探索腦讀書會講義神經(jīng)元靜息電位動作電位

人類應(yīng)當(dāng)知道，因為有了腦，我們才有了樂趣、欣喜、歡笑和運動，才有了悲痛、哀傷、絕望和無盡的憂思。因為有了腦，我們才以一種獨特的方式擁有了智慧、獲得了知識；我們才看得見、聽得到；我們才懂得了美與丑、善與惡；我們才感受到甜美與無味……同樣，因為有了腦，我們才會發(fā)狂和神智昏迷，才會被畏懼和恐怖所侵?jǐn)_……我們之所以會經(jīng)受這些折磨，是因為腦有了病恙……由于這樣一些原因，我認(rèn)為，腦在一個人的機體中行使了至高無上的權(quán)力?！狧ippocrates（希波克拉底，古希臘醫(yī)師，西方醫(yī)學(xué)之父），OntheSacredDisease，論神圣的疾病，公元前4世紀(jì)（《神經(jīng)科學(xué)——探索腦》第二版P3）當(dāng)前第1頁\共有48頁\編于星期四\18點當(dāng)前第2頁\共有48頁\編于星期四\18點神經(jīng)系統(tǒng)的兩類細(xì)胞神經(jīng)元

約1000億負(fù)責(zé)處理信息神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞

數(shù)量10倍于神經(jīng)元隔離、支持以及營養(yǎng)周圍神經(jīng)元&處理信息當(dāng)前第3頁\共有48頁\編于星期四\18點一、作為一個細(xì)胞，神經(jīng)元的信息處理能力從何而來？（《探索腦》第2章）基本思路：結(jié)構(gòu)——功能相關(guān)性當(dāng)前第4頁\共有48頁\編于星期四\18點1.外部形態(tài)上，神經(jīng)元與其它細(xì)胞有何不同？胞體：直徑20微米，含有細(xì)胞核及其它細(xì)胞器。（人眼分辨率極限：100微米。）軸突：一般只有1個，長度可達1米，傳遞神經(jīng)元的輸出信號。軸突可有分支，成直角。樹突：長度小于2毫米，接受輸入信號。

《探索腦》P25當(dāng)前第5頁\共有48頁\編于星期四\18點和其它細(xì)胞比較一下外形：

神經(jīng)突起是神經(jīng)元細(xì)胞的獨有結(jié)構(gòu).當(dāng)前第6頁\共有48頁\編于星期四\18點2.神經(jīng)元內(nèi)部的那些奇形怪狀的細(xì)胞器，

都是干神馬用的？

《探索腦》P28當(dāng)前第7頁\共有48頁\編于星期四\18點

細(xì)胞核：封裝遺傳信息，最終決定了神經(jīng)元蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能細(xì)胞核內(nèi)有46條染色體；每條染色體含有2納米寬的連續(xù)雙螺旋DNA（脫氧核糖核酸），總長>2米。DNA字符串上的段落就是基因，長0.1至幾微米。當(dāng)前第8頁\共有48頁\編于星期四\18點DNA在細(xì)胞核，but蛋白質(zhì)合成在細(xì)胞質(zhì)，信息如何傳達？還好，有mRNA（信使核糖核酸）作為信使分子生物學(xué)的中心法則：DNAmRNA蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯當(dāng)前第9頁\共有48頁\編于星期四\18點轉(zhuǎn)錄：組裝一段含有基因信息的mRNA?！短剿髂X》P29當(dāng)前第10頁\共有48頁\編于星期四\18點翻譯：

附在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的核糖體，以氨基酸為原料，根據(jù)mRNA提供的藍圖（遺傳信息），合成蛋白質(zhì)。

粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)：合成蛋白質(zhì)的工廠當(dāng)前第11頁\共有48頁\編于星期四\18點粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)&核糖體《探索腦》P29（25納米）當(dāng)前第12頁\共有48頁\編于星期四\18點在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和游離核糖體上，合成蛋白質(zhì)。綠色小花：核糖體；紅絲帶：mRNA黃絲帶：合成的蛋白質(zhì)；《探索腦》P30當(dāng)前第13頁\共有48頁\編于星期四\18點像圖靈機嗎？有點兒。圖片來源：jake《探索腦》P30當(dāng)前第14頁\共有48頁\編于星期四\18點不同場所合成的蛋白質(zhì)，

有不同的歸宿游離核糖體上合成的蛋白質(zhì)：釋放入胞液。粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的蛋白質(zhì)：嵌入細(xì)胞膜or細(xì)胞器膜?！沁@些膜上蛋白（哪些？稍后詳解）

，給予了神經(jīng)元奇妙的信息處理能力。當(dāng)前第15頁\共有48頁\編于星期四\18點高爾基體：蛋白質(zhì)“翻譯后”進行大量化學(xué)修飾（？）的場所把運轉(zhuǎn)到神經(jīng)元不同部位（如軸突和樹突）的蛋白質(zhì)，進行分類整理。（粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的下一個工種）《探索腦》P31當(dāng)前第16頁\共有48頁\編于星期四\18點線粒體：神經(jīng)元里的發(fā)電廠。

合成ATP，提供能量?！拔搿北?氧氣，合成ATP（三磷酸腺苷）《探索腦》P311微米的香腸當(dāng)前第17頁\共有48頁\編于星期四\18點ATP是細(xì)胞內(nèi)的能量流通物質(zhì)儲藏在ATP中的化學(xué)能（？），供給神經(jīng)元大多數(shù)生化反應(yīng)。例：神經(jīng)元膜上的特定蛋白（離子泵），利用ATP釋放的能量將某些物質(zhì)跨細(xì)胞膜從低濃度“泵”到高濃度維持神經(jīng)元內(nèi)外的濃度差

使得靜息電位和動作電位成為可能。例：給驅(qū)動蛋白&動力蛋白供能（在軸突里）。當(dāng)前第18頁\共有48頁\編于星期四\18點3.軸突不含核糖體，蛋白質(zhì)從哪來？

——胞體

軸突：輸出神經(jīng)信號軸漿運輸：蛋白質(zhì)合成于胞體，沿軸突運輸。順向運輸：蛋白質(zhì)（？）存儲于囊泡，胞體末梢，由“驅(qū)動蛋白”運輸。逆向運輸：末梢胞體，由“動力蛋白”運輸，給胞體提供軸突末梢需求變化的信息。這個過程需要線粒體合成的ATP提供能量

當(dāng)前第19頁\共有48頁\編于星期四\18點驅(qū)動蛋白擔(dān)任“腿腳”的順向運輸。沿著軸突，胞體末梢《探索腦》P38如果你是腦科學(xué)研究人員，你能借助這個系統(tǒng)追蹤腦內(nèi)的神經(jīng)連接嗎？當(dāng)前第20頁\共有48頁\編于星期四\18點注射+顯影：

追蹤神經(jīng)連接神經(jīng)末梢注射HRP(辣根過氧化物酶)

經(jīng)逆向運輸至胞體化學(xué)反應(yīng)使腦切片上的HRP顯影揭示腦內(nèi)連接?！短剿髂X》P39狂犬病毒也會搭便車：由皮膚上軸突末梢經(jīng)逆向運輸進入神經(jīng)系統(tǒng)瘋狂復(fù)制，殺死宿主神經(jīng)元感染者死亡。當(dāng)前第21頁\共有48頁\編于星期四\18點二、靜息態(tài)下，神經(jīng)元膜內(nèi)的負(fù)電位如何產(chǎn)生和維持？（靜息電位原理）

（《探索腦》第3章）

當(dāng)前第22頁\共有48頁\編于星期四\18點1.滿是漏洞的軸突，在傳播電信號時，與銅導(dǎo)線相比有什么優(yōu)勢？

銅導(dǎo)線軸突良導(dǎo)體，電子導(dǎo)電帶電原子（離子）導(dǎo)電絕緣性好（絕緣層或空氣）浸浴在可導(dǎo)電的含鹽細(xì)胞外液中，就像水流過滿是漏洞的水管被動傳導(dǎo)，信號隨距離衰減動作電位：固定大小和持續(xù)時間的信號。信息編碼方式：單個神經(jīng)元上動作電位的頻率&觸發(fā)動作電位的神經(jīng)元分布與數(shù)量。當(dāng)前第23頁\共有48頁\編于星期四\18點理解動作電位，先要理解靜息電位靜息電位：神經(jīng)元不沖動時，稱為靜息態(tài)。神經(jīng)元膜內(nèi)表面，分布負(fù)電荷，這種跨膜電荷分布的差異，稱為靜息膜電位。動作電位：靜息電位的短暫翻轉(zhuǎn)（可短至1毫秒），與膜外相比，膜內(nèi)變?yōu)檎姾?。?dāng)前第24頁\共有48頁\編于星期四\18點離子通道（ionchannel）（雙向？）選擇性地通透離子，高濃度低濃度；

鈉通道：幾乎只通透

鉀通道：只通透鈣通道：只通透正離子通過神經(jīng)元膜，負(fù)離子不通過，則膜內(nèi)外必然產(chǎn)生正負(fù)電荷的凈差，即膜內(nèi)外的電位差。門控（gating）特性，通道可根據(jù)膜局部微環(huán)境的改變，進行開放和關(guān)閉。2.對于靜息電位，神經(jīng)元膜上兩種重要跨膜蛋白質(zhì)，為何缺一不可？當(dāng)前第25頁\共有48頁\編于星期四\18點嵌入神經(jīng)元膜的離子通道《探索腦》P55當(dāng)前第26頁\共有48頁\編于星期四\18點另外一種重要的跨膜蛋白：離子泵離子泵（ionpump）：形成濃度梯度。什么力量驅(qū)動離子通過離子通道？——膜內(nèi)外的離子濃度差。為什么離子濃度差沒有隨離子的擴散運動而消失？——離子泵在維持膜內(nèi)外的離子濃度差（濃度梯度），把離子由低濃度泵到高濃度沒有離子泵，大腦將停止工作。需ATP供能（主動熵減）當(dāng)前第27頁\共有48頁\編于星期四\18點膜內(nèi)外不同離子的濃度差&膜電位

（沒有濃度差就沒有膜電位）體溫條件下，如果神經(jīng)元膜僅為某種離子單一通透時的膜內(nèi)電位?！短剿髂X》P62摩爾（mol）：每升溶液中的分子數(shù)。當(dāng)前第28頁\共有48頁\編于星期四\18點降解ATP釋放化學(xué)能，驅(qū)動鈉鉀泵交換膜內(nèi)與膜外

結(jié)果：富集于神經(jīng)元內(nèi)，富集于神經(jīng)元外鈉鉀泵是耗能大戶，占大腦ATP消耗量的70%鈉鉀泵：鉀進鈉出，形成梯度《探索腦》P62當(dāng)前第29頁\共有48頁\編于星期四\18點鈉鉀泵：交換鈉鉀，形成梯度鉀進，納出《探索腦》P62當(dāng)前第30頁\共有48頁\編于星期四\18點3.膜內(nèi)負(fù)電位，是膜內(nèi)外離子在哪兩種力作用下的動態(tài)平衡？

擴散力：離子經(jīng)選擇性離子通道，高濃度流向低濃度；電場力：擴散運動后，細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)凈負(fù)電荷，產(chǎn)生跨膜電位差。電場力由擴散運動產(chǎn)生，又與其制衡。當(dāng)前第31頁\共有48頁\編于星期四\18點第一種力：擴散力《探索腦》P56當(dāng)前第32頁\共有48頁\編于星期四\18點第二種力：電場力神經(jīng)元膜內(nèi)外的電場從何而來呢？《探索腦》P57當(dāng)前第33頁\共有48頁\編于星期四\18點膜內(nèi)外存在濃度梯度（鉀內(nèi)高外低）插入鉀通道（選擇性通透）擴散至膜外，其它的負(fù)離子如，被阻擋膜內(nèi)得到凈負(fù)電荷，出現(xiàn)跨膜電位差形成跨膜電場（內(nèi)負(fù)外正），吸引回到細(xì)胞內(nèi)。推動外出的擴散力，和吸引它們返回胞內(nèi)的電場力相等，方向相反時，跨膜凈運動停止。形成精確的平衡某種濃度梯度的離子平衡電位。|擴散力|=|電場力|：離子平衡電位當(dāng)前第34頁\共有48頁\編于星期四\18點離子平衡電位的建立（內(nèi)負(fù)外正）《探索腦》P59當(dāng)前第35頁\共有48頁\編于星期四\18點計算總的膜電位《探索腦》P61當(dāng)前第36頁\共有48頁\編于星期四\18點4.為什么靜脈注射氯化鉀會致死？心肌細(xì)胞也需要細(xì)胞膜維持靜息電位靜脈注射氯化鉀（回流到心臟）心肌細(xì)胞膜外濃度升高膜內(nèi)外離子濃度差消失膜內(nèi)正的不再擴散外流膜內(nèi)負(fù)的靜息膜電位被去除心肌細(xì)胞不再產(chǎn)生能夠?qū)е率湛s的沖動心臟立刻停止跳動掛了當(dāng)前第37頁\共有48頁\編于星期四\18點三、沖動不是魔鬼

（動作電位的產(chǎn)生和傳遞）

（《探索腦》第4章）

當(dāng)前第38頁\共有48頁\編于星期四\18點動作電位的子過程：上升相&下降相

（圖在下一頁）靜息電位：-65mV去極化（上升相）：膜電位快速翻轉(zhuǎn)變正，達+40mV超射：膜電位超過0V以上的部分。復(fù)極化（下降相）：膜電位恢復(fù)為負(fù)值，直至比靜息電位更負(fù)?；厣鋙r后超極化：膜電位低于靜息電位的部分逐步恢復(fù)到靜息電位。整個過程2ms。（所謂極化，就是一邊正一邊負(fù)的狀態(tài)。）當(dāng)前第39頁\共有48頁\編于星期四\18點單個動作電位的組成《探索腦》P72當(dāng)前第40頁\共有48頁\編于星期四\18點多個動作電位的產(chǎn)生在胞內(nèi)注入正電流，相當(dāng)于人工去極化。刺激電流持續(xù)，動作電位卻迅速回落又上升。形成脈沖，用頻率編碼?！短剿髂X》P73當(dāng)前第41頁\共有48頁\編于星期四\18點動作電位的頻率，依賴于去極化水平（編碼刺激強度）刺激越強動作電位頻率越高去極化沒達到閾值不產(chǎn)生動作電位極限為1000Hz。1ms內(nèi)，不可能產(chǎn)生下一個動作電位，不應(yīng)期?！短剿髂X》P73當(dāng)前第42頁\共有48頁\編于星期四\18點1.動作電位過程中，離子通道如何開閉？離子如何跨膜流動？動作電位是一個對跨膜電荷進行大幅度再分配的過程。去極化：鈉離子跨膜內(nèi)流。復(fù)極化：鉀離子跨膜外流。當(dāng)前第43頁\共有48頁\編于星期四\18點2.為什么神經(jīng)元是用動作電位的頻率而不是電壓，來編碼刺激的強度？此種編碼方式的優(yōu)勢何在？

A:高保真（Jake的答案）

就像調(diào)幅（用電位編碼）&調(diào)頻（用頻率編碼）的區(qū)別為什么的兩種含義：產(chǎn)生的原因（why），離子通道的開閉很快（下面詳述）功能（forwhat）？當(dāng)前第44頁\共有48頁\編于星期四\18點電壓門控鈉通道開放：去極化1、膜電位-65mV，閾值以下，鈉通道關(guān)閉。2、膜電位-65mV升至-40mV，達到閾值，短暫延遲后，鈉通道開放，鈉離子內(nèi)流，產(chǎn)生動作電位。3、開放持續(xù)時間<1ms迅速關(guān)閉。持續(xù)去極化導(dǎo)致失活。4、要使鈉通道去失活，膜電位必須恢復(fù)到-65mV（復(fù)極化以后）。膜電位鈉通道電流膜電位&鈉通道相互影響這個5毫秒是不是太長了？《探索腦》P83當(dāng)前第45頁\共有48頁\編于星期四\18點3.電壓門控鈉通道和電壓門控鉀通道如何精確配合？鈉通道：膜內(nèi)負(fù)電位達到閾值電壓門控鈉通道開放鈉離子跨膜內(nèi)流膜內(nèi)電壓上升變正去極化；鉀通道：膜去極化1ms后電壓門控鉀通道開放（此時