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神经元是神经系统的基本结构和功能单位。一个完整的神经元由细胞体、树突、轴突和轴突末梢四个主要部分组成。细胞体含有细胞核，是细胞的控制中心。树突负责接收来自其他神经元的信号。轴突是传导神经冲动的长突起，外面包裹着髓鞘来加速传导。轴突末梢位于轴突的末端，负责释放神经递质。这些结构共同协作，使神经元能够接收、整合、传导和传递神经信号。
在静息状态下，神经元细胞膜内外存在稳定的电位差，称为静息电位，约为负70毫伏。这种电位差的形成主要由离子分布不均造成。细胞外钠离子和氯离子浓度较高，而细胞内钾离子浓度较高。钠钾泵起关键作用，它消耗ATP，主动转运离子，每次泵出3个钠离子，泵入2个钾离子，维持膜内外离子浓度梯度，从而维持静息电位的稳定。
当刺激强度达到阈值时，神经元会产生动作电位。这是一个快速的电位变化过程，包含三个主要阶段。首先是去极化阶段，钠离子通道开放，钠离子大量内流，使膜电位从负70毫伏快速上升到正30毫伏。接着是复极化阶段，钾离子通道开放，钾离子外流，膜电位迅速下降回到静息水平。最后是超极化阶段，由于钾离子通道关闭较慢，膜电位会短暂低于静息电位，然后逐渐恢复正常。整个过程大约持续2到3毫秒。
兴奋沿轴突的传导具有方向性和不衰减性的特点。根据轴突是否有髓鞘包裹，传导方式分为两种。无髓鞘神经纤维进行连续性传导，动作电位沿整个轴突膜连续传播，传导速度较慢，约为0.5到2米每秒。有髓鞘神经纤维则进行跳跃式传导，动作电位只在郎飞结处产生，在髓鞘段间跳跃传播，大大提高了传导速度，可达5到120米每秒。髓鞘的存在不仅加快了传导速度，还节约了能量消耗。
突触是神经元间信息传递的关键结构，具有精细的分子组织。突触主要由三部分组成：突触前膜、突触间隙和突触后膜。突触前膜位于轴突末梢，含有大量突触小泡和钙离子通道。突触小泡内储存着神经递质。突触间隙是两个神经元之间的狭小空间，宽度约20到50纳米，充满细胞外液。突触后膜位于接收信号的神经元上，含有特异性的受体蛋白和离子通道。这些精细结构共同保证了神经信号的准确传递。