第二章電生理基礎(chǔ)

第二章電信號在神經(jīng)元上的產(chǎn)生和傳導(dǎo)

(ImpulseFormationandConduction)

一、生物電研究簡史

二、神經(jīng)元的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

三、靜息膜電位

四、動作電位

五、神經(jīng)元整合Neurobiology一、發(fā)展簡史1.LuigiGalvani

電生理學(xué)的奠基人,1786年“涼臺實(shí)驗(yàn)”，“無金屬實(shí)驗(yàn)”。2.19世紀(jì)Nobeli改進(jìn)了電流計(jì)，首次記錄到損傷電位（損傷處為負(fù)，未損傷處為正）。3.Carlo

Matteuci1842年首次記錄到肌肉的動作電位，并用“二次收縮實(shí)驗(yàn)”證明，動作電位引起肌肉收縮。DuBoisReymond(1849)記錄到靜息電位和動作電位。Helmholtz(1850)測量了神經(jīng)干上的沖動傳導(dǎo)速度，證明了神經(jīng)活動不同于電活動。JuliusBernstein(1871)提出膜學(xué)說來解釋神經(jīng)和肌肉的電現(xiàn)象。J.Z.Young（1936）發(fā)現(xiàn)槍烏賊的巨軸突，直徑1mm,長數(shù)百mm。1939年美國的H.J.Curtis,K.S.Cole和英國的

A.L.Hodgkin,A.F.Huxley發(fā)明了微電極技術(shù)，用細(xì)胞內(nèi)記錄方法，顯示動作電位出現(xiàn)時(shí)，膜電導(dǎo)的變化。A.L.Hodgkin,A.F.Huxley和Eccles共獲1963年諾貝爾生理學(xué)、醫(yī)學(xué)獎。1949年A.L.Hodgkin和B.Katz提出離子學(xué)說。1976年ErwinNeher,BertSakmann

建立了膜片鉗（patchclamp）技術(shù)，使記錄單離子通道的活動成為可能。獲1991年諾貝爾生理學(xué)、醫(yī)學(xué)獎。研究生物電信號產(chǎn)生和傳導(dǎo)中常用的幾個(gè)術(shù)語：刺激（stimulus）：內(nèi)外環(huán)境的變化構(gòu)成刺激。閾值（threshold）：即刺激閾值（thresholdstimulus）通常是指引起組織或細(xì)胞發(fā)生反應(yīng)的最小刺激強(qiáng)度。閾上刺激，閾上刺激，閾刺激。興奮性（excitability）：即細(xì)胞、組織、有機(jī)體受到閾刺激和閾上刺激時(shí)，發(fā)生反應(yīng)的能力。其表現(xiàn)形式為興奮和抑制。

興奮（excitation）：即組織、有機(jī)體受到閾刺激和閾上刺激時(shí)，由不動到動，由動的慢到動得快，該反應(yīng)方式為興奮。反之為抑制（suppression

）。可興奮細(xì)胞興奮時(shí)，表現(xiàn)為產(chǎn)生動作電位。抑制時(shí)，產(chǎn)生超激化。二.神經(jīng)元的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）通道運(yùn)輸

在膜上的通道蛋白質(zhì)幫助下完成。如鈉離子通道、鉀離子通道、鈣離子通道等。

離子擴(kuò)散通量的多少，與膜兩側(cè)離子的濃度差及電場力有關(guān)。通道的開放（激活）或關(guān)閉（失活）由“閘門”調(diào)控，閘門開關(guān)迅速。

化學(xué)門控通道:：由化學(xué)物質(zhì)引起閘門開關(guān)電壓門控通道：由膜電位變化引起閘門開關(guān)

（2）載體運(yùn)輸

載體蛋白質(zhì)在物質(zhì)濃度高的一側(cè)與被轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)結(jié)合，引起構(gòu)象變化,把物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)到低濃度的

一側(cè)，然后與物質(zhì)分離。

如葡萄糖、氨基酸等的跨膜運(yùn)輸。

易化擴(kuò)散特點(diǎn)：

(1)特異性

通道特異性不如載體表現(xiàn)突出。

(2)飽和現(xiàn)象

原因?yàn)椋狠d體蛋白及通道蛋白量有限。以載體表現(xiàn)突出。

(3)競爭性抑制（三）主動轉(zhuǎn)運(yùn)

1、概念：通過細(xì)胞自身的耗能過程，將物質(zhì)分子（或離子）由細(xì)胞膜的低濃度一側(cè)向高濃度一側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)的過程。2、特點(diǎn)：

(1)逆濃度差

(2)耗能

(3)借助于膜上“生物泵”的活動來完成

鈉-鉀泵（鈉泵）：

轉(zhuǎn)運(yùn)Na+和K+，為兩個(gè)亞單位組成的二聚體蛋白質(zhì)。具有ATP酶活性，能分解ATP供能，也就是Na+-K+依賴式ATP酶。

生物泵：

為鑲嵌在細(xì)胞膜中的特殊蛋白質(zhì)?；顒訒r(shí)，需提供能量，逆濃度差轉(zhuǎn)運(yùn)。如鈉泵、鉀泵、鈣泵等。

鈉泵的生理意義：

形成和維持膜內(nèi)高K＋，膜外高Na＋

的不均衡離子分布狀態(tài)。這一不均衡分布是對生物電產(chǎn)生、維持神經(jīng)肌肉的正常興奮性所必需的。三、靜息電位(RP)

（一）概念及測量

1.概念★特征：膜外為正，膜內(nèi)為負(fù)。（外正內(nèi)負(fù)）

細(xì)胞靜息時(shí)，細(xì)胞膜兩側(cè)存在的電位差。

++++++++++++++++2.RP實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象3.證明RP的實(shí)驗(yàn)（甲）當(dāng)A、B電極都位于細(xì)胞膜外，無電位改變，證明膜外無電位差。（乙）當(dāng)A電極位于細(xì)胞膜外，B電極插入膜內(nèi)時(shí)，有電位改變，證明膜內(nèi)、外間有電位差。（丙）當(dāng)A、B電極都位于細(xì)胞膜內(nèi)，無電位改變，證明膜內(nèi)無電位差。

4.測量

數(shù)值：多在

-10～-100mV之間哺乳動物肌細(xì)胞或神經(jīng)細(xì)胞：-70～-90mV紅細(xì)胞：-6～-10mV負(fù)值是指膜內(nèi)電位低于膜外電位的數(shù)值。（二）產(chǎn)生機(jī)制（以神經(jīng)細(xì)胞為例）

——離子流學(xué)說

1.產(chǎn)生條件：

（1）膜兩側(cè)離子分布不均衡；細(xì)胞內(nèi)：K+、蛋白質(zhì)離子(A-)濃度高；細(xì)胞外：Na＋

和Cl－的濃度高。

細(xì)胞靜息時(shí)，膜對K+通透性大對Na＋通透性很小對A-幾乎沒有通透性

（2）膜對各種離子的通透性不同。

哺乳動物神經(jīng)軸突內(nèi)外離子的濃度(mmol/L)和流動趨勢

K+Na+Cl

-

細(xì)胞內(nèi)

140

104細(xì)胞外5

130

120細(xì)胞內(nèi)外濃度比28:11:131:30離子流動趨勢外向流內(nèi)向流內(nèi)向流 靜息狀態(tài)時(shí)，K+順濃度差由膜內(nèi)向膜外流動，每流出一個(gè)K+，細(xì)胞外便增加一個(gè)正電荷，相應(yīng)的細(xì)胞內(nèi)便產(chǎn)生一個(gè)負(fù)電荷，隨著K+的外流，正負(fù)電荷之間產(chǎn)生的電場力會阻止K+的繼續(xù)外流，當(dāng)促使K+外流的濃差力與阻止K+外流的電場力達(dá)到平衡時(shí)，K+的凈移動就會等于零，此時(shí)，細(xì)胞膜兩側(cè)穩(wěn)定的電位差即為靜息電位，也稱為K+的平衡電位。2、產(chǎn)生過程：★靜息電位實(shí)質(zhì)：是K+外流形成的電—化學(xué)平衡電位。

靜息電位主要受細(xì)胞內(nèi)外K+濃度的影響：

如細(xì)胞外K+濃度增高，K+濃度差減小，向外擴(kuò)散的動力減弱，K+外流減少，靜息電位減?。茨?nèi)外的電位差變?。?。

如細(xì)胞外的K+濃度降低，將引起靜息電位增大（即膜內(nèi)外的電位差變大）?！?/p>

（三）描述膜兩側(cè)電荷分布的一組術(shù)語極化:細(xì)胞膜兩側(cè)外正內(nèi)負(fù)的狀態(tài)。超極化:以靜息電位為準(zhǔn)，電位差加大（膜內(nèi)更負(fù)）。去極化:細(xì)胞膜兩側(cè)電位差變小的過程

。反極化:膜電位的極性發(fā)生倒轉(zhuǎn)（外負(fù)內(nèi)正）。復(fù)極化:細(xì)胞先發(fā)生去極化，然后又恢復(fù)到原來的極化狀態(tài)。四、動作電位(Actionpotential，

AP)（一）動作電位的概念

1.基本概念可興奮細(xì)胞受到有效刺激時(shí)，在靜息電位基礎(chǔ)上產(chǎn)生的可傳布的電位變化過程。2.AP實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象去極化（depolarizingphase）

反極化(超射)(overshoot)

復(fù)極化(repolarizingphase)超極化Hyperpolazingphase

3.

動作電位的演變過程

動作電位由峰電位和后電位構(gòu)成。

(二)

AP的產(chǎn)生機(jī)制用離子流學(xué)說來解釋：

1.

去極化時(shí)相細(xì)胞受刺激少量鈉通道開放靜息電位減小到閾電位水平大量鈉通道開放細(xì)胞外Na+快速、大量內(nèi)流細(xì)胞內(nèi)電位急劇上升鋒電位的上升支。

(Na+內(nèi)流)2.

復(fù)極化時(shí)相

膜電位達(dá)到Na+平衡電位水平鈉通道失活關(guān)閉，鉀通道激活開放Na+停止內(nèi)流、K+快速外流細(xì)胞內(nèi)電位下降，恢復(fù)到負(fù)電位水平鋒電位的下降支。

(K+外流)

3.后電位鈉泵活動，使膜兩側(cè)離子分布恢復(fù)興奮前不均衡狀態(tài)。

(鈉泵活動)

(三)

動作電位的產(chǎn)生條件與閾電位

★

閾電位：使細(xì)胞膜對Na+通透性突然增大的臨界膜電位值。

閾電位約比靜息電位的絕對值小10～20mV。

靜息電位去極化達(dá)到閾電位水平是產(chǎn)生動作電位的必要條件。

（四）動作電位的特點(diǎn)

1.“全或無”現(xiàn)象

2.不衰減性傳導(dǎo)

3.脈沖式產(chǎn)生

各種細(xì)胞AP持續(xù)時(shí)間有很大差別：

神經(jīng)和骨骼肌細(xì)胞：１ms至數(shù)ms

心室肌細(xì)胞：長達(dá)300ms左右（五）細(xì)胞動作電位與興奮性變化之間的時(shí)間關(guān)系鋒電位——絕對不應(yīng)期

后電位

——前段相當(dāng)于相對不應(yīng)期和超常期

后段相當(dāng)于低常期（六）局部反應(yīng)（電位）：產(chǎn)生于膜的局部、較小的去極化或超激化反應(yīng)。

③有總和效應(yīng)時(shí)間總和空間總和②不是‘全或無’式的，反應(yīng)可隨閾下刺激的增強(qiáng)而增大；特點(diǎn)：①電位幅度小，呈衰減性傳導(dǎo)；

(七)

動作電位的傳導(dǎo)與局部電流

傳導(dǎo)

：在同一細(xì)胞上動作電位的傳播。

傳遞：動作電位是在兩個(gè)細(xì)胞之間進(jìn)行傳播。

神經(jīng)沖動：在神經(jīng)纖維上傳導(dǎo)的動作電位。

1、AP在無髓神經(jīng)纖維上的傳導(dǎo)

————局部電流理論2、AP在有髓神經(jīng)纖維上的傳導(dǎo)

————跳躍式傳導(dǎo)

出現(xiàn)在有髓神經(jīng)纖維某一朗飛結(jié)的動作電位，可跨越一段有髓鞘的纖維而呈跳躍式傳導(dǎo)。傳導(dǎo)速度要比無髓神經(jīng)纖維快得多。興奮在同一細(xì)胞上的傳導(dǎo)傳導(dǎo)機(jī)制：無髓神經(jīng)纖維上近距離局部電流興奮在同一細(xì)胞上的傳導(dǎo)傳導(dǎo)機(jī)制：無髓神經(jīng)纖維上近距離局部電流有髓鞘N纖維為遠(yuǎn)距離(跳躍式)局部電流Actionpotentialconduction（72）localcurrenttheory:在無髓鞘神經(jīng)纖維上的興奮傳導(dǎo)。在興奮部位局部產(chǎn)生的電位差刺激了相鄰的部位，則兩者之間產(chǎn)生的局部電流，使相鄰部位去極化，達(dá)到域值則在相鄰部位產(chǎn)生興奮。興奮以這種機(jī)制快速擴(kuò)布。jumpingconduction；saltatoryconduction:

在有髓鞘神經(jīng)纖維上的興奮傳導(dǎo)。

Ranvier’snode(髓鞘間斷處).神經(jīng)興奮是從一個(gè)郎氏結(jié)跳躍到下一個(gè)郎氏結(jié)。(八)影響動作電位產(chǎn)生和傳導(dǎo)的因素化學(xué)物質(zhì)的影響：1.普魯卡因：減低鈉離子、鉀離子通道激活。抑制動作電位的傳導(dǎo)。2.河豚毒素(tetrodotoxin,TTX)：鈉離子通道激活阻斷劑。阻遏動作電位的產(chǎn)生。3.?？舅?seaanemonevenom,ATXII)：鈉離子通道失活阻斷劑。使動作電位的的超射的下降相變慢，并延長時(shí)間，產(chǎn)生平臺4.蝎毒素(scorpiontoxin,)：鈉離子通道失活阻斷劑。阻遏動作電位的的超射的下降相變慢，并延長時(shí)間，產(chǎn)生平臺5.箭毒(batrachotoxin)：靜息狀態(tài)下，使鈉離子通道開放，產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的去極化，降低動作電位的幅度，最終出現(xiàn)傳導(dǎo)阻滯。6.四已胺(tetraethylammonium,TEA)：鉀離子通道激活阻斷劑。使復(fù)極化時(shí)程延長。動作電位延長。神經(jīng)纖維結(jié)構(gòu)的影響：根據(jù)直徑，髓鞘發(fā)達(dá)程度，結(jié)間段長短和神經(jīng)傳導(dǎo)速度。分為A，B，C型。A類:直徑最粗，1-22微米，傳導(dǎo)速度最快，5-120米/秒,髓鞘發(fā)達(dá),結(jié)間段長,1-2毫米,但對抗損傷能力低,損傷后恢復(fù)慢.主要傳導(dǎo)軀體本體感覺，屬于有髓神經(jīng)纖維。B類:較細(xì),直徑1-3微米，速度慢3-15米/秒,髓鞘薄,對抗損傷能力稍強(qiáng),,損傷后易恢復(fù).主要見于植物神經(jīng)的節(jié)前纖維.C類:

直徑最細(xì)，0.3-1.6微米，傳導(dǎo)速度最慢，2米/秒,如自主神經(jīng)的節(jié)后纖維，由于恢復(fù)過程中不生成髓鞘,所以受損傷后恢復(fù)再生較快,常見于植物神經(jīng)的節(jié)后纖維,周圍神經(jīng)和后根的無髓纖維.屬于無髓神經(jīng)纖維，傳導(dǎo)痛覺，味覺等，如嗅神經(jīng)的嗅絲神經(jīng)纖維:

軸突,樹突.機(jī)能:傳導(dǎo)沖動在中樞軸突構(gòu)成脊髓或腦的傳導(dǎo)束和聯(lián)合纖維.在周圍神經(jīng)系統(tǒng):集合成周圍神經(jīng).

有髓神經(jīng)纖維無髓神經(jīng)纖維神經(jīng)纖維突起外面包裹著髓鞘和神經(jīng)膜.稱為有髓神經(jīng)纖維。有的無明顯髓鞘,僅僅有一神經(jīng)膜.稱為無髓神經(jīng)纖維.神經(jīng)末梢神經(jīng)末梢：神經(jīng)纖維的終末部分。神經(jīng)纖維末端分布到組織器官時(shí)所形成的特殊結(jié)構(gòu).終末裝置.感覺神經(jīng)末梢運(yùn)動神經(jīng)末梢五.神經(jīng)元整合（neuronalintegration）：

突觸后電位(Postsynaptic

potential