第一节　脑

脑由大脑、小脑、间脑、脑干组成。其中大脑是中枢神经系统的最高级部分，也是脑的主要部分，分为左右两个大脑半球，二者由神经纤维构成的胼胝体相连。

一、丘脑

（一）概述

丘脑（thalamus）又称为背侧丘脑，位于中脑和大脑皮层之间，在第三脑室的两侧呈对称分布，借丘脑间黏合（约20%缺如）相连，是哺乳动物间脑中最大的一对卵圆形灰质团块。人类丘脑是边缘系统中最重要的调节器，丘脑本身不能单独引起大脑皮层神经元细胞放电，主要发挥改变大脑皮层兴奋性、增强大脑皮层反应性的作用。因为意识存在的前提条件是人体能够保持正常的睡眠觉醒周期以及能对周围环境作出适当的反应，而维持觉醒状态与脑干网状结构、丘脑及大脑皮层有着紧密的联系，所以保持丘脑功能的完整性对维持皮层脑电觉醒是必不可少的。

在意识的处理过程中，丘脑是一条独立的、平行的信息处理器的起点。丘脑一方面是连接皮层和皮层下结构的门户，控制着感觉及运动信息上行传递至大脑皮层；另一方面，大脑皮层的反馈性神经冲动同时也向下传入丘脑，构成了丘脑-皮层环路。在上行网状激活系统背侧通路中，丘脑是其重要的组成部分，除了嗅觉以外，来自全身的各种感觉传导几乎均需要在丘脑内更换神经元后继续上传，所以丘脑当中富含大量功能各异的核团，不同的核团与上行网状激活系统、大脑皮层、边缘系统等存在着广泛的纤维联系，参与调节机体语言、学习、记忆和运动协调等各个方面的生理活动。因此，当丘脑发生损伤后会导致机体出现意识障碍、运动障碍、感觉障碍、认知功能障碍等各种高级神经功能异常。

此外，当丘脑病变时会导致机体产生丘脑综合征，主要的临床表现为对侧的感觉缺失和/或产生刺激症状，引起对称的不自主性运动，并可有记忆与情感障碍。当各种原因导致丘脑受损后主要会产生如下的一系列症状：

1.丘脑外侧核群尤其是腹后内侧核和腹后外侧核受损会导致患者出现对侧的偏身感觉障碍，具有如下特点：①感觉异常，各种感觉均发生障碍。②精细触觉和深感觉障碍重于浅感觉。③四肢躯干的感觉障碍重于面部。④可因深感觉障碍而导致共济失调。⑤对侧偏身出现自发性疼痛，俗称丘脑痛，疼痛的程度可随着情绪的刺激而加重；疼痛的部位弥散，不固定；疼痛的性质多难以描述，且常伴有自主神经功能障碍，如导致血压、血糖升高，心跳加速等。

2.丘脑至皮下（锥体外系统）诸神经核的纤维联系受损时会导致患者产生面部表情分离性运动功能障碍，表现当患者大笑或大哭时，病灶对侧的面部表情完全丧失，但嘱其做随意动作时，该侧面肌并无瘫痪。

3.下丘脑、边缘系统及丘脑前核的神经纤维联络受损时患者易产生情感功能障碍，表现为情绪不稳和/或强哭强笑。

4.丘脑外侧核群与小脑、红核、苍白球之间的神经纤维联络受损时患者可产生对侧的偏身不自主性运动，表现为手足徐动样动作或舞蹈样动作。

（二）丘脑核团的分类

根据丘脑功能和输入-输出的联系不同，丘脑被分为丘脑特异性核团、丘脑非特异性核团、丘脑联合核团三类核团。丘脑特异性核团接受来自皮层下脑区特定的感觉信息传入，并将这些感觉信息中继投射至大脑皮层的特定区域。丘脑非特异性核团接受来自皮层下脑区的信息后将这些信息投射至大脑皮层的广泛区域，因此具有调节广泛皮层兴奋性的特点，比如参与觉醒的调节。（图1-2-1）

1.丘脑非特异性核团

丘脑非特异性核团（nonspecific thalamic nuclei）是背侧丘脑中进化较古老的部分，故又称为古丘脑。丘脑非特异性核团主要包括中央内侧核、丘脑网状核、丘脑板内核等。这些非特异性核团主要接受来自脑干网状结构和嗅脑的传入神经纤维，经传出神经纤维投射至纹状体和下丘脑等结构，并与这些纤维结构形成往返的神经纤维联系环路。此外，脑干网状结构中汇聚着各种感觉神经纤维，相互影响共同组成上行网状激动系统，这些上行纤维经丘脑非特异核团进行转接，继而弥散地投射至大脑皮层的广泛区域，发挥维持机体觉醒状态的作用。

研究表明，给予小鼠丘脑非特异核团以高频的电刺激，大脑皮层广泛领域的脑电活动会呈现出觉醒化水平状态，这证明了丘脑的非特异性投射作用。同时也观察到当小鼠丘脑被破坏后，小鼠仍能够维持觉醒的现象，说明脑干网状结构→丘脑非特异核→大脑皮层的神经通路对维持觉醒状态来说并非是唯一的路径。另外已证实上行性网状激活系统的另一条途径是由脑干网状结构→前脑基底部→大脑皮层，脑干网状结构的去甲肾上腺素能神经元发放的神经冲动投射到前脑基底部，使此处的胆碱能神经元活性被激活，进一步激活大脑。这两条通路前者被称为背侧径路，后者为腹侧径路。除此之外，还有部分神经冲动传至中脑中央灰质和丘脑下部后区后反过来发放冲动影响脑干网状结构，形成一个反馈系统，帮助大脑皮层维持在一定水平的兴奋性。

2.丘脑特异性核团

丘脑特异性核团（specific thalamic nuclei）为背侧丘脑内进化上较新的部分，又称为旧丘脑，包括腹前核、腹外侧核和腹后核。其主要功能是充当脊髓或脑干等结构的特异性上行传导系统的转接核。特异性上行投射系统包括传导浅感觉的脊丘系，传导深感觉的内侧丘系，传导面部感觉的三叉丘系，传导视觉和内脏感觉的传导束及传导听觉的外侧丘系这五大丘系，是经典的感觉传导通路的总称。这类核团发出的神经纤维除了将不同的运动及感觉信息传送到大脑特定区域以产生特定的感觉以外，还可以在脑干的上行途中发出侧支并与非特异性上行投射系统联系，从而发挥出对大脑皮层的激活作用。

3.丘脑联合核团

丘脑联合核团（association thalamic nuclei）为背侧丘脑内进化最新的神经核团，又被称为新丘脑，主要包括外侧核、内侧核和前核的背侧组。此类核团功能上主要与脑的高级神经活动如情感、学习与记忆等有关。接受神经纤维传入，与大脑皮层形成丰富的纤维联系。

（三）丘脑的功能解剖学

丘脑在生理解剖上属于间脑的一部分，在第三脑室的两侧呈对称分布，其前端的膨隆处称丘脑前结节，后端膨大处称为丘脑枕，外侧面的外侧缘与端脑的尾状核之间隔有终纹，下方分别为外侧膝状体和内侧膝状体。丘脑主要由灰质构成，在灰质内部有由白质构成的“Y”字形内髓板，在水平面上将两侧丘脑划分为三个核群：前侧核群、内侧核群和外侧核群。另外，内髓板内还散布着一些细胞核团，称为板内核群。在丘脑内侧面，第三脑室侧壁上的薄层灰质及丘脑间黏合内的核团，合称中线核，内髓板内有若干板内核。此外，外侧核群分为背、腹两层，背层从前向后分为背外侧核、后外侧核及枕外侧核，腹层由前及后分为腹前核、腹外侧核（又称腹中间核）和腹后核，腹后核又可分为腹后内侧核和腹后外侧核。在外侧核群与内囊之间的薄层灰质称丘脑网状核，网状核与外侧核群间为外髓板。在上行网状激活系统中，丘脑网状核就像是守门员一样发挥着门控作用，丘脑门控受前额叶皮质的负反馈作用，允许一部分刺激而不允许其他刺激投射到大脑皮层，丘脑网状核的门控作用与注意力的构成有很大关系。以下主要介绍一些目前研究比较清楚的丘脑经典核团及其与意识之间的联系。

1.丘脑前核

丘脑前核主要位于丘脑前结节的深面，是由前背侧核（anterior dorsal nuclei，AD）、前腹侧核（anterior ventral nuclei，AV）和前内侧核（anterior medial nuclei，AM）三个亚核组成，其中前腹侧核体积最大，前内侧核次之，前背侧核最小。丘脑前核主要参与机体的记忆形成。

目前解剖学上已证实，丘脑前核主要与扣带回、海马以及大脑皮层之间存在着直接或者间接的神经纤维联系，并且参与形成Papez环路，是记忆形成的重要部位之一。直接联系是指从海马区发出的神经纤维经过穹隆部直接到达丘脑前核，反过来海马区也能够接受来自丘脑前核处直接发出的神经纤维，从而在丘脑前核与海马区之间形成了一个往返的直接通路。间接联系是指从海马区发出的神经纤维经过穹隆处的中转先到达乳突体，然后通过乳头体丘脑束上传至丘脑前核。此外，丘脑前核发出的神经纤维也可以传至扣带回，然后由海马接受来自扣带回的神经纤维，同时，丘脑前核也可以接受来自扣带回发出的神经纤维，因此丘脑前核与扣带回之间也存在着紧密的联系。最终构成了一个完整的神经传导环路：海马-扣带回-丘脑前核-乳头丘脑束-乳头体-穹隆-海马。研究发现，不同丘脑前核的亚核神经纤维之间的联系也不完全一致，其中外侧乳头体发出的神经纤维主要传达至丘脑前背侧核，内侧乳头体发出的神经纤维主要传达至丘脑前腹侧核，海马区发出的神经纤维也可以在丘脑前背侧核群接收。由此可见，丘脑前核处于记忆环路中的重要位置，丘脑前核与记忆之间具有密切的关联。

动物研究显示，损伤恒河猴的双侧丘脑会使其情景记忆明显受损，情景记忆是指发生在某一特定时间和地点的事件记忆，主要由编码、巩固、储存、提取四个过程组成，信息的储存和提取主要依赖内侧颞叶、额叶和扣带回，海马区为参与情景记忆的重要脑区。颞叶、额叶、皮质下损伤会导致情景记忆的编码受损，丘脑投射至皮质的神经纤维中断会加重情景记忆的受损。破坏大鼠一侧的丘脑前核和对侧的海马区后，让大鼠在T迷宫中和Moms水迷宫中进行测试，发现大鼠的空间记忆明显受损，而破坏大鼠同侧的丘脑前核与海马区或者仅破坏单侧的海马区，其空间记忆几乎不受影响，说明空间处理能力的缺损是由于丘脑前核传入的海马神经纤维受损所致的。除了空间工作记忆以外，丘脑前核还可能与空间参考记忆相关联。在Moms水迷宫中，当大鼠的丘脑前核受损后，其穿过台面的能力明显下降，遇到障碍后逃避的反应时间明显延长，说明大鼠的空间参考记忆明显下降。然而，目前对于丘脑的其他核团是否参与记忆的研究较少，有待今后的进一步研究。

2.丘脑背内侧核

丘脑背内侧核（mediodorsal thalamic nucleus，MD）位于中线核和内髓板之间，是丘脑内侧核群中最大的亚核，其前方为腹侧核，后方为丘脑枕，内侧面和室管膜共同构成第三脑室的侧壁。丘脑背内侧核是唯一一个与前额叶皮质（prefrontal cortex，PFC）有着神经纤维相互联系的丘脑中继核，并且与丘脑网状核、丘脑的其他核团、端脑的其他核团以及脑干均有复杂的联系。丘脑背内侧核团主要参与机体的情绪、学习、认知、摄食行为、胃肠功能等生理功能。

丘脑背内侧核的神经元主要分为两种类型：星形神经元和梭形神经元。前者属于中型到大型的神经元，是神经元的主要类型，其胞体呈椭圆形，其内含有大量的细胞器和细胞质，其周围具有4～8个一级树突，树突会不断地发出树突棘从而形成树突冠状的树突野。后者属于小型神经元，在丘脑背侧核当中含量较少，神经元胞体呈圆形，其中含有的细胞质较稀疏，其周围具有3～5个树突，树突棘发出的神经纤维形成的树突野呈球形。此外，使用免疫组织化学法研究发现，中脑被盖背外侧区有乙酰胆碱能纤维投射到丘脑背内侧核外侧区；使用3H-D-天门冬氨酸逆行追踪法研究发现，梨形皮质和内侧前额叶皮质均有大量的天门冬氨酸和谷氨酸能纤维投射至丘脑背内侧核；使用放射自显影方法发现，γ-氨基丁酸A型受体和γ-氨基丁酸B型受体呈中到高水平不均匀地分布在丘脑背内侧核内，主要集中在丘脑背内侧核内侧大细胞部和外侧小细胞部；使用多巴胺和酪氨酸羟化酶免疫双标法研究猕猴丘脑背内侧核多巴胺转运蛋白免疫反应性轴突的分布，发现多巴胺转运蛋白的免疫反应性轴突的密度在背内侧大细胞部的轴突密度最低，丘脑背内侧核腹侧小细胞部分布最高。以上研究说明，丘脑背内侧核神经元受多种神经递质所调控，包括乙酰胆碱、天门冬氨酸、谷氨酸、γ-氨基丁酸、多巴胺。

3.丘脑室旁核

丘脑室旁核（paraventricular thalamus，PVT）属于丘脑非特异性核团，主要位于中线丘脑的背侧部。最新研究报道，丘脑室旁核是丘脑中维持觉醒的关键核团。丘脑室旁核一方面接受来自外侧下丘脑和脑干中大量的肽能神经元如Orexin神经元的信号输入，另一方面丘脑室旁核的神经信号又广泛投射至皮层和皮层下区域，参与调控机体的觉醒依赖行为，如摄食、奖赏与成瘾、情绪和应激等。并且丘脑室旁核还接受来自昼夜节律中枢视交叉上核（suprachiasmatic nucleus，SCN）的信号传递。

丘脑室旁核的活动具有显著的与觉醒相关的昼夜节律性变化，啮齿动物处于黑暗期时，丘脑室旁核神经元的自发性动作电位和c-fos表达明显高于光照期。对小鼠进行睡眠剥夺，可以发现丘脑室旁核的c-fos表达水平进一步增高，提示丘脑室旁核的神经元活动水平与觉醒状态密切相关。针对丘脑室旁核是如何发挥觉醒调控作用的这一问题，研究发现，丘脑室旁核与皮层下伏隔核之间存在着兴奋性的单突触联系，激活丘脑室旁核→伏隔核通路可以诱发小鼠从睡眠向觉醒的转变。反之，抑制这一通路可以降低小鼠的觉醒水平，使小鼠出现觉醒向睡眠的转变。同时发现丘脑室旁核中的谷氨酸能神经元接受来自外侧下丘脑Orexin神经元的神经支配，当激活外侧下丘脑Orexin神经元→丘脑室旁核通路时，可以诱发小鼠从睡眠向觉醒的转变，反之抑制外侧下丘脑Orexin神经元的信号输入时，可以降低小鼠的觉醒量，诱发小鼠从觉醒向睡眠的转变。该研究表明，丘脑室旁核的上游可能受外侧下丘脑Orexin神经元的调控，下游受伏隔核的支配。但对于丘脑室旁核是如何与其他核团协同作用控制觉醒，丘脑核团又是如何整合神经和体液信息参与觉醒控制这些问题仍未阐明。

4.丘脑中央正中核

丘脑中央正中核（Central medial thalamus，CMT）属于高级丘脑核团，又称为丘脑中央内侧核团，位于中线丘脑的中部，属于丘脑非特异性投射系统。其神经细胞形态各异，树突上存在众多的膨体，外形上易将远端树突错看成轴突。作为高阶丘脑的的代表，丘脑中央正中核既可以接受间脑和脑干之间的支配，也可以接受来自特异性核团的信号传入，同时向包括扣带回在内的皮层和皮层下组织发出广泛的神经纤维，是脑干网状结构-丘脑-皮质轴的重要组成成分。丘脑中央正中核神经元中含有多种类型的神经递质受体，是全身麻醉药物作用时的关键区域之一。

众多研究已经证实，丘脑中央正中核在维持觉醒和由睡眠或者麻醉向觉醒的转变过程中扮演着重要的角色。当丘脑中央正中核被损毁时，会使动物迅速进入昏迷状态，而激活这一区域可促进脑外伤后处于微小意识状态患者的意识及功能的恢复。1953年，丘脑中央正中核在麻醉中的作用被首次报道，在麻醉时该核团的电位是被阻断的，而到达感觉性大脑皮层的横向传导并未受损。动物研究显示，在小鼠清醒状态下向丘脑中央正中核区域注射γ-氨基丁酸受体激动剂以后，大鼠的翻正反射会消失，进入类似麻醉的状态，提示丘脑中央正中核神经元中的γ-氨基丁酸神经元对诱导意识消失具有关键作用。与其他邻近的核团相比，丘脑中央正中核的局部电场位在非快速眼动睡眠向觉醒的转变过程中是最早发生改变的，提示无论是从麻醉或者睡眠到觉醒的意识恢复过程，还是从意识清醒到睡眠的意识消失过程，丘脑中央正中核在丘脑核团当中的局部电活动都具有引领作用。然而目前对于丘脑中央正中核参与机体睡眠-觉醒的机制尚不十分明确，但丘脑中央正中核可能是维持机体觉醒状态，介导机体由清醒向睡眠转变的关键核团。

5.丘脑底核

丘脑底核（subthalamic nucleus，STN）又称为Luys体，是丘脑底部的关键核团。位于乳头体的背外侧区，在额状切面上丘脑底核呈双凸透镜形，其腹外侧与黑质、大脑脚相连，后中部与红核相邻。未定带及豆核束的一部分在其背侧部将其与丘脑腹侧分开，内囊纤维从丘脑底核的外侧面将其与苍白球相隔离。丘脑底核由中等大小密集分布的多级细胞组成，细胞形态不一，有梭形、锥形、圆形或三角形等。丘脑底核主要参与机体的情感、运动、认知调控功能，是我国帕金森病患者在接受深部脑刺激时采用最多的核团。

根据功能不同，可以将灵长类动物的丘脑底核分为三个区域，每个区域分别与大脑皮层、纹状体等核团的相应区域相互联系构成不同的神经环路，发挥不同的作用，这三个区域分别为联合区、运动区、边缘/联合区。丘脑底核主要参与机体的情感控制、运动控制、认知等生理功能。过去认为丘脑底核是仅仅在基底神经节→丘脑→皮质通路中起开关、中继作用的一个中脑小核团，而现在认为丘脑底核在基底神经节神经冲动输出的过程中发挥重要作用，与基底神经节的情感、运动控制及认知调控功能均密切相关，尤其是在运动调控方面，丘脑底核神经元电活动发生改变是实现精确发起和停止运动的基础，特别是提出基底神经节“中心-环绕”功能模型及“超直接”通路后，使人们对锥体外系运动控制功能的认识得到进一步补充和完善。

二、下丘脑

（一）概述

下丘脑（hypothalamus）又称为丘脑下部，主要位于背侧丘脑的前下方，由第三脑室周围的灰质组成，构成第三脑室侧壁的下份和底壁，后上方借下丘脑沟与背侧丘脑为界，其前端达室间孔与侧脑室相通，后端与中脑被盖相续。从脑底面观察，终板和视交叉居前部，向后依次为视束、灰结节和乳头体。灰结节向前下方形成中空的圆锥状部分称漏斗，灰结节与漏斗移行部的上端膨大成正中隆起；漏斗下端与垂体相连。下丘脑虽然体积很小，仅占全脑重量的0.3%左右，但其神经纤维之间的联系却是广泛而又复杂的，下丘脑与基底核、脑干、边缘系统、丘脑及大脑皮层之间均有着密切的纤维联系。

当下丘脑损害时，会出现以下一系列十分复杂的症状和综合征：①体温调节障碍。当下丘脑的散热和产热中枢损害时可产生体温调节障碍。例如前内侧区为散热中枢，尤其是视前区，对体温的升高十分敏感。正常机体中，当体温增高时散热功能被发动，表现为大量出汗和表皮血管扩张、继而通过热辐射和汗液的蒸发带走多余的热量以维持正常体温。如此区病变破坏了散热机制，则可表现体温过高。②中枢性尿崩症。此症表现为多饮、烦渴、多尿、尿比重降低、尿渗透压低于290mmol/L，尿中不含糖，是由于视上核和视旁核及其纤维束损害导致抗利尿激素分泌不足所致。③睡眠觉醒障碍。下丘脑视前区与后区网状结构损害可产生睡眠觉醒障碍。研究表明，下丘脑视前区与睡眠有关，此区损害可出现失眠。下丘脑后区属网状结构的一部分，参与上行激活系统的功能，与觉醒有关，损害时可产生睡眠过度、嗜睡、昏迷等。④摄食异常。下丘脑饱食中枢和摄食中枢受损可产生摄食异常。饱食中枢（下丘脑腹内侧核）损害，往往表现为因食欲亢进、食量增大而导致过度肥胖，称下丘脑性肥胖；摄食中枢（下丘脑的外侧区）损害，表现为因缺乏食欲、厌食而导致消瘦甚至恶病质。⑤自主神经功能障碍。下丘脑的后区和前区损害可出现自主神经功能障碍。下丘脑的后区和前区分别为交感神经与副交感神经的高级中枢，受损时可出现心率改变、血压不稳、多汗、腺体分泌障碍及胃肠功能失调等症状，严重时还可出现胃肠功能障碍，有时甚至可导致胃和十二指肠溃疡和出血。⑥生殖与性功能障碍。下丘脑腹内侧核和结节区损害可产生生殖与性功能障碍。性行为抑制中枢位于腹内侧核，病损时可导致机体出现早熟、智力低下等。促性腺中枢位于下丘脑结节区的腹内侧核，受损时导致促性腺激素释放不足，若病损波及相近的调节脂肪代谢的神经结构，常同时可出现肥胖性生殖无能症，表现为性器官发育迟缓、女性原发性闭经、男性睾丸较小、向心性肥胖等病症。

（二）下丘脑的生理解剖结构及功能

解剖学上，下丘脑从前向后分为4区，分别为视前区（位于视交叉前缘）、视上区（位于视交叉上方）、结节区（位于灰结节内及其上方）和乳头体区（位于乳头体内及其上方）。由内向外分为三带：室周带（位于第三脑室室管膜下的薄层灰质）、内侧带和外侧带（以穹隆柱和乳头丘脑束分界）。下丘脑主要核团包括位于视上区的视交叉上核/室旁核和视上核等；位于结节区的漏斗核（哺乳动物又称弓状核）、背内侧核和腹内侧核等；位于乳头体区的乳头体核和下丘脑后核。下丘脑的纤维联系作为内脏活动的高级调控中枢，与中枢神经系统其他部位有着复杂的纤维联系，主要包括：①与垂体的联系，由视上核和室旁核合成分泌的抗利尿激素、ADH和催产素经视上垂体束投射到神经垂体，在此贮存并在需要时释放入血液；由漏斗核及邻近室周区合成分泌的多种激素释放因子或抑制因子经结节漏斗束，投射到垂体门脉系统，调控腺垂体的内分泌功能。②与边缘系统的联系，通过穹隆将海马结构和乳头体核相联系；经前脑内侧束将隔区、下丘脑（横贯下丘脑外侧区）和中脑被盖相联系；借终纹将隔区、下丘脑和杏仁体相联系。③与丘脑、脑干和脊髓的联系，分别通过乳头丘脑束、乳头被盖束、背侧纵束。脑脊髓束与丘脑前核、中脑被盖、脑干副交感核、脊髓的侧角（交感节前神经元和脊髓的副交感节前神经元）相联系。

下丘脑虽然体积很小，却有着很强大的生理功能。下丘脑是调节内分泌活动和内脏活动的主要神经中枢，其中的一些细胞既是神经细胞又是内分泌细胞。因此它不仅参与神经-内分泌的调控，又参与内脏活动的高级调节，对调节机体的摄食、水盐、体温、内分泌活动、情绪活动等平衡均发挥着重要的作用。其主要功能可以分为以下几类：①神经-内分泌的调节。下丘脑是脑控制内分泌的重要结构，通过其功能性轴系将神经调节与激素调节融为一体。这些功能性轴系主要包括下丘脑垂体-甲状腺轴系、下丘脑-垂体性腺轴系和下丘脑-垂体肾上腺轴系。这些轴系的概念有助于临床对某些疾病的诊断和鉴别诊断。例如突眼的患者可能为下丘脑-垂体-甲状腺轴系病变，作为医生应考虑到甲状腺、垂体、下丘脑的病变均可导致突眼。②自主神经的调节。下丘脑是调节交感与副交感活动的主要皮质下中枢。副交感神经系统受下丘脑前区内侧调节，交感神经系统受下丘脑后区外侧调节，通过背侧纵束和下丘脑脊髓束调控脑干和脊髓的自主神经活动。③体温的调节。下丘脑前区（含前核）和后区（含后核）中分别具有热敏神经元和冷敏神经元，前者对体温升高敏感，若体温升高，会启动机体的散热机制，导致排汗、骨骼肌舒张、表皮血管扩张在内的一系列生理变化，若此区受损，可导致中枢性高热。后者对体温降低敏感，若体温下降，会启动机体的产热机制，产生包括停止出汗、骨骼肌战栗、表皮血管收缩在内的一系列生理变化。此区受损，可导致变温症（体温随环境改变）。④摄食行为的调节。下丘脑腹内侧核为机体的饱食中枢，下丘脑外侧部为机体的摄食中枢。若前者损毁会因过度饮食而导致肥胖，后者损毁会因厌食而导致过度消瘦。⑤昼夜节律的调节。下丘脑的视交叉上核接受来自视网膜的传入，通过下丘脑的下行通路达脊髓的交感神经低级中枢，再经交感神经颈上神经节的节后纤维随颈内动脉的分支达上丘脑的松果体，控制褪黑素的分泌，从而调节机体昼夜节律的变化。⑥情绪活动的调节。有研究表明，下丘脑参与情感、学习与记忆等脑的高级神经/精神活动。

（三）下丘脑的功能解剖学

迄今为止，人类对于如何调控睡眠-觉醒的中枢神经机制仍未被彻底阐明，但目前人类已经发现下丘脑腹外侧视前区（ventrolateral preoptic area，VLPO）内的γ-氨基丁酸能神经元在睡眠时活性明显增强，因此该区被称之为睡眠核团。近期研究表明，下丘脑外侧区（lateral hypothalamic area，LHA）位于腹侧背盖区（ventral tegmental area，VTA）前方和视前区后方，其中含有多种类型神经元细胞，属于大脑内的多功能核团，主要参与调控机体的摄食、睡眠-觉醒、代谢平衡和奖赏等多种生理功能。并且下丘脑外侧区内的神经元与脑内多个调控睡眠-觉醒的核团比如蓝斑核、丘脑网状核、结节乳头核等之间均存在神经纤维环路的联系。

下丘脑外侧区是包含多种类型神经元细胞的大型下丘脑区域，其内侧与弓状核、内侧核和视前区交界，外侧与视神经束、内囊和丘脑下核的尾部相连。根据其解剖位置主要分为三个区域：结节区（大致位于下丘脑腹内侧）、前区、后区。研究发现，下丘脑外侧区内包含的神经元主要有以下几种类型：食欲素神经元、黑色素浓集激素神经元、谷氨酸能神经元、γ-氨基丁酸能神经元等。以下就下丘脑外侧区中调节睡眠-觉醒的神经元进行阐述。

1.Orexin神经元

Orexin神经元主要集中在下丘脑外侧区的穹状缘（PeF）区域。Orexin又称食欲素，是一种主要由下丘脑分泌的神经肽类物质，又称为下视丘分泌素。在大脑中广泛分布着两种类型的食欲素受体，分别是Orexin 1和2受体（OX1R和OX2R），因此在下丘脑外侧区内分布的食欲素神经元对脊髓甚至整个大脑均存在广泛的神经纤维投射。在临床中发现，患者的下丘脑外侧区神经元受损后，会导致患者出现突然的意识消失，呈现出嗜睡状态。动物实验发现，安静状态下啮齿动物下丘脑外侧区内的食欲素神经元活动性较低，在快速眼动睡眠和非快速眼动睡眠期间几乎没有电活动；在清醒状态下食欲素神经元的活性会明显增加，尤其是在遇见新鲜事物或遭受疼痛刺激时。这些研究结果说明下丘脑外侧区内的食欲素神经元在促进觉醒方面起着重要作用。

在神经环路层面，下丘脑外侧区内的食欲素神经元主要是通过以下两个方面来调节睡眠-觉醒过程的。一方面，下丘脑外侧区内的食欲素神经元接受来自参与睡眠调节的一些神经核团的投射，包括正中视前区（Median preoptic nucleus，MnPO）和下丘脑腹外侧视前区的GABA能神经元的神经纤维投射。研究发现，在睡眠期间，上述两个核团的GABA能神经元活性强烈，尤其是在非快速眼动睡眠期间，使用光遗传学技术激活这两个核团的GABA能神经元时，能有效地抑制下丘脑外侧区内的食欲素神经元的活性，使小鼠从清醒向睡眠状态转换。另一方面，食欲素神经元可以激活其他具有促醒作用的单胺能神经元，包括结节乳头核的组胺能神经元、蓝斑核的去甲肾上腺素能神经元、中缝背核的5-羟色胺能神经元等，目前已有研究发现，这三种类型的神经元均含有食欲素受体，食欲素神经元能对其产生投射并形成神经环路，从而发挥其促醒作用。采用光遗传学技术特异性的激活这些神经环路，可以降低啮齿动物非快速眼动睡眠的快速眼动睡眠的时间。此外，近期有学者发现，下丘脑外侧区内的食欲素神经元还可与丘脑室旁核的谷氨酸能神经元形成环路，从而参与觉醒的维持，当激活这条环路后，小鼠可出现从睡眠到觉醒状态的明显转换。综上所述，下丘脑外侧区内的食欲素神经元是促进觉醒的关键性神经元。

2.黑色素浓集激素神经元

下丘脑外侧区内的黑色素浓集激素（melanin concentrating hormone，MCH）神经元具有调节能量平衡、进食平衡和自主活动等多种生理功能，同时对睡眠-觉醒状态之间的转换也发挥着作用。通过活体动物胞外记录实验发现，黑色素浓集激素阳性神经元在脑内的放电情况与觉醒、快速眼动睡眠和非快速眼动睡眠这三个阶段密切相关：清醒状态时，下丘脑外侧区内的黑色素浓集激素神经元主要处于静息状态；在快速眼动睡眠期间时其放电频率明显增高；而在非快速眼动睡眠期间中仅偶尔放电，表明下丘脑外侧区内的黑色素浓集激素阳性神经元可能在调节快速眼动睡眠期间中起着重要作用。

在神经环路层面，下丘脑外侧区内的黑色素浓集激素神经元调控快速眼动睡眠的下游通路主要有以下三条：分别为结节乳头核的组胺能神经元、内侧隔核神经元、导水管周围腹外侧灰质的GABA能神经元。有研究表明，导水管周围腹外侧灰质的GABA能神经元是快速眼动睡眠的抑制性门控。在双染大鼠的下丘脑外侧区内的黑色素浓集激素神经元的同时，在导水管周围腹外侧灰质处注射逆行示踪剂霍乱毒素b亚单位，发现黑色素浓集激素神经元可以大量投射到导水管周围腹外侧灰质，而且黑色素浓集激素神经元可以通过抑制导水管周围腹外侧灰质的“REM-off”GABA能神经元来触发快速眼动睡眠。此外，研究发现，黑色素浓集激素神经元还能与下游核团结节乳头核的内侧隔核神经元形成神经环路，从而影响睡眠。

3.γ-氨基丁酸能神经元

目前，GABA能神经元在产生和维持睡眠中的作用已被人们广泛接受。有学者在大鼠正常睡眠-觉醒周期时对其下丘脑外侧区神经元进行了电生理记录，发现大量的GABA能神经元分布在下丘脑外侧区，且在非快速眼动睡眠和快速睡眠期间均表现出了很强的神经元活性，尤其是在快速眼动睡眠睡眠期间。同时下丘脑外侧区内的GABA神经元还可以抑制其他参与觉醒的神经元，比如上文所提及的食欲素神经元，从而发挥其促进睡眠的作用。这表明在下丘脑外侧区调控睡眠-觉醒的过程中，GABA能神经元是除了黑色素浓集激素神经元以外的另一种参与睡眠调节的重要神经元。

然而，近期有新的研究发现，下丘脑外侧区的GABA能神经元可以发出投射并明显抑制丘脑网状核的GABA能神经元（一个控制睡眠的核团）。当采用光遗传学技术在小鼠非快速眼动睡眠期间施加刺激，特异性的激活下丘脑外侧区→丘脑网状核环路的GABA能神经元时，可以引起小鼠从非快动眼睡眠期清醒，达到快速觉醒效果。并且发现，在此环路中的GABA能神经元在睡眠期间能表现出自发放电，尤其是当动物从睡眠状态切换到清醒状态时，发现GABA能神经元放电增加。此外，下丘脑外侧区的GABA能神经元除了可以通过投射到丘脑网状核，并抑制该区的睡眠核团从而引起觉醒以外，还可以投射到蓝斑核、丘脑室旁核等觉醒核团，并激活这些核团的神经元从而促进清醒。以上结果表明，内下丘脑外侧区的GABA能神经元对整个睡眠-觉醒系统都产生了影响，不仅能参与睡眠调节过程，还能参与觉醒维持过程。

三、基底前脑

（一）概念

基底前脑（basal forebrain，BF）是指位于大脑半球前端腹侧面和内侧面的一组异质结构，通常包括基底部巨细胞核、内侧隔核、斜角带水平部、斜角带垂直部、无名质区和巨细胞视前区。基底前脑是ARAS和大脑皮层之间相互联系的重要中继站，它一方面将来自丘脑ARAS和脑干的神经信号投射至大脑皮层的广泛区域，另一方面又接受来自大脑皮层的信号转而投射至各个皮层下脑区。其中构成基底前脑的神经元错综复杂，包括胆碱能神经元及非胆碱能神经元，非胆碱能神经元以谷氨酸能神经元和GABA能神经元为主。因此，基底前脑在意识、睡眠-觉醒、体液平衡、昼夜节律、认知、注意力等多个方面都发挥着重要作用。

（二）基底前脑与睡眠-觉醒行为

早期的动物实验研究发现，用药物非特异性损毁大鼠的单侧基底前脑神经元时，大鼠同侧的大脑皮层慢波活动会明显增加，且以delta波（1～4Hz）谱能增强为主，而对侧大脑皮层活动无明显改变。当大面积损坏大鼠基底前脑的几乎所有神经元之后，发现动物在术后的第10天时突然陷入一种“类似昏迷”的状态，且脑电图呈现为单调的低频慢波，以sub-delta波（＜1.0Hz）为主。这些研究结果均表明，当基底前脑功能受损时，动物的觉醒度和觉醒量会降低，说明基底前脑在维持觉醒和昏迷促醒中至关重要。上述提到基底前脑主要由三种不同类型的神经元组成。然而在调节睡眠-觉醒时，有研究发现，三种神经元发挥的作用是不同的，它们之间既相互区别又相互联系。

1.基底前脑胆碱能神经元

目前，在基底前脑的各类神经元之中，对胆碱能神经元的研究最为透彻。研究发现，胆碱能神经元的缺失或损坏与阿尔茨海默病、脑外伤后的认知障碍、失语症以及精神分裂症的阴性症状均有相关，所以即使胆碱能神经元只占基底前脑神经元的少部分（10%～20%），但其在调控睡眠-觉醒环路时极为重要。近年来，随着化学遗传学和光遗传学研究技术的普遍使用，为基底前脑特定类型神经元在促进觉醒方面所发挥作用的研究揭开了新的帷幕。通过光遗传学技术特异性地激活胆碱能神经元，发现可以促进非快速眼动睡眠向觉醒的转变，且在刺激期间觉醒次数明显增加，皮质θ波活性增强而δ波活性被抑制。同样，使用化学遗传学技术特异性激活小鼠基底前脑胆碱能神经元时，小鼠的非快速眼动睡眠和觉醒时相关片段增加，表明小鼠睡眠-觉醒相转换的次数增多；且快速眼动睡眠延迟出现，脑电图显示delta波谱能明显减弱。这些结果均表明激活基底前脑神经元具有促醒作用。此外，有学者使用药物特异性地损毁大鼠基底前脑胆碱能神经元，结果发现胆碱能神经元被损毁后，小鼠短期内非快速眼动睡眠量有所增加，但十几天后仍可恢复至术前水平。此研究结果目前尚存在一些争议，可能与实验过程中注射药物的位置不同或者使用药物的浓度不同有关，导致损毁的胆碱能神经元数目与主要损毁区域之间存在差异所致。

综上所述，基底前脑胆碱能神经元在睡眠-觉醒行为中主要发挥着维持觉醒和昏迷促醒的作用。

2.基底前脑GABA能神经元

基底前脑神经元中约有35%为γ-氨基丁酸能神经元，γ-氨基丁酸是一种抑制性神经递质。GABA能神经元存在多种亚型，主要包括生长激素抑制素阳性神经元、血管活性肠肽阳性神经元、小清蛋白阳性神经元等。动物研究发现，生理性睡眠-觉醒周期时，基底前脑的GABA能神经元放电特性并不完全一致，其中在非快速眼动睡眠期间有28%的神经元呈高频放电，且与皮层delta波成正相关；在快速眼动睡眠期间和觉醒期有36%的神经元呈高频放电，且与皮层gamma波成正相关；剩余36%的神经元主要在快速眼动睡眠期放电最强，且与脑电图的活动成负相关。使用光遗传学技术非特异性地抑制生长激素抑制素阳性神经元之后，发现前额叶皮层的电活动显著增强，而前额叶皮质是控制睡眠-觉醒的关键大脑皮层。同样，当使用光遗传学技术特异性地激活小鼠小清蛋白阳性神经元时，发现小鼠的觉醒量显著增加而非快速眼动睡眠显著减少，且脑电图显示皮层的gamma波活动增强。由此可见，在觉醒期，除了基底前脑胆碱能神经元可释放乙酰胆碱直接兴奋皮层神经元以外，基底前脑皮层投射型GABA能神经元可能释放GABA抑制皮层中间型GABA能神经元的活动，间接发挥维持觉醒和促进觉醒的作用。在非快速眼动睡眠期间，基底前脑处中间型GABA能神经元很有可能是局部GABA水平升高，抑制了附近的皮层投射型GABA能神经元和胆碱能神经元活动，从而使皮层GABA水平升高和乙酰胆碱水平降低，使得皮层活动同步化。

综上所述，基底前脑区的GABA能神经元由于其存在不同的亚型，故在睡眠-觉醒通路中扮演中不同的角色。

3.基底前脑谷氨酸能神经元

基底前脑谷氨酸能神经元约占基底前脑神经元的55%。迄今为止，相较于基底前脑区的GABA和胆碱能神经元，对谷氨酸能神经元的研究较少。最新研究结果表明，使用光遗传学技术特异性地激活小鼠的基底前脑谷氨酸能神经元后，可以使小鼠从非快速眼动睡眠期直接进入觉醒期，并可使动物的觉醒量增多而非快速眼动睡眠减少。而当使用化学遗传学技术特异性地激活小鼠谷氨酸能神经元时发现，小鼠的非快速眼动睡眠期间的beta波和delta波谱能减弱，而对其睡眠觉醒的量没有显著改变。这两种实验结果的差异可能与实验方法不同有关，也可能因为对基底前脑的定位不够统一，使得被激活的谷氨酸能神经元分布存在差异。此外，基底前脑谷氨酸能神经元对其附近的GABA能神经元以及胆碱能神经元具有兴奋作用，其很有可能就是“兴奋的中转站”，通过激活其他类型的神经元来发挥作用。

（三）总结

基底前脑作为大脑网状上行系统中的重要一站，不仅与大脑的其他核团具有广泛联系，而且其内部的多种神经元之间也存在着复杂的微环路结构。目前认为这三种类型的基底前脑神经元的促醒顺序可概括为：谷氨酸能神经元→胆碱能神经元→小清蛋白/GABA神经元，且均能被生长激素抑制素/GABA能神经元所抑制。因此，探明基底前脑区各类神经元在睡眠-觉醒行为中所发挥的作用，以及它们之间的调控机制，不仅有助于研究核团内部神经微环路的作用及机制，而且对理解认知与意识的形成基础、相关功能障碍的产生机制和睡眠-觉醒环路的调控机制均有重要的意义。但目前为止，对基底前脑调控皮质的研究主要在啮齿动物中进行，针对哺乳动物的研究甚少，遂需未来的进一步研究。

四、脑叶

（一）概念

大脑是人体的高级指挥中心，大脑皮层覆盖在大脑半球（cerebral hemisphere）的表面，双侧大脑半球由胼胝体相连接。两侧的大脑半球所支配的功能不完全对称，按功能可分为非优势半球和优势半球，非优势半球多位于右侧，主要在美术、音乐、视觉记忆功能、识别人物面容、空间和几何图形等方面发挥优势。优势半球多位于左侧，主要在逻辑思维、语言能力、分析综合及计算功能等方面发挥优势。其中任何一部分受损均可产生不同的临床症状。

解剖学上显示，在脑表面有脑回和脑沟，内部有白质、侧脑室和基底核。双侧的大脑半球借大脑外侧裂和其延长线、顶枕沟和枕前切迹的连线以及中央沟将脑组织分为额叶、顶叶、颞叶和枕叶。此外，大脑还包括位于大脑外侧裂深部的岛叶和位于半球内侧面的边缘系统，边缘系统包括杏仁核、边缘叶、丘脑前核和下丘脑等。一般认为完整的上行网状激活系统-丘脑-皮质和皮质-皮质环路是意识存在的必要条件。其中由额叶、枕叶皮质和中央丘脑组成的神经环路在该网络中起着关键作用，严重的颅脑损伤时会影响该环路的调节功能，最终导致患者出现严重而持续的意识障碍。

（二）各脑叶的解剖结构与功能

1.额叶

额叶（frontal lobe）是大脑半球主要的功能区之一，约占大脑半球表面的前1/3，主要位于中央沟前方和外侧裂上方。解剖学上显示，其外侧面以中央沟与顶叶为分界，内侧面以扣带沟与扣带回为界，底面以外侧裂与颞叶为界，前端为额极。额叶主要参与人体的语言、精神、智能活动和随意运动等方面。在临床上额叶脑挫裂伤是一种最常见的颅脑损伤类型，多由脑组织碰撞地面及在颅腔内滑动造成的对冲伤所致，伤后临床症状表现不一。特别是双侧额叶均损伤时，患者在早期即可出现明显的精神、情感、智能障碍，严重时可出现精神萎靡、嗜睡状，当合并轴索损伤时甚至可导致昏迷。

额叶功能区主要包括五个：①皮质运动区。位于中央前回，该区的大锥体神经元的轴突构成了锥体束的大部分，主要支配对侧肢体的随意运动。②运动前区。位于皮质运动区的前方，发出神经纤维投射至丘脑、红核和基底核等处，是锥体外系的皮质中枢，主要与姿势的调节和联合运动有关。此外，该区发出的额桥小脑束支配着共济运动。③书写中枢。主要位于优势半球的额中回后部，相邻于支配手部运动的皮质运动区。④皮质侧视中枢。主要位于额中回后部，控制着双眼同向的侧视运动。⑤运动性语言中枢（Broca区）。主要位于额下回后部的交界三角区以及优势半球的外侧裂上方，支配着人体的语言运动。⑥额叶前部。具有广泛的联络神经纤维，与判断、记忆、思维、情感和冲动行为有关。因此，当不同部位受到损伤时，会导致不同程度和类型的功能障碍。

2.顶叶

顶叶（parietal lobe）是位于顶枕沟前、中央沟后和外侧裂延线上方的脑叶。解剖学上前面以中央沟与额叶为界，后面以枕前切迹和顶枕沟的连线与枕叶为界，下面以外侧裂与颞叶为界。中央后回后面横行的顶间沟将顶叶分为顶上小叶和顶下小叶。顶叶功能区主要包括三个：①运动中枢。优势半球缘上回是主要的运动中枢，参与形成人体的劳动技巧和复杂运动。②皮质感觉区。实体觉和触觉的皮质中枢主要位于顶上小叶，深浅感觉的皮质中枢主要位于中央后回，分别接受着来自对侧肢体的深浅感觉信号。③视觉性语言中枢。主要位于角回，又称为阅读中枢，主要是参与理解符号和文字的皮质中枢。因此，当各种神经系统疾病导致顶叶受损时，会产生皮质性的感觉功能障碍、失认和失用症等。

3.颞叶

颞叶（temporal lobe）主要位于顶枕沟的前方和外侧裂的下方。解剖学上颞极位于颞叶的前端，与外侧裂平行的颞上沟位于外侧面，颞下沟位于底面，两沟将颞叶分为了颞上回、颞中回和颞下回。其中颞上回的一部分在外侧裂当中，称为颞横回。颞叶功能区主要包括5个：①听觉中枢。主要位于颞横回以及颞上回的中部。②嗅觉中枢。接受着双侧嗅觉神经纤维的传入，将嗅觉信息处理后投射至相应的大脑皮层，主要位于海马回前部和钩回。③感觉性语言中枢（Wernicke区）。主要位于优势半球的颞上回后部。④颞叶内侧面。海马区是其中的重要结构，主要参与人体的精神、记忆、行为和内脏功能，属于边缘系统的一部分。⑤颞叶前部。主要参与人体联想、记忆和比较等高级的神经活动。当各种神经系统疾病导致颞叶受损时，可能会出现辨认的障碍、听觉方面的障碍及整合功能性的障碍等。

4.枕叶

枕叶（occipital lobe）是大脑半球后部的小部分脑组织，主要位于枕前切迹与顶枕沟连线的后方。距状裂将枕叶的内侧面分为舌回和楔回，枕叶的后端为枕极。枕叶主要参与人体的视觉形成，上部视网膜传来的神经冲动主要投射至距状裂上方的视觉皮质，下部视网膜传来的神经冲动主要投射至距状裂下方的视觉皮质，外侧膝状体的视网膜视觉神经冲动主要投射至围绕距状裂的视觉皮质。颅脑损伤时一旦枕叶受损，将导致不同程度的视觉障碍。

5.岛叶

岛叶（insular lobe）又称脑岛（insular），被额、顶、颞叶所覆盖，主要位于外侧裂的深面，参与人体内脏的感觉与运动。刺激岛叶可引起内脏运动的改变，如增加唾液分泌增加、增加胃肠饱胀感和蠕动感、产生恶心、呕逆等。因此脑损伤时，若岛叶受损，会导致内脏的感觉和运动发生障碍。

6.边缘叶

边缘叶（limbic lobe）由大脑半球内侧面位于侧脑室下角底壁和胼胝体周围的圆弧形结构组成，包括扣带回、隔区、海马回、海马旁回和钩回。边缘叶还与丘脑前核、中脑被盖、下丘脑、岛叶前部、额叶眶面、杏仁核等结构共同组成边缘系统。而边缘系统与大脑皮层和网状结构都有着广泛的联系，主要参与调节精神、情绪、记忆、高级神经和内脏的活动。当颅脑损伤导致边缘系统受损时，患者可出现行为异常、记忆障碍、反应迟钝等精神及内脏的活动障碍。

（三）各脑叶损伤与意识障碍的相关性

近年来，为改善意识障碍患者的生存及预后，对患者进行脑功能评估以及相关脑网络的研究成为神经康复领域的热门方向。使用正电子发射断层显像技术研究各脑叶损伤与意识障碍患者之间可能存在的相关性，结果发现意识障碍患者各脑组织的代谢水平均显著下降，但各部位下降的幅度并不均匀，研究认为，在颞顶连接处、双侧额叶、额叶内侧、顶叶后、后扣带回、楔前叶等部位下降的更加显著。但也有研究显示，创伤性颅脑损伤患者出现睡眠障碍，通常与脑干、额叶、基底节等部位的损伤关系密切，而与顶叶、枕叶、颞叶、小脑损伤无明显的相关性。针对颅脑损伤部位与意识障碍发生概率的相关性这一问题目前尚未定论，需进一步研究。