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在中枢神经系统中，突触传递最重要的方式是神经化学传递。神经递质由突触前膜释放后立即与相应的突触后膜受体结合，产生突触去极化电位或超极化电位，导致突触后神经兴奋性升高或降低。神经递质的作用可通过两个途径中止：一是再回收抑制，即通过突触前载体的作用将突触间隙中多余的神经递质回收至突触前神经元并贮存于囊泡；二是酶解。
人体脑内的神经递质可分为四类，即生物原胺类、氨基酸类、肽类和其他类。生物原胺类神经递质是最先发现的一类，包括：多巴胺（DA）、去甲肾上腺素（NE）、肾上腺素（E）、5-羟色胺（5-HT，也称血清素）。氨基酸类神经递质包括：γ-氨基丁酸（GABA）、甘氨酸、谷氨酸、组胺、乙酰胆碱（Ach）。肽类神经递质分为：内源性阿片肽、P物质、神经加压素、胆囊收缩素（CCK）、生长抑素、血管加压素和缩宫素、神经肽y。其他神经递质分为：核苷酸类、花生酸碱、阿南德酰胺、sigma受体（σ受体）。其他类如一氧化氮，也被普遍认为是神经递质，它不以胞吐的方式释放，而是凭借其溶脂性穿过细胞膜，通过化学反应发挥作用并灭活。在突触可塑性变化、长时程增强效应中起到逆行信使的作用。
正常值：-10～+10
色氨酸经色氨酸羟化酶催化首先生成5-羟色氨酸，再经5-羟色氨酸脱羧酶催化成5-羟色胺。5-羟色胺最早是从血清中发现的，又名血清素，广泛存在于哺乳动物组织中，特别在大脑皮层质及神经突触内含量很高，它也是一种抑制性神经递质。在外周组织，5-羟色胺是一种强血管收缩剂和平滑肌收缩刺激剂。在体内，5-羟色胺可以经单胺氧化酶催化成5-羟色醛以及5-羟吲哚乙酸而随尿液排出体外。
五羟色胺主要负责在神经元之间传递信息，对心情、情绪、睡眠和食欲等均有调节作用，可参与多种生理功能及病理状态的调节，例如睡眠、摄食、体温、精神、情感等。
五羟色胺增高，常见腹腔类癌变，并伴有肝、肺脏转移、畸胎瘤和其他恶性肿瘤。
五羟色胺降低，常见唐氏综合征、苯丙酮尿症、各种原因所致的血小板减少性疾病和流行性出血热等。唐氏综合征即21-三体综合征，又称先天愚型或Down综合征，是由染色体异常（多了一条21号染色体）而导致的疾病。苯丙酮尿症（PKU）则是一种常见的氨基酸代谢病，是由于苯丙氨酸（PA）代谢途径中的酶缺陷，使得苯丙氨酸不能转变成为酪氨酸，导致苯丙氨酸及其酮酸蓄积，并从尿中大量排出，主要临床特征为智力低下、精神神经症状、湿疹、皮肤抓痕征及色素脱失和鼠气味等，脑电图异常。
正常值：≤+10
多巴胺是一种用来帮助细胞传送的神经传导物质。这种脑内分泌主要负责大脑的情欲，感觉，将兴奋及开心的信息传递，也与上瘾有关。多巴胺还有增强免疫的作用。试验发现，如果人缺少多巴胺的受体，就会抑制兴奋。如：一般身材较胖的人体内都缺少多巴胺受体，他们在接受食物所给的刺激时，往往要比正常人慢。因此，他们需要更多的食物来满足自己对食物的快感。
多巴胺递质系统主要包括三个部位：黑质-纹状体部分、中脑边缘系统部分和结节、漏斗部分。黑质-纹状体部分的多巴胺能神经元位于中脑黑质，其神经纤维投射到纹状体；中脑边缘系统部分的多巴胺主要由黑质制造，并沿黑质-纹状体投射系统分部，在纹状体储存。结节、漏斗部分的多巴胺能神经元位于下丘脑弓状核，其神经纤维投射到正中隆起。
多巴胺受体的多少和人的遗传基因、生活方式、外界刺激都有一定关系。多巴胺不足，会令人失去控制肌肉的能力，严重时还会令患者的手脚不自主地震颤，并导致帕金森症。帕金森症的根本原因是制造多巴胺的神经元的死亡，研究推测可能是多巴胺自身的一种形式辅助了神经元的退化。
多巴胺在细胞质中形成，在那里它能被氧化。但是到达突触囊中的多巴胺会在那里被储存和释放，并可保护它们不被氧化。当大脑中多巴胺和它的氧化形式的自然平衡出现问题时，就是帕金森症的开始。
正常值：≤+10
儿茶酚胺是一种含有儿茶酚和胺基的神经类物质。儿茶酚和胺基通过L-络氨酸在交感神经、肾上腺髓质和嗜铬细胞位置的酶化步骤结合。通常儿茶酚胺是指去甲肾上腺素（NA）、肾上腺素(Adr)和多巴胺（DA），这三种儿茶酚胺都是由酪氨酸为前体转化得到的，即含有邻苯二酚(儿茶酚）的胺类化合物，包括多巴胺、去甲肾上腺素和肾上腺素及它们的衍生物。去甲肾上腺素和肾上腺素既是肾上腺髓质所分泌的激素，又是交感神经和中枢神经系统中去甲肾上腺素能纤维的神经介质。去甲肾上腺素在中枢神经系统内分布广泛，含量较多，而肾上腺素含量则较少。多巴胺主要集中在锥体外系部位，也是一种神经介质。它们是重要的典型的肾上腺素受体激动剂。
血浆里儿茶酚胺水平的变化显示不同的病态情形。一般通过不正常儿茶酚胺水平能断定两个方面：
增高，涉及原发性高血压、嗜铬细胞瘤、交感神经母细胞瘤、心肌梗死等。
降低，通常会导致低血压。艾迪生病、家族性自主神经功能失常。
另外，酚胺含量水平的不同和心脏猝死及冠状心脏病和心脏不充血等也有潜在联系。
儿茶酚胺最主要的生理功能，是增强机体在任何应变因素影响下的适应能力，一是增强中枢神经系统对外反应的敏感性，保持觉醒和警觉状态；二是选择性增加心、肺、脑及骨骼肌等重要器官的血液供应，增加心输出量和肺通气量，促进神经肌肉传递，提升耐疲劳能力；三是促进脂肪、蛋白质及糖原分解，转为葡萄糖产热供能，以保证人体所需；四是促进肾上腺皮质激素、肾素及胰高糖素等激素的分泌，对抗有害刺激和保证组织对儿茶酚胺的有效反应等多方面的功能调节，增强机体应激能力。
正常值：≤+10
中枢神经系统重要的神经递质之一，可特异性地作用于各类胆碱受体，其主要功能是维持意识的清醒，在学习记忆中起重要作用。乙酰胆碱是最早被鉴定的递质，脊椎动物骨骼肌神经肌肉接头、某些低等动物的运动肌接头，都以此为兴奋性递质。脊椎动物的副交感神经与效应器之间的递质也是乙酰胆碱。
乙酰胆碱由交感神经的节前纤维、副交感神经节前和节后纤维释放。静息时，胆碱能神经末梢可自发释放乙酰胆碱。当直接电刺激迷走神经时，可增加释放量。进入突触间隙的乙酰胆碱作用于突触后膜并发挥生理作用，人类思维、记忆、语言和运动都离不开乙酰胆碱，补充乙酰胆碱，可以增强智力，因此乙酰胆碱又被称作记忆因子。
人的脑组织有大量乙酰胆碱，但乙酰胆碱的含量会随着年龄的增加而下降。正常老人比青年时下降30%，而老年痴呆患者下降更为严重，可达70%～80%。帕金森病又称“震颤麻痹”，是一种中枢神经系统变性疾病，主要是因位于中脑部位“黑质”中的细胞发生病理性改变后，多巴胺的合成减少，抑制乙酰胆碱的功能降低，则乙酰胆碱的兴奋作用相对增强。两者失衡的结果便出现了“震颤麻痹”。
神经递质是人们长期研究的一些小分子化合物，这些神经递质通过传递各种信息而实现调节机体生理功能的作用。如乙酰胆碱（Ach），在中枢神经系统中，末梢释放Ach的神经元(称胆碱能神经元）广泛分布在脑干及前脑，故发挥作用较广。Ach主要参与机体心血管活动、摄食、饮水、睡眠、觉醒、感觉和运动的调节。近年来研究发现Ach对学习和记忆也有调节作用，某些神经疾病和老年健忘症等都与脑内Ach的含量有关。