神经的兴奋与传导.ppt

第二章第二章 神经的兴奋与传导神经的兴奋与传导 参考书：神经生物学纲要 徐科 主编 科学出版社 2000 2.1 兴奋性和兴奋 应激性(irritability)：活的机体、组织与细胞对刺激发生反应的 能力、性能。动植物普遍所具有的。 兴奋性(excitability)：可兴奋细胞受到刺激后产生兴奋的能力。 可兴奋细胞：指感受器细胞、神经组织、肌肉细胞和腺细胞。 兴奋：可兴奋组织对刺激作出的反应。 细胞在受刺激时产生动作电位的能力兴奋性 动作电位产生的过程或动作电位兴奋 胞体： 轴丘 2、 神经元 树突(dendrite)：接受神经冲动传向胞体 （neuron ） 突起 轴突（axon）：神经纤维 2.2 2.2 神经元的结构和分类神经元的结构和分类 运动神经元 结构 1、神经：许多神经纤维（轴突）包围在结缔组织中组成(图2-1)。 3、神经纤维： 有髓纤维（myelinated fibers) ：髓鞘 (myelin)、 （图2-2） 郎飞氏结 (Node of Renvier) （图） 许旺氏细胞（Schwan Cell） 无髓纤维（unmyelinated fibers) 图2-4 三种神经元模式图 （图） 神经元的主要类型（图） 神经胶质细胞 与神经元的关系 2.3 2.3 刺激的要素刺激的要素 刺激(stimulus)：引起细胞兴奋的内外环境因素的变化。 （一）刺激的要素如下： 1、刺激的强度 阈强度（threshold intensity)：刚能引起组织兴奋的刺激强度。 阈刺激：达到这一临界强度的刺激。 （阈上刺激、阈下刺激） 顶强度(maximal intensity)：刺激强度增加到一定水平后， 继续增加肌肉收缩不会再增加。 2、时间 “全或无”原理 （“all or none”, “all or nothing”）： 某些生理现象不发生则无，一旦发生即为最大反应，反应的 大小与引起这个反应的刺激的大小无关。 动作电位 （单细胞或单神经纤维）； 骨骼肌单纤维的收缩； 心脏的收缩； 钠离子通道的开放 基强度：阈强度不再随着刺激时间的增加而减小即最小阈强度 （二）、二）、强度强度时间曲线时间曲线 (strength-duration curve)(strength-duration curve) 基强度：阈强度不再随着刺激时间的增加而减小。 最短时间：小于此时间，不论强度多大，都不能引起兴奋。 曲线上每一点表示阈刺激。（阈值曲线） 类似于双曲线， 又不同于双曲线 3 3、强度的变化率、强度的变化率（Rate of change )Rate of change ) 图2-6 Rc=I/t 二、阈上刺激引起组织一次兴奋后，组织兴奋性的变化过程：(图2-7） 一、兴奋性的衡量指标 阈强度：与兴奋性成反比 时值：两倍基强度的刺激引起兴奋所需的最短时间 利用时：用基强度的刺激引起兴奋所需的最短时间 2.4 2.4 兴奋性的指标与兴奋性的变化兴奋性的指标与兴奋性的变化 1. 绝对不应期(absolute refractory period)：兴奋性为零 2. 相对不应期(relative refractory period) ：引起兴奋的刺激强度 阈强度 3. 超常期(supernormal period) ：引起兴奋的刺激强度阈强度 4. 低常期(subnormal period) ：兴奋性又低于正常水平。（图） 阈下刺激的总和：时间总和；空间总和 组织一次兴奋后，兴奋性的变化，具有重要机能意义。 2.52.5 生物电的发现生物电的发现 Galvani意大利医生和生理学家。生物电的发现。 （图） Volta意大利物理学家。金属接触电动势理论 、 Volta电池。 Matteuci意大利生理学家。二次收缩实验 剑桥大学Hodgkin和Huxley应用金属微电极 对乌贼巨神经纤维电活动 进行系统研究， Hodgkin和 Katz提出离子假说。 1949年，凌宁和Gerard 发明玻璃微电极。电压钳和膜片钳将电生理研 究推向分子水平。 用玻璃微电极做细胞电生理实验 尖端直径0.5m 的玻璃微电极 2.6 神经干的损伤电位和动作电位 细胞内记录（ intracellular Recording） 细胞内记录细胞内记录 以神经纤维为例 解决：实验材料； 微电极尖端直径 刺激 刺激仪器 记录仪器 一、损伤电位和静息电位一、损伤电位和静息电位 1、损伤电位（injury potential）：存在于损伤部位 与完整部位之间的电位差。 （图2-11） 2、静息电位（resting potential） 细胞未受刺激时，即细胞处于“静息”状态下细胞膜 两侧存在的电位差。 内负外正。即极化状态（polarization)。图2-20 二、动作电位（action potential） 1、动作电位：指可兴奋细胞在受到刺激而发生 兴奋时所产生的外负内正的扩布性电位变化。 一些术语一些术语 极化（极化（polarization） 1.去极化（除极化) (depolarization) 2.反极化（reversal polarization） 3.复极化（repolarization） 复极相 4.超射（overshoot） 5.峰电位（spike potential) 6.后电位（after-potential）： 负后电位，正后电位 7.超极化（hyperpolarizaton） 2 2、动作电位主要特点动作电位主要特点： （1）“全或无”性质：如果刺激未达到阈值，则不引 起动作电位，而动作电位一经引起，其幅度便具有最 大值。（图2-14） （2）非衰减性传导 3 3、动作电位的主要生理功能、动作电位的主要生理功能 （1）作为快速、长距离传导的电信号； （2）调控神经递质的释放、肌肉的收缩和腺体的分泌。 RM6240C微机生物信号处理系统 神经干标本盒。 S+ S- E R1 - R1+ R2- R2+ 4、双相动作电位和单相动作电位 细胞外记录（ Extracellular Recording） 采样频率 通道模式 扫描速度 灵敏度 滤波频率 时间常数 4 4、双相动作电位和单相动作电位（细胞外记录）、双相动作电位和单相动作电位（细胞外记录） 2.7 2.7 神经冲动的传导速度和传导特点神经冲动的传导速度和传导特点 1、传导速度 1）测量 2）传导速度与神经纤维直径的关系 （图2-21） 哺乳动物神经干内有A、B、C三类纤维： A类纤维：有髓鞘的躯体传入和传出纤维，直径1-22m，传 导速度5-120 m/s （图2-22 ） B类纤维：有髓鞘的内脏神经节前纤维，直径3m，传导速 度3-15 m/s C类纤维：无髓鞘传入纤维和无髓鞘交感神经节后纤维，直 径0.3-1.3m，传导速度0.6-2.3 m/s 2 2、神经冲动传导的特点：神经冲动传导的特点： 1）生理完整性 2）双向传导 3）非衰减性 4）绝缘性 5）相对不疲劳性 2.8 2.8 静息电位产生的离子基础静息电位产生的离子基础 离子学说（离子学说（ionic theoryionic theory ）对静息电位的解释 静息电位和静息电位和K K + + 平衡电位平衡电位(K(K + + equilibrium potential) equilibrium potential) 1902年Bernsten提出的膜学说认为：细胞膜内、外K+分布的不 均一性和安静时膜主要对K+有通透性是细胞保持膜内负、膜外极 化状态的基础。细胞在静息状态时，膜内有较多的K+和A-；膜外有 较多的Na+和Cl-。这种膜内外K+、Na+分布不均匀主要是Na+泵活动 的结果。由于静息时膜内K+具有较高的势能，膜主要对K+有通透性 ，K+顺浓度梯度向胞外扩散；但由于A的吸引，K+只能聚集在膜 的外侧面；从而在膜内、外就形成了电位差，该电位差(电场力) 又成了阻止K+外流的力量，当它与浓度梯度促使K+外流的力量达到 平衡时，K+的净通量为零。此时膜内、外的电位差称为K+平衡电位 (EK)，即是静息跨膜电位。其数值可根据Nernst方程计算 l l R-气体常数， T-绝对温度 l F-法拉第常数， Z-离子价 半透膜 电化学平衡状态： K+从高浓度一侧向低浓度一 侧移动趋势； 形成的电位差抵制这种趋势 。 两者达到动态平衡。 K+平衡电位 其大小可用Nernst方程计算： R-气体常数， T-绝对温度 F-法拉第常数，Z-离子价 为形成平衡电位而移动的K+仅需占极少部分。（图 ） 2. Goldman2. Goldman方程方程 如果细胞膜对某一种离子是不能通透的，则这种离子的电化 学梯度对膜电位不起作用。 通透性大的离子对膜电位的产生所起的作用大。只有微小通 透性的离子对膜电位的作用很小。 膜在安静时，PNa约为PK的1/1001/50. 细胞内高K+浓度和静息状态时膜主要对K+通透，是 细胞产生和维持静息电位的主要原因。 2.9 2.9 动作电位的离子基础动作电位的离子基础 一、实验检验Na+在动作电位中的作用 二、二、动作电位的产生机制动作电位的产生机制（图图2-422-42） 1、某种刺激使细胞膜产生较缓慢的去极化（从a b）。 2、当膜电位达到阈电位，膜上的部分钠通道开放，允许 Na+顺着浓度梯度流进细胞。 3、 Na+流入细胞引起膜进一步去极化，从而引起新的钠通道 开放，进一步加快Na+内流，形成Hodgkin循环，产生膜的再 生性去极化。这个过程产生动作电位的上升相。（从b d） 4、 当膜电位上升趋近于ENa时，内流的Na+在膜内形成的正 电位足以阻止Na+的净内流，从而达到动作电位的顶点d。 5、开放的钠通道失活、关闭。而此时延迟性钾通道开放，K+ 在强大的电动势（Vm-Ek）作用下迅速外流，使膜复极化，回 到静息水平（从d e ）。 后电位后电位 （图图） 正后电位：是由于钠钾泵（图） 作用的结果， 此时因膜内Na+蓄积过多而使钠钾泵的活动过度 增强，使泵出的Na+量有可能明显超过泵入的K+ 量，使膜内负电荷相对增多，膜两侧电位向超极 化的方向变化。 负后电位：在复极化时迅速外流的K+蓄积在膜外 侧附近，因而暂时阻碍了K+外流的结果。 1、膜片箝 （patch clamp）图2-36 Neher和Sakmann 2、钠钾通道 钾通道：a）延迟开放的钾通道，由去极化激活；（图2-40） b）负责静息电位的钾离子漏泄的钾通道。（图2-41） 三、离子通道三、离子通道 钠通道（图2-38）：电压依从性通道，被河豚毒素（TTX）阻断 。图2-35 四乙基铵（tetra-ethyl-ammonium, TEA）选择性阻断钾通道。 普鲁卡因可以降低钠通道、钾通道激活 3 3、 离子通道的特性离子通道的特性 离子特异性 a)钾通道对钾和钠的选择性之比为100:1。 b)钠通道对各种离子的选择性顺序： Li+: Na+: NH4+: Ca2+: K+: Rb+: Cs+ =1.1: 1.0: 1/4: 1/10: 1/12: 1/40: 1/61 电压依赖性（voltage-dependent）（图） 在神经纤维或一般肌细胞的膜，决定其中钠通道和钾 通道功能状态的条件因素是膜两侧的电位差。 阈电位 通道的激活、失活和关闭通道的激活、失活和关闭 动作电位上升相后钠通道失活，高钾电导持续几毫秒。 a) 在绝对不应期，不可能激活足够数目的钠通道以产生 能超过K+外流的内向电流； b) 在相对不应期，较强的去极化可激活足够数目的钠通 道产生动作电位。但是超射小于正常值。（图） 离子通道开放符合“全或无”原则 对特定药理学试剂的易感性 TTX、TEA、普鲁卡因 四、动作电位产生过程中的能量供应四、动作电位产生过程中的能量供应 五、兴奋时离子浓度的变化 1、计算 Q=CV 对于大多数神经细胞的膜电容为1F/cm2。 长度1cm、直径1mm的神经纤维 从-70mV去极化到40mV 2、直接测量：放射性同位素 一次动作电位所引起的离子浓度变化为410-8 mol/L， 钠相当于1/80万，钾相当于1/1000万 六六. . 钠钾泵的主动转运钠钾泵的主动转运 钠钾泵是膜上一种具有ATP酶活性的蛋白质， 需要钠、钾、镁三种离子的激活。而K+只有在 膜的外侧有激活作用，Na +只在膜的内侧有激活 作用。 *钠钾泵对膜内Na+浓度的增加十分敏感。每次 兴奋后，都有一定程度的钠钾泵活动的增加。 *二硝基苯酚、氰化钠可使钠钾泵中毒失去作用。 2.10 2.10 神经冲动在轴突上的传导神经冲动在轴突上的传导 二、局部电流传导：(图17） 三、动作电位在有髓鞘神经纤维上的跳跃传导 （ saltatory conduction）： 局部电流可由一个郎飞氏结跳跃到邻近的下 一个郎飞氏结。 （图） 所谓动作电位的传导，实际是已兴奋的膜部分 通过局部电流刺激了未兴奋的膜部分，使之出 现动作电位。 （