦是人體的高級指揮中心，大腦皮層覆蓋在大腦半球（cerebral hemisphere）的表面，雙側大腦半球由胼胝體相連接。兩側的大腦半球所支配的功能不完全對稱，按功能可分為非優勢半球和優勢半球，非優勢半球多位于右側，主要在美術、音樂、視覺記憶功能、識別人物面容、空間和幾何圖形等方面發揮優勢。優勢半球多位于左側，主要在邏輯思維、語言能力、分析綜合及計算功能等方面發揮優勢。其中任何一部分受損均可產生不同的臨床癥狀。

解剖學上顯示，在腦表面有腦回和腦溝，內部有白質、側腦室和基底核。雙側的大腦半球借大腦外側裂和其延長線、頂枕溝和枕前切跡的連線以及中央溝將腦組織分為額葉、頂葉、顳葉和枕葉。此外，大腦還包括位于大腦外側裂深部的島葉和位于半球內側面的邊緣系統，邊緣系統包括杏仁核、邊緣葉、丘腦前核和下丘腦等。一般認為完整的上行網狀激活系統-丘腦-皮質和皮質-皮質環路是意識存在的必要條件。其中由額葉、枕葉皮質和中央丘腦組成的神經環路在該網絡中起著關鍵作用，嚴重的顱腦損傷時會影響該環路的調節功能，最終導致患者出現嚴重而持續的意識障礙。

（二）各腦葉的解剖結構與功能

1.額葉

額葉（frontal lobe）是大腦半球主要的功能區之一，約占大腦半球表面的前1/3，主要位于中央溝前方和外側裂上方。解剖學上顯示，其外側面以中央溝與頂葉為分界，內側面以扣帶溝與扣帶回為界，底面以外側裂與顳葉為界，前端為額極。額葉主要參與人體的語言、精神、智能活動和隨意運動等方面。在臨床上額葉腦挫裂傷是一種最常見的顱腦損傷類型，多由腦組織碰撞地面及在顱腔內滑動造成的對沖傷所致，傷后臨床癥狀表現不一。特別是雙側額葉均損傷時，患者在早期即可出現明顯的精神、情感、智能障礙，嚴重時可出現精神萎靡、嗜睡狀，當合并軸索損傷時甚至可導致昏迷。

額葉功能區主要包括五個：①皮質運動區。位于中央前回，該區的大錐體神經元的軸突構成了錐體束的大部分，主要支配對側肢體的隨意運動。②運動前區。位于皮質運動區的前方，發出神經纖維投射至丘腦、紅核和基底核等處，是錐體外系的皮質中樞，主要與姿勢的調節和聯合運動有關。此外，該區發出的額橋小腦束支配著共濟運動。③書寫中樞。主要位于優勢半球的額中回后部，相鄰于支配手部運動的皮質運動區。④皮質側視中樞。主要位于額中回后部，控制著雙眼同向的側視運動。⑤運動性語言中樞（Broca區）。主要位于額下回后部的交界三角區以及優勢半球的外側裂上方，支配著人體的語言運動。⑥額葉前部。具有廣泛的聯絡神經纖維，與判斷、記憶、思維、情感和沖動行為有關。因此，當不同部位受到損傷時，會導致不同程度和類型的功能障礙。

2.頂葉

頂葉（parietal lobe）是位于頂枕溝前、中央溝后和外側裂延線上方的腦葉。解剖學上前面以中央溝與額葉為界，后面以枕前切跡和頂枕溝的連線與枕葉為界，下面以外側裂與顳葉為界。中央后回后面橫行的頂間溝將頂葉分為頂上小葉和頂下小葉。頂葉功能區主要包括三個：①運動中樞。優勢半球緣上回是主要的運動中樞，參與形成人體的勞動技巧和復雜運動。②皮質感覺區。實體覺和觸覺的皮質中樞主要位于頂上小葉，深淺感覺的皮質中樞主要位于中央后回，分別接受著來自對側肢體的深淺感覺信號。③視覺性語言中樞。主要位于角回，又稱為閱讀中樞，主要是參與理解符號和文字的皮質中樞。因此，當各種神經系統疾病導致頂葉受損時，會產生皮質性的感覺功能障礙、失認和失用癥等。

3.顳葉

顳葉（temporal lobe）主要位于頂枕溝的前方和外側裂的下方。解剖學上顳極位于顳葉的前端，與外側裂平行的顳上溝位于外側面，顳下溝位于底面，兩溝將顳葉分為了顳上回、顳中回和顳下回。其中顳上回的一部分在外側裂當中，稱為顳橫回。顳葉功能區主要包括5個：①聽覺中樞。主要位于顳橫回以及顳上回的中部。②嗅覺中樞。接受著雙側嗅覺神經纖維的傳入，將嗅覺信息處理后投射至相應的大腦皮層，主要位于海馬回前部和鉤回。③感覺性語言中樞（Wernicke區）。主要位于優勢半球的顳上回后部。④顳葉內側面。海馬區是其中的重要結構，主要參與人體的精神、記憶、行為和內臟功能，屬于邊緣系統的一部分。⑤顳葉前部。主要參與人體聯想、記憶和比較等高級的神經活動。當各種神經系統疾病導致顳葉受損時，可能會出現辨認的障礙、聽覺方面的障礙及整合功能性的障礙等。

4.枕葉

枕葉（occipital lobe）是大腦半球后部的小部分腦組織，主要位于枕前切跡與頂枕溝連線的后方。距狀裂將枕葉的內側面分為舌回和楔回，枕葉的后端為枕極。枕葉主要參與人體的視覺形成，上部視網膜傳來的神經沖動主要投射至距狀裂上方的視覺皮質，下部視網膜傳來的神經沖動主要投射至距狀裂下方的視覺皮質，外側膝狀體的視網膜視覺神經沖動主要投射至圍繞距狀裂的視覺皮質。顱腦損傷時一旦枕葉受損，將導致不同程度的視覺障礙。

5.島葉

島葉（insular lobe）又稱腦島（insular），被額、頂、顳葉所覆蓋，主要位于外側裂的深面，參與人體內臟的感覺與運動。刺激島葉可引起內臟運動的改變，如增加唾液分泌增加、增加胃腸飽脹感和蠕動感、產生惡心、嘔逆等。因此腦損傷時，若島葉受損，會導致內臟的感覺和運動發生障礙。

6.邊緣葉

邊緣葉（limbic lobe）由大腦半球內側面位于側腦室下角底壁和胼胝體周圍的圓弧形結構組成，包括扣帶回、隔區、海馬回、海馬旁回和鉤回。邊緣葉還與丘腦前核、中腦被蓋、下丘腦、島葉前部、額葉眶面、杏仁核等結構共同組成邊緣系統。而邊緣系統與大腦皮層和網狀結構都有著廣泛的聯系，主要參與調節精神、情緒、記憶、高級神經和內臟的活動。當顱腦損傷導致邊緣系統受損時，患者可出現行為異常、記憶障礙、反應遲鈍等精神及內臟的活動障礙。

（三）各腦葉損傷與意識障礙的相關性

近年來，為改善意識障礙患者的生存及預后，對患者進行腦功能評估以及相關腦網絡的研究成為神經康復領域的熱門方向。使用正電子發射斷層顯像技術研究各腦葉損傷與意識障礙患者之間可能存在的相關性，結果發現意識障礙患者各腦組織的代謝水平均顯著下降，但各部位下降的幅度并不均勻，研究認為，在顳頂連接處、雙側額葉、額葉內側、頂葉后、后扣帶回、楔前葉等部位下降的更加顯著。但也有研究顯示，創傷性顱腦損傷患者出現睡眠障礙，通常與腦干、額葉、基底節等部位的損傷關系密切，而與頂葉、枕葉、顳葉、小腦損傷無明顯的相關性。針對顱腦損傷部位與意識障礙發生概率的相關性這一問題目前尚未定論，需進一步研究。