人体及动物生理学-第三章神经元的兴奋和传导.ppt

1 第三章神经元的兴奋和传导第一节细胞的生物电现象bioelectricphenomenonofcell掌握内容 细胞的兴奋性和生物电静息电位和动作电位及其产生机制兴奋的引起 阈值 局部电位 阈电位和锋电位兴奋在同一细胞上传导的机制 2 生物电现象 bioelectricphonomenon 生命活动过程中出现的电现象称为生物电 Bioelectricity Electrophysiology1786 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 3 一 组织的兴奋和兴奋性P29Excitation excitabilityoftissue 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 thresholdintensity 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 4 阈刺激thresholdstimulus 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excitablecellortissue 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 5 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supraliminalstimulus阈下刺激subthresholdstimulus阈强度thresholdintensity 1thresholdintensity 6 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Cm 较大 约1 F cm2 膜电阻Rm 可变 与通道及转运体数目有关 Rm倒数即膜电导Gm 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transmembranepotential Em因此电学特性可用并联的阻容耦合电路来描述 7 3 电紧张电位electrotonicpotential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 8 三 静息电位及其产生机制 P26 一 静息电位Restingpotential 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 9 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 10 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 11 钠平衡电位 50 70mV 离子平衡电位ionequilibriumpotential 钾平衡电位 90 100mV 12 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 oEK 59 5log mV K iE 是某种离子的平衡电位 13 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RestingPotential 14 Nernst公式 环境温度为27 时 EK 59 5log mV RP相当于EK 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 15 影响RP因素 胞内 外的 K K o与 K i的差值决定EK K o EK 膜对K Na 通透性 K 的通透性 则RP 更趋向于EKNa 的通透性 则RP 更趋向于ENa Na K 泵的活动水平 RestingPotential 16 钠 钾泵 sodium potassiumpump 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 17 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 18 四 动作电位及其产生机制 一 动作电位Actionpotential AP1 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 19 2 动作电位的波形 20 升支 去极化相 降支 复极化相 锋电位spikepotential电位变化显示为一高幅尖锋 后电位负后电位negativeafter potential正后电位positiveafter potential 21 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 Negativeafterpotential Positiveafterpotential 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 22 正后电位 Positiveafterpotential 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 23 1 离子跨膜流动的电化学驱动力电化学驱动力 Em E离子 动力为负值时 推动正电荷流入胞 内向电流inwardcurrent 如Na Ca2 内流 动力为正值时 推动正电荷出胞 外向电流outwardcurrent 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 130mVK 20mV 24 2 动作电位期间Gm的变化用电压钳 voltageclamp 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 25 3 Gm变化的机制是离子通道的活动膜片钳 patchclamp 钳制一小片膜 记录单个通道离子电流的技术 膜片钳技术 26 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 27 AP期间的离子通道ionchannels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 28 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 ActionPotential AP的超射值等于Na 平衡电位 50 70mV 29 Na 通道去极化 激活 失活 恢复 ActionPotential 升支 Na 通道激活开放 Na 内流形成AP上升支 30 ActionPotential 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 31 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 afterdepolarization 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 afterhyperpolarization 生电性钠泵作用的结果 32 AP的特点 全或无 allornone 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 33 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 localresponse 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 localexcitationorpotential 34 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ENa AP 35 局部电位及其向锋电位的转变 36 2 阈电位thresholdpotential 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10 20mV 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 37 3 局部反应Localresponse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spatialsummation时间总和temporalsummation 38 LocalPotential 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 39 1 无髓鞘神经纤维AP传导机制 局部电流localcurrent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saltatoryconduction 三 动作电位在同一细胞上的传导 40 无髓鞘神经纤维AP传导 41 跳跃式传导 提速 节能 有髓鞘神经纤维AP传导 42 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 absoluterefractoryperiod兴奋性 0Na 通道全部关闭相对不应期 相当于负后电位 relativerefractoryperiod正常 兴奋性 0Na 通道渐恢复超常期 相当于负后电位 supranormalperiod兴奋性 正常Na 通道恢复低常期 相当于正后电位 subnormalperiod兴奋性 正常Na 通道渐静息 43 ActionPotential 绝对不应期 兴奋性 0相对不应期 正常 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 44 绝对不应期 absoluterefractoryperiod 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 relativerefractoryperiod 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 45 超常期 supranormalperiod 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 subnormalperiod 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 46 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 47 1 电紧张电位 electrotonicpotential 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 electrotonicpropagation 48 2 局部反应 localresponse 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Localpotential或Localexcitation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 49 3 阈电位和动作电位的引起 ThresholdpotentialandAPGenesis 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 50 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 51 二 冲动的传导 Conduct