1872年，在意大利一家厨房里发生了神经科学中的一次重大进展。帕维亚大学年轻的医学研究生卡米洛·高尔基（CamilloGolgi）由于对大脑的强烈兴趣而建立了一个简易实验室。困扰高尔基的问题是关于物质脑的本质：脑是由什么组成的。那时，尽管可将大脑切成碎片，但在显微镜下只能观察到一堆均质的苍白色浆状物。除非能够鉴定出脑的基本构件，否则不可能发现它是如何工作的。然而，随着故事的发展，有一天，高尔基偶然地将一块脑块放入盛有硝酸银溶液的碟子中，并在其中浸泡了几个星期。结果，高尔基发现了一个极其重要的反应。当他取出脑块时，变化已经发生了。在显微镜下出现了一种复杂的图案：在网状的缠结中悬浮着黑色的斑点。我们现在知道，一旦将脑组织放入硝酸银中三个小时或更长，就有可能显现出脑组织最基本的组分——特殊类型的细胞，这种细胞称为神经元。
高尔基的发现中更令人不可思议的是，通过一种目前仍然无人完全知晓的变化莫测的过程，染色只随机地标记出十分之一到百分之一的细胞，因此表现为苍白的黄褐色背景上的黑点。如果每一个神经元都被染色，那么精细、复杂的细胞轮廓，将被其他细胞相互重叠的部分所掩盖，脑组织在显微镜下的整个视野里将变成几乎均匀的黑色。由于仅有百分之一到百分之十的细胞与高尔基染料起反应，这些细胞即因反差明显而凸现出来。
神经元到底像什么呢？在所有的神经元中，都有一个直径约50微米粗短的团状部分，称为脑体（soma，来源于希腊语“身体”）。实际上，胞体的形状并不像团状一样模棱两可和无定形，而总是属于以下几种特征性形状之一，如圆形、卵圆形、三角形甚或梭形（形如老式的纺锤）。胞体包含了神经元生存所必需的所有细胞器。从这点上讲，神经元的胞体与其他任何细胞并无差别。然而，如果将神经元与其他细胞相比，一旦注意到胞体以外的部分，你就会发现一个巨大的差异：与其他细胞不同，神经元除了胞体外还有其他部分。
纤细的分支从神经元胞体中伸出，几乎就像某种微小的树。事实上，这些部分被称为树突（dendrites，来自希腊语，意为“树”）。一个神经元的树突在形态上千姿百态，在密度上千差万别，它们或者从神经元的四周长出使其呈星形，或从胞体的一端或两端伸出。根据树突分支的程度，神经元在总体外观上差异悬殊：在脑中，神经元至少有50种基本形状。
神经元不仅有这些小分支，而且绝大部分还有一个从胞体上伸展出来的长而细的纤维，称为轴突，它要比神经元其余部分长许多倍。一个细胞的直径通常约20至100微米，但在一种极端的情况中可长达一米，如沿着人脊髓下行的神经纤维。
只要看一眼神经元，你就很容易区分出这两个特征来。由于轴突远细于相对粗短的、分叉的树突，甚至在显微镜下也极难看到它们。树突就像真的树上的分枝，其末梢逐渐变细，轴突则不然。这就使得神经元在总体外观上表现为一个团状的中心区、一根蜿蜒而行的细长的纤维，以及伸出的相对粗短的微技。如此怪异的东西怎么可以成为我们的个性、希望和恐惧的构件呢？
既然胞体中含有与所有其他细胞相似的整套内部装置，很容易推想，至少它的某些功能是为了确保细胞存活，并制造出适当的化学物质。然而，鉴于轴突和树突的存在与神经元的特殊功能紧密相关，因此它们的作用并不那么一目了然。此外，轴突和树突间如此清晰的形状上的差异，提示它们扮演着迥然不同的角色。
在第二章中我们曾看到，脑电图在反映脑状态的变化上十分有效，又相当敏感，那时我们首次接触神经元能产生电的想法。树突充当这些信号的接收区，就像某个巨大的码头一样，接纳各种船只载入的货物。正如货物可以从码头上卸下，并沿着汇聚于某个中心工厂的路线运送，这些分散的信号沿着汇集于胞体的树突传导，如果信号足够强，树突将会产生一个新的电信号，或者沿用刚才的类比，将会生产出一个新的产品。这时轴突开始起作用：它们将这个新的电信号从胞体传送到回路中的下一个目标神经元，就好比工厂的产品输送到某个远处的目的地。在本章中，我们将考察一下神经元是如何发出和接收电信号的。我们也将看到，特殊的化学物质在神经元通讯中是如何发挥其重要作用的，而药物又如何影响两个神经元间的这种通讯。
在神经科学研究中，这种从单个神经元出发的方法被称为自下而上法。其策略是从底部，即最基本的组分神经元起步，然后去了解两个神经元间的通讯最终如何构成一个复杂的实施功能的整体。与之相反的是自上而下法，其基本框架是从顶部的宏观系统出发，这可以是一个脑区（参阅第一章），或一种功能（参阅第二章），通过向下探索，并将其分解成更小的子系统，来了解其如何与脑的运作相适配。按其应用这些研究方法的多少不同，神经科学家通常被分成两类。从某种意义上讲，在前两章中我们一直在运用自上而下的策略，因此已了解其长处和局限性。在本章中，我们转至基于单个神经元的还原论的方法。
路易吉·伽伐尼（Luigi Galvani）最先证明自脊髓伸出的神经能产生电。在一次雷雨时，他将青蛙的腿放在一块金属板上。令人惊异的是，蛙腿随着雷鸣电闪而抽搐。于是伽伐尼错误地推论所有的电都处于活组织中。他想象肌肉是电的容器，神经则是电的导体。相反，19世纪物理学的先驱法拉第则认识到电是一个很基本的现象。他从用非生物材料所做的实验中得出结论：“无论其来源，自然界中的电都是相同的”。神经确实是电的一个源泉，但并非其专有。
从字面上讲，电流是电荷的流动。在脑中，这样的流动由下列四类最常见的离子（原子缺少一个电子或拥有一个额外电子）中的任一种运动而产生：钠、钾、氯或钙。这些离子分布于神经元内（钾）或外（钠、钙、氯）。但它们不能轻易地随机进出，毋宁说，所有四种离子因细胞膜这个壁垒而被停留在某个位置上。细胞膜不仅是单纯的一堵墙，而是由中间夹有脂肪的两层构成，就像一个奶油三明治。由于离子不能透过神经元膜中间与之不相容的油层，因而没有离子能够自由地进出神经元。
结果，离于在神经元内外积聚。细胞内还有其他带有负电荷的蛋白质。当把离子和蛋白质一起考虑时，神经元膜任一侧的净电荷分布是不平衡的；正电荷和负电荷的数量是不等的。对于神经元外而言，神经元内偏负。这样就产生一个电位差，即电压，用负值来表示，通常约-70毫伏或-80毫伏。
然而，假如这些离子一直停留在一个位置上而不能流动，从而不能产生真正的电流，那么，保持的电位差也就没有什么意义。设想一下，如果一个水闸的一边蓄积了大量的水，而你却不能用它。对于细胞来说，要想产生电信号，电荷就必须流动，就像水必须从水闸中释放出来一样。为了电荷的流动，离子必须短暂地进出神经元。但是离子怎么可能穿越那个不通透膜中间的脂肪层呢？
膜壁垒毕竟是能够被突破的。由大分子蛋白质组成的各种特殊结构跨越膜的两层：它们充当了特定离子从一个水相非脂肪区（神经元外）进入另一区（细胞内）的桥梁。然而，由于这些蛋白质通路紧紧地插入穿过膜中间层，它更像一个隧道。在常规神经科学用语中，实际上称之为通道。
对于一个发送电信号的神经元，带正电的钠离子能短暂地进入细胞，暂时使细胞内部的电位比外部更正（去极化）。然而，这个电位一旦变正，如＋20毫伏，带正电的钾离子就离开细胞，暂时使膜电位比正常时还负（超极化）。这样，当一个神经元以这种方式被激活时，电位差将产生一个短暂的特征性的变化：一个正脉冲，紧随一个负的超射。这个瞬变的正－负波通常持续约1～2毫秒，即所谓的动作电位。动作电位不同于电压（静息电位），后者一般在细胞不发送信号时总是存在的
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