神經(jīng)元的電活動專家講座

第一章腦電圖電生理基礎神經(jīng)元的電活動專家講座第1頁腦電圖是從顱外頭皮或顱內統(tǒng)計到局部神經(jīng)元電活動總和。本章主要對產(chǎn)生腦電信號神經(jīng)電生理基礎做一簡單介紹。腦電圖電生理基礎神經(jīng)元的電活動專家講座第2頁腦電圖電生理基礎1、神經(jīng)元和神經(jīng)環(huán)路2、新皮層和半球表面腦電活動起源3、丘腦皮質系統(tǒng)和腦電節(jié)律產(chǎn)生4、邊緣系統(tǒng)5、腦干網(wǎng)狀結構對腦電活動影響神經(jīng)元的電活動專家講座第3頁第一節(jié)神經(jīng)元和神經(jīng)環(huán)路神經(jīng)元的電活動專家講座第4頁一、神經(jīng)元電活動1、靜息電位和動作電位：神經(jīng)元由胞體、軸突和樹突組成。在靜息情況下，細胞內以K+和有機負離子為主，細胞外以Na+、Ca+和Cl-為主，維持靜息電位在-70mV至-90mV（細胞膜內為負，膜外為正）。細胞興奮時，Na+通道開放，Na+內流，使膜內變正，產(chǎn)生去極化，形成動作電位上升支，隨即K+順濃度差外流，膜內再次變負，為復極化，形成動作電位下降支。最終經(jīng)過Na+-K+-ATP泵逆濃度差將細胞內多出Na+運輸?shù)郊毎?，同時將細胞外多出K+運輸?shù)郊毎麅?。神?jīng)元的電活動專家講座第5頁動作電位特征神經(jīng)科學Neuroscience動作電位上升相和下降相示波器統(tǒng)計及動作電位上升和下降相上升相risingphase超射 overshoot下降相fallingphase回射 undershootNa+內流引發(fā)去極化K+外流引發(fā)復極化神經(jīng)元的電活動專家講座第6頁動作電位特征神經(jīng)元的電活動專家講座第7頁動作電位特征形成原因：

神經(jīng)科學Neuroscience閾值(threshold):足夠多鈉通道開放使鈉離子通透性大于鉀離子上升相（risingphase)：鈉通道完全開放，鈉離子快速進入胞內超射（Overshoot）：趨向于鈉平衡電位下降相(fallingphase)：鈉通道失活，鉀通道開放增加回射（后超級化，undershoot)：靠近于鉀平衡電位神經(jīng)元的電活動專家講座第8頁由Na+快速內流組成峰電位時間非常短暫，并在細胞外衰減，因而不是組成皮層腦電圖電位主要成份。除Na+電位外，在細胞膜興奮時，還存在另一個主要非突觸電位，它由遲緩內流Ca2

+內流引發(fā)，可產(chǎn)生20-50mV高電壓，并可在一群神經(jīng)元中形成同時化鋒電位，在癲癇樣放電中含有主要作用。神經(jīng)元的電活動專家講座第9頁動作電位沿軸突（神經(jīng)纖維）傳導是雙向，以局部電流形式傳向遠端，但在抵達突觸時，動作電位只能從突觸前膜向另一神經(jīng)元突觸后膜單向傳導。神經(jīng)元的電活動專家講座第10頁2、突觸結構和神經(jīng)遞質兩個神經(jīng)元之間接觸點稱為突觸（synapse），由突觸前膜、突觸間隙和突觸后膜組成。神經(jīng)元之間可經(jīng)過軸突-樹突、軸突-胞體、軸突-軸突等各種方式實現(xiàn)突觸連接。一個神經(jīng)元興奮后對下一級神經(jīng)元作用取決于神經(jīng)末梢（突觸前膜）所釋放神經(jīng)遞質或調質功效。神經(jīng)元的電活動專家講座第11頁興奮性神經(jīng)遞質使突觸后膜去極化，造成靜息電位升高，，神經(jīng)元興奮性增加，引發(fā)興奮性突觸后電位（EPSP），而抑制性神經(jīng)遞質則使突觸后膜超級化，靜息電位降低，神經(jīng)元興奮性降低，引發(fā)抑制性突觸后電位（IPSP）。興奮性電流主要與Na+、Ca2+內流相關，而抑制性電流主要包括Cl-、K+外流。在大多數(shù)生理情況下，突觸活動是組成腦電圖電位最主要成份。神經(jīng)元的電活動專家講座第12頁腦內主要興奮性氨基酸為谷氨酸和天冬氨酸，興奮性氨基酸受體包含NMDA(N-甲基-D-天冬氨酸)受體、AMDA受體和海人酸受體。抑制性氨基酸主要為γ-氨基丁酸（GABA），對應受體為GABAA受體和GABAB受體。GABA及其受體廣泛存在于腦組織中，可引發(fā)神經(jīng)元超極化抑制效應。神經(jīng)元的電活動專家講座第13頁腦內5-羥色胺（5-HT）能神經(jīng)元主要分布于腦干中縫核群及藍斑、腳間核等部位。5-HT神經(jīng)元特點是放電遲緩而規(guī)律，其放電頻率為0.5-3Hz，困倦時放電減慢。中樞5-HT活動與睡眠，尤其是慢波睡眠有親密關系。中樞兒茶酚胺（CA）類物質包含腎上腺素和去甲腎上腺素。CA對中樞作用以興奮為主，有利于維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)覺醒狀態(tài)。神經(jīng)元的電活動專家講座第14頁乙酰膽堿是主要神經(jīng)遞質，其在中樞神經(jīng)系統(tǒng)主要受體為毒菌堿受體（M受體）。M受體含有興奮和抑制雙重作用。在同一個神經(jīng)元上能夠現(xiàn)有興奮性M受體，又有抑制性M受體。神經(jīng)元的電活動專家講座第15頁3、神經(jīng)元內在性質單個興奮性神經(jīng)元有兩種活動模式：1、連續(xù)點燃：在接收刺激后產(chǎn)生連續(xù)而穩(wěn)定高頻放電，以實現(xiàn)快速信息傳遞，主要由鈉通道開放引發(fā)。清醒時多以連續(xù)點燃方式活動，2、暴發(fā)性點燃：在受刺激時產(chǎn)生不規(guī)則或節(jié)律性暴發(fā)，是在鈉內流造成細胞膜去極化后，觸發(fā)電壓依賴性鈣通道開放引發(fā)鈣內流所致。是丘腦、海馬和新皮層神經(jīng)元內在特征，對細胞間信息傳遞、腦電節(jié)律形成、睡眠活動及癲癇性放電形成非常主要。神經(jīng)元的電活動專家講座第16頁另外，神經(jīng)元含有內源性電壓依賴性震蕩性質，即在神經(jīng)元去極化到達一定強度時，可產(chǎn)生一個自我維持θ頻段電壓震蕩。神經(jīng)元這些內在性質和突觸性質共同決定了腦電活動基本方式。神經(jīng)元的電活動專家講座第17頁二、神經(jīng)環(huán)路腦內不一樣性質和功效神經(jīng)元經(jīng)過各種形式復雜連接，在不一樣水平組成神經(jīng)環(huán)路和神經(jīng)網(wǎng)絡，以類似串聯(lián)、并聯(lián)、前饋、反饋、正反饋、負反饋等各種形式活動。其中最簡單神經(jīng)環(huán)路是三突觸結構。主神經(jīng)元﹢﹣﹢抑制性中間神經(jīng)元三突觸環(huán)路示意圖神經(jīng)元的電活動專家講座第18頁一些神經(jīng)環(huán)路是產(chǎn)生癲癇主要基礎，如海馬內環(huán)路、邊緣系統(tǒng)環(huán)路、丘腦-皮層環(huán)路等。在這些環(huán)路中，某一步驟興奮閾值降低可使微小刺激引發(fā)強烈暴發(fā)，如此循環(huán)使環(huán)路對異常放電產(chǎn)生放大效應，進而引發(fā)異常放電擴散和發(fā)作。在病理條件下，腦內可形成異常神經(jīng)環(huán)路，成為異常放電形成和擴散基礎，并可干擾正常神經(jīng)活動。神經(jīng)元的電活動專家講座第19頁第二節(jié)新皮層和半球表面腦電活動起源一、新皮層結構1、皮層垂直結構：大量研究發(fā)覺，垂直于皮層表面柱狀結構是皮層基本功效單位。一個柱狀單位表面積在1mm2左右，有神經(jīng)元包胞體、樹突、軸突和跨層連接突觸組成，在一個垂直柱內，丘腦中繼核團輸入經(jīng)由Ⅳ層一些顆粒細胞向下傳導至Ⅴ和Ⅵ層傳出神經(jīng)成份，同時Ⅳ層向上抵達Ⅱ層及Ⅲ層錐體細胞，再回返向下興奮Ⅴ層大錐體細胞，組成基本垂直環(huán)路。神經(jīng)元的電活動專家講座第20頁大腦半球皮層分層結構分層名稱主要細胞組成Ⅰ層分子層頂樹突末梢分支，構成平行神經(jīng)纖維Ⅱ層外顆粒層小錐體細胞Ⅲ層錐體細胞層大、中型錐體細胞Ⅳ層內顆粒層小星形細胞Ⅴ層大錐體細胞層大錐體細胞Ⅵ層多形細胞層各種大小、形態(tài)不等神經(jīng)元神經(jīng)元的電活動專家講座第21頁2、皮層平行結構皮層神經(jīng)元軸突可在同一層或跨層平行連接，包含連接鄰近垂直柱、連接同側半球內相鄰兩個區(qū)域或連接對側半球對應區(qū)域。在皮層第Ⅰ層中，有大量并列分布錐體細胞頂樹突，頭皮腦電圖所統(tǒng)計到主要是這一層電位改變。平行連接可使更大范圍腦區(qū)參加到某項活動中，同時也是癲癇活動擴散基礎。神經(jīng)元的電活動專家講座第22頁二、皮層錐體細胞特征錐體細胞是皮層最主要興奮性神經(jīng)元，其含有大量樹突，尤其是頂樹突。位于Ⅲ、Ⅳ層錐體細胞多數(shù)為連續(xù)點燃神經(jīng)元。而Ⅴ層大錐體細胞多為暴發(fā)性點燃神經(jīng)元，含有內源性暴發(fā)特征。大錐體細胞樹突含有很高電興奮性，可對微小刺激產(chǎn)生長時間暴發(fā)反應，與產(chǎn)生癲癇樣放電有親密關系。這種含有內源性暴發(fā)能力錐體細胞在感覺運動皮層區(qū)分布最多。神經(jīng)元的電活動專家講座第23頁三、腦電活動起源腦電活動產(chǎn)生主要來自突觸后電位。另外一些神經(jīng)元內源性暴發(fā)電位和神經(jīng)元之間縫隙連接（電突觸）也組成腦電活動中一些成份。但動作電位在軸突中傳到對皮層表面統(tǒng)計到腦電活動可能不起什么作用。當前認為皮層或頭皮表面統(tǒng)計到腦電活動主要來自皮層錐體細胞頂樹突突觸后電位。神經(jīng)元的電活動專家講座第24頁突觸后電位對皮層表面統(tǒng)計影響取決于它極性、方向、部位和強度。從某一皮層或頭皮表面電極統(tǒng)計到腦電波形、頻率和位相，反應是統(tǒng)計電極下面許多神經(jīng)元突觸后電位凈得效應。神經(jīng)元的電活動專家講座第25頁產(chǎn)生同時腦電活動神經(jīng)元數(shù)量、電壓和頻率也是決定頭皮腦電活動主要原因。因為顱骨和頭皮對皮層腦電活動含有電壓衰減和高頻濾波作用，只有足夠數(shù)量神經(jīng)元同時活動，產(chǎn)生足夠強電壓，才能被頭皮電極統(tǒng)計到。神經(jīng)元的電活動專家講座第26頁第三節(jié)丘腦皮層系統(tǒng)和腦電節(jié)律產(chǎn)生一、丘腦是感覺刺激傳入大腦皮層最主要中繼站，也是產(chǎn)生低頻腦電活動主要起步點。丘腦核團分為特異性和非特異性核團，特異性核團傳遞各種感覺沖動，與特定大腦皮層區(qū)域有點對點投射關系。非特異性投射核團指中線核團和內板核團等，主要接收腦干網(wǎng)狀結構傳入興奮，引發(fā)大腦皮層廣泛區(qū)域電活動改變。皮層活動信息又反饋至丘腦，形成丘腦皮層環(huán)路，調整皮層神經(jīng)元興奮水平。丘腦網(wǎng)狀核在這一環(huán)路中也發(fā)揮著主要調整作用。丘腦非特異性投射系統(tǒng)是腦電活動形成基礎。神經(jīng)元的電活動專家講座第27頁丘腦神經(jīng)元含有低閾值T型Ca+通道。普通神經(jīng)元在-60mV左右被激活，但丘腦神經(jīng)元T型Ca+通道必須超極化低于-60mV并連續(xù)足夠長時間才能開放，并由Ca+內流產(chǎn)生高波幅去極化電位。在覺醒狀態(tài)下，丘腦神經(jīng)元接收感覺性輸入和腦干上行激活系統(tǒng)輸入，膜電位維持在-50~-60mV，T型Ca+通道不開放，丘腦能向皮層可靠傳遞全部類型感覺信息。在傳入性刺激降低時（睡眠狀態(tài)），神經(jīng)元處于超極化狀態(tài)，T型Ca+通道被激活，此時丘腦神經(jīng)元轉而以暴發(fā)點燃模式活動。丘腦神經(jīng)元這一特征與睡眠期慢波活動和全身性癲癇棘慢復合波發(fā)放有親密關系。神經(jīng)元的電活動專家講座第28頁二、腦電節(jié)律產(chǎn)生低頻刺激經(jīng)過非特異性丘腦核團引發(fā)神經(jīng)元暴發(fā)性點燃，產(chǎn)生短暫EPSP。因為丘腦內廣泛存在抑制性中間神經(jīng)元，在EPSP之后緊跟著一個大而長IPSP，其足以阻斷深入傳入性刺激，并使丘腦神經(jīng)元廣泛同時化，直至出現(xiàn)下一群EPSP-IPSP,如此重復，使丘腦成為節(jié)律性腦電活動起步點，如α節(jié)律、睡眠紡錘或廣泛性3Hz棘慢復合波節(jié)律。在意識減低或睡眠時，傳入性刺激降低，則丘腦產(chǎn)生節(jié)律更慢低頻振蕩，即慢波睡眠期δ節(jié)律。丘腦皮層系統(tǒng)興奮在皮層產(chǎn)生廣泛募集反應，使皮層廣泛區(qū)域加入到這種同時化節(jié)律性振蕩中。通常以6~12Hz頻率刺激最輕易誘發(fā)丘腦皮層節(jié)律性活動；而高頻刺激則引發(fā)覺醒去同時化反應。總而言之，能夠認為新皮層主要產(chǎn)生腦電活動電壓和電場，而丘腦則是產(chǎn)生腦電活動節(jié)律主要部位。神經(jīng)元的電活動專家講座第29頁第四節(jié)邊緣系統(tǒng)一、邊緣系統(tǒng)結構和功效邊緣系統(tǒng)主要由圍繞側腦室周圍結構組成，包含扣帶回、海馬旁回、海馬結構、隔區(qū)和梨狀區(qū)。擴大邊緣系統(tǒng)還包含與上述部位在功效和結構上親密相關皮層和皮層下結構，如眶額回后部、島葉前部、顳極、杏仁核、隔核、下丘腦、丘腦前核及中腦背蓋內側等。神經(jīng)元的電活動專家講座第30頁邊緣系統(tǒng)結構神經(jīng)元的電活動專家講座第31頁邊緣系統(tǒng)結構和功效非常復雜，其相互之間存在豐富纖維聯(lián)絡，并與皮層和腦干等結構有著廣泛結構和功效聯(lián)絡，從而形成不一樣水平環(huán)路系統(tǒng)。邊緣系統(tǒng)在功效上主要與內臟功效調整、情緒行為反應及記憶功效相關。其對內臟活動影響主要是經(jīng)過下丘腦來實現(xiàn)。在病理情況下，這些環(huán)路系統(tǒng)在異常電活動形成、放大和擴散中起主要作用。神經(jīng)元的電活動專家講座第32頁1、海馬海馬（hippocampus）結構見圖。錐體細胞是海馬內主要神經(jīng)元，決定了整個海馬結構模式和功效。依據(jù)細胞構筑不一樣，分為CA1（Sommer段）、CA2、CA3和CA4區(qū).其中CA1和CA3區(qū)對缺氧最為敏感，為易損區(qū)；CA2和CA4區(qū)為相對耐受區(qū)。CA3區(qū)錐體細胞含有內源性點燃性質和高興奮性旁路連接（軸突Schaffer旁路），盡管有抑制性中間神經(jīng)元調整，但抑制性輕度減低即可造成CA3區(qū)顯著同時化暴發(fā)，并經(jīng)過Schaffer旁路傳至CA1區(qū)。CA3區(qū)這種性質與癲癇有親密關系。CA1區(qū)錐體細胞無內源性暴發(fā)特征，但輕易被區(qū)點燃暴發(fā)募集，加入到癲癇樣活動中。神經(jīng)元的電活動專家講座第33頁神經(jīng)元的電活動專家講座第34頁海馬主要傳入纖維來自內嗅皮層（也稱內鼻區(qū)），經(jīng)過前穿支（perforatepaths）抵達齒狀回。齒狀回是皮層興奮進入海馬主要通路。齒狀回顆粒細胞含有非常負靜息電位，因而興奮閾值很高，對點燃含有很強適應性，對發(fā)作引發(fā)損傷也含有較強耐受性，起到過濾信息作用。神經(jīng)元的電活動專家講座第35頁顆粒細胞另一特征是其軸突苔狀纖維含有很強可塑性。正常情況下苔狀纖維與CA3區(qū)錐體細胞樹突形成聯(lián)絡，突觸電流和電壓依賴性離子通道改變可誘導苔狀纖維發(fā)芽并進入含有顆粒細胞樹突分子層，形成局部異常神經(jīng)環(huán)路，對癲癇樣放電起到放大作用。神經(jīng)元的電活動專家講座第36頁門區(qū)中包含苔蘚樣細胞和藍細胞等。苔蘚樣細胞是海馬中最易受到損傷細胞，其與齒狀回分子層顆粒細胞樹突組成興奮性連接，苔蘚樣細胞放電閾值很低，輕易產(chǎn)生暴發(fā)性點燃。苔蘚樣細胞死亡可觸發(fā)齒狀回顆粒細胞軸突發(fā)芽。藍細胞是GABA能抑制性中央神經(jīng)元，對Ca+介導興奮毒敏感，輕易受到損傷。其丟失使得暴露在高水平長時間刺激中齒狀回顆粒細胞興奮性增加。神經(jīng)元的電活動專家講座第37頁神經(jīng)元的電活動專家講座第38頁內嗅皮層

新皮層信息主要經(jīng)過內嗅皮層（entorhinalcortex）進入海馬。內嗅皮層錐體細胞含有連續(xù)點燃和暴發(fā)性點燃特征，其傳入纖維前穿支與齒狀回顆粒細胞形成連接。當內嗅皮層-海馬環(huán)路改變時，齒狀回喪失一些過濾信息功效，并開始放大同時化放電，加強而不是減弱內嗅皮層-海馬環(huán)路異?；顒?。神經(jīng)元的電活動專家講座第39頁梨狀區(qū)

梨狀區(qū)（piriform）或稱嗅皮層（olfactorycortex），與內嗅皮層有豐富聯(lián)絡，其錐體細胞點燃速度比邊緣系統(tǒng)其它結構都快，可快速引發(fā)臨床發(fā)作，是一個敏感性極高致癇區(qū)，經(jīng)常成為癲癇事件觸發(fā)器和放大器。神經(jīng)元的電活動專家講座第40頁杏仁核

杏仁核(amygdala)接收來自嗅球和梨狀皮層傳入，并有來自丘腦及腦干廣泛傳入纖維。其傳入纖維可抵達前額葉皮層、隔區(qū)、扣帶回前部、顳葉外側、島葉等部位。電刺激杏仁核可產(chǎn)生一系列行為改變和自主神經(jīng)癥狀。神經(jīng)元的電活動專家講座第41頁扣帶回

扣帶回（gyruscingulatus）是額葉一部分，也參加邊緣系統(tǒng)組成?？蹘Щ亟邮瞻肭蛐缕訌V泛區(qū)域傳入，并經(jīng)過海馬-扣帶回通路接收海馬傳入。傳入纖維可投射至海馬、杏仁核、隔核、丘腦前核及額、頂葉皮層等。電刺激扣帶回可引發(fā)各種自主神經(jīng)反應，如血管舒縮改變引發(fā)病人潮紅或蒼白，呼吸頻率改變，消化道癥狀等。神經(jīng)元的電活動專家講座第42頁二、邊緣系統(tǒng)電活動因為邊緣系統(tǒng)主要位于大腦半球內側面和底面，頭皮電極極難直接統(tǒng)計到其電位活動，常需借助靠近顱底蝶骨電極、卵圓孔電極等特殊部位統(tǒng)計，或進行顱內深部電極統(tǒng)計。神經(jīng)元的電活動專家講座第43頁海馬固有節(jié)律為4~7hz活動。早期研究認為，海馬活動主要源自隔區(qū)和內嗅皮層，經(jīng)過前穿支激活齒狀回顆粒細胞和CA1錐體細胞神經(jīng)元產(chǎn)生EPSP，而后激活局部環(huán)路抑制性神經(jīng)元，如此重復，從而產(chǎn)生θ頻率膜電位震蕩。以后研究顯示，在邊緣系統(tǒng)節(jié)律性慢波活動產(chǎn)生中，CA1錐體細胞IPSP占優(yōu)勢。膽堿能系統(tǒng)也可能介導海馬節(jié)律產(chǎn)生。當前終究那一個突觸后電位在海馬θ節(jié)律產(chǎn)生中占主導依然沒有一致節(jié)論。神經(jīng)元的電活動專家講座第44頁新皮層電活動可經(jīng)過內嗅皮層傳入海馬，在此經(jīng)過整合后，輸出到邊緣系統(tǒng)其它結構、大腦皮層及腦干下行通路。前述海馬特殊環(huán)路結構使之含有“放大器”效應，微小異常電活動在此環(huán)路內被逐步放大，經(jīng)傳出通路抵達效應器后引發(fā)腦電活動異常同時化放電。因而海馬經(jīng)常成為癲癇發(fā)作起源地。神經(jīng)元的電活動專家講座第45頁第五節(jié)、腦干網(wǎng)狀結構對腦電活動影響

位于腦橋中部與延髓尾側之間中縫核、孤束核、藍斑等結構與睡眠-覺醒周期及腦電活動同時化或去同時化波形有親密關系。動物試驗證實，腦干網(wǎng)狀結構頭端含有維持覺醒所必需神經(jīng)元，而腦干尾端則包含能誘發(fā)睡眠特定區(qū)域。在腦橋中部靠后橫斷或麻醉時，能使貓產(chǎn)生失眠和連續(xù)去同時化腦電圖形；相反當腦干頭端被麻醉時，則腦電圖出現(xiàn)同時化波形且動物進入睡眠狀態(tài)。神經(jīng)元的電活動專家講座第46頁腦干結構這些功效與神經(jīng)遞質相關，中縫核群5-羥色胺（5-HT）能神經(jīng)元是維持睡眠主要神經(jīng)遞質。完全損毀中縫核可造成動物失眠達數(shù)日之久，腦電圖慢波睡眠和快波睡眠都顯