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神經解剖學是對神經系統的結構和組織的研究。與輻射對稱動物（其神經系統由散布的細胞網絡組成）相反，兩側對稱動物具有分離並明確的神經系統。因此，它們的神經解剖學得到了更好的理解。在脊椎動物中，神經系統分為大腦和脊髓的內部結構（統稱為中樞神經系統，或CNS）以及連接到身體其餘部分的神經路徑（稱為外圍神經系統，或PNS）。區別神經系統不同的構造和區域對於研究其工作原理至關重要。例如，神經科學家學到的很多東西都來自觀察特定大腦區域的損傷或「病變」如何影響行為或其他神經功能。
有關非人類動物神經系統組成的資訊，請參見神經系統。有關智人神經系統典型結構的資訊，請參見人腦或周圍神經系統。本文討論與神經解剖學研究有關的資訊。
關於人類大腦解剖學研究的第一個已知書面記錄是古埃及文獻Edwin Smith Papyrus 。 [1]神經解剖學的下一個重大發展來自希臘的Alcmaeon，他確定大腦而不是心臟統治著身體，並且感覺依賴於大腦。 [2]
在Alcmaeon的發現之後，來自世界各地的許多科學家，哲學家和醫師繼續為神經解剖學的理解做出貢獻，特別是Galen，Herophilus，Rhazes和Erasistratus。亞歷山大的赫羅菲羅斯和埃拉西斯特拉特斯可能是最有影響力的希臘神經科學家，他們的研究涉及解剖大腦。 [2]此後的數百年中，隨著解剖學的文化禁忌，神經科學方面沒有發生重大進展。但是，教皇Sixtus IV通過改變教皇政策並允許人解剖，有效地振興了神經解剖學研究。這導致了文藝復興時期的藝術家和科學家在神經解剖學方面的研究熱潮。 [3]
1664年，牛津大學的醫師兼教授托馬斯·威利斯（ Thomas Willis）在發表其著作《腦解剖學》（Cerebri anatome）時創造了「神經病學」一詞，這被認為是神經解剖學的基礎。 [4]隨後的三百五十年，產生了大量有關神經系統的文獻和研究。
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在組織層級，神經系統由神經元，神經膠質細胞和細胞外基質組成。神經元和神經膠質細胞都有許多類型（例如，參見成人體內不同細胞類型列表中的神經系統部分）。神經元是神經系統的資訊處理細胞：它們感知我們的環境，通過電信號和稱為神經傳導物的化學物質相互交流，這些化學物質通常跨突觸起作用（兩個神經元之間或神經元與肌肉細胞之間的緊密接觸；注意突觸外作用也是可能的，如神經傳導物釋放到神經細胞外空間），並產生我們的記憶，思想和動作。膠質細胞維持動態平衡，產生髓磷脂（少突膠質細胞） ，並為大腦的神經元提供支持和保護。一些神經膠質細胞（星形膠質細胞）甚至可以響應刺激而在遠距離傳播細胞間鈣波，並響應鈣濃度的變化釋放神經膠細胞傳導物。大腦中的傷口疤痕主要含有星形膠質細胞。細胞外基質還在分子層級上為大腦細胞提供了支持，協助運輸進入和流出血管的物質。
在器官層級，神經系統由大腦區域組成，例如哺乳動物的海馬體或果蠅的蕈形體。 [5]這些區域通常是模組化的，在神經系統的一般系統性途徑中起特定作用。例如，海馬對於形成與許多其他大腦區域有關的記憶至關重要。外周神經系統中還含有傳入或傳出的神經，源自腦和脊髓，或感覺及運動周圍神經節，和支配身體各部分的分支纖維束。神經主要由神經元的軸突或樹突組成（訊號若從神經纖維傳出為軸突；若從神經纖維傳入則為樹突），以及將它們包裹並在周圍分離成神經束的各種神經束膜。
脊椎動物的神經系統分為中樞神經系統和周圍神經系統。中樞神經系統（CNS）由大腦，視網膜和脊髓組成，而外圍神經系統（PNS）由CNS外部的所有神經和神經節（由外圍神經元集結而成）組成，並將CNS連接到身體其餘部分。 PNS進一步細分為軀體神經系統和自主神經系統。軀體神經系統由感覺神經元和運動神經元組成，感覺神經元將來自身體感覺器官的資訊傳遞給中樞神經系統，而運動神經元則將運動指令傳遞到身體的隨意肌。自主神經系統無論有無中樞神經系統控制皆可工作（這就是為什麼被稱為「自主」），並且還具有兩個細分，稱為交感神經和副交感神經，其將運動指令傳遞到人體的基本內部器官非常重要，並控制心跳，呼吸，消化和流涎等功能。自主神經與體神經不同，僅包含傳出纖維。來自內臟的感覺信號通過軀體感覺神經（例如內臟疼痛）或某些特定的顱神經（例如化學敏感或機械信號）進入中樞神經系統。
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在一般的解剖結構中，尤其是在神經解剖學中，使用了幾組地形學術語來表示方向和位置，通常指身體或腦軸（參見位置解剖學術語）。人們常錯誤地認為中樞神經系統的軸或多或少是筆直的，但實際上它總是顯示出兩個腹側彎曲（子宮頸和顱彎曲）和背側彎曲（橋腦彎曲），這都是由於胚胎發生過程中的不同生長所致。在神經解剖學中最常用的術語對是：
- 背側與腹側：背側是指上側，以大腦頂板為代表；腹側是指下側，以大腦底板為代表。這些描述方式最初用於身體的背部和腹部，大多數動物的腹部都朝向地面；人類的直立姿勢使我們的腹側靠前，而背側則向後移動。因此，通常將那些靠近顱骨底部並通過顱骨到達口腔的大腦部分稱為腹側（即如上所定義的在其底部或下側），而背側部分則更靠近封閉的顱骨穹頂。提及大腦的頂板和底板較不容易混淆，這也使我們留意到上面提到的軸向彎曲。因此，背側和腹側是大腦中的相對位置，其確切含義取決於構造的特定位置。
- 頭側和尾側：頭側一般是指身體的前部（朝鼻子，拉丁語為rostrum），而尾側是指身體的尾端（朝著尾巴；拉丁語為cauda ）。大腦的前後位置與其長軸相對應，從脊髓的尾尖到大致在視神經交叉處的脊髓頭端。在直立的人中，方向術語「上」和「下」本質上是指這個頭尾相對位置，因為我們的身體和腦軸在直立位置大致垂直。但是，所有脊椎動物的神經管腹側彎曲都非常明顯，在成年的中樞神經系統中仍可檢測到，稱為顱彎曲。其在前腦與腦幹和脊髓（通常為垂直的軸，但包含在腦橋和子宮頸彎處的小彎曲）之間的過渡處，相對於尾側以180度角彎曲CNS的頭側部分。這些軸的彎曲變化讓描述大腦中的相對位置和切面時產生問題。有大量文獻錯誤地忽略了軸彎曲，並假設大腦軸相對筆直。
- 內側和外側：內側是指靠近或相對靠近中線；外側則相反，指與中線相對遠離的位置。
請注意，此類描述術語（背側/腹側，頭側/尾側；內側/外側）是相對的，而不是絕對的（例如，外側結構可以說位於內側，而其他部位甚至位於外側）。
神經解剖學中用於方向平面或截面平面的常用術語是「矢狀面」，「橫斷面」或「冠狀面」以及「軸向面」或「水平面」。同樣，在這種情況下，水生，爬行或四足動物的情況與人類或其他直立物種的情況有所不同，這是由於軸的位置發生了變化。由於大腦的軸向彎曲，沒有一個截平面能夠在選定平面上獲得完整的一系列截面，因為某些截面不可避免地會在穿過彎曲結構時產生傾斜甚至垂直於其的切口。透過實驗能辨別所需切割的部分。
- 正中矢狀面將身體和大腦分成左右兩半。通常矢狀面平行於該中間平面，沿內側-外側移動。矢狀的詞源是指顱骨中左頂骨和右頂骨之間被稱為矢狀縫的中縫，因為它看起來像是由其他頭蓋骨縫匯集而成的箭頭（拉丁文為sagitta）。
- 原則上，與任何長軸正交的截面為橫向（例如，手指或脊椎骨的橫截面）;如果沒有長軸，則無法定義此類截面，或者存在無限可能。 因此，脊椎動物的橫斷面平行於肋骨，而橫斷面與脊椎骨正交，脊椎骨代表動物和人的體軸。 大腦還具有一個固有的縱軸，也就是原始細長神經管的縱軸，其隨人的直立姿勢在很大程度上垂直，除其頭側外與人體軸類似。 這說明脊髓橫切面與我們的肋骨或地面大致平行。 但是，這僅適用於脊髓和腦幹，因為在早期形態發生過程中，神經軸的前腦末端彎曲，並在其處終止。 正確橫截面的方向因此發生變化，不再平行於肋骨和地面，而是垂直於肋骨和地面。 對這種大腦型態特殊性的認識不足（其毫無例外地存在於所有脊椎動物的大腦中）導致了對前腦部分的錯誤思考。 認識到頭側橫截面的特殊性後，傳統上引入了一個不同的描述詞，即冠狀面。 冠狀面將前腦劃分為前部與尾部，從而形成一系列與局部彎曲軸正交的截面。 由於冠狀面在腦幹和脊髓變得與軸向平行，該概念無法有效地應用於此。 在任何情況下，冠狀面的概念都不如橫斷面精確，因為冠狀面經常在切面並不真正垂直於腦軸的情況被使用。 該術語詞源與顱骨的冠狀縫有關，其位於戴上王冠的位置（拉丁文為corona）。
- 現代認為，橫跨人類頭部和大腦的冠狀面與面部平行（國王的王冠位於其頭部的平面並不完全與面部平行，並且將此概念應用在臉型與人類差異大的動物身上顯然更具衝突性，但其隱含了 顱骨冠狀縫的意涵，其在額骨和顳/頂骨之間形成，形成了一條大致平行於面部的縫）因此，冠狀面實際上僅指可戴上冠冕的頭部和大腦，而不會指下面的頸部和身體。
- 根據定義，水平截面與地平線平行。 在水生，爬行和四足動物中，體軸本身是水平的，因此，水平截面沿脊髓方向延伸，使腹側和背側部分分開。 水平截面與橫斷面和矢狀面均正交，並且理論上平行於體軸。 由於大腦（前腦）的軸向彎曲，該區域中的真實水平截面與冠狀面正交。
根據這些考慮，空間的三個方向可以精確地由矢狀，橫斷和水平面表示，而冠狀面可以是橫斷，斜交或水平的，這取決於它們與腦軸及其彎曲的關係。
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神經解剖學的現代發展與進行研究的技術直接相關。因此，有必要討論可用的各種工具。用於研究其他組織的許多組織學技術也可以應用於神經系統，但是已經開發了一些技術，專門用於神經解剖學的研究。
在生物系統中，染色是一種用於增強顯微圖像中特定特徵對比度的技術。
尼氏染色法使用苯胺鹼性染料對粗糙內質網中的酸性多核糖體進行強烈染色，神經元富含該種內質網。這使研究人員能夠區分神經系統細胞結構各個區域中的不同細胞類型（例如神經元和神經膠細胞）以及神經元的形狀和大小。
經典的高爾基氏染色法使用二鉻酸鉀和硝酸銀選擇性地在一些神經細胞產生鉻酸銀沉澱（神經元或神經膠細胞，但原則上任何細胞都可以類似地反應）。這種所謂的鉻酸銀浸漬程序可將部分神經元的細胞體和神經突（樹突，軸突）染成棕色和黑色，從而使研究人員能夠追蹤到神經組織切片中最薄的末端分支的路徑。此種染色方式優點是大多數周圍細胞不會被染色因而維持透明。現代，高爾基氏染料已被用於電子顯微鏡，觀察染色過程中的細胞本體和細胞體周圍的未染色部分，從而增加了分辨力。
組織化學利用有關大腦化學成分（主要包括酶）的生化反應特性的知識來應用選擇性反應方法，以可視化它們在大腦中發生的位置以及任何功能或病理變化。這適用於與神經遞質產生和代謝有關的分子，但同樣適用於化學構築或化學神經解剖學的許多其他方向。
免疫細胞化學是組織化學的一種特殊情況，它使用針對神經系統各種抗原決定位的選擇性抗體來選擇性染色特定的細胞類型，軸突，神經纖維，神經膠細胞或血管，或特定的胞質內或核內蛋白和其他免疫原分子，例如神經遞質。這極大地提高了研究人員區分神經系統各個區域中不同細胞類型（例如神經元和神經膠細胞）的能力。
原位雜交使用合成的RNA探針，該探針選擇性地附著（雜交）到細胞質中DNA外顯子轉錄的互補mRNA上，以觀察基因組讀數，即根據mRNA而不是蛋白質區分活性基因的表達。這允許組織學上（原位）鑑定參與遺傳編碼分子生產的細胞，這些分子通常代表分化或功能性狀，以及分隔不同腦區或細胞群的分子邊界。
通過在大腦中表現不同數量的紅色，綠色和藍色螢光蛋白，所謂的「腦弓」突變小鼠可以對神經元中許多不同顏色進行組合可視化。這可以標記具有足夠獨特顏色的神經元，從而通常可以通過螢光顯微鏡將它們與鄰居區分開來，從而使研究人員能夠繪製神經元之間的局部連接或相互排列（平鋪）。
光遺傳學使用由轉殖基因組成並具備位點特異性表達的關閉標記（通常在小鼠中），可以通過光束照射選擇性活化。這使研究人員能夠以識別度非常高的方式研究神經系統中的軸突連接。
磁共振成像已廣泛用於非侵入性地研究健康人類受試者的腦結構（擴散磁振造影）和功能（功能性磁共振成像）。一個重要的例子是擴散張量成像，其依靠水在組織中的受限擴散來產生軸突圖像。尤其水沿著與軸突對齊的方向會移動更快，從而可以推斷其結構。
某些病毒可以在腦細胞中複製並穿過突觸。因此，經過修飾以表達標記物（例如螢光蛋白）的病毒可用於追蹤多個大腦區域之間突觸的連通性。 [6]跨神經元/突觸複製和傳播的兩種示蹤病毒分別為單純疱疹病毒1型（HSV） [7]和彈狀病毒。 [8]單純疱疹病毒被用來追蹤大腦和胃之間的連接，以檢查與內臟感覺過程有關的大腦區域。 [9]另一項研究將單純疱疹病毒注入眼睛，從而使從視網膜到視覺系統的光路可視化。 [10]從突觸複製到體細胞的示蹤病毒的一個例子是偽狂犬病病毒。 [11]雙重感染模型透過使用帶有不同螢光基因的偽狂犬病病毒可以解析複雜的突觸結構。 [12]
軸突運輸方法使用多種染料（或多或少地被神經元或其過程所吸收）（辣根過氧化物酶變體，螢光或放射性標記，凝集素，右旋糖酐）。這些分子被選擇性順行運輸（從體細胞到軸突末端）或逆行地運輸（從軸突末端到體細胞），從而提供了大腦中主要和間接連接的證據。這些「生理學」方法（由於使用了活的，未損傷的細胞的特性）可以與其他方法結合使用，並且基本上取代了先前研究損傷神經元或軸突變性的早期方法。詳細的突觸連接可以通過電子顯微鏡確定。
序列截面電子顯微鏡已被廣泛開發用於研究神經系統。例如，序列塊面掃描電子顯微鏡的首次應用是在齧齒動物的皮質組織上。 [13]用這種高通量方法產生的數據進行電路重構具有挑戰性，並且開發了大眾科學遊戲EyeWire來輔助該領域的研究。
是一個利用各種成像方式和計算技術來對正常和臨床人群中神經解剖結構的時空動態進行建模和量化的領域。
除人腦外，還有許多其他動物的大腦和神經系統已作為模型系統得到廣泛研究，包括小鼠，斑馬魚， [14]果蠅， [15]和秀麗隱杆線蟲。每組系統都有其自身的優點和缺點。例如，每個秀麗隱杆線蟲的神經系統同質性都很高，這使研究人員可以使用電子顯微鏡來繪製該物種中所有大約300個神經元的路徑和連接。果蠅被用來進行廣泛的研究，部分原因是果蠅的遺傳資訊得到了很好的理解並且易於操縱。使用小鼠是因為作為哺乳動物，它的大腦與我們的大腦在結構上更加相似（例如，它具有六層皮質，但是其基因很容易被修飾，並且其繁殖周期相對較快）。
在某些物種中大腦小而簡單如線蟲，其身體構造非常簡單：一根具中空腸腔的管子從嘴延伸到肛門。神經索在每個身體部分都有一個膨大的神經節，在頭部有一個特別大的神經節稱為大腦。由於秀麗隱杆線蟲在遺傳學中的重要性，因此對其進行了研究。 [16]在1970年代初，雪梨布倫納（ Sydney Brenner）選擇它作為模型系統來研究基因控制發育的方式，包括神經元發育。使用該線蟲的一個優點是，雌雄同體的神經系統恰好包含302個神經元，並始終位於相同的位置，因此在每個個體中都具有相同的突觸連接。 [17]布倫納的團隊將線蟲切成數千個超薄切片，並在電子顯微鏡下對每個切片進行拍照，然後配對每個切片的纖維，以繪製出整個身體中每個神經元和突觸的圖，從而形成完整的線蟲連接組。 [18]任何其他生物都無法獲得這麼詳細的資訊，並且該資訊已用於進行大量的研究。 [19]
果蠅（Drosophila melanogaster）是一種流行的實驗動物，因為它很容易從野外大規模培養，繁殖所需時間短，並且容易獲得突變型。
節肢動物的大腦中央有三個部分，每隻眼睛後面都有大的視瓣，用於視覺處理。果蠅的大腦包含數百萬個突觸，而人腦中至少有1000億個突觸。果蠅的大腦約有三分之二專用於視覺處理。
托馬斯·亨特·摩根（Thomas Hunt Morgan）於1906年開始以果蠅進行研究，這項工作為他贏得了1933年諾貝爾醫學獎，因為他發現染色體為基因的遺傳載體。由於有大量工具可用於研究果蠅遺傳學，它們已成為研究基因在神經系統中作用的重要對象。 [20]其基因組已測序並於2000年發表。大約75％的已知人類疾病基因在果蠅的基因組中具有可識別的匹配。果蠅被用作幾種人類神經系統疾病的遺傳模型，包括帕金森氏症，亨丁頓舞蹈症，小腦萎縮症和阿茲海默症等神經退化性疾病。儘管昆蟲與哺乳動物之間的演化差距很大，但果蠅神經遺傳學的許多基本方面已證明與人類有關。例如，通過檢查日常活動周期被破壞的突變體，發現了第一個生物鐘基因。 [21]
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