人體及動物生理學-第三章神經(jīng)元的興奮和傳導課件

1、第三章神經(jīng)元的興奮和傳導第一節(jié) 細胞的生物電現(xiàn)象 bioelectric phenomenon of cell 掌握內(nèi)容： 細胞的興奮性和生物電 靜息電位和動作電位及其產(chǎn)生機制 興奮的引起、閾值、局部電位、閾 電位和鋒電位 興奮在同一細胞上傳導的機制1生物電現(xiàn)象(bioelectric phonomenon):生命活動過程中出現(xiàn)的電現(xiàn)象稱為生物電。Bioelectricity, Electrophysiology1786，Galvani，神經(jīng)-肌肉各自帶有生物電電位計 陰極射線示波器 微電極技術(shù)電壓鉗技術(shù)膜片鉗技術(shù)計算機實驗材料：槍烏賊巨大神經(jīng)纖維、海兔的巨大神經(jīng)細胞 2一、組織的興奮和興奮性

2、P29 Excitation & excitability of tissue (一)刺激和反應 1.刺激stimulation：細胞和組織所處的 內(nèi)外環(huán)境的變化。 刺激的形式：物理 化學 機械等 刺激的三要素：強度；持續(xù)時間；強 度-時間變化率(方波刺激時不變) 閾強度(閾值) threshold intensity (value) :刺激的持續(xù)時間固定,引起 細胞或組織發(fā)生反應(產(chǎn)生AP)的最小 刺激強度 3 閾刺激threshold stimulus:具有閾強 度的刺激 2.反應response:可興奮組織或細胞對刺 激所發(fā)生的應答。 興奮excitation:機體對外界環(huán)境變化做出的反

3、應。或活組織因刺激而產(chǎn)生沖動的反應。 抑制inhibition(二)可興奮細胞或組織和興奮性 1.可興奮細胞或組織excitable cell or tissue:受刺激后能產(chǎn)生反應(即AP)的 細胞或組織。神經(jīng)、肌肉、腺體的細 胞或組織屬于此類。 42.興奮性 excitability: 可興奮組織、細胞對刺激發(fā)生反應(即產(chǎn)生 動作電位)的能力。 衡量興奮性高低的指標閾值 Excitability 閾上刺激 supraliminal stimulus 閾下刺激 subthreshold stimulus 閾強度 threshold intensity 1threshold intensity

4、 5二、細胞膜的被動電學特性1.平行板電容器:細胞膜脂質(zhì)雙層將細胞內(nèi)外 液隔開,類似于平行板電容器。2.細胞膜電學特性:細胞膜具有膜電容Cm : 較大，約1F/cm2膜電阻Rm: 可變,與通道及轉(zhuǎn)運體數(shù)目有關(guān)； Rm倒數(shù)即膜電導Gm=帶電離子通透性細胞膜通道開放帶電離子跨膜移動相 當于電容器充電或放電可產(chǎn)生電位差即 跨膜電位 transmembrane potential,Em因此電學特性可用并聯(lián)的阻容耦合電路來描述63.電緊張電位electrotonic potential 隨距刺激原點距離的增加而膜電位呈指數(shù)衰減的電位變化稱電緊張電位。 該電位是由膜的固有電學特性決定的,其產(chǎn)生過程中沒有離

5、子通道的激活,也無膜電導的改變。7三、靜息電位及其產(chǎn)生機制(P26)(一)靜息電位Resting potential，RP 細胞在未受刺激時(靜息狀態(tài)下),存在于細胞膜內(nèi)外的電位差。 81.在微電極尖剛插入膜內(nèi)的瞬間,記錄儀器顯 現(xiàn)一個突然的電位躍變；2.靜息電位是一個穩(wěn)定的直流電位；3.范圍:-10mV-100mV(隨細胞種類而不同); 極化(polarization):外正內(nèi)負 去極化(depolarization):|RP|值減小 超極化(hyperpolarization):|RP|值增大 反極化(reversepolarization):去極到正值 復極化(repolarizatio

6、n):去極后向RP恢復 超射(overshoot):膜電位高于0電位部分9(二)靜息電位產(chǎn)生機制1.生物電活動的基礎(chǔ):鈉泵活動造成膜內(nèi)外離子不均衡分布:胞外Na+胞內(nèi)Na+,胞內(nèi)K+胞外K+2.離子擴散與離子平衡電位： 擴散驅(qū)動力：濃度差和電位差 膜通透性：安靜狀態(tài)下,膜主要對K+通透 擴散平衡：電位差=濃度差,驅(qū)動力=0 根據(jù)Nernst公式可計算出離子平衡電位10 鈉平衡電位(+50+70mV)離子平衡電位 ion equilibrium potential 鉀平衡電位(-90-100mV)11離子平衡電位計算公式Nernst方程： (環(huán)境溫度為27時，教材為29.2) K+oEK=59.

7、5 log (mV) K+i E:是某種離子的平衡電位12膜主要對K+通透細胞內(nèi)外K+勢能差K+經(jīng)通道易化擴散擴散出的K+形成阻礙K+繼續(xù)擴散的電場力K+的濃度差動力和電場力阻力平衡靜息電位Resting Potential:13Nernst公式(環(huán)境溫度為27時) EK=59.5 log (mV) RP相當于EK，但實測值總是小于Nernst公式的計算值，原因是靜息時，細胞膜對Na+等離子也存在一定的通透性 K+o K+i14影響RP因素： 胞內(nèi)、外的K+: K+o與 K+ i的差值決定EK， K+o EK 膜對K+、Na+通透性: K+的通透性,則RP,更趨向于EK Na+的通透性,則RP

8、,更趨向于ENa Na+-K+泵的活動水平Resting Potential15鈉-鉀泵 （sodium-potassium pump）:存在于細胞膜上的一種具有ATP酶活性 的特殊蛋白質(zhì),可被細胞膜內(nèi)的Na+增加或細胞外K+的增加所激活，受Mg2+濃度的影響，分解ATP釋放能量，進行Na+ 、K+逆濃度和電位梯度的轉(zhuǎn)運。16鈉-鉀泵的生理意義:1、維持細胞內(nèi)高K+，是許多代謝反應進行的必需條件；2、維持細胞外高Na+，使得Na+不易進入細胞，也阻止了與之相伴隨的水的進入，對維持正常細胞的滲透壓與形態(tài)有著重要意義；3、建立勢能貯備，是神經(jīng)、肌肉等組織具有興奮性的基礎(chǔ)，也是一些非離子性物質(zhì)如葡萄

9、糖、氨基酸等進行繼發(fā)性主動轉(zhuǎn)運的能量來源。17四、動作電位及其產(chǎn)生機制(一)動作電位Action potential,AP 1.在RP基礎(chǔ)上，細胞受到一個適當(不 小于閾值)刺激時，其膜電位所發(fā)生的 一次可擴布、迅速的、短暫的波動。 實質(zhì)：是膜電位在RP基礎(chǔ)上發(fā)生的一 次可擴布、快速的倒轉(zhuǎn)和復原；是細胞 興奮的本質(zhì)表現(xiàn)。182.動作電位的波形:19升支(去極化相)降支(復極化相)鋒電位 spike potential電位變化顯示為一高幅尖鋒后電位 負后電位 negative after-potential 正后電位 positive after-potential20后電位動作電位在復極后期發(fā)

10、生的一些微小而緩慢的電位波動，為后電位，包括負后電位和正后電位負后電位(Negative after potential) (Positive after potential)： : 復極后期，膜電位恢復到靜息電位水平之前的緩慢的復極過程，稱之為負后電位 機制：K+蓄積于膜外而進一步阻止K+的外流所致21正后電位(Positive after potential)： : 繼負后電位之后，膜電位有一個低于靜息電位水平的電位波動，稱之為正后電位 機制：由于Na+K+泵活動，將向細胞內(nèi)泵入2K+，而向細胞外泵出3Na+ ，因此時盡管細胞復極已達靜息水平，但膜兩側(cè)的離子尚為恢復到原來的水平22 1.離

11、子跨膜流動的電化學驅(qū)動力 電化學驅(qū)動力=Em-E離子 = *動力為負值時：推動正電荷流入胞(內(nèi)向 電流 inward current,如Na+,Ca2+內(nèi)流) *動力為正值時：推動正電荷出胞(外向電 流outward current,如K+外流,Cl-內(nèi)流)RP條件下，Na+受到很強的內(nèi)向驅(qū)動力(二)動作電位的產(chǎn)生機制 Na+=-130mV K+=+20mV232.動作電位期間Gm的變化 用電壓鉗(voltage clamp,固定膜電位,測量膜電流)技術(shù)的研究結(jié)果表明: 動作電位期間,膜GNa首先增加,隨即又衰減,在其衰減的同時GK增大。243.Gm變化的機制是離子通道的活動 膜片鉗(patc

12、h clamp):鉗制一小片膜， 記錄單個通道離子電流的技術(shù)。膜片鉗技術(shù)25用膜片鉗技術(shù)研究的結(jié)果說明：膜電導變化的實質(zhì)是實質(zhì)是膜上離子通道隨機開放和關(guān)閉的總和效應26AP期間的離子通道ion channels活動：膜片鉗的實驗研究表明，AP期間有兩種離子通道活動： Na+通道：通道特異性阻斷劑 :河豚毒(tetrodotoxin,TTX) K+通道：通道特異性阻斷劑:四乙銨(tetraethylammonium, TEA)27刺激后,膜對Na+通透 膜內(nèi)外Na+勢能貯備 Na+經(jīng)通道易化擴散擴散的Na+抵消膜內(nèi)負電位,形成正電位直至正電位增加到足以對抗由濃度差所致的Na+內(nèi)流Action P

13、otential： AP的超射值等于Na+平衡電位(+50+70mV)28Na+通道去極化激活失活恢復Action Potential：升支Na+通道激活開放,Na+內(nèi)流形成AP上升支29Action Potential: 降支K+通道激活開放,K+外流形成AP下降支K+通道關(guān)閉激活30 小結(jié)AP的形成的離子基礎(chǔ)： 升支:Na+內(nèi)流； 降支:K+外流； 靜息水平: Na+- K+ 泵活動,離子恢復靜息 時的分布狀態(tài)； 負后電位(后去極化,after depolarization):復極 時外流的K+蓄積在膜外,阻礙了K+外流； 正后電位(后超極化,after hyperpolarization

14、):生 電性鈉泵作用的結(jié)果31AP的特點： “全或無” all or none：幅度不隨 刺激強度增加而增大 可傳播性:不減衰傳導(幅度波形不變) 有不應期:因而鋒電位之間不發(fā)生 融合或疊加324.動作電位的引起(1)局部興奮及其向鋒電位的轉(zhuǎn)變 閾下弱刺激電緊張電位刺激稍加強去極化電緊張電位少量Na+通道開放, 少量Na+內(nèi)流被K+外流抵消 不能發(fā)展成AP只能與電緊張電位疊加局部反應(local response)。 因此，局部反應是閾下刺激在受刺激的膜的局部引起的一個較小的去極化反應。又稱局部興奮或局部電位 (local excitation or potential) 33刺激強度增加較多

15、Na+通道開放,較多Na+內(nèi)流當刺激強度使膜去極化程度達某一臨界膜電位(閾電位)時Na+內(nèi)流K+外流膜發(fā)生更強的去極化從而使更多Na+通道開放和Na+內(nèi)流(形成Na+通道激活對膜去極化的正反饋)直至接近ENa AP34局部電位及其向鋒電位的轉(zhuǎn)變35 (2) 閾電位 threshold potential，TP 能引起大量Na+通道開放和Na+內(nèi)流并形成Na+通道激活對膜去極化的正反饋過程進而誘發(fā)動作電位的臨界膜電位值。 閾電位一般比RP小1020mV。 如神經(jīng)細胞RP=-70mV，TP-55mV 達到閾電位后,AP幅度只取決于膜電位去極化程度、Na+通道和Na+電流之間的正反饋過程，而與外加刺

16、激強度無關(guān)。36(3)局部反應Local response 閾下刺激因強度較弱而不能使膜的去極化達到閾電位，不能觸發(fā)AP，但可引起局部反應。 局部反應的特征：非“全或無”：反應幅度隨刺激強度的增大而 增大在局部形成電緊張性擴布可以總和: 空間總和 spatial summation 時間總和 temporal summation 37Local Potential：（1）肌細胞的終板電位EPP（2）感受器細胞的感受器電位（3）N元突觸的突觸后電位381.無髓鞘神經(jīng)纖維AP傳導機制 局部電流local current 傳導速度:軸突直徑、電阻、鈉通道密度2.有髓鞘神經(jīng)纖維AP傳導機制 局部電流發(fā)

17、生在郎飛結(jié) 間的跳躍式傳導 saltatory conduction(三)動作電位在同一細胞上的傳導39無髓鞘神經(jīng)纖維AP傳導:40跳躍式傳導： 提速、節(jié)能有髓鞘神經(jīng)纖維AP傳導：41(四)細胞一次興奮后興奮性的周期性變化絕對不應期(相當于鋒電位) absolute refractory period 興奮性=0 Na+通道全部關(guān)閉相對不應期(相當于負后電位) relative refractory period 正常興奮性0 Na+通道漸恢復 超常期(相當于負后電位)supranormal period 興奮性正常 Na+通道恢復 低常期(相當于正后電位)subnormal period 興

18、奮性興奮性0超常期： 興奮性正常 低常期： 興奮性正常 興奮性的周期性變化43絕對不應期(absolute refractory period)組織興奮后，在去極之后到復極達到一定程度之前對任何強度的刺激均不產(chǎn)生反應.(0.3ms)相對不應期(relative refractory period)絕對不應期之后，隨著復極化的繼續(xù)，組織的興奮性有所恢復，只對閾上刺激產(chǎn)生興奮(3ms)44超常期(supranormal period)相對不應期之后，興奮恢復高于原有水平，用閾下刺激就可引起興奮(12ms)低常期(subnormal period)超常期之后，組織進入興奮性較低時期，只有閾上刺激才能

19、引起興奮(70ms)45第二節(jié)神經(jīng)沖動的傳導一、沖動的產(chǎn)生電緊張電位局部反應或局部電位閾電位和動作電位461、電緊張電位 (electrotonic potential) 定義：閾下刺激所引起的細胞膜電位發(fā)生的變化（超極化或去極化）。特點：被動反應，局限性，分級性，電緊張性擴布 (electrotonic propagation472、局部反應 (local response)定義：指閾下刺激時（外向電流）產(chǎn)生的電緊張電位和由少量Na+通道開放產(chǎn)生的特定電變化疊加在一起的去極化電位，又稱Local potential或Local excitation特點：不具全或無性質(zhì)；不能傳導，只能向周圍作

20、短距離的電緊張性擴布；無不應期，有總和現(xiàn)象483、閾電位和動作電位的引起 (Threshold potential and AP Genesis)閾電位：能夠?qū)е履a+通透性突然增大的臨界膜電位數(shù)值。（能觸發(fā)AP產(chǎn)生的臨界膜電位數(shù)值）閾刺激就是剛能使膜電位降低到閾電位水平的最低刺激強度。動作電位特點： 具有全或無性質(zhì)； 非遞減性傳導。49局部電位和動作電位的區(qū)別： 局部電位 動作電位 刺激強度 閾下刺激 閾刺激 Na+通道開放數(shù)量少 多 電位幅度 小 大 總和現(xiàn)象 有 無 全或無現(xiàn)象 無 有 不應期 無 有 傳播特點 緊張性擴布 非衰減性傳導 50二、沖動的傳導 (Conduction of Action pot