神經(jīng)系統(tǒng)的信號傳遞與電生理學(xué)研究方法

一、神經(jīng)系統(tǒng)的信號傳遞二、電生理學(xué)方法介紹高建新教授一、神經(jīng)系統(tǒng)的信號傳遞1.電信號：?局部電位（localizedgradedpotential）：感受器、突觸后膜、運動終板。?動作電位（actionpotential）：在神經(jīng)纖維上傳到的AP稱為神經(jīng)沖動。2.化學(xué)性信息（化學(xué)性突觸傳遞）

：神經(jīng)遞質(zhì)，激素。Measuringtherestingmembranepotential1)電信號MethodsofRecondingActionPotentials1)電信號Flippingthemembranepotentialbychangingtherelativeionicpermeabilityofthemembrane.神經(jīng)纖維靜息電位與動作電位波形與產(chǎn)生機(jī)制Thevoltage-gatedchannel2.神經(jīng)元-神經(jīng)元間化學(xué)性突觸傳遞SynapticarrangementsintheCNSVarioussizesofCNSsynapses?突觸神經(jīng)生理學(xué)是神經(jīng)科學(xué)重要分支。研究突觸電生理學(xué)、結(jié)構(gòu)、功能和神經(jīng)化學(xué)。?人類神經(jīng)系統(tǒng)每個細(xì)胞處在不同的反復(fù)分支的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中。突觸種類和大小復(fù)雜的。2.神經(jīng)元-神經(jīng)元間化學(xué)性突觸傳遞2.神經(jīng)元-神經(jīng)元間化學(xué)性突觸傳遞Amembraneionchannel?Theproperties:ionselectivityandgating.TransmitteractionsatG-protein-coupledreceptors.

ThebindingofneurotransmittertothereceptorleadstotheactivationofG-proteins.ActivatedG-proteinsactivateeffectorproteins,whichmaybe(a)ionchannelsor(b)enzymesthatgenerateintracellularsecondmessengers.?神經(jīng)纖維上傳導(dǎo)的動作電位（allornon，不衰減性傳導(dǎo)）：分析其頻率、潛伏期、傳導(dǎo)速度；?神經(jīng)元胞體及樹突產(chǎn)生的局部電位（幅度總和）：感受器，突觸后膜EPSP、IPSP，運動終板；?神經(jīng)遞質(zhì)和受體。

?電壓和化學(xué)門控通道：理、化性質(zhì)。總結(jié)：電生理學(xué)研究的指標(biāo)

（1)

陰極射線示波器（oscillograph）：顯示電信號，電子流惰性小，是記錄神經(jīng)非常短促和微弱電流最好的方法。（2）生物電放大器(amplifier):

頻率相應(yīng)范圍大（通頻帶從0~100kHz），有足夠高的放大能力，低噪聲，高輸入阻抗，高的辨差比。（3）電子刺激器（electronicstimulator）:矩形脈沖：刺激強(qiáng)度（幅度:最大瞬時值，0.001~200V之間，連續(xù)可調(diào)）、時間（波寬：10s~1s）、頻率(波寬和延遲時間之和小于頻率的倒數(shù))、延遲；刺激方式：單，連續(xù)，雙脈沖刺激；同步輸出：觸發(fā)其他需要與刺激同步的儀器（示波器，微電泳，照相等）一起工作。刺激隔離器（insulator）。（4）

儲存和分析電生理實驗結(jié)果的儀器：示波器照相機(jī)、錄音機(jī)、計算機(jī)（疊加，直方圖，平均等)。常用的主要儀器

電記錄的技術(shù)(A)細(xì)胞外記錄法記錄法記錄單個細(xì)胞或一群細(xì)胞的電活動。(B)微電極細(xì)胞內(nèi)記錄法記錄膜內(nèi)外的電位差：靜息電位和動作電位。(C)全細(xì)胞膜片鉗記錄法記錄當(dāng)膜上單個通道開啟或關(guān)閉時的電流。?工作原理：把引導(dǎo)電極安放在神經(jīng)組織的表面或附近引導(dǎo)神經(jīng)組織的電活動?；顒硬课坏纳窠?jīng)元去極化，未活動部位極化狀態(tài)，在容積導(dǎo)體中兩部位電位不同，電流流動，放置在細(xì)胞表面的電極會紀(jì)錄出兩者間的電位差。?優(yōu)點：方便，電極不插入細(xì)胞。?特點：細(xì)胞外電位的波形因記錄細(xì)胞的不同部位而異?神經(jīng)纖維外紀(jì)錄：

細(xì)胞外紀(jì)錄ExtracellularRecording?工作原理：在膜兩側(cè)各置一個電極形成一個回路，記錄膜電位（membranepotential）：EPSP,IPSP，動作電位。?優(yōu)點:

準(zhǔn)確測量膜電位的絕對值，

因膜內(nèi)到膜外電阻很大,值可高達(dá)100mV。?意義：是研究神經(jīng)元基本生物物理特性的有效手段。?關(guān)鍵問題（成功而持久的胞內(nèi)記錄）：1）穩(wěn)定：排除機(jī)械和動物呼吸和循環(huán)功能引起的運動；2）合格的玻璃微電極。細(xì)胞內(nèi)紀(jì)錄IntracellularSingleUnitRecording(HodgkinandHuxley)細(xì)胞內(nèi)紀(jì)錄

IntracellularSingleUnitRecording由于插入神經(jīng)元內(nèi)胞體并記錄細(xì)胞內(nèi)電位的微電極技術(shù)的發(fā)展，Eccles等首先將微電極插入脊髓運動神經(jīng)元的胞體，記錄哺乳類動物脊髓的大運動神經(jīng)元胞內(nèi)電位。?運動神經(jīng)元的胞體直徑70m;?微電極尖端直徑0.5m；?跨膜電位差60~80mV。圖7.3：用微電極在貓脊髓運動神經(jīng)元內(nèi)記錄的突觸后電位A.B.C:三種不同的閾下刺激(40秒掃描的疊加)；D:10次刺激引起的峰電位。圖7.12：刺激神經(jīng)在單根肌纖維的終板上所誘發(fā)的電位a.正常終板電位和相繼發(fā)生的肌肉峰電位；b,c,d,e:箭毒進(jìn)行性地阻滯肌反應(yīng);e只留下終板電位，神經(jīng)肌肉傳遞被箭毒阻滯了。圖7.2：槍烏賊星狀神經(jīng)節(jié)的突觸前纖維表現(xiàn)的動作電位和在突觸后神經(jīng)元誘發(fā)的局部電位。應(yīng)用：定量分析刺激與細(xì)胞后膜電導(dǎo)的變化。反映整個細(xì)胞膜上所有通道活動的綜合結(jié)果。不足：此項技術(shù)不能了解單個離子通道的功能活動狀態(tài)。另外，牽制的面積大，包含大量的隨機(jī)開放和關(guān)閉的通道，形成的背景噪音也大，掩蓋單一通道的微弱電流，另外，小神經(jīng)元插入兩個電極不容易。電壓鉗裝置圖和電壓鉗實驗記錄的膜電流TheopeningandclosingofNa+channelsuponmembranedepolarization(a):Theelectricalpotentialacrossapatchofmembrane.Whenthemembranepotentialischangedfrom–65~-40mV,theNa+channelspopopen.(b):Threedifferentchannelsrespondtothevoltagestep.(C)AmodelforhowchangesintheconformationoftheNa+channelproteinmightyielditsfunctionalproperies.Theshortcutpathway.（a）G-proteinsinheartmuscleareactivatedbyAChbindingtomuscanrinicreceptors.(b)TheactivatedGsubunitdirectlygatesaK+channel.Apatch-clamprecordingfromatransmitter-gatedionchannel.Ioniccurrentpassesthroughthechannelswhenthechannelsareopeninthepresenceofneurotransmitter.?1924年德國Jena,HansBerger第一次紀(jì)錄人類腦電圖（腦電流描記術(shù)的大部分基礎(chǔ)知識和腦電圖的用途：生理、神經(jīng)、精神和心理）。?雙極或單極引導(dǎo)法:將引導(dǎo)電極放在顱骨表面之上，記錄腦活動時微弱電流，通過強(qiáng)力放大記錄出來的電位成為腦電圖（EEG）。單極引導(dǎo)可更好地確定電信號的發(fā)源地，有利于臨床病灶診斷定位。?反映皮層錐體細(xì)胞的總和電位活動。錐體細(xì)胞的尖端樹突相互平行，產(chǎn)生細(xì)胞外電流的總和。?正常腦電圖：，兩種節(jié)律。腦電圖Electroencephalogram圖：正常成年人的典型腦電圖注意節(jié)律在頭的后部占優(yōu)勢ThegenerationoflargeEEGsignalsbysynchronousactivity.(a)InapopulationofpyramidalcellsunderanEEGelectrod,eachneuronreceivesmanysynapticinputs.(b)Iftheinputsfireatirregularintervals,thepyramidalcellresponsesarenotsynchronized,andthesummedactivitydetectedbytheelectrodehassmallamplitude.(c)Ifthesamenumberofinputsfirewithinanarrowwindowsothatthepyramidalcellresponsesaresynchronized,theresultingEEGsumismuchlarger.影響腦電圖的因素：1.神經(jīng)細(xì)胞代謝（缺氧、低血糖和酒精）：腦電圖出現(xiàn)慢節(jié)律，電壓降低。2.藥物：抗痙攣藥，麻醉藥：乙醚，巴比妥鹽。EEG與知覺水平相關(guān)；3.睡眠：EEG變化非常復(fù)雜。發(fā)現(xiàn)：誘發(fā)電位電生理學(xué)始于1913prevdish-Neminsky的實驗。（電刺激坐骨神經(jīng)，皮層腦電圖上出現(xiàn)明顯的電波偏移。一種分布非常廣泛的活動，是追蹤外周沖動到達(dá)皮層通路的一種工具。定義：中樞神經(jīng)系統(tǒng)任何部位對于感受器官、感受神經(jīng)、感覺通路上的任何一點受刺激時所產(chǎn)生的電變化。

性質(zhì)：慢電位變化，主要是突觸后電位總和而成。波幅一般在0.1—20V之間。由于波幅小，多在自發(fā)放電的背景上產(chǎn)生誘發(fā)電位。平均誘發(fā)電位（AEP）：誘發(fā)電位出現(xiàn)與施加的刺激有一定時間關(guān)系。相同實驗條件下，同一系統(tǒng)，潛伏期的長短是恒定的。用計算機(jī)平均疊加技術(shù)把多次反應(yīng)的微弱電信號疊加起來，使其從背景電波中清晰地記錄。臨床應(yīng)用：聽覺誘發(fā)電位，視覺誘發(fā)電位，軀體感覺誘發(fā)電位.誘發(fā)電位EvokedPotential軀體感覺誘發(fā)電位:?在軀體感覺系統(tǒng)中，從楔核、丘腦和皮層可記錄到刺激外周神經(jīng)引起的反應(yīng)。?刺激右側(cè)上肢皮膚在左側(cè)中央后回紀(jì)錄的誘發(fā)電位a.感受器電位；b.雙極細(xì)胞；C.色素細(xì)胞圖10.7“注意”時皮層反應(yīng)的變化不論受試者是否“注意”短聲或警惕短聲即將來臨，耳蝸神經(jīng)反應(yīng)無顯著變化，而皮層反應(yīng)出現(xiàn)明顯的CNV.微音器電位：多個毛細(xì)胞感受器電位的總和。A與B對比說明，聲音位相改變時，微音器電位位相倒轉(zhuǎn)，而聽神經(jīng)復(fù)合動作電位位相不變。?應(yīng)用光學(xué)記錄技術(shù)，把特別研制的熒光染料與細(xì)胞膜結(jié)合，在有動作電位發(fā)生時，這種燃料的光吸收特性發(fā)生改變。?正電子發(fā)射斷層掃描術(shù)（positronemissiontomography,PET）?磁共振成像術(shù)（magneticresonaceimaging）?顯示清醒人的大腦中受刺激區(qū)域，或發(fā)動運動時的活動狀態(tài)。神經(jīng)元活動的無創(chuàng)傷技術(shù)正電子發(fā)射斷層掃描術(shù)PositronEmissionTomography,PETA.看一個詞B.聽一個詞C.說一個詞D.想一個詞利用正電子湮滅反應(yīng)的物理學(xué)特性，以及腦激活時腦的能量代謝加強(qiáng)，血流量增加及血液容積改變等生物學(xué)特性，總和而成的最先進(jìn)的腦功能檢側(cè)技術(shù)。PET掃描首先將能發(fā)射正電子的放射性核素（18F或15O）標(biāo)記到選定的化合物上，然后將它引入體內(nèi)。放射性核素在衰變過程中發(fā)射出正電子，與鄰近組織中的電子相遇后湮滅，探測器確定其位置。

腦功能性磁共振成像術(shù)MagneticResonaceImaging功能性磁共振成像技術(shù)檢測視皮層的功能活動A未刺激時組織的去氧血紅蛋白比例高；B.刺激后組織氧合血紅蛋白增高；C.視覺刺激后腦影像視皮層活動區(qū)。突觸前神經(jīng)末梢的遞質(zhì)以量子式釋放的，量很微少。因此在進(jìn)行神經(jīng)遞質(zhì)功能測定時，只能用最小而有效的劑量模擬神經(jīng)遞質(zhì)的生理功能。這是與藥理學(xué)方法明顯的區(qū)別。藥理學(xué)研究可能用很大的劑量，所引起的效應(yīng)可能與生理效應(yīng)不同甚至相反。微電泳（microelectrophoresis）抗體微量注射神經(jīng)遞質(zhì)的功能測定?定義：借助微電極通以一定的電流將解離物質(zhì)電泳到神經(jīng)元附近，觀察神經(jīng)遞質(zhì)或其他藥物對該神經(jīng)元的作用。?基本原理：外加電流通過含解離物質(zhì)溶液的微電極時，會將微電極內(nèi)的解離物質(zhì)從管尖釋放出來。例如在微電極接正極，動物頭皮接負(fù)極時，帶陽離子的物質(zhì)從微電極中釋出。相反，微電極接負(fù)極，頭皮接正極（內(nèi)向電流）時，微電極釋出的是帶負(fù)離子的物質(zhì)。微電泳時解離物質(zhì)從微電極釋出量，與它通過的電荷量成正比。因此，通常用微電極的電流強(qiáng)度表示解離物質(zhì)的釋放量。（3）方法：1）拉制微電極：五管：每管尖端直徑1-3m,五管總直徑5~10m..其中，一管為紀(jì)錄，一管為對照，三管為藥物。2）微電極充滿溶液后，在立體定位以幫助下，姜微電極插至所需要觀察的腦核團(tuán)內(nèi)的神經(jīng)元附近。微電泳儀上的輸出接頭通過Ag-AgCI細(xì)絲插入微電極各管中，另一共用接頭連在動物頭皮上，是每一管電極與頭皮電極之間形成回路。然后，立即施加滯留電流防止自發(fā)性外溢。微電泳時選擇一定強(qiáng)度（nA）的電流通過微電極，微電極中的解離物質(zhì)釋放量與通電電流強(qiáng)度成正比。

微電泳MicroelectrophoresisMicroionphoresis:Thismethodsenablesaresearchertoapplyverysmallamountsofdrugsorneurotransmitter