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第三章 神经元的兴奋和传导第一节 细胞膜的电生理细胞的生物电现象机体中的大多数细胞都能对不同的刺激作出特异发应，这些细胞在反应的初始阶段，一般表现为细胞膜的电学性质发生变化，细胞膜受刺激后产生的这种电的变化称为细胞膜的生物电现象（bioelectricity）。如：心电图、脑电图、肌电图等微电极（细胞内）记录单一细胞生物电变化电压钳技术记录含有大量离子通道的膜行为膜片钳技术记录单一离子通道的电流和电导一、静息膜电位的形成和维持1.静息电位的记录和数值静息电位 (resting potential ,RP) ：细胞在没有受到外来刺激时，即处于静息状态下的细胞膜内、外侧所存在的电位差称为静息膜电位。通常膜内电位为负，膜外为正。2.静息电位(RP)产生的机制（1）膜内外离子不均衡分布（钠泵活动形成 膜内、外离子浓度差）；2） 静息时膜对离子的通透性不同产生静息膜电位的重要离子主要有K+ 、Na+ 和 A- 。K+和Na+两种离子对膜电位的形成和变化贡献最大 。 其它离子，如Ca2+、Cl-、Mg2+等在大多数细胞中对静息膜电位无直接贡献。 3.K+的扩散对膜电位的作用：K+平衡电位假设细胞质膜仅对K+通透，将发生：（1）膜两侧K+浓度差是促使K+外流的动力。（2）但随着K+的不断外流，膜两侧不断加大的电位差是K+继续扩散的阻力。（3）当动力和阻力达到动态平衡时，K+的净扩散通量为零,此时膜两侧的电位称为K+的平衡电位。 K+平衡电位值大约为-90mV,在生理学上它表示的仅是一个相对值，即细胞内电位较胞外低90mV。细胞膜外K+浓度降低时，静息电位增大；细胞膜外K+浓度增高时，静息电位减小。改变细胞膜外Na+的浓度时不影响静息电位值。表明：静息电位主要由K+的平衡电位所决定，形成静息电位的主要离子基础是膜内K+向膜外扩散并最终达到膜内外动态平衡。 4.Na+的扩散对膜电位的作用：Na+平衡电位假设细胞质膜仅对Na+通透，将发生：（1）膜两侧Na+浓度差是促使Na+扩散的动力。（2）但随着Na+的不断内流，膜两侧不断加大的电位差是Na+继续扩散的阻力。（3）当动力和阻力达到动态平衡时，Na+的净扩散通量为零，此时记录的膜电位即为Na+平衡电位。 Na+的平衡电位值大约为+60mV,此时细胞膜内电位为正，膜外为负，与K+的平衡电位正相反。 5. K+和Na+对膜电位的协同作用K+和Na+的平衡电位只是通过理论计算或实验状态下获得的,真实情况的细胞膜电位并不等于K+或Na+的平衡电位。在活细胞中，K+和Na+同时存在于细胞的内、外液中，共同对细胞膜电位的形成发挥作用。在膜的静息水平，K+的通透性是Na+的50-75倍，K+的透膜扩散能力Na+ 。Na+进入胞内的作用只是部分中和或消除掉K+产生的电位。6. Na+-K+泵和静息膜电位的维持实际的细胞膜静息膜电位为-70mV（不等于K+或Na+的平衡电位）。对于K+来说，静息膜电位与K+平衡电位相差20mV,不能平衡K+浓度梯度，细胞内K+通过漏K+通道不断向胞外扩散。对于Na+来说，浓度梯度和电势梯度的方向相同，促使Na+通过漏Na+通道不断向胞内扩散。 在静息状态，漏K+和漏Na+非门控离子通道时刻开放，但胞内K+和Na+的浓度并未改变，何故？ 由于Na+-K+泵的存在。 静息电位的产生条件静息状态下细胞膜内、外离子分布不均： 细胞膜外的主要是Na+、Cl- 细胞膜内的主要是K+、 A-静息状态下细胞膜对各种离子的通透性不同： 通透性：K+ Cl- Na+ A-静息状态下细胞膜主要对K+有通透性。 促使K+外流的动力：膜两侧K+的浓度差， 阻止K+外流的阻力：膜两侧的电位差 当动力（浓度差） 阻力（电位差） K+的跨膜净通量 零，此时的电位差 值称为K+的平衡电位。结论:RP的产生主要是K向膜外扩散的结果。 静息电位（RP）= K+的平衡电位二、细胞膜动作电位1. 细胞的兴奋和阈刺激刺激：能引起细胞、组织、器官或整体的活动状态发生变化的任何环境变化因子。反应：由刺激而引起的机体活动状态的改变。兴奋：组织细胞受刺激后由静息状态转变为活动状态或由活动弱的状态转变为活动强的状态过程。一般认为，组织细胞受刺激后产生动作电位的过程。抑制：组织受刺激后由活动状态转变为静 息状态或由活动强的状态转变为活动弱状态的过程。可兴奋细胞/组织：凡是能产生动作电位或产生兴奋的细胞/组织。最典型的可兴奋细胞为神经细胞、肌细胞核腺细胞。兴奋性：可兴奋细胞或组织具有接受刺激后发生兴奋即产生动作电位的能力。阈强度/阈值：将刺激的持续时间和强度对时间的变化率（变频）固定，能引起组织发生兴奋的最小刺激强度。阈刺激:相当于阈强度的刺激,刚能引起细胞产生动作电位。阈上刺激:大于阈强度的刺激，可引起细胞产生动作电位。阈下刺激:小于阈强度的刺激，不能引起细胞产生动作电位。极化：细胞在静息状态时，其膜电位总稳定在一定水平，细胞膜内外存在电位差的现象。 当细胞受到刺激时，细胞从静息状态转化为活动状态，此时细胞膜对某些离子的通透性发生变化，离子发生跨膜流动，膜两侧的极化状态改变。除极化（去极化）：细胞膜的极化状态变小的变化过程。超极化：细胞膜的极化状态变小的变化过程分级电位的实质：是一个除极化的局部电位。分级电位的特征：振幅随着扩散距离的增大而减小。 因此分级电位的电信号只能在很小的范围内做短距离扩散。 3.动作电位(action potential AP)概念：在静息电位的基础上,给细胞一个适当的刺激，细胞膜将产生一个短暂、快速且可传播的膜电位波动，我们将其称为动作电位。在一个给定的细胞中，动作电位的波形永远是相同的。 动作电位的产生是细胞兴奋的标志。锋 电 位：spike potential上升支与下降支共同形成的尖峰状的电位变化反极化（超射）：overshoot去极化后，膜电位发生反转的部分（0至-30mV之间）负后电位：negative after-potential复极化后期，膜电位的恢复超过了RP值，产生了比RP还负的电位阈电位：threshold potential给细胞膜一个阈刺激，细胞膜首先出现一个缓慢的除极化过程，当达到-50至-55mV的临界水平，即阈电位时，随即产生一个爆发的除极化过程。 4.动作电位的产生机制（1）动作电位产生的条件 膜内外存在Na+的浓度差: Na+iNa+O 110；即细胞膜外Na+浓度比细胞膜内高10倍左右。 膜受到刺激时，对Na+的通透性突然增加： 即细胞膜上的电压门控性Na+通道激活开放。促使Na+内流的动力： Na+浓度差、电场引力阻止Na+内流的阻力： 电位差 当动力和阻力达到动态平衡时， Na+的净扩散通量为零，此时的电位差值称为Na+的平衡电位。Na+通道失活， K+继续外流，使膜电位恢复到RP水平。结论：（1）AP的上升支由Na内流形成，下降支是 K外流形成的。（2）AP的产生是不消耗能量的，AP的恢复是消耗能量的（Na-K泵的活动）。（3）AP的峰值接近Na的平衡电位 动作电位期间膜电导的变化(1)动作电位期间的内向电流是Na+电流；外向电 流是K+电流。 (2)膜对离子的通透性有时间依赖性。 (3)膜对离子的通透性有电压依赖性。结论：AP的去极相：由Na快速内流形成 Na通道阻断剂：河豚毒（TTX） AP的复极相：是Na内流停止、 K外流形成 K通道阻断剂：四乙胺（TEA） 复极后：NaK泵加速活动，排Na摄KNa+通道的三种功能状态：备用状态：通道处于静息状态，但能因刺激而使之开放。（激活态门关闭，失活态门开放，静息电位） 激活状态：细胞受刺激而兴奋时，钠通道被激活开放，钠离子大量内流，形成动作电位去极相。 （激活态门和失活态门都开放，阈电位到锋电位） 失活状态：超射值的顶点后钠通道开放的概率几乎下降到零，已进入失活状态而不再打开。 （激活态门开放，失活态门关闭，锋电位到静息电位） 这种由膜电位决定其功能状态的通道，称为电压依赖式通道。 6. 动作电位的不应期 可兴奋组织或细胞接受刺激产生兴奋后，其兴奋性要经历一个周期性变化过程（兴奋周期），在此期间如施加第二次刺激，则第二次刺激所产生的效应将会受此兴奋性的影响。绝对不应期：细胞兴奋（产生动作电位）后，给予第二次刺激，无论刺激强度多大，细胞都不会产生第二个动作电位，这种无反应状态称为绝对不应期。（无兴奋性）相对不应期：绝对不应期之后，细胞膜的兴奋性逐渐上升，但仍低于原水平，需用比正常阈值强的刺激才能引起兴奋。（兴奋性低于静息状态水平，大于绝对不应期）绝对不应期持续的时间包括:从阈电位(Na + 激活态门和失活态门都开放）到动作电位峰值（ Na +失活态门关闭），直至持续到恢复静息状态（ Na +激活态门关闭，失活态门开放）这段时间。相对不应期持续的时间为超级化电位期间，此期间Na+ 通道处于激活态，而K+通过其缓慢但尚未关闭的通道外流，对第二次刺激引起的Na+内流起到对抗作用，因此需给予细胞一个大于正常阈强度的刺激，才能再次使其产生动作电位。 绝对不应期意味着第一个动作电位必须在结束后（恢复静息水平），在产生动作电位细胞膜的同一位点才能有第二个动作电位发生，因此动作电位必须是相互分离的，而且不能叠加。 可兴奋细胞的不应期特性决定了动作电位（兴奋）的发生频率，即决定了在给定时间内动作电位（兴奋）产生的数量 。 不应期越长，则新的动作电位发生越延迟，频率越低。 7.动作电位“全或无”的特性：可兴奋细胞膜受到刺激时，或是产生一个可向外扩布的、具有完全相同幅值的，且幅值不随传导距离而衰减的动作电位，或是完全无动作电位产生，这种特性称为“全或无”。3. 神经冲动传递传导的一般特征： 生理完整性 : 结构完整（受损，传导阻滞） 功能完整（局麻） 双向传导（顺向冲动，逆向冲动，单向传递） 非递减性（依靠已储存的化学势能） 绝缘性（髓鞘的作用，调节的精确性，相对的）相对不疲劳性（神经纤维与肌肉组织相比）4. 神经干复合动作电位神经干由许多粗细不同的神经纤维组成。复合动作电位：神经干内许多神经纤维电活动成分的总和。以不同