1、1,第三章神經(jīng)元的興奮和傳導(dǎo) 第一節(jié) 細(xì)胞的生物電現(xiàn)象 bioelectric phenomenon of cell 掌握內(nèi)容： 細(xì)胞的興奮性和生物電 靜息電位和動(dòng)作電位及其產(chǎn)生機(jī)制 興奮的引起、閾值、局部電位、閾 電位和鋒電位 興奮在同一細(xì)胞上傳導(dǎo)的機(jī)制,2,生物電現(xiàn)象(bioelectric phonomenon):生命活動(dòng)過程中出現(xiàn)的電現(xiàn)象稱為生物電。 Bioelectricity, Electrophysiology 1786，Galvani，神經(jīng)-肌肉各自帶有生物電 電位計(jì) 陰極射線示波器 微電極技術(shù)電壓鉗技術(shù)膜片鉗技術(shù)計(jì)算機(jī) 實(shí)驗(yàn)材料：槍烏賊巨大神經(jīng)纖維、海兔的巨大神經(jīng)細(xì)胞,3,一

2、、組織的興奮和興奮性P29 Excitation 極化(polarization):外正內(nèi)負(fù) 去極化(depolarization):|RP|值減小 超極化(hyperpolarization):|RP|值增大 反極化(reversepolarization):去極到正值 復(fù)極化(repolarization):去極后向RP恢復(fù) 超射(overshoot):膜電位高于0電位部分,10,(二)靜息電位產(chǎn)生機(jī)制,1.生物電活動(dòng)的基礎(chǔ):鈉泵活動(dòng)造成膜內(nèi)外離子不均衡分布:胞外Na+胞內(nèi)Na+,胞內(nèi)K+胞外K+ 2.離子擴(kuò)散與離子平衡電位： 擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力：濃度差和電位差 膜通透性：安靜狀態(tài)下,膜主要對(duì)K+

3、通透 擴(kuò)散平衡：電位差=濃度差,驅(qū)動(dòng)力=0 根據(jù)Nernst公式可計(jì)算出離子平衡電位,11,鈉平衡電位 (+50+70mV),離子平衡電位 ion equilibrium potential,鉀平衡電位 (-90-100mV),12,離子平衡電位計(jì)算公式,Nernst方程： (環(huán)境溫度為27時(shí)，教材為29.2) K+o EK=59.5 log (mV) K+i E:是某種離子的平衡電位,13,膜主要對(duì)K+通透 細(xì)胞內(nèi)外K+勢(shì)能差 K+經(jīng)通道易化擴(kuò)散 擴(kuò)散出的K+形成阻礙K+繼續(xù)擴(kuò)散的電場(chǎng)力 K+的濃度差動(dòng)力和電場(chǎng)力阻力平衡,靜息電位 Resting Potential:,14,Nernst公式

4、(環(huán)境溫度為27時(shí)) EK=59.5 log (mV), RP相當(dāng)于EK，但實(shí)測(cè)值總是小于Nernst公式的計(jì)算值，原因是靜息時(shí)，細(xì)胞膜對(duì)Na+等離子也存在一定的通透性,K+o K+i,15,影響RP因素： 胞內(nèi)、外的K+: K+o與 K+ i的差值決定EK， K+o EK 膜對(duì)K+、Na+通透性: K+的通透性,則RP,更趨向于EK Na+的通透性,則RP,更趨向于ENa Na+-K+泵的活動(dòng)水平,Resting Potential,16,鈉-鉀泵 （sodium-potassium pump）:存在于細(xì)胞膜上的一種具有ATP酶活性 的特殊蛋白質(zhì),可被細(xì)胞膜內(nèi)的Na+增加或細(xì)胞外K+的增加所

5、激活，受Mg2+濃度的影響，分解ATP釋放能量，進(jìn)行Na+ 、K+逆濃度和電位梯度的轉(zhuǎn)運(yùn)。,17,鈉-鉀泵的生理意義: 1、維持細(xì)胞內(nèi)高K+，是許多代謝反應(yīng)進(jìn)行的必需條件； 2、維持細(xì)胞外高Na+，使得Na+不易進(jìn)入細(xì)胞，也阻止了與之相伴隨的水的進(jìn)入，對(duì)維持正常細(xì)胞的滲透壓與形態(tài)有著重要意義； 3、建立勢(shì)能貯備，是神經(jīng)、肌肉等組織具有興奮性的基礎(chǔ)，也是一些非離子性物質(zhì)如葡萄糖、氨基酸等進(jìn)行繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的能量來源。,18,四、動(dòng)作電位及其產(chǎn)生機(jī)制,(一)動(dòng)作電位Action potential,AP 1.在RP基礎(chǔ)上，細(xì)胞受到一個(gè)適當(dāng)(不 小于閾值)刺激時(shí)，其膜電位所發(fā)生的 一次可擴(kuò)布、迅速的

6、、短暫的波動(dòng)。,實(shí)質(zhì)：是膜電位在RP基礎(chǔ)上發(fā)生的一 次可擴(kuò)布、快速的倒轉(zhuǎn)和復(fù)原；是細(xì)胞 興奮的本質(zhì)表現(xiàn)。,19,2.動(dòng)作電位的波形:,20,升支(去極化相) 降支(復(fù)極化相) 鋒電位 spike potential電位變化顯示為一高幅尖鋒 后電位 負(fù)后電位 negative after-potential 正后電位 positive after-potential,21,后電位動(dòng)作電位在復(fù)極后期發(fā)生的一些微小而緩慢的電位波動(dòng)，為后電位，包括負(fù)后電位和正后電位 負(fù)后電位(Negative after potential) (Positive after potential)： : 復(fù)極后期，膜電

7、位恢復(fù)到靜息電位水平之前的緩慢的復(fù)極過程，稱之為負(fù)后電位 機(jī)制：K+蓄積于膜外而進(jìn)一步阻止K+的外流所致,22,正后電位(Positive after potential)： : 繼負(fù)后電位之后，膜電位有一個(gè)低于靜息電位水平的電位波動(dòng)，稱之為正后電位 機(jī)制：由于Na+K+泵活動(dòng)，將向細(xì)胞內(nèi)泵入2K+，而向細(xì)胞外泵出3Na+ ，因此時(shí)盡管細(xì)胞復(fù)極已達(dá)靜息水平，但膜兩側(cè)的離子尚為恢復(fù)到原來的水平,23,1.離子跨膜流動(dòng)的電化學(xué)驅(qū)動(dòng)力 電化學(xué)驅(qū)動(dòng)力=Em-E離子 = *動(dòng)力為負(fù)值時(shí)：推動(dòng)正電荷流入胞(內(nèi)向 電流 inward current,如Na+,Ca2+內(nèi)流) *動(dòng)力為正值時(shí)：推動(dòng)正電荷出胞(

8、外向電 流outward current,如K+外流,Cl-內(nèi)流) RP條件下，Na+受到很強(qiáng)的內(nèi)向驅(qū)動(dòng)力,(二)動(dòng)作電位的產(chǎn)生機(jī)制,Na+=-130mV K+=+20mV,24,2.動(dòng)作電位期間Gm的變化 用電壓鉗(voltage clamp,固定膜電位,測(cè)量膜電流)技術(shù)的研究結(jié)果表明: 動(dòng)作電位期間,膜GNa首先增加,隨即又衰減,在其衰減的同時(shí)GK增大。,25,3.Gm變化的機(jī)制是離子通道的活動(dòng) 膜片鉗(patch clamp):鉗制一小片膜， 記錄單個(gè)通道離子電流的技術(shù)。,膜片鉗技術(shù),26,用膜片鉗技術(shù)研究的結(jié)果說明：膜電導(dǎo)變 化的實(shí)質(zhì)是實(shí)質(zhì)是膜上離子通道隨機(jī)開放 和關(guān)閉的總和效應(yīng),27

9、,AP期間的離子通道ion channels活動(dòng)：,膜片鉗的實(shí)驗(yàn)研究表明，AP期間有兩種離子通道活動(dòng)： Na+通道：通道特異性阻斷劑 :河豚毒(tetrodotoxin,TTX) K+通道：通道特異性阻斷劑:四乙銨(tetraethylammonium, TEA),28,刺激后,膜對(duì)Na+通透 膜內(nèi)外Na+勢(shì)能貯備 Na+經(jīng)通道易化擴(kuò)散 擴(kuò)散的Na+抵消膜內(nèi) 負(fù)電位,形成正電位 直至正電位增加到足以對(duì)抗由濃度差所致的Na+內(nèi)流,Action Potential：, AP的超射值等于Na+平衡電位(+50+70mV),29,Na+通道 去極化 激活 失活 恢復(fù),Action Potential：

10、升支,Na+通道激活開放,Na+內(nèi)流形成AP上升支,30,Action Potential: 降支,K+通道激活開放,K+外流形成AP下降支,K+通道 關(guān)閉 激活,31,小結(jié)AP的形成的離子基礎(chǔ)： 升支:Na+內(nèi)流； 降支:K+外流； 靜息水平: Na+- K+ 泵活動(dòng),離子恢復(fù)靜息 時(shí)的分布狀態(tài)； 負(fù)后電位(后去極化,after depolarization):復(fù)極 時(shí)外流的K+蓄積在膜外,阻礙了K+外流； 正后電位(后超極化,after hyperpolarization):生 電性鈉泵作用的結(jié)果,32,AP的特點(diǎn)：,“全或無” all or none：幅度不隨 刺激強(qiáng)度增加而增大 可傳播

11、性:不減衰傳導(dǎo)(幅度波形不變) 有不應(yīng)期:因而鋒電位之間不發(fā)生 融合或疊加,33,4.動(dòng)作電位的引起,(1)局部興奮及其向鋒電位的轉(zhuǎn)變 閾下弱刺激電緊張電位刺激稍加強(qiáng)去極化電緊張電位少量Na+通道開放, 少量Na+內(nèi)流被K+外流抵消 不能發(fā)展成AP只能與電緊張電位疊加局部反應(yīng)(local response)。 因此，局部反應(yīng)是閾下刺激在受刺激的膜的局部引起的一個(gè)較小的去極化反應(yīng)。又稱局部興奮或局部電位 (local excitation or potential),34,刺激強(qiáng)度增加較多Na+通道開放,較多Na+內(nèi)流當(dāng)刺激強(qiáng)度使膜去極化程度達(dá)某一臨界膜電位(閾電位)時(shí)Na+內(nèi)流K+外流膜發(fā)生更

12、強(qiáng)的去極化從而使更多Na+通道開放和Na+內(nèi)流(形成Na+通道激活對(duì)膜去極化的正反饋)直至接近ENa AP,35,局部電位及其向鋒電位的轉(zhuǎn)變,36,(2) 閾電位 threshold potential，TP 能引起大量Na+通道開放和Na+內(nèi)流并形成Na+通道激活對(duì)膜去極化的正反饋過程進(jìn) 而誘發(fā)動(dòng)作電位的臨界膜電位值。 閾電位一般比RP小1020mV。 如神經(jīng)細(xì)胞RP=-70mV，TP-55mV 達(dá)到閾電位后,AP幅度只取決于膜電位 去極化程度、Na+通道和Na+電流之間的正反饋過程，而與外加刺激強(qiáng)度無關(guān)。,37,(3)局部反應(yīng)Local response 閾下刺激因強(qiáng)度較弱而不能使膜的去極

13、化達(dá)到閾電位，不能觸發(fā)AP，但可引起局部反應(yīng)。,局部反應(yīng)的特征： 非“全或無”：反應(yīng)幅度隨刺激強(qiáng)度的增大而 增大 在局部形成電緊張性擴(kuò)布 可以總和: 空間總和 spatial summation 時(shí)間總和 temporal summation,38,Local Potential： （1）肌細(xì)胞的終板電位EPP （2）感受器細(xì)胞的感受器電位 （3）N元突觸的突觸后電位,39,1.無髓鞘神經(jīng)纖維AP傳導(dǎo)機(jī)制 局部電流local current 傳導(dǎo)速度:軸突直徑、電阻、鈉通道密度 2.有髓鞘神經(jīng)纖維AP傳導(dǎo)機(jī)制 局部電流發(fā)生在郎飛結(jié) 間的跳躍式傳導(dǎo) saltatory conduction,(三

14、)動(dòng)作電位在同一細(xì)胞上的傳導(dǎo),40,無髓鞘神經(jīng)纖維AP傳導(dǎo):,41,跳躍式傳導(dǎo)： 提速、節(jié)能,有髓鞘神經(jīng)纖維AP傳導(dǎo)：,42,(四)細(xì)胞一次興奮后興奮性的周期性變化,絕對(duì)不應(yīng)期(相當(dāng)于鋒電位) absolute refractory period 興奮性=0 Na+通道全部關(guān)閉 相對(duì)不應(yīng)期(相當(dāng)于負(fù)后電位) relative refractory period 正常興奮性0 Na+通道漸恢復(fù) 超常期(相當(dāng)于負(fù)后電位)supranormal period 興奮性正常 Na+通道恢復(fù) 低常期(相當(dāng)于正后電位)subnormal period 興奮性正常 Na+通道漸靜息,43,Action Pot

15、ential,絕對(duì)不應(yīng)期： 興奮性=0 相對(duì)不應(yīng)期： 正常興奮性0 超常期： 興奮性正常 低常期： 興奮性正常,興奮性的周期性變化,44,絕對(duì)不應(yīng)期(absolute refractory period) 組織興奮后，在去極之后到復(fù)極達(dá)到一定程度之前對(duì)任何強(qiáng)度的刺激均不產(chǎn)生反應(yīng).(0.3ms) 相對(duì)不應(yīng)期(relative refractory period) 絕對(duì)不應(yīng)期之后，隨著復(fù)極化的繼續(xù)，組織的興奮性有所恢復(fù)，只對(duì)閾上刺激產(chǎn)生興奮(3ms),45,超常期(supranormal period) 相對(duì)不應(yīng)期之后，興奮恢復(fù)高于原有水平，用閾下刺激就可引起興奮(12ms) 低常期(subnor

16、mal period) 超常期之后，組織進(jìn)入興奮性較低時(shí)期，只有閾上刺激才能引起興奮(70ms),46,第二節(jié)神經(jīng)沖動(dòng)的傳導(dǎo),一、沖動(dòng)的產(chǎn)生 電緊張電位 局部反應(yīng)或局部電位 閾電位和動(dòng)作電位,47,1、電緊張電位 (electrotonic potential) 定義：閾下刺激所引起的細(xì)胞膜電位發(fā)生的變化（超極化或去極化）。 特點(diǎn)：被動(dòng)反應(yīng)，局限性，分級(jí)性，電緊張性擴(kuò)布 (electrotonic propagation,48,2、局部反應(yīng) (local response) 定義：指閾下刺激時(shí)（外向電流）產(chǎn)生的電緊張電位和由少量Na+通道開放產(chǎn)生的特定電變化疊加在一起的去極化電位，又稱Loca

17、l potential或Local excitation 特點(diǎn)：不具全或無性質(zhì)；不能傳導(dǎo)，只能向周圍作短距離的電緊張性擴(kuò)布；無不應(yīng)期，有總和現(xiàn)象,49,3、閾電位和動(dòng)作電位的引起 (Threshold potential and AP Genesis) 閾電位：能夠?qū)е履?duì)Na+通透性突然增大的臨界膜電位數(shù)值。（能觸發(fā)AP產(chǎn)生的臨界膜電位數(shù)值） 閾刺激就是剛能使膜電位降低到閾電位水平的最低刺激強(qiáng)度。 動(dòng)作電位特點(diǎn)： 具有全或無性質(zhì)； 非遞減性傳導(dǎo)。,50,局部電位和動(dòng)作電位的區(qū)別：,局部電位 動(dòng)作電位 刺激強(qiáng)度 閾下刺激 閾刺激 Na+通道開放數(shù)量少 多 電位幅度 小 大 總和現(xiàn)象 有 無 全

18、或無現(xiàn)象 無 有 不應(yīng)期 無 有 傳播特點(diǎn) 緊張性擴(kuò)布 非衰減性傳導(dǎo),51,二、沖動(dòng)的傳導(dǎo) (Conduction of Action potential),1、神經(jīng)沖動(dòng)傳導(dǎo)的一般特點(diǎn) 生理完整性 雙向性 非遞減性 絕緣性 相對(duì)不疲勞性,定義：動(dòng)作電位在同一細(xì)胞上的傳布過程,52,2、沖動(dòng)傳導(dǎo)的機(jī)制- Local current學(xué)說,沖動(dòng)傳導(dǎo)的局部電流與兩種纖維的傳導(dǎo)特點(diǎn)： 有髓神經(jīng)纖維：跳躍式傳導(dǎo)，速度快 無髓神經(jīng)纖維：連續(xù)傳遞，速度慢,53,影響傳導(dǎo)速度因素 直徑粗細(xì) 粗纖維R小，電流大，傳導(dǎo)速度快 細(xì)纖維R大，電流小，傳導(dǎo)速度慢 有無髓鞘 溫度：恒溫動(dòng)物較變溫動(dòng)物快 貓 A.f: 100m/s 蛙 A.f: 40m/s 人尺神經(jīng) 54m/s,54,三、神經(jīng)干復(fù)合動(dòng)作電位(compound action potential）,1、神經(jīng)干復(fù)合動(dòng)作電位的定義與特點(diǎn) 1）定義：神經(jīng)干所包含的許多神經(jīng)纖維的生物電變化的總和 2）特點(diǎn)： 興奮快慢與閾值有關(guān)：閾值低的先興奮，閾值高的后興奮 興奮傳導(dǎo)速度與纖維直徑成正相關(guān)系,55,四、雙相動(dòng)作