人类的大脑会根据大脑中的神经递质和神经受体的作用发挥功能，某些神经递质的增多或减少对脑细胞来说是一种信号，可引起脑细胞或神经元的活动变化。神经递质不同，传递的信息就不同；神经递质在大脑不同部位的浓度高低、传递快慢、传递多少影响着人的思维、情感和行为方式。因此，以检测神经递质及其代谢产物为主要手段的神经生化研究可以帮助我们了解自闭症患者特殊大脑活动的一些机理。
目前研究发现，与自闭症关系密切的神经递质有5-羟色胺、多巴胺、γ-氨基丁酸、谷氨酸，自闭症患者体内的这些神经递质存在含量差异或功能失常，这通常与基因异常或变异有关。
5-羟色胺（血清素）
5-羟色胺，又叫血清素，是人体内的一种物质，和许多生理活动相关，在脑内调节多种生理机能，如睡眠、进食、体温、情感、行为。在情感和行为方面，5-羟色胺能使人产生幸福感和愉悦感。正常婴儿血液中5-羟色胺含量会在进入儿童期以后逐渐下降，到成年期保持稳定。自闭症患儿从2岁至15岁血液中5-羟色胺一直保持高水平，在一定程度上提示了自闭症患儿发展的不成熟。相关的结果还包括：自闭症患者大脑的5-羟色胺系统可能存在缺陷，尽管血中5-羟色胺浓度增高，仍无法促使下丘脑的神经元合成足够的催产素，催产素合成分泌减少可能导致自闭症患者社会交往与交流能力降低及社会回避等行为异常。自闭症患者额叶5-羟色胺受体减少，会影响到额叶无法接收到其它脑区传过来的信息。自闭症患者额叶皮质、丘脑、小脑对色氨酸的吸纳减少，这些区域生成5-羟色胺减少；自闭症患者额叶皮质内侧、中脑、颞叶5-羟色胺转运体的运载能力下降，其中扣带回5-羟色胺转运体运载能力下降与社会认知缺陷有关，丘脑5-羟色胺转运体的运载能力下降与重复刻板行为有关。
多巴胺
多巴胺也是一种重要的神经递质，在认知、情感等中枢神经系统功能过程中发挥作用。利用SPECT和PET扫描的研究发现，前额叶皮质产生多巴胺的脑细胞功能下降，推测由此引起自闭症患者的认知缺损。另有一些研究报道，自闭症患者全脑（纹状体、小脑除外）的多巴胺转运体运载能力提高。总的来说，目前应用于自闭症患儿的多巴胺能神经细胞的研究仍较少，多巴胺能神经细胞的改变与疾病的发生、发展之间究竟有怎样的关系，还需要更多、更深入的研究。
谷氨酸
谷氨酸是中枢神经系统主要的兴奋性神经递质，参与认知活动，即学习和记忆，并对大脑的发育进程起至关重要的作用。给健康人服用谷氨酸的激动剂可产生类似于自闭症患者的某些症状，提示自闭症可能是一种高谷氨酸疾病。一些利用MRS的影像学研究得出来的结果不太一致，例如有研究发现杏仁核-海马区谷氨酸增高，另一些却发现小脑和右侧扣带回前端谷氨酸减少。对于自闭症患者谷氨酸改变的研究还是处于不成熟阶段。
γ-氨基丁酸
γ-氨基丁酸是中枢神经系统中的抑制性神经递质，现在很多学者认为自闭症是发育过程中兴奋性与抑制性神经递质失去平衡所致。正常水平的抑制对于大脑皮质的发育是必需的，而抑制水平的不足除了使癫痫发作的风险增高外，还会造成认知过程和运动控制的缺陷。现在发现，自闭症患者合成γ-氨基丁酸的酶水平下降，相反，谷氨酸水平却升高。一些PET的研究显示，有自闭症症状的患者大脑的杏仁核、小脑蚓部、额叶、顶叶、枕叶皮质γ-氨基丁酸受体的结合能力降低，而这些异常与基因缺陷有关，基因定位在人类的第15号染色体上。
研究中发现可能与自闭症相关的物质还有去甲肾上腺素、铜、锌、硫等。最新的研究提示，自闭症患者脑内阿片含量过多与其孤独、情感麻木及难以建立情感联系有关，血浆内啡肽的水平与刻板运动的严重程度有关。
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