人体及动物生理学之第3章神经元的兴奋和传导

单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,人体及动物生理学之第3章神经元的兴奋和传导,生物电现象(bioelectric phonomenon):生命活动过程中出现的电现象称为。,Bioelectricity, Electrophysiology,1786，Galvani，神经-肌肉各自带有生物电,电位计 阴极射线示波器 微电极技术电压钳技术膜片钳技术计算机,实验材料：枪乌贼巨大神经纤维、海兔的巨大神经细胞,2,一、组织的兴奋和兴奋性P29,Excitation & excitability of tissue,(一)刺激和反应,1.刺激,stimulation,：细胞和组织所处的,内外环境的变化。,刺激的形式：物理 化学 机械等,刺激的三要素：强度；持续时间；强,度-时间变化率(方波刺激时不变,),阈强度(阈值),threshold intensity,(,value,),:刺激的,持续时间固定,引起,细胞或组织发生反应(产生AP)的最小,刺激强度,3,阈刺激,threshold stimulus:具有,阈强,度,的刺激,2.反应,response,:可兴奋组织或细胞对刺,激所发生的应答。,兴奋,excitation:,机体对外界环境变化做出的反应。或活组织因刺激而产生冲动的反应。,抑制,inhibition,(二)可兴奋细胞或组织和兴奋性,1.可兴奋细胞或组织,excitable cell or,tissue:受刺激后能产生反应(即AP)的,细胞或组织。神经、肌肉、腺体的细,胞或组织属于此类。,4,2.兴奋性,excitability,:,可兴奋组织、细胞对刺激发生反应(即产生,动作电位)的能力。,衡量兴奋性高低的指标阈值,Excitability,阈上刺激,supraliminal stimulus,阈下刺激,subthreshold stimulus,阈强度,threshold intensity,1,threshold intensity,5,二、细胞膜的被动电学特性,1,.,平行板电容器:细胞膜脂质双层将细胞内外,液隔开,类似于平行板电容器。,2.细胞膜电学特性:细胞膜,具有,膜电容,C,m,:,较大，约1F/cm,2,膜电阻,R,m,: 可变,与通道及转运体数目有关；,R,m,倒数即膜电导G,m,=,带电离子通透性,细胞膜通道开放带电离子跨膜移动相,当于电容器充电或放电可产生电位差即,跨膜电位,transmembrane potential,E,m,因此电学特性可用并联的阻容耦合电路来描述,6,3.电紧张电位,electrotonic potential,随距刺激原点距离的增加而膜电位呈指数衰减的电位变化称,电紧张电位。,该电位是由膜的固有电学特性决定的,其产生过程中没有离子通道的激活,也无膜电导的改变。,7,三、静息电位及其产生机制(P26),(一)静息电位,Resting potential，RP,细胞在未受刺激时,(,静息状态下,),存在于细胞膜内外的电位差。,8,1.,在微电极尖刚插入膜内的瞬间,记录仪器显,现一个突然的电位跃变；,2.静息电位是一个稳定的直流电位；,3.范围:-10mV-100mV,(随细胞种类而不同),;,极化,(,polarization,):外正内负,去极化,(,depolarization,):,|RP|值减小,超极化,(,hyperpolarization,):,|RP|值增大,反极化,(,reversepolarization,):去极到正值,复极化,(,repolarization,):去极后向,RP恢复,超射,(,overshoot,):膜电位高于0电位部分,9,(二)静息电位产生机制,1.生物电活动的基础,:,钠泵活动造成膜内外离子不均衡分布:胞外Na,+,胞内Na,+,胞内K,+,胞外K,+,2.离子扩散与离子平衡电位：,扩散驱动力：浓度差和电位差,膜通透性：安静状态下,膜主要对,K,+,通透,扩散平衡：电位差=浓度差,驱动力=0,根据Nernst公式可计算出离子平衡电位,10,钠平衡电位,(,+50+70mV,),离子平衡电位 ion equilibrium potential,钾平衡电位,(,-90-100mV,),11,离子平衡电位计算公式,Nernst方程：,(环境温度为27时，教材为29.2),K+o,E,K,=59.5 log ,(,mV,),K+i,E:是某种离子的平衡电位,12,膜主要对K,+,通透,细胞内外K,+,势能差,K,+,经通道易化扩散,扩散出的K,+,形成阻碍K,+,继续扩散的电场力,K,+,的浓度差动力和电场力阻力平衡,静息电位,Resting Potential:,13,Nernst,公式,(环境温度为27时),E,K,=59.5 log ,(,mV,),RP相当于E,K,，但实测值总是小于Nernst公式的计算值，原因是静息时，细胞膜对Na,+,等离子也存在一定的通透性,K,+,o,K,+,i,14,影响RP因素,：,胞内、外的,K,+,:,K,+,o,与,K,+,i,的差值决定,E,K,，,K,+,o, ,E,K,膜对K,+,、Na,+,通透性:,K,+,的通透性,则RP,更趋向于,E,K,Na,+,的通透性,则RP,更趋向于,E,Na, Na,+,-K,+,泵的活动水平,Resting Potential,15,钠-钾泵 （sodium-potassium pump）:,存在于细胞膜上的一种具有ATP酶活性 的特殊蛋白质,可被细胞膜内的Na+增加或细胞外K+的增加所激活，受Mg2+浓度的影响，分解ATP释放能量，进行Na+ 、K+逆浓度和电位梯度的转运。,16,钠-钾泵的生理意义:,1、维持细胞内高K+，是许多代谢反应进行的必需条件；,2、维持细胞外高Na+，使得Na+不易进入细胞，也阻止了与之相伴随的水的进入，对维持正常细胞的渗透压与形态有着重要意义；,3、建立势能贮备，是神经、肌肉等组织具有兴奋性的基础，也是一些非离子性物质如葡萄糖、氨基酸等进行继发性主动转运的能量来源。,17,四、动作电位及其产生机制,(一),动作电位Action potential,AP,1.,在,RP,基础上，细胞受到一个适当(不,小于阈值)刺激时，其膜电位所发生的,一次,可扩布、,迅速的、短暂的波动。,实质：是膜电位在,RP,基础上发生的一,次,可扩布、,快速的倒转和复原；是细胞,兴奋的本质表现。,18,2.,动作电位的波形:,19,升支,(去极化相),降支,(复极化相),锋电位 spike potential,电位变化显示为一高幅尖锋,后电位 负后电位,negative after-potential,正后电位 positive after-potential,20,后电位动作电位在复极后期发生的一些微小而缓慢的电位波动，为后电位，包括负后电位和正后电位,负后电位,(Negative after potential) (Positive after potential),：,:,复极后期，膜电位恢复到静息电位水平之前的缓慢的复极过程，称之为负后电位,机制：,K,+,蓄积于膜外而进一步阻止,K,+,的外流所致,21,正后电位,(Positive after potential),：,:,继负后电位之后，膜电位有一个低于静息电位水平的电位波动，称之为正后电位,机制：由于,Na,+,K,+,泵活动，将向细胞内泵入,2K,+,，,而向细胞外泵出,3Na,+,，,因此时尽管细胞复极已达静息水平，但膜两侧的离子尚为恢复到原来的水平,22,1.离子跨膜流动的电化学驱动力,电化学驱动力=,E,m,-,E,离子,=,*动力,为负值时：推动正电荷流入胞(内向,电流,inward current,如Na,+,Ca,2+,内流,),*动力为正值时：推动正电荷出胞,(,外向电,流outward current,如K,+,外流,Cl,-,内流,),RP条件下，Na,+,受到很强的内向驱动力,(二),动作电位的产生机制,Na,+,=-130mV,K,+,=+20mV,23,2.动作电位期间Gm的变化,用电压钳(voltage cl,固定膜电位,测量膜电流)技术的研究结果表明:,动作电位期间,膜GNa首先增加,随即又衰减,在其衰减的同时GK增大。,24,3.Gm变化的机制是离子通道的活动,膜片钳(patch cl):钳制一小片膜，,记录单个通道离子电流的技术。,膜片钳技术,25,用膜片钳技术研究的结果说明：膜电导变,化的实质是实质是膜上离子通道随机开放,和关闭的总和效应,26,AP,期间的离子通道,ion channels,活动：,膜片钳的实验研究表明，,AP,期间有两种离子通道活动：,Na,+,通道：通道特异性阻断剂 :河豚毒(,tetrodotoxin,TTX,),K,+,通道：通道特异性阻断剂:四乙铵(,tetraethylammonium, TEA,),27,刺激后,膜对Na,+,通透,膜内外Na,+,势能贮备,Na,+,经通道易化扩散,扩散的Na,+,抵消膜内,负电位,形成正电位,直至正电位增加到足以对抗由浓度差所致的Na,+,内流,Action Potential,：,AP的超射值等于,Na,+,平衡电位(,+50+70mV,),28,Na,+,通道,去极化,激活,失活,恢复,Action Potential,：,升支,Na,+,通道激活开放,Na,+,内流形成AP上升支,29,Action Potential:,降支,K,+,通道激活开放,K,+,外流形成AP下降支,K,+,通道,关闭,激活,30,小结AP的形成的离子基础：,升支:Na,+,内流；,降支:K,+,外流；,静息水平: Na,+,- K,+,泵活动,离子恢复静息,时的分布状态；,负后电位(,后去极化,after depolarization,),:,复极,时,外流,的,K,+,蓄积在膜外,阻碍了K,+,外流；,正后电位,(,后超极化,after hyperpolarization,),:,生,电性钠泵作用的结果,31,AP的特点：,“全或无”,all or none,：幅度不随,刺激强度增加而增大,可传播性:,不减衰传导(幅度波形不变),有不应期:因而,锋电位之间不发生,融合或叠加,32,4.动作电位的引起,(1)局部兴奋及其向锋电位的转变,阈下弱刺激电紧张电位刺激稍加强去极化电紧张电位少量Na,+,通道开放,少量Na,+,内流被K,+,外流抵消,不能发展成AP只能与电紧张电位叠加局部反应(,local response,)。,因此，局部反应是阈下刺激在受刺激的膜的局部引起的一个较小的去极化反应。又称局部兴奋或局部电位,(,local excitation or potential,),33,刺激强度增加较多Na,+,通道开放,较多Na,+,内流当刺激强度使膜去极化程度达某一临界膜电位(阈电位)时Na,+,内流K,+,外流膜发生更强的去极化从而使更多Na,+,通道开放和Na,+,内流(形成Na,+,通道激活对膜去极化的正反馈)直至接近,E,Na,AP,34,局部电位,及其向锋电位的转变,35,(2),阈电位 threshold potential，TP,能引起大量Na,+,通道开放和Na,+,内流并形成Na,+,通道激活对膜去极化的正反馈过程进,而诱发动作电位的临界膜电位值。,阈电位一般比RP小1020mV。,如神经细胞RP=-70mV，TP-55mV,达到阈电位后,AP幅度只取决于膜电位,去极化程度、Na,+,通道和Na,+,电流之间的正反馈过程，而与外加刺激强度无关。,36,(,3,),局部,反应,Local response,阈下,刺激因强度较弱而不能使膜的去极化达到阈电位，不能触发AP，但可引起局部反应,。,局部反应的特征：,非,“全或无”：反应幅度随刺激强度的增大而,增大,在,局部,形成,电紧张性扩布,可以总和:,空间总和 spatial summation,时间总和 temporal summation,37,Local Potential：,（1）,肌细胞的终板电位EPP,（2）感受器细胞的感受器电位,（3）,N元突触的突触后电位,38,1.,无髓鞘神经纤维AP传导机制,局部电流,local current,传导速度:轴突直径、电阻、钠通道密度,2.,有髓鞘神经纤维AP传导机制,局部电流发生在郎飞结,间的跳跃式传导,saltatory conduction,(三),动作电位在同一细胞上,的传导,39,无髓鞘神经纤维AP传导:,40,跳跃式传导：,提速、节能,有髓鞘神经纤维AP传导：,41,(四)细胞一次兴奋后兴奋性的周期性变化,绝对不应期(,相当于锋电位,),absolute refractory period,兴奋性=0 Na,+,通道全部关闭,相对不应期(,相当于负后电位,),relative refractory period,正常兴奋性,0 Na,+,通道渐恢复,超常期(,相当于负后电位,),supranormal period,兴奋性正常 Na,+,通道恢复,低常期(,相当于正后电位,),subnormal period,兴奋性兴奋性0,超常期：,兴奋性正常,低常期：,兴奋性正常,兴奋性的周期性变化,43,绝对不应期,(,absolute refractory period),组织兴奋后，在去极之后到复极达到一定程度之前对任何强度的刺激均不产生反应,.(,0.3ms),相对不应期,(,relative refractory period),绝对不应期之后，随着复极化的继续，组织的兴奋性有所恢复，只对阈上刺激产生兴奋,(3ms),44,超常期,(,supranormal,period),相对不应期之后，兴奋恢复高于原有水平，用阈下刺激就可引起兴奋,(,12ms),低常期,(,subnormal period),超常期之后，组织进入兴奋性较低时期，只有阈上刺激才能引起兴奋,(,70ms),45,第二节神经冲动的传导,一、冲动的产生,电紧张电位,局部反应或局部电位,阈电位和动作电位,46,1、电紧张电位 (electrotonic potential),定义：阈下刺激所引起的细胞膜电位发生的变化（超极化或去极化）。,特点：被动反应，局限性，分级性，电紧张性扩布 (electrotonic propagation,47,2、局部反应 (local response),定义：指阈下刺激时（外向电流）产生的电紧张电位和由少量Na+通道开放产生的特定电变化叠加在一起的去极化电位，又称Local potential或Local excitation,特点：不具全或无性质；不能传导，只能向周围作短距离的电紧张性扩布；无不应期，有总和现象,48,3、阈电位和动作电位的引起 (Threshold potential and AP Genesis),阈电位：能够导致膜对Na+通透性突然增大的临界膜电位数值。（能触发AP产生的临界膜电位数值）,阈刺激就是刚能使膜电位降低到阈电位水平的最低刺激强度。,动作电位特点：,具有全或无性质；,非递减性传导。,49,局部电位和动作电位的区别：,局部电位 动作电位,刺激强度 阈下刺激 阈刺激,Na,+,通道开放数量少 多,电位幅度 小 大,总和现象 有 无,全或无现象 无 有,不应期 无 有,传播特点 紧张性扩布 非衰减性传导,50,二、冲动的传导,(Conduction of Action potential),1、神经冲动传导的一般特点,生理完整性,双向性,非递减性,绝缘性,相对不疲劳性,定义：动作电位在同一细胞上的传布过程,51,2、冲动传导的机制- Local current学说,冲动传导的局部电流与两种纤维的传导特点：,有髓神经纤维：,跳跃式传导，速度快,无髓神经纤维：,连续传递，速度慢,52,影响传导速度因素,直径粗细,粗纤维R小，电流大，传导速度快,细纤维R大，电流小，传导速度慢,有无髓鞘,温度：恒温动物较变温动物快,猫 A.f: 100m/s,蛙 A.f: 40m/s,人尺神经 54m/s,53,三、神经干复合动作电位,(,compound action potential）,1、神经干复合动作电位的定义与特点,1）定义：神经干所包含的许多神经纤维的生物电变化的总和,2）特点：,兴奋快慢与阈值有关：阈值低的先兴奋，阈值高的后兴奋,兴奋传导速度与纤维直径成正相关系,54,四、双相动作电位和单相动作电位,2003年，美国科学家彼得阿格雷和罗德里克麦金农，分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理研究而获诺贝尔化学奖。,55,