第三章神经元的兴奋和传导-人体及动物生理学

第三章神经元的兴奋和传导,第一节细胞膜的电生理,细胞膜电位：脂质双分子层构成绝缘层，细胞膜内、外带电离子的不均等分布，使细胞膜两侧产生了一定的电位差。细胞膜的生物电现象：细胞膜受刺激后产生的电化学性质的变化。,静息电位和动作电位的离子基础(生物电现象的离子学说),静息状态静息电位兴奋状态动作电位,细胞生物电活动的产生主要是由于带电离子跨膜分布的不均衡性Na+oNa+i101,K+iK+o301细胞膜在不同条件下对离子通透性的变化,Twocharacteristicsofcellscontributetotheirabilitytomaintainthiselectricalpotential.First,differenttypesofionsareunequallydistributedacrossthecellmembrane.Second,thecellmembraneisdifferentiallypermeabletoions.,静息电位(RestingPotential,RP),概念：细胞未受刺激时，即处于“静息”状态下存在于细胞膜两侧的电位差。膜内较负，哺乳动物神经和肌肉细胞为-50-100mVIntherestingstateandwithoutstimulation,cellsmaintainanegativeelectricalpotentialinsideinrelativetotheoutside.,一、静息膜电位的形成和维持,本实验提示:1.跨膜有电位差2.膜内低于膜外3.稳定直流电位,极化：活细胞的细胞膜膜内外存在电位差的现象。生理学中将细胞膜外侧的电位定为0电位，大多动物神经纤维、各种肌细胞的膜电位-50-100mV的直流电位，表现为膜内为负，膜外为正。,静息膜电位形成的基础：Na+、K+等关键离子在细胞膜内外的不均等分布及选择性透膜移动。电扩散：离子的跨膜渗透，与膜内外离子的浓度、跨膜电势差、某离子的渗透系数等因素有关。离子运动的独立性法则每种离子的跨膜运动都是相互独立的,静息电位产生的机制:,表3-1哺乳动物骨骼肌细胞内外离子浓度和电位,离子细胞外液胞质平衡电位(mmol/L)(mmol/L)(mV)Na+14512+65K+4155-95Cl-120.3.8-90A-0155_,A-代表带负电荷的有机大分子,（一）K+的扩散对膜电位的作用：K+平衡电位,条件：静息状态下膜内、外离子分布不均衡Na+oNa+i101,K+iK+o301静息状态下细胞膜对离子的通透性具有选择性:K+通透性大而Na+基本不通透,机制：膜内K+浓度高于膜外，安静时膜对K+通透性大，K+顺浓度差外流，而细胞内的有机负离子不能透出细胞，便产生了内负外正的电位差。当促进K+向外移动的化学力（K+的扩膜浓度梯度）与阻止K+向外移动的电场力（跨膜电位梯度）达到平衡时，则K+的净通透量等于零，此时的电位差称为K+的平衡电位，等于静息电位。,K+顺浓度差(化学驱动力)跨膜外流,建立起内负外正的跨膜电位。,当促使K+外流力与阻止K+外流力平衡时,即,K+的电化学驱动力为零时,K+的净通量为零K+平衡电位(RP),大量实验证明：当细胞外的K+浓度降低时，静息电位增大；膜外K+浓度增高时，静息电位减小，而改变Na+浓度对其无明显影响，说明静息电位主要是由K+的平衡电位决定的。若知道K+在胞内外分布的浓度，可以利用Nernst方程来计算静息膜电位。,假定膜仅对Na+通透，膜外Na+流向膜内，建立起膜内为正、膜外为负的平衡电位，其值为+60mV，幅度小于K+的平衡电位。,（二）、Na+的扩散对膜电位的作用,在活细胞中，K+、Na+是共同对膜电位的形成发挥作用的。但在静息状态下，K+通透性是Na+50-75倍。相对较大量K+的净外流建立了一个-90mV的膜电位，相对少的Na+内流部分消除或中和了K+的平衡电位，这时的静息膜电位为-70mV。,（三）、K+和Na+对膜电位的协同作用,静息状态下，K+和Na+的扩散时刻在进行，但胞内K+浓度没有持续下降，Na+浓度也没有持续增加，为什么？K+-Na+泵的作用：将胞内Na+泵出，将胞外K+泵入，从而抵消了两种离子的膜渗漏通量。,（四）、K+-Na+泵和静息膜电位的维持,总结:由于膜内外存在不同的离子浓度，膜对这些离子具有不同的通透性，导致了静息电位的形成；静息状态时，所有被动通透力与主动转运的力平衡，使膜电位保持恒定不变。,二、细胞膜动作电位(ActionPotential,AP),概念：指各种可兴奋细胞受到刺激时，细胞膜在静息电位的基础上产生的快速、可逆的电位变化，包括去极化、复极化等环节。Theactionpotentialisarapiddepolarizationofthemembranepotential,whichcanbepropagatedoverthesurfaceofthecell.,刺激：能引起生物机体活动状态发生变化的各种环境因子。反应：由刺激而引起的机体活动状态的改变。兴奋和抑制,1.刺激与反应(stimulusandresponse),（一）细胞的兴奋和阈刺激,2.兴奋和兴奋性(excitationandexcitability),兴奋：活组织因刺激而产生动作电位的过程兴奋性：可兴奋组织受到有效刺激时，具有发生兴奋即产生动作电位的能力。,3、引起兴奋的主要条件一定的刺激强度一定的刺激作用时间强度-时间变化率(dV/dt)阈强度刚能引起组织兴奋的刺激强度阈刺激达到阈强度的有效刺激阈上刺激高于阈强度的刺激阈下刺激低于阈强度的刺激注：阈值可以作为衡量细胞和组织兴奋性的指标，但并非固定参数,衡量兴奋性的指标,阈值（阈强度）阈强度高，兴奋性低；阈强度低，兴奋性高。,极化(polarization)：膜内外两侧电位维持内负外正的稳定状态。去极化或除极化(depolarization)：膜内负电位减小甚至由负转正的过程。反极化超射(overshoot)：膜电位发生反转的部分。复极化(repolarization)：去极化后，再向静息电位水平恢复的过程。超极化(hyperpolarization)：膜内负电位增大的过程。,（二）分级电位和动作电位,1、几个概念,2、分级电位,首先给细胞一个较小的刺激，然后不断增大刺激强度，所形成的电位幅值也会逐步由小变大，将这种具有不同幅值的电位称为分级电位。分级电位特征：振幅随扩散距离的增大而减小，故只能在较小的范围内作短距离的扩散。,3.动作电位,给细胞膜一个较强的刺激，胞膜将产生一个短暂、快速的膜电位变化，将其称为动作电位。,动作电位特征：传导的幅度不随距离的增加而衰减。,神经纤维动作电位的时相静息相,去极相(上升相),复极相(下降相),（三）动作电位形成的离子机制Mechanismofactionpotential,条件:膜内外存在Na+差:Na+oNa+i101；膜在受到阈刺激而兴奋时，对离子的通透性增加：即电压门控性Na+、K+通道先后激活而开放。,动作电位的峰值接近于Na+平衡电位。(Na+equilibriumpotential),Atthepeakofactionpotential,themembranepotentialbecomespositive,quiteclosetotheequilibriumpotentialforENa.,1.去极相,Na+通道迅速开放，Na+迅速内流，膜内电位升高，Na+的平衡电位ENa,2.复极相,Na+通道迅速失活（不应期）K+通道缓慢开放,3.恢复期,Na+通道复活,K+通道关闭钠-钾泵活动增强，重建静息电位,机制：,证据：将神经浸浴于无Na+的溶液时，AP不复出现。用等渗溶液加入使Na+浓度减小，可见AP幅度或其超射值减小。,利用药理学分析膜电流的实验结果应用Na+通道阻断剂TTX,内向电流消失。应用K+通道阻断剂TEA，外向电流消失。,河豚毒素(tetrodotoxin，TTX)四乙铵(tetraethylammonium，TEA),细胞受刺激静息电位降低膜Na通道打开Na通透性增大Na内流膜内电位增高去极化反极化形成锋电位的上升相膜Na通道关闭复极化锋电位的下降相静息电位。,（四）离子通道的门控机制,1、电压门控Na+通道和K+通道电压门控通道由带电蛋白质围绕形成的通道组成，通道蛋白对膜电压的变化具有高度敏感性；Na+通道有两种状态:激活态门和失活态门，使得Na+通道存在三种状态：门关闭但有能力开放状态；开放或激活状态；门关闭且无能力开放状态。K+通道只有一个门控状态：或开放或关闭,2、离子通道在不同状态间的转换,静息状态时，Na+和K+通道都是关闭的，Na+通道的激活态门是关闭的，而失活态门是开放的，由于漏K+通道的大量存在，静息状态K+膜通透能力是Na+50-75倍；由于受到刺激，膜除极化，部分Na+通道开放，Na+浓度梯度和电压梯度两种力驱使Na+迅速向细胞内流动进一步除极化更多Na+通道开放，更多Na+内流（正反馈）,Na+通道开放的同时，也启动了通道关闭过程：在激活态门开放之后、失活态门关闭之前的一段时间（约0.5ms），两种门处于开放状态Na+迅速内流动作电位达到峰值，之后失活态门关闭，直至细胞膜恢复到它静息电位值的水平；Na+通道失活的同时，电压门控K+通道开放，动作电位从峰值返回静息状态水平。,膜电位恢复到静息状态，Na+通道的失活态门开放，激活态门关闭（具有重新开放的能力），电压门控K+通道也关闭，但速度缓慢，持续增加了细胞膜对K+的渗透性形成一个超极化电位。,（五）不应期和动作电位的“全或无”特性,1、兴奋细胞的不应期在可兴奋细胞受刺激产生兴奋期间施加第二次刺激，第二次刺激所产生的效应会受到此兴奋的影响，细胞兴奋后的兴奋性状态由绝对不应期（absoluterefractoryperiod）和相对不应期（relativerefractoryperiod）所组成。,绝对不应期：组织兴奋后，在去极化之后到复极化达到一定程度之前对任何强度的刺激均不产生反应。机制：Na通道处于完全失活状态,相对不应期绝对不应期之后，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机制：一部分失活的Na通道开始恢复，一部分Na通道仍处于失活状态,2、动作电位的“全或无”特性,可兴奋细胞受到刺激时，或是产生一个可向外扩布、具有完全相同幅值、且幅值不随传导距离而衰减的动作电位（达阈电位），或是完全无动作电位的产生（低于阈电位），这种特性称为“全或无”。,概念：动作电位在同一细胞上的传布过程。,第二节神经冲动的传导,一、神经冲动传导的局部电路学说,已兴奋的膜部分通过局部