神经系统的信号传递.ppt

第四章神经系统的信号传递 1 聚集中国脑科学发展战略特别会议 欧盟斥资10亿欧元开展人类大脑计划 HumanBRAINProject HBP 美国斥资10亿美元开展前沿创新神经技术大脑研究计划 BrainResearchthroughAdvancingInnovativeNeurotechnologies BRAIN 日本宣布脑研究十年构想 3月22 23日 以 我国脑科学发展战略研究 为主题的特别香山会议在北京召开 会议主要围绕我国脑科学研究发展的战略 脑科学计划总体目标和主要任务及主要措施等展开了深入讨论 会议对于加快推动中国脑科学研究发展具有重要意义 2 神经系统 人体中占主导地位的调节系统 组成 中枢神经系统和周围神经系统中枢神经系统 脑和脊髓周围神经系统 神经节和周围神经神经系统的功能主要由中枢神经系统完成 3 特点神经系统内分泌系统解剖 有线 结构 无线 结构化学信息的种类神经递质激素释放到血液化学信息的作用很近长距离距离 在突触间隙扩散 由血液运输 反应速度很快 毫秒 慢 分钟 小时 作用时间很短 毫秒 长 分钟 小时 更长 主要功能快速协调对较长时间活动的控制精确反应 4 17世纪显微镜发明 细胞19世纪 细胞学说诞生德国的Schleiden 1838 和Schwan 1839 细胞是一切动植物结构的基本单位神经系统是否由神经细胞组成 神经细胞特点 含有许多突起细胞的突起融合在一起 5 神经细胞1891年Weigert提出神经元 即神经细胞神经元 神经系统的基本结构和功能单位 是神经活动的基本单元 有细胞体 还有突起形态不一大小不同数量多 1012个神经元有传导兴奋的功能多个突起 有的突起可以很长形态 树突与轴突功能 突触 13 6 神经元的结构神经元胞体突起轴突树突树突 神经元胞体上的突起部分 树突的分支上可有大量多种形状的树突棘 轴突 胞体上起源于轴丘的长的纤维轴丘 胞体上发出轴突的部位始段 轴突起始部分突触小体 轴突末段分成许多分支 每个分支末梢的膨大部分为突触小体 也称为末梢小结或轴突终端 7 8 突触 功能联系 树突轴突网络 动作电位 生物电 9 神经元 神经垂体 皮层神经元 短轴索的感觉神经元 运动神经元 感觉神经元 14 10 神经纤维的功能 传导神经冲动神经冲动 沿神经纤维传导的兴奋活动或动作电位 感受刺激 信息传入中枢中枢分析 综合传出神经信息 产生效应特殊 分泌激素 神经分泌 分类 传入神经中间神经元传出神经 11 神经细胞各部分的功能受体部位 胞体和树突膜产生动作电位的起始部位脊髓运动神经元的始段传导神经冲动的部位 轴突引起递质释放的部位 主要是神经末梢 29 12 神经纤维传导兴奋的特征 完整性 结构和功能的完整绝缘性 纤维之间的兴奋互不干扰双向性 神经纤维的传导是双向的相对不疲劳性 因能量消耗少影响神经传导速度的因素 直径大 传导快有髓纤维传导快温度升高传导快 13 神经纤维的直径越大 传导速度越快 乌贼巨大轴突传导速度可达30m s有髓鞘神经纤维传导速度可达100m s在郎飞节上发生的神经冲动是如何传导呢 在郎飞节处可以发生膜的去极化和复极化过程 跳跃式的传导 一个郎飞节出现的动作电位引起相邻郎飞节出现动作电位 加速传导的速度 并且节能 14 神经元上的信息传导 神经细胞膜上离子通道的离子流动神经兴奋所产生的电变化 来源于带电离子的突然流动1791年 意大利科学家Galvani提出神经上传导的兴奋是神经本身所产生的电 生物电动作电位 神经元膜上离子通道的开放或关闭造成带电离子流动兴奋 突然的细胞膜内正电位的增加 动作电位动作电位的向前传导 神经冲动 神经放电 15 神经元产生 出生之前神经元之间的网络连接十分稀疏新网络的产生 外界新的刺激第一次刺激的结果 脑里某些神经元的树突和轴突生长 与其他神经元连接 构成新的网络 不断的新网络产生 同样的刺激第二次出现时 第一次建立的网络再次活跃 同时有旧的网络萎缩 消失 脑细胞数目约1012 人的聪明程度由神经元之间的连接网络决定 16 小鼠的大脑海马区域发现 处于高级社会地位的小鼠的新神经细胞的数量比处于从属地位的小鼠或没有建立社会地位关系的小鼠多出近30 大脑的嗅球和海马齿状回两个区域极为特殊 可以不断的产生新的神经元 遗传基因和后天环境大脑结构的主要影响因素 17 蛋白质的合成和轴浆的运输神经细胞是分泌细胞分泌部位 轴突的末端及神经终端蛋白质合成 胞体 内质网及高尔基复合体轴浆的运输 突触小体正向流动 从细胞到轴突的流动逆向流动 从末端到细胞体 18 轴浆运输的机制正向流动 驱动蛋白 杆部 两个头部 类似肌凝蛋白 逆向流动 胞浆动力蛋白 作用方式与驱动蛋白相似 19 兴奋及传导 动作电位和神经冲动 神经系统的主要语言神经细胞 兴奋域很低可被电 化学及机械刺激所兴奋 传导 通常沿轴突传导到其终端 20 神经的营养性作用神经纤维 调控功能 营养性作用神经的营养性作用神经末梢末梢释放某些物质 营养因子 调整被支配组织内代谢活动 影响其结构 生化和生理变化 神经生长因子 nervegrowthfactor NGF 对中枢和周围神经元的存活和分化起重要作用 并且参与维系神经 免疫和内分泌系统之间的平衡 营养因子的释放通过轴浆流动来完成脊髓灰质炎 脊髓前角细胞受损肢体活动障碍 肌肉萎缩 21 神经元的结构和功能1 结构 胞体 突起 树突 轴突 2 功能 感受刺激 将刺激传入中枢 中枢分析 综合传出 产生效应分泌激素 神经分泌 3 分类 传入 中间 传出神经元 22 神经胶质细胞 neuroglia 神经系统的间质细胞或支持细胞有一定的功能形态 23 神经胶质细胞 glialcell 分布 周围及中枢神经系统胶质细胞约为神经元数量的10 50倍种类 三种神经胶质细胞星形胶质细胞 少突胶质细胞 小胶质细胞在周围神经系统 施万氏细胞 卫星细胞特点 有突起 但无树突和轴突之分功能 尚不十分清楚使神经元胶合在一起 glue 24 胶质细胞的数量比神经细胞多对胶质细胞的了解很少胶质细胞沒有动作电位沒有胶质细胞 神经元不能正常工作 胶质细胞 被遗忘的脑细胞 25 小胶质细胞 星形胶质细胞 少突胶质细胞 50 26 27 神经胶质细胞的数量巨大支持作用还可能影响记忆 学习过程爱因斯坦脑中有大量的神经胶质细胞 51 28 世上真有天生非凡的大脑吗 大脑构造跟聪明才智之间是否有联系呢 1951年2月 爱因斯坦到美国波士顿的麻州综合医院接受最新的脑电图仪 EEG 检验 研究人员测出他的脑电图 俗名 脑波 背景值之后 就请他思考科学问题 让仪器描绘出他大脑的活动模式 爱因斯坦在心里解一元二次方程式 仪器指针就剧烈地上下震荡 研究人员正在赞叹自己竟然有幸目睹绝世天才脑子的活动情形 指针忽地平静下来 研究人员立即上前问他正在想什么 仪器居然侦测不到 爱因斯坦回答道 他听见了雨声 才想起雨鞋套忘在家里了 1955年4月18日凌晨1 15 爱因斯坦76岁在普林斯顿医院撒手人寰 病理科主任哈维医师取得了爱因斯坦长子汉斯的同意 将爱因斯坦的脑子取出 并切片成240片进行研究 留给科学界做研究 汉斯与内森的条件是 研究结果必须发表在科学期刊上 美国政府其实早已得知爱因斯坦的大脑成了哈维的 私有财产 只是没有要求哈维把大脑交出来 当哈维把大脑从实验室中取出 准备横贯大陆时 负责保护大脑的美国联邦调查局大吃一惊 连忙派人秘密跟踪 哈维不知道 他从东到西走了4000公里 联邦调查局特工竟也跟踪了他4000公里 爱因斯坦的脑子重1230公克 低于男人的平均值 并不出众 学界对于天才与一般人的大脑究竟有什么差异 从来没有定论 1985年美国加州大学柏克莱分校的神经科学家戴蒙研究了四块爱因斯坦大脑的皮质发现 爱因斯坦的左顶叶 神经元与神经胶细胞的比例小于常人 也就是说存在大量神经胶质细胞 顶叶下段皮质是听觉 视觉 触觉信息汇聚之处 顶叶下段受伤后 病人就无法进行复杂的思考 阅读 写字 计算能力都受损 29 30 1996年阿拉巴马大学柏名顿分校神经学助理教授安德森发现 爱因斯坦的右前额叶皮质 运动区 比对照组薄 可是皮质中的神经元数量与对照组无异 换言之 爱因斯坦的大脑皮质中 神经元密度较高 这个发现有什么意义 安德森医师推论 这表示爱因斯坦大脑皮质神经元有较佳的传讯效率 因而可以解释爱因斯坦的超卓天才 最幸运的研究者是加拿大汉米尔顿麦克马斯特大学的维特森博士 虽然哈维只给了她19块爱因斯坦的大脑 可是哈维在切开大脑之前拍摄的照片与记录 也借给了她 因此她得以研究爱因斯坦大脑的整体形态 维特森指出 爱因斯坦大脑的顶叶异常发达比平常人要宽15 左右 在形态上也有特异之处 例如侧脑裂并不明显 特别是左半球 因此顶叶下段皮质中的神经元易于相互联系 我们的视觉 空间认知 数学思考 运动知觉 极端依赖大脑顶叶下段皮质 爱因斯坦在这些认知域中表现的超卓智力也许与他顶叶下段不寻常的形态有关 1999年 这篇论文在 柳叶刀发表 维特森一夕成名 2009年美国佛罗里达州立大学科学家迪安 法尔克发现 爱因斯坦大脑的顶叶部位有许多山脊状和凹槽状结构 这些极其罕见的结构很可能是爱因斯坦与众不同的奥秘所在 法尔克认为 这种极为罕见的图案可能就是爱因斯坦在研究物理学过程中能够进行形象化思维的主要因素 法尔克的另一项特异性发现就是在爱因斯坦大脑的运动皮质中发现了一个球形突起物 法尔克解释了这一球形突起物的意义 在其他研究中 也会发现相似的球形突起物 通常这种球形突起物被认为与音乐天赋有关 大家可能都了解 自从童年时期起 爱因斯坦就非常喜爱拉小提琴 31 因此 科学家们认为 爱因斯坦之所以会成为科学天才 这与他的大脑结构特异性密切相关 结构特异性或许是比大脑尺寸大小更为重要的因素 当然 人类大脑是一个复杂的器官 至今仍然有许多神秘的结构或原理有待科学家们去发现 通过对爱因斯坦大脑结构的研究 或许有助于进一步研究人类大脑的原理 在此之前 研究人员曾选取4名和爱因斯坦逝世时年龄相仿的男子作为参照对象 把爱因斯坦的大脑和他们的大脑进行对比研究 结果发现 除了脑细胞数量多于常人 爱因斯坦大脑星形胶质细胞突起比较大 这些胶质细胞末端的神经组织数量也较多 除此之外 人们发现爱因斯坦的大脑非常正常 要说有什么异常之处 就是他的大脑比同年龄的人更为健康 退化的迹象较少 我们对爱因斯坦的大脑着迷 透露的是我们对大脑的假设 以及对天才的景仰 人脑之谜 假如只用半个大脑人照样上大学 从小被切除左脑的一位患者 顺利完成了大学学业 并正常参加工作 说明人的大脑至少有一半潜力没能开发 最近中国科学院心理研究所尹文刚研究员向记者披露的病例证明 人类大脑至少有一半的潜力没有开发 尹研究员多年来掌握的20多个病例有一个共同的特点 患者都只有一半大脑 正是对这些病例的研究 让尹研究员得出了前文的结论 32 结合对其他试验进行进一步分析后 尹研究员又有许多新发现 其中心理学界一般认为的左侧大脑出现损伤后 大脑功能偏到一侧 语言功能就会出现障碍的结论值得进一步探讨 在实际试验中他发现 损伤发生后 患者真正出现语言问题的比例很小 原因没法解释 相反数学功能变得比较差 但不能确定数学功能就是左侧大脑的功能 尹研究员解释说 左侧大脑对右侧大脑是有抑制功能的 左侧大脑损伤后 右侧大脑的一些功能会出现 而且会表现得更好一些 从白痴天才等很多例子来看 人的左脑损伤以后所表现出来的功能 恰恰是右脑被压抑的功能 对于很多白痴天才 你无法发现他的大脑哪里有问题 这些人的一些所谓 天才 的大脑功能是右脑的功能 在大脑正常时是表现不出来的 尹研究员指出 由于左脑可以控制和压抑右脑的功能 所以由于某种原因失掉控制时 右脑中本能的东西会释放出来 一些人脑损伤之后某一方面的潜在的能力得以发挥 成为某个领域内的 天才 往往与此有关 33 大脑容量与结构男女有别男性大脑比女性更大俗话说 男女有别 这种两性差异在生理 心理等层面均有体现 最近 英国研究人员在 神经科学和生物行为评论 杂志上发表的一项研究即称 男女之间的大脑结构有着明显不同 男性的大脑比女性的大脑要更大一些 研究人员发现 男性的大脑容量总体上要比女性大8 到13 平均来说 男性在多项容量指标方面比女性拥有更高的绝对值 例如颅内空间 12 总体脑容量 11 前脑 10 灰质 9 白质 13 脑脊液填充区域 11 5 以及小脑 9 等 进一步研究则表明 大脑结构的性别差异主要表现在几个特定区域 其中就包括大脑边缘系统和语言系统 比如 男性大脑的左侧杏仁核 海马体 岛叶皮质和壳核部分容量更大 组织密度也更高 而女性的大脑的左额极组织密度更高 右额极 下额叶脑回和中额叶脑回的体积更大 在神经科学研究中 尤其是探讨心理疾病在两性中哪个更为普遍时 这种性别差异不容忽视 比如 两性间大脑边缘系统的结构差异即存在于一些与自闭症 精神分裂症和抑郁症等精神疾病相关的区域 优雅的神经 海马体 大脑哪部分最性感 优雅的神经 海马体 她的名字来源于希腊语中的海马 普通人最爱乳头体和小脑 34 史上最严重的六大人为失误之 大脑只开发了10 从进化角度来说 如果人类的90 的大脑经常处于待激活状态 那么在漫长的进化过程中 无用的功能器官会逐渐萎缩甚至消失 特别是对于人类来说 大脑的体积变小是有利于人类与其他物种竞争中存活下来的 现在 你依然坚信人类只应用了自己10 的大脑 其余90 的大脑都处于待激发状态吗 这是一种人类典型的错觉 潜能错觉 MRI与PET扫描技术问世以后 也没能阻挡部分人坚守 10 神话 的信念 扫描图像上的闪亮区域 成了他们执迷不悔的新证据 有人说 从扫描图像上看 无论我们从事何种认知操作任务 大脑都只有一小部分区域被激活 这充分说明了大脑潜力的存在 其实 这绝对是一种误区 无论我们进行何种认知活动 认知系统的很多功能模块都必须协同工作才能完成任务 我们在扫描图像上看到的闪亮区域 是某项活动的主要负责区域 大脑的其他区域必定也会参与进来 只是激活水平不需要主负责区域那么高而已 通过对大脑活动的观测发现 某一时刻的某个简单动作 情绪的变化 学习思考可能仅仅使用了大脑的一小部分 而足够复杂的一系列活动或思维模式则需要动用大脑的大多数区域 就像人不会在某一时刻使用所有的肌肉一样 人同样不会在某一时刻使用全部大脑 但从较长的时间跨度来考察人脑的活动 比如一整天时间里 就会发现人脑的绝大部分区域都会派上用场 35 美国神经科学家埃里克 查德勒副教授认为 没有任何科研数据支持 人类只使用了大脑的10 的说法 如果90 的大脑是没用的 是否可以切掉 事实上大脑哪怕损伤一点点 后果可能极其严重 如果90 的大脑都没有用起来 很多神经通路都会退化掉 大脑功能影像学研究显示 大脑的所有部分都在工作 即使在睡着的时候仍然活跃 只是活跃状态不一样 因此查德勒的结论是 我们使用了大脑的100 人的大脑在结构和功能上都非常复杂 脑外伤 中风或是其他脑损伤都会影响大脑的功能 使人丧失行动 语言或思考能力 如果普通人只使用了大脑的10 那么从概率上说 这些损伤大部分会出现在未使用的那90 上 不会给人带来影响 但实际上并非如此 洛伯医生的研究仅仅表明 年轻的大脑对损伤有适应能力 大脑发育初期的损伤有可能通过一定的代偿来实现原本的功能 而成年后 这样的例子就很少了 现在 你依然坚信人类只应用了自己10 的大脑 其余90 的大脑都处于待激发状态吗 这是一种人类典型的错觉 潜能错觉 说人只使用了大脑的10 一方面是对大脑认识不足的历史遗留问题 另一方面也体现了人们对于智力提升的殷切期望吧 结论 谣言粉碎 人只使用了大脑的10 这一观点是由于人们对大脑活动认识不足产生的 现代的脑科学研究证实 大脑的每个部分都有各自的功能 复杂的活动需要大脑不同区域协作参与 从较长的时间跨度来说 大脑的每个部分都要用到 36 科学家发现 大脑睡眠开关 目前 科学家认为他们发现大脑中一种 开关 告诉人体什么时候应该睡觉 英国牛津大学科学家认为 这种 开关 是通过大脑神经细胞进行调控 它被描述为一种 同态调节器 告诉某人未睡觉很长时间 当身体处于疲劳时该机制将启动 研究人员在果蝇实验中证实了该理论 移除了这种开关培育出失眠症昆虫 他们确信人类大脑中也存在着类似的分子系统 合著作者杰弗里 唐勒博士在 神经细胞 Neuron 杂志上撰文指出 这类似于人类大脑神经细胞 同时 这些细胞像果蝇大脑神经细胞一样 在睡眠期间具有电活跃性 其目标是产生全身麻醉 促使我们进入睡眠状态 因此 这非常像果蝇存在的分子机制 目前 研究人员试图发现如何激活睡眠开关 可用于治疗失眠症 迪奥戈 皮门特尔博士说 目前最大的问题是描述何种内部信号响应 睡眠开关 当我们清醒时 这些睡眠促进细胞如何实现监控 梅森博西克教授称 很可能有两种机制负责控制睡眠类型 一种是生物钟 该生理节奏协调人类和动物度过每天24小时的白天和夜晚 另一种是睡眠 同态调节器 记录清醒时间段 并作为一种开关让身体打盹 生物钟将告诉人体适当的睡眠时间 睡眠 同态调节器 则在较长的清醒时段里形成睡眠压力 后者类似于房屋内的恒温器 如果室内温度较低 恒温器将自动启动 37 神经胶质细胞神经元只有一种突起轴突 树突不能产生动作电位产生动作电位无化学突触化学突触数量是神经元的10 50倍1012 38 神经胶质细胞的功能 支持作用 修复和再生作用 清除 填充缺损 修复 免疫应答作用 吞噬 免疫应答物质代谢和营养 维持神经元的生长 保持功能完整绝缘和屏蔽作用 如髓鞘稳定细胞外钾浓度 神经元电活动 钾外流 星形细胞的钠泵使钾离子泵入细胞内 维护神经元正常活动 参与神经递质及生物活性物质的代谢 周围神经 施万细胞中枢神经 少突胶质细胞 39 梦想 通过外科手术将微小的芯片植入大脑超级电脑的运算速度国家图书馆的信息储存量爱因斯坦的天才 人脑的奥秘是否能由 即使不能彻底了解也可无限逼近 人脑自身加以解释 40 Synaptic Junctionaltansmission 突触和接头传递 神经元 神经元神经元 效应器 1 41 神经递质和内源性活性物质的研究概况 1 1904 Elliott 冲动传导到交感神经末梢 可能从那里释放肾上腺素 在作用于效应器细胞 2 1921 Loewi 通过蛙心灌流发现 迷走素 3 Dale 发现神经肌肉接头处的神经递质是ACH Loewi Dale共享1936年诺贝尔奖 4 1921 Cannon 将刺激交感神经后 从肝脏中分离出的物质命名为 交感素 1949 这种物质被vonEulur鉴定为去甲肾上腺素 为此获1970年诺贝尔奖 5 1960 今 50多种神经肽被发现 6 1980 1988 Furchgott Ignarro Moncade三个研究小组相继发现NO为神经递质 三人共享1998年诺贝尔奖 42 神经递质和受体神经递质 在突触前神经元合成并在末梢释放 经突触间隙扩散 特异性的作用于突触后神经元或效应器细胞上的受体 引起信息从突触前传递到突触后的一些化学物质 递质共存 一个神经元内可以存在两种或以上的递质意义在于协调某些生理过程意义 一种神经元释放两种或两种以上的神经调节物 就可以使神经调解的范围更扩大 更精确 更完善 更经济 不同刺激条件下 递质的释放比例可以不同 适应不同需要 51 43 鉴定递质的主要条件 1 存在 在突触前神经元内有该物质及其合成酶的存在2 释放 从突触前末梢可释放足以在突触后细胞或效应器引起一定反应的物质 3 相同的突触后效应 将适当浓度的该物质人工地施加到突触后细胞上应能引起与由神经诱发的相同反应 4 灭活机制 应找到将该物质从突触间隙中除去的机制 44 神经递质 化学物质合成 突触前神经元贮存 神经末端部位的囊泡内释放 神经末梢扩散 突触间隙作用 特异性作用于突触后神经元或效应器细胞上的受体 transmitter 52 45 受体细胞膜或细胞内能与某些化学物质发生特异性结合并诱发生物效应的特殊生物分子配体 激动剂或拮抗剂激动剂 agonist 能与受体发生特异性结合并产生生物效应的化学物质拮抗剂 antagonist 与受体发生特异性结合 但不产生生物效应的物质配体与受体结合的特征 特异性 特定的受体只与特定的配体结合 饱和性 受体的数量有限 结合配体的数量也有限 可逆性 可以结合 也可以解离 53 46 主要的递质受体系统1 乙酰胆碱及其受体 2 去甲肾上腺素和肾上腺素及其受体 3 多巴胺及其受体 54 47 接头传递 兴奋从神经细胞传递给效应器神经 平滑肌和神经 心肌接头传递结构 非突触性化学传递曲张体肾上腺素能神经元的轴突末梢分成许多分支 分支上形成串珠样膨大结构 曲张体外无施万氏细胞包裹 内含大量突触小泡 小泡内为去甲肾上腺素 曲张体是递质释放的部位 与周围的平滑肌膜不形成突触联系 55 48 Motornervedividingandterminatingonmotorend plateson7skeletalmusclefibers 非突触性化学传递神经冲动到达曲张体 递质从曲张体释放出来 通过扩散到达平滑肌膜受体 使平滑肌细胞发生反应 56 49 曲张体 Endingsofpostganlionicautonomicneuronsonsmoothmuscle 57 特点 无突触前膜和后膜 不存在一对一的支配关系 曲张体与效应器的距离一般大于20nm 递质扩散距离远 传递所费时间大于1s 释放的递质是否产生效应取决于效应器细胞上有无相应受体 50 SUMMARY 突触和接头传递 神经元 神经元神经元 效应器 突触突触的组成小囊泡胞过程的触发神经递质Ca2 作用 EPSPIPSP空间整合时间整合突触延迟突触的抑制和易化 突触的电活动 突触前抑制突触后抑制传入侧枝性抑制回返性抑制 结构基础机制 突触传递的调制 对递质释放的调制对后膜受体的调制受体的上调受体的下调内化 突触的可朔性 强直后增强习惯化敏感化长时程增强长时程抑制 电突触的传递 神经递质和受体 主要的递质受体系统 接头传递非突触性化学传递 58 51 神经元是一个独立的单位一个神经元如何影响另一个神经元 突触 神经元间相互接触发生信息传递的部位 2 52 3 突触的细微结构突触前膜 突触间隙 突触后膜 53 突触囊泡 突触前膜 突触后膜 受体 突触间隙 轴突末梢 钙离子 递质分子 效应分子 54 突触的分类 依联系部位 轴一树突触 轴一体突触 轴一轴突触依突触的功能 兴奋性突触和抑制性突触 依突触传递信息的方式 化学性突触和电突触 目前被学者们广泛认知和应用的以第三种分类占多数 55 Varioustypesofsynapses 轴突 树突 轴突 胞体 轴突 轴突 嵌入式 8 56 经典的突触 化学性突触 神经元的轴突末梢与其它神经元的胞体或突起接触并传递信息的部位 突触的组成 突触前膜 突触后膜 突触间隙神经递质大多突触接头处的递质为化学性递质 突触前神经元的神经冲动可引起神经递质的分泌 如5羟色氨 而在有些接头处 递质为电兴奋 还有些既有电兴奋也有化学兴奋 7 57 突触间隙约30 50nm 内有粘多糖和糖蛋白 突触小体内有线粒体及小囊泡 突触小泡内含有递质 当动作电位从轴突到末端时 递质从突触小泡内释放 9 58 突触小泡动作电位从轴突到末端时 递质即从突触小泡内释放 突触小泡的膜与神经细胞膜融合并通过出胞过程释放其内容 59 关于突触的信息传递是电学过程还是化学过程的问题曾在生理学界有过长期的争论 20世纪6O年代确立了化学传递为主导的理论地位 而且研究证实中枢神经系统内99 以上的信息交流是以神经递质化学释放的作用方式进行的 少量的电传递方式主要存在于低等动物 60 突触的化学传递过程 神经冲动 前膜去极化 Ca2 通道开放 4Ca2 CaM复合物形成 蛋白激酶 突触蛋白 去磷酸化 突触小泡释放递质 后膜特异受体 化学门控 通道开放 后膜去极化 超极化 突触后膜电位形成 EPSP IPSP 61 化学性突触处的兴奋性信息传递过程 当神经冲动传到轴突末 膜Ca2 通道开放 膜外Ca2 向膜内流动 突触前膜内囊泡移动 融合 破裂 囊泡中兴奋性递质释放 神经递质与突触后膜上的受体结合 受体蛋白分子构型改变 突触后膜Na K 离子通道开放 尤其是Na 通透性 突触后膜去极化 兴奋性突触后电位 EPSP EPSP电紧张性扩布至突触后膜周围细胞膜 去极化达到阈电位 突触后神经元爆发动作电位 62 化学性突触处的抑制信息传递过程 当神经冲动传到轴突末 膜Ca2 通道开放 膜外Ca2 向膜内流动 突触前膜内囊泡移动 融合 破裂 囊泡中抑制性递质释放 神经递质与突触后膜上的受体结合 受体蛋白分子构型改变 突触后膜氯离子通道开放 膜对氯通透性 突触后膜超极化 抑制性性突触后电位 IPSP IPSP电紧张性扩布至突触后膜周围细胞膜 超极化 突触后神经元产生抑制 63 10 出胞过程 由钙通道所触发突触前神经元兴奋动作电位使突触前膜发生去极化达到一定水平引起前膜上钙通道开放细胞外液中的Ca2 进入突触前膜 64 Ca2 的作用1 降低轴浆的黏度有利于突触小泡的位移2 消除突触前膜内的负电位促进突触小泡和前膜的接触融合及胞裂最终导致神经递质的释放 11 65 突触传递的电 化学 电活动变化突触前神经元的生物电变化突触末梢的递质释放突触后神经元的生物电改变 突触传递 发生在轴突末梢与其它神经元树突或胞体膜之间的特定联系 12 66 快突触后电位 神经递质直接控制或激活离子通道慢突触后电位 经G蛋白偶联受体或G蛋白偶联受体启动的第二信使系统间接控制离子通道的活动 14 67 递质门控离子通道受体偶联于同一跨膜蛋白质大分子上的离子通道受体未与递质结合时 通道关闭 突触后膜保持静息膜电位 一旦受体被递质激活 蛋白大分子突然变构 出现瞬时贯穿细胞膜的水相通道 可通透的离子顺电化学梯度 跨膜移动而产生电流 形成的总电位差称为突触后电位 本质 具有特异感受结构的蛋白功能 完成的跨膜信号传递 15 68 兴奋性突触后电位 excitatorypostsynapticpotential EPSP 定义 突触后膜在递质作用下发生去极化 使该突触的神经元对其它刺激的兴奋性升高 机制 兴奋性递质作用于突触后膜上的受体 导致膜上Na 或K 通道开放 产生内向电流 使局部膜发生去极化 特点 局部电流是突触后膜产生局部兴奋的表现 17 69 18 兴奋性突触后电位 70 抑制性突触后电位 Inhibitorypostsynapticpotential IPSP 定义 突触后膜在递质作用下发生超极化 使突触后神经元对其它刺激的兴奋性降低 机制 突触前膜释放抑制性递质 作用突触后膜 与受体结合膜上的Cl 通道开放Cl 离子内流膜电位发生超极化 也有认为IPSP的产生与K 通道开放和K 外流增加 以及Na 或Ca 通道的关闭有关 19 71 突触传递 信号传入末梢囊泡递质释放结合特定受体突触后膜电性变化电紧张扩布 21 72 单向传导突触通常允许神经冲动沿一个方向传导从突触前神经元到突触后神经元 只有当神经冲动的动作电位到达突触前神经元终端时才能引起所储存的化学递质的分泌 22 73 化学性突触定向突触 解剖定向突触 有典型的突触结构神经递质在突触前膜活性区定点释放以最短的距离通过突触间隙作用于突触后膜的特异性受体非定向突触 化学定向突触 无典型的突触结构神经递质可不通过突触活性区在非突触部位直接释放于细胞外间隙在细胞间液内靠梯度扩散作用于近处或较远处靶细胞的特异受体起效时间较慢 持续时间较长 作用范围较广 23 74 几种特殊类型的化学突触平行性突触 两个接触面超过0 5mm时 出现两个以上的接触点 传导方向一致 是最简单的局部微环路 交互性突触 同一个突触间隙两侧的突触膜上 各有相反方向的传递点 互为突触前后部分 是局部微环路侧抑制的形态基础 自突触 一个神经元的轴突与自身的树突间形成的突触 作为一种反馈联系 对局部兴奋起暂时抑制作用 连续性突触 在很短距离内 有3 4个以上的突触 连续排列的突触形式 组成突触串 突触小球 神经元突起间形成球状复杂的突触区 外包胶质细胞突起 形成的多种突触形式 具有复杂的兴奋和抑制的相互调节作用 24 75 缝隙连接 交互性突触 串联性突触 混合性突触 25 76 突触后神经元上的动作电位 整合在中枢神经系统中 一个神经元常与其它多个末梢构成许多突触 突触后神经元的胞体 整合器突触后膜上的电位改变的总趋势 EPSP IPSP空间整合 多个突触在同一时间参与活动 一个突触的电活动可加强另一个突触的电活动使之达到放电水平 时间整合 重复的信号冲动所引起的EPSPs在前一EPSPs未消失前就发生 26 77 Spatialsummation temporalsummation 空间整合与时间整合 27 78 突触的位置对突触后电位整合作用的影响突触的位置 兴奋性突触和抑制性突触的位置是影响突触整合作用的关键因素之一 28 胞体和轴突始段附近的抑制性突触通过分流抑制显著衰减兴奋性电流 能有效控制突触后神经元的输出 树突远端的抑制性突触只能产生微弱的影响 79 轴突始段是突触后整合作用的关键部位轴突始段含有分布密度很高的电压依赖性钠通道去极化时 每个去极化增量引起的Na 内流量很大一般只需在静息电位基础上去极化10mV左右就能达到阈电位 动作电位最先发生在始段 29 80 突触延迟当冲动到达突触前细胞的终端时 在引起突触后神经元的反应之前有一个至少0 5ms的延迟 30 81 突触抑制 某些生理过程变得不容易或不能进行突触后抑制突触前抑制侧枝性抑制回返性抑制突触易化 某些生理过程变得更容易进行突触前易化突触后易化 31 82 突触后抑制抑制性中间神经元释放抑制性神经递质 使突触后神经元发生IPSP 从而使突触后神经元发生抑制 侧枝性抑制 协调机能上相拮抗的中枢活动 回返性抑制 意义在于使神经元的活动及时终止 并促使同一中枢内许多神经元的活动同步化 32 83 侧枝性抑制一方面通过突触联系引起某一中枢神经元产生EPSP并经总和后发生兴奋 另一方面通过侧枝以同样的方式兴奋一抑制性中间神经元 释放抑制性递质 引起另一中枢神经元产生IPSP 回返性抑制中枢神经元兴奋时 冲动沿轴突外传 同时又经轴突侧枝兴奋一抑制性中枢神经元 该抑制性中间神经元兴奋后 其轴突释放抑制性递质 反过来抑制原先发生兴奋的神经元及同一中枢的其它神经元 33 相拮抗的中枢活动 84 传入侧枝性抑制示意图 来自收缩肌的传入冲动进入脊髓支配同一肌的运动神经元 引起收缩 另一方面通过侧枝兴奋脊髓中的抑制性中间神经元 抑制拮抗肌使之舒张 从而关节协调活动 后根 抑制性中间神经元 支配拮抗肌的神经元 支配收缩肌的神经元 34 85 Negativefeedbackinhibitionofaspinalmotorneuronviaaninhibitoryinterneuron Renshaw 中枢神经元兴奋 传出冲动沿轴突外传 同时经轴突侧枝兴奋一抑制性中间神经元 其轴突释放抑制性递质 反过来抑制原先发生兴奋的神经元 回返性抑制 35 86 突触前抑制定义 通过轴突 轴突型突触的活动 导致突触前末梢递质释放量减少 在突触后膜上引起的EPSP减小 不容易使突触后神经元兴奋 结构基础 轴突 轴突式突触和轴突 胞体式突触的联合 36 87 1 神经冲动到达神经末梢A 能够引起运动神经元产生EPSP 2 神经冲动到达神经末梢B 运动神经元不产生反应 3 如果末梢B先兴奋 间隔一定时间后兴奋末梢A 运动神经元产生的EPSP较原先没有末梢B参与情况下明显减小 意义 A B 突触前抑制 轴突 轴突式突触轴突 胞体式突触 结构 37 88 突触前抑制的产生机制 末梢B兴奋时释放某种递质 使末梢A发生超极化 使末梢A的动作电位幅度变小 虚线 引起进入末梢A的钙离子数量减少最终导致运动神经元的EPSP变小 虚线 意义 对调节感觉传入活动有重要作用 38 89 突触的易化突触后易化 表现为EPSP 后膜的去极化使膜电位靠近阈电位水平 动作电位容易爆发 突触前易化 通过轴突 轴突型突触的活动 突触前末梢递质释放量增多 EPSP增大 机制 到达末梢A的动作电位时程延长 虚线 钙通道开放的时间增加 虚线 EPSP变大 39 90 突触传递的调制突触前神经末梢递质释放调制主要取决于进入末梢的钙离子量 凡能调制钙离子内流的因素都间接调节递质的释放量 突触后膜上受体功能的调制细胞膜上的受体蛋白的数量和与配体结合的亲和力在不同的生理或病理情况下均可发生改变 40 91 受体的上调激素或递质分泌不足时 受体的数量将逐渐增加 亲和力也将逐渐上升高 受体的下调化学信使物质释放过多时 受体的数量逐渐减少 亲和力也逐渐降低 有些膜受体的下调通过内化实现内化受体与配体结合后 形成的受体 配体复合物可通过受体介导的入胞作用进入胞浆 以此减少膜上受体的数量 92 突触的可朔性突触传递的功能的增强或减弱强直后增强 突触前末梢接受一短串强直性刺激后 EPSP明显增强 机制 强制性刺激使钙离子在突触前神经元内积累以至胞浆内保持低钙的细胞内结合位点全部被占据 突触前末梢持续释放神经递质 从而导致突触后电位的增强 习惯化 较为温和的重复刺激 反应逐渐减弱直至消失 机制 重复刺激钙通道逐渐失活 内流减少 突触前末梢递质减少 敏感化 有害刺激使突触对刺激反应性增强 传递效能增强 机制 cAMP产生增多 钙离子内流增加 突触前末梢递质释放增多 敏感化可能就是突触前易化 41 93 长时程增强 long termpotentiationLTP 定义 突触前神经元受到短时间内快速重复性刺激后 突触后神经元所产生的一种快速和持续性的突触后电位增强 机制长时程抑制 long termdepressionLTD 定义 突触传递速率的长时程降低 机制 仅有少量钙内流 神经元仅发生轻度去极 20mV 42 高频刺激 谷氨酸 NMDA 镁离子 钙离子内流 激活细胞内分子过程 LTP 94 突触传递的特征单向传导突触延搁总和兴奋节律的改变 传入与传出神经的冲动频率不同对内环境变化敏感和易疲劳 44 95 突触可塑性的功能 学习记忆痛觉癫痫高血压 96 电突触 神经元间传递信息的最简单形式没有通常的突触结构存在缝管连接在发生电紧张传递的部位相邻的神经膜间距离特别紧 约2nm 其间有桥式的连接蛋白贯穿 发生在同类神经元之间机能意义 使相邻的许多神经成分同步化 45 97 电突触的传递 Electricalsynaptictransmission 结构基础 缝隙连接两个神经元紧密接触两层膜间隔2 3nm连接部位的神经细胞膜不增厚胞浆内无突触小泡缝隙连接的特点 膜间隔内允许带电小离子通过局部电流和EPSP亦可通过电紧张扩步的形式从一个细胞传递给另一个细胞传递特点 传递是双向的 无突触前膜和突触后膜之分速度快 因电阻低 无潜伏期 46 98 电突触的特点是 1 速度快 突触前后膜很接近 神经冲动可直接通过 2 传导没有方向之分 形成电突触的2个神经元的任何一个发生冲动 即可以通过电突触而传给另一个神经元 电突触 化学突触 47 30 50nm 2 3nm 99 突触形成的分子机制 利用小鼠模型 发现一类在神经突触形成过程中起关键作用的分子 这类分子能启动这些接点的形成 从而连通哺乳动物的整个神经系统回路 神经元在突触地方彼此互相联系 形成一个巨大而又复杂的大脑信息处理网络 这些神经网络高度可变 因为神经元之间的突触可塑性较强 这种可塑性产生的变化也是学习的基础 突触也是几乎所有心理治疗药物的靶标 49 100 帕金森 我们的时代病目前 全球有400万帕金森患者 其中近一半患者是中国人 而且有年轻化趋势 预计不超过30年 发展中国家的老龄化人口将占全世界老年人数量的3 4 而帕金森 这种多发于老年人 现在中青年发病率有增高趋势的疾病 也成为威胁这个时代的健康杀手 4 11是世界帕金森日 也是帕金森发现者 英国内科医生詹姆斯 帕金森博士的诞辰 一起来看看帕金森是如何发生的 又能如何预防 帕金森病不等于帕金森综合佂导致帕金森的因素有很多 不同因素导致帕金森分为帕金森病和帕金森综合征这两种 帕金森病的具体病因不明 发病表面原因为多巴胺 神经递质一种 分泌不足所导致的 帕金森病属于原发性疾病 可能与遗传 衰老 环境等因素有关 而继发性帕金森综合征则是由脑外伤 其他疾病或中毒引起的 以运动迟缓为主的一组临床症候群 帕金森病患者会出现运动迟缓 表情呆滞 肌肉僵硬等 有些人出现手脚震颤的现象 小心 年轻人也会得帕金森年轻人中多出现帕金森患者的原因 多与遗传因素有关 此外 压力 情绪刺激 经常接触毒性物质 服用精神类疾病药物等也是致病原因 日前台湾大学医院帕金森病与动作障碍中心发现了诱发年轻型帕金森病的基因 并发现有喝酒习惯及饮用地下水的男性换帕金森病的风险较高 优雅的神经 海马体 101 帕金森面前 名人也不例外有人说 是帕金森打败了希特勒 因为帕金森会使人思维迟钝反应慢 以致他在战争组织方面不够及时和思虑周全 影响了战局 导致失败的后果 导致希特勒兵败的事实是否如此我们不得而知 但希特勒患有帕金森病是事实 拳王阿里是最伟大的拳击手之一 他的一生中经历了许多次对战 可畏身经百战 但也因为这样 也受了不少脑外伤 这也是他换上帕金森综合征的原因 1996年的亚特兰大奥运会上 他举着火炬的手就开始不停颤抖了 帕金森综合征被认为是医学上的哥德巴赫猜想 而中国数学界最有希望解开数学上哥德巴赫猜想谜题的陈景润也是因为帕金森疾病而无法继续钻研数学 同样患有帕金森的还有我们的领袖邓小平 美国前总统里根 4次奥斯卡影后得主凯瑟琳 赫本 有人提出疑问 是不是知识分子特别容易患上帕金森 对此 北京天坛医院神经内科主任医师冯涛教授表示 无论是脑力工作者还是体力工作者 容易焦虑的 长期压抑的 患上帕金森病的概率肯定就大一些 引发帕金森的基因因素有些帕金森患者是由于遗传因素而患上该疾病的 谷歌联合创始人之一 现年40岁的SergeyBrin就是携带了帕金森相关的缺陷基因 他有帕金森家族史 2008年发现自己有可能患帕金森的 基因检测结果显示他在70岁之前患上帕金森综合症的几率达到50 优雅的神经 海马体 102 他开始了自己的治疗方法 跳水 潜水 喝茶 希望通过体能锻炼加合理膳食的方式来 稀释 患帕金森的风险 因为有着谷歌这个IT大平台 Brin开始实施另一种对抗帕金森的方法 他帮助福克斯帕金森氏症研究基金会建立了一个有7000位病人的DNA数据库 采用 先收集数据 提出假设 再找出问题应对之道 的方法来研究帕金森 Brin携带的缺陷基因为 LRRK2 美国西奈山医学院的研究人员发现 这个基因控制着多巴胺的传导 一旦LRRK2基因发生变异 将导致多巴胺分泌减少 就可能引发帕金森病 TheJournalofNeuroscience 研究者还发现 一种名为parkin的基因能保护神经元在多重压力条件下免于细胞死亡 而这个基因的缺失可能引发帕金森病 MolecularCell 中国医药报 报道 美国研究发现 一个位于人类白细胞抗原基因区内的基因与帕金森病存在重要联系 表明帕金森病可能与免疫基因有关 帕金森能治愈吗 帕金森能否治愈还未得到确切的验证 暂时也没有药物能够治愈 但相关研究表明 基因治疗技术有可能治愈帕金森病 有研究显示 帕金森症患者大脑中的丘脑底核部位出现活动过度的现象 阻挡讯号传回神经系统 因此妨碍人体的运动控制 美国康奈尔大学威尔医学院的研究人员试图采用在大脑中植入特殊基因的方式来治疗帕金森 将GAD基因插进不能致病的病毒中 由它将GAD基因送到大脑内的目标区域 丘脑底核 并促进该区域GABA的生成 从而平衡大脑活动 从12名受试者的测试效果来看 平均改善程度达到25 30 有些病人甚至恢复了65 优雅的神经 海马体 103 另有研究者发现 帕金森病病患丘脑下核中一种化学物质 氨基丁酸 GABA 的浓度会减少 美国凡因斯坦医学研究院和威尔康奈尔医学院的研究人员制造出了一种能使用一个基因来感染细胞 增加患者体内GABA浓度的病毒 对45位年龄在30 75岁的患者进行了基因治疗测试 手术后6个月发现 接受基因疗法病人的运动能力提高了23 1 接受 假手术 病人的运动能力提高了12 7 学界对基因治疗手术目前还有所顾虑 此次试验的数据也未能体现基因治疗对患者的运动能力有很大的提高 但这至少表示科学家们有迈出了从基因中找答案的第一步 离帕金森的治疗方法又近了一点 喝咖啡能预防帕金森 帕金森病目前虽然没有办法治愈 但可以预防 一定程度上降低患病风险 医学研究表明 摄入咖啡因可以降低患帕金森的风险 注意 只是现磨咖啡有保健功效哦 速溶的和咖啡饮料这类低咖啡因的咖啡是没有保健作用的 除咖啡外 茶里也含有咖啡因 帕金森病属于慢性疾病 它的发病史是有迹可循的 有医生认为 早在发病的前三 四年 帕金森病就向我们的身体透露了 信号 了 如嗅觉下降 辨不出香臭 睡觉手舞足蹈 乱踢乱动 情绪压抑 长期焦虑 便秘等 都是患帕金森的前兆 狄更斯在双城记中说 这是一个最好的时代 也是一个最坏的时代 21世纪 生活节奏快 压力大 环境污染严重 帕金森风险 可能人人有份 在治愈帕金森的方法还没有被科学家研究出来的时候 加强体育锻炼 合理膳食 降低患病风险 不失为一种预防帕金森的好方法 优雅的神经 海马体 104 2013年神经精神领域大事记 2013年是神经精神领域成就卓著的一年 数项突破性的研究开启了神经精神相关疾病治疗的新方向 具有里程碑式的意义 神经科学进展 1 体外人脑 的诞生2013年9月 自然 Nature2013 501 7467 373 刊出了一项新研究成果 奥 德 英等国的研究人员利用人类多功能干细胞 在试管内培育出了一个模拟人脑的组织 它是一个立体的自组织模型 也是迄今最复杂的 体外人脑 105 神经科学进展 2 大脑遗传的多样性最近发表在 科学 Science2013 342 6158 632 杂志的一篇文章推翻 一个人体内的每个细胞都有相同的遗传信息 基因组的特殊表达模式使得不同细胞的功能各异 研究者利用单细胞测序技术对100多个神经元进行基因组分析 结果显示 41 的神经元拥有独特的DNA拷贝数变异 copynumbervariations CNV 这些遗传差异有可能影响脑细胞的功能 甚至可能塑造我们的人格和学习能力 造成某类人群对某些神经系统疾病的易感性 3 精神疾病之间的遗传关联2013年 精神疾病基因组协会跨疾病研究组 Cross DisorderGroupofthePsychiatricGenomicsConsortim 首次公布了双相障碍 抑郁障碍 精神分裂症 孤独症谱系障碍 ASD 注意缺陷多动障碍 ADHD 5种主要精神疾病之间存在重叠遗传风险的证据 106 神经科学进展2013年2月发表在 柳叶刀 Lancet2013 381 9875 1371 杂志的研究报告指出 两个与神经元钙平衡相关的基因 即CACNA1C和CACNB2单核苷酸多态性与上述精神障碍有关 电压门控钙通道信号转导过程有可能成为治疗精神障碍颇有前途