神经化学研究神经元功能的分子机制、神经递质的合成和信号转导，以及神经和精神疾病的生化基础。

神经递质合成

乙酰胆碱由胆碱乙酰转移酶从胆碱和乙酰辅酶A合成。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从酪氨酸合成。酪氨酸羟化酶是限速酶。多巴胺参与运动控制、奖赏和动机。黑质中的多巴胺神经元丢失导致帕金森病。抗精神病药物阻断多巴胺D2受体。去甲肾上腺素调节觉醒、注意力和应激反应。

血清素从色氨酸合成，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，从谷氨酸合成。谷氨酸是主要的兴奋性神经递质，过度的谷氨酸能信号引起兴奋性毒性。

突触传递

到达突触前末梢的动作电位打开电压门控钙通道。钙内流触发突触囊泡与突触前膜融合，将神经递质释放到突触间隙中。SNARE蛋白包括突触囊泡蛋白、SNAP-25和突触融合蛋白介导囊泡融合。肉毒杆菌毒素和破伤风毒素切割SNARE蛋白，阻断神经递质释放。

释放的神经递质结合突触后受体。离子型受体如AMPA谷氨酸受体和烟碱型乙酰胆碱受体是直接改变膜电位的配体门控离子通道。代谢型受体是激活第二信使系统的GPCR。神经递质信号通过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的进行性丧失和α-突触核蛋白在路易体中的积累。纹状体中的多巴胺缺乏引起运动迟缓、强直、静止性震颤和姿势不稳的经典运动症状。

L-DOPA（多巴胺的前体）仍是最有效的对症治疗。它穿过血脑屏障（多巴胺本身不能），由芳香族氨基酸脱羧酶转化为多巴胺。与卡比多巴合用可防止外周转化并减少副作用。丘脑底核的深部脑刺激改善晚期疾病的运动功能。

阿尔茨海默病

阿尔茨海默病是最常见的痴呆原因，特征是细胞外淀粉样β斑块和过度磷酸化tau蛋白的细胞内神经原纤维缠结。淀粉样假说提出Aβ积累启动疾病过程。Aβ由β-分泌酶和γ-分泌酶切割淀粉样前体蛋白产生。APP和早老素基因的突变导致早发性家族性阿尔茨海默病。

Tau病理与认知衰退的相关性优于淀粉样负荷。过度磷酸化的tau从微管解离并聚集成形成神经原纤维缠结的配对螺旋丝。氧化应激、神经炎症和线粒体功能障碍导致神经元丧失。目前治疗提供对症益处但不减缓疾病进展。抗淀粉样抗体如仑卡奈单抗适度减缓认知衰退。

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。多巴胺假说提出边缘系统多巴胺传递过度活跃导致阳性症状，而前额叶多巴胺传递不足导致阴性和认知症状。抗精神病药物阻断D2受体，疗效与D2受体占用率相关。

谷氨酸功能障碍也导致精神分裂症病理生理学。NMDA受体拮抗剂如苯环利定和氯胺酮产生精神分裂症样症状。GABA能中间神经元上异常的NMDA受体功能可能去抑制皮质谷氨酸神经元，引起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相关。单胺假说提出血清素、去甲肾上腺素和多巴胺缺乏导致抑郁症状。大多数抗抑郁药通过抑制再摄取或降解来增强单胺信号。

神经营养假说提出脑源性神经营养因子减少导致抑郁。应激降低海马中的BDNF表达，而抗抑郁治疗增加BDNF。氯胺酮（一种NMDA受体拮抗剂）通过增强AMPA受体信号和BDNF释放产生快速抗抑郁效果。

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，引起能量衰竭、离子稳态丧失和膜去极化。谷氨酸以过量释放，再摄取受损延长其在突触中的存在。NMDA受体的过度激活允许大量钙内流。

钙超载激活损害细胞结构的蛋白酶、脂肪酶和核酸内切酶。产生氧活性物种，线粒体经历通透性转换。兴奋性毒性、氧化应激和炎症的组合导致梗死核心周围可挽救组织（半影区）中的迟发性神经元死亡。