神经化学研究神经元功能、神经递质合成和信号传导的分子机制，以及神经和精神疾病的生化基础。

神经递质合成

乙酰胆碱是由胆碱和乙酰辅酶A在胆碱乙酰转移酶的作用下合成的。它在神经肌肉接头和中枢神经系统中释放，调节注意力、记忆和觉醒。乙酰胆碱酯酶快速水解突触间隙中的乙酰胆碱。有机磷杀虫剂和神经毒剂抑制乙酰胆碱酯酶，引起过度的胆碱能刺激。

儿茶酚胺神经递质多巴胺、去甲肾上腺素和肾上腺素是由酪氨酸合成的。酪氨酸羟化酶是限速酶。多巴胺参与运动控制、奖励和动机。黑质中的多巴胺神经元丢失会导致帕金森病。抗精神病药物会阻断多巴胺 D2 受体。去甲肾上腺素调节觉醒、注意力和压力反应。

血清素由色氨酸合成，可调节情绪、食欲、睡眠和疼痛。选择性血清素再摄取抑制剂是一线抗抑郁药。 γ-氨基丁酸是主要的抑制性神经递质，由谷氨酸合成。谷氨酸是主要的兴奋性神经递质，过量的谷氨酸信号会导致兴奋性毒性。

突触传递

到达突触前末端的动作电位打开电压门控钙通道。钙流入触发突触小泡与突触前膜的融合，将神经递质释放到突触间隙。 SNARE 蛋白（包括突触短蛋白、SNAP-25 和突触融合蛋白）介导囊泡融合。肉毒杆菌和破伤风毒素会裂解 SNARE 蛋白，阻止神经递质释放。

释放的神经递质与突触后受体结合。 AMPA 谷氨酸受体和烟碱乙酰胆碱受体等离子型受体是配体门控离子通道，可直接改变膜电位。代谢型受体是激活第二信使系统的 GPCR。神经递质信号传导被再摄取转运蛋白或酶促降解终止。

帕金森病

帕金森病的特征是黑质致密部多巴胺神经元进行性丧失以及路易体中α-突触核蛋白的积累。纹状体中的多巴胺缺乏会导致运动迟缓、强直、静止性震颤和姿势不稳定等典型运动症状。

左旋多巴（多巴胺的前体）仍然是最有效的对症治疗。与多巴胺本身不同，它穿过血脑屏障，并被芳香氨基酸脱羧酶转化为多巴胺。与卡比多巴共同给药可防止外周转化并减少副作用。丘脑底核的深部脑刺激可改善晚期疾病的运动功能。

阿尔茨海默病

阿尔茨海默病是痴呆症最常见的原因，其特征是细胞外淀粉样蛋白斑块和细胞内过度磷酸化 tau 蛋白的神经原纤维缠结。淀粉样蛋白假说认为 A-β 积累启动了疾病过程。 A-β 是通过 β-分泌酶和 γ-分泌酶裂解淀粉样前体蛋白而产生的。 APP 和早老素基因突变会导致早发性家族性阿尔茨海默病。

与淀粉样蛋白负担相比，Tau 蛋白病理学与认知能力下降的相关性更好。过度磷酸化的 tau 蛋白从微管中解离并聚集成成对的螺旋丝，形成神经原纤维缠结。氧化应激、神经炎症和线粒体功能障碍会导致神经元损失。目前的治疗可以提供症状改善，但不能减缓疾病进展。 Lecanemab 等抗淀粉样蛋白抗体可适度减缓认知能力下降。

精神分裂症

精神分裂症是一种严重的精神疾病，具有阳性症状、阴性症状和认知障碍。多巴胺假说表明，中脑边缘多巴胺传递过度活跃会导致阳性症状，而额下叶多巴胺传递则会导致阴性症状和认知症状。抗精神病药阻断 D2 受体，其疗效与 D2 受体占用有关。

谷氨酸功能障碍也导致精神分裂症的病理生理学。 NMDA 受体拮抗剂如苯环己哌啶和氯胺酮会产生类似精神分裂症的症状。 GABA 能中间神经元上的 NMDA 受体功能异常可能会抑制皮质谷氨酸神经元，导致兴奋性毒性和突触功能障碍。

抑郁症

重度抑郁症与单胺神经递质系统的改变有关。单胺假说认为，血清素、去甲肾上腺素和多巴胺缺乏会导致抑郁症状。大多数抗抑郁药通过抑制再摄取或降解来增强单胺信号传导。

神经营养假说提出，脑源性神经营养因子减少会导致抑郁症。压力会降低海马体中 BDNF 的表达，而抗抑郁治疗会增加 BDNF 的表达。氯胺酮是一种 NMDA 受体拮抗剂，通过增强 AMPA 受体信号传导和 BDNF 释放产生快速抗抑郁作用。

中风和兴奋性毒性

缺血性中风剥夺神经元的氧气和葡萄糖，导致能量衰竭、离子稳态丧失和膜去极化。谷氨酸释放过量，再摄取受损会延长其在突触中的存在时间。 NMDA 受体过度激活会导致大量钙离子流入。

钙超载会激活蛋白酶、脂肪酶和核酸内切酶，从而损害细胞结构。产生活性氧，线粒体发生通透性转变。兴奋性毒性、氧化应激和炎症的结合导致半暗带（梗死核心周围的可挽救组织）中的神经元延迟死亡。