1、【探索腦讀書會】第1次討論問題列表神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的基本單位神經(jīng)元、靜息電位、動作電位。,2011年4月10日 北京叁號會所 何永振集智俱樂部 ,人類應(yīng)當知道，因為有了腦，我們才有了樂趣、欣喜、歡笑和運動，才有了悲痛、哀傷、絕望和無盡的憂思。因為有了腦，我們才以一種獨特的方式擁有了智慧、獲得了知識；我們才看得見、聽得到；我們才懂得了美與丑、善與惡；我們才感受到甜美與無味同樣，因為有了腦，我們才會發(fā)狂和神智昏迷，才會被畏懼和恐怖所侵擾我們之所以會經(jīng)受這些折磨，是因為腦有了病恙由于這樣一些原因，我認為，腦在一個人的機體中行使了至高無上的權(quán)力。 Hippocrates（希波克拉底，古希臘醫(yī)師，西方

2、醫(yī)學(xué)之父），On the Sacred Disease，論神圣的疾病，公元前4世紀 （神經(jīng)科學(xué)探索腦第二版P3）,神經(jīng)系統(tǒng)的兩類細胞,神經(jīng)元 約1000億 負責處理信息 神經(jīng)膠質(zhì)細胞 數(shù)量10倍于神經(jīng)元 隔離、支持以及營養(yǎng)周圍神經(jīng)元&處理信息,一、作為一個細胞，神經(jīng)元的信息處理能力從何而來？（探索腦第2章）,基本思路：結(jié)構(gòu)功能相關(guān)性,1.外部形態(tài)上，神經(jīng)元與其它細胞有何不同？,胞體：直徑20微米，含有細胞核及其它細胞器。（人眼分辨率極限：100微米。） 軸突：一般只有1個，長度可達1米，傳遞神經(jīng)元的輸出信號。軸突可有分支，成直角。 樹突：長度小于2毫米，接受輸入信號。,探索腦P25,和其它細胞

3、比較一下外形：神經(jīng)突起是神經(jīng)元細胞的獨有結(jié)構(gòu).,2.神經(jīng)元內(nèi)部的那些奇形怪狀的細胞器，都是干神馬用的？,探索腦P28,細胞核：封裝遺傳信息，最終決定了神經(jīng)元蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能,細胞核內(nèi)有46條染色體； 每條染色體含有2納米寬的連續(xù)雙螺旋DNA（脫氧核糖核酸），總長2米。 DNA字符串上的段落就是基因，長0.1至幾微米。,DNA在細胞核，but蛋白質(zhì)合成在細胞質(zhì)，信息如何傳達？,還好，有mRNA（信使核糖核酸）作為信使,分子生物學(xué)的中心法則：,轉(zhuǎn)錄：組裝一段含有基因信息的mRNA。,探索腦P29,翻譯： 附在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的核糖體， 以氨基酸為原料， 根據(jù)mRNA提供的藍圖（遺傳信息）， 合成蛋白

4、質(zhì)。,粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)：合成蛋白質(zhì)的工廠,粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng) & 核糖體,探索腦P29,（25納米）,在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和游離核糖體上， 合成蛋白質(zhì)。,綠色小花：核糖體； 紅絲帶：mRNA 黃絲帶：合成的蛋白質(zhì)；,探索腦P30,像圖靈機嗎？有點兒。,圖片來源：jake,探索腦P30,不同場所合成的蛋白質(zhì)，有不同的歸宿,游離核糖體上合成的蛋白質(zhì)： 釋放入胞液。 粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的蛋白質(zhì)： 嵌入細胞膜 or 細胞器膜。 正是這些膜上蛋白（哪些？稍后詳解） ，給予了神經(jīng)元奇妙的信息處理能力。,高爾基體：,蛋白質(zhì)“翻譯后”進行大量化學(xué)修飾（？）的場所 把運轉(zhuǎn)到神經(jīng)元不同部位（如軸突和樹突）的蛋白質(zhì)，進行分類整理。 （粗面

5、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的下一個工種）,探索腦P31,線粒體：神經(jīng)元里的發(fā)電廠。 合成ATP，提供能量。,“吸入”丙酮酸 + 氧氣，合成ATP（三磷酸腺苷）,探索腦P31,1微米的香腸,ATP是細胞內(nèi)的能量流通物質(zhì),儲藏在ATP中的化學(xué)能（？），供給神經(jīng)元大多數(shù)生化反應(yīng)。 例：神經(jīng)元膜上的特定蛋白（離子泵），利用ATP釋放的能量 將某些物質(zhì)跨細胞膜從低濃度“泵”到高濃度 維持神經(jīng)元內(nèi)外的濃度差 使得靜息電位和動作電位成為可能。 例：給驅(qū)動蛋白&動力蛋白供能（在軸突里）。,3.軸突不含核糖體，蛋白質(zhì)從哪來？ 胞體,軸突：輸出神經(jīng)信號 軸漿運輸：蛋白質(zhì)合成于胞體，沿軸突運輸。 順向運輸：蛋白質(zhì)（？）存儲于囊泡，胞體

6、末梢，由“驅(qū)動蛋白”運輸。 逆向運輸：末梢胞體，由“動力蛋白”運輸，給胞體提供軸突末梢需求變化的信息。 這個過程需要線粒體合成的ATP提供能量,驅(qū)動蛋白擔任“腿腳”的順向運輸。 沿著軸突，胞體末梢,探索腦P38,如果你是腦科學(xué)研究人員，你能借助這個系統(tǒng)追蹤腦內(nèi)的神經(jīng)連接嗎？,注射+顯影：追蹤神經(jīng)連接,神經(jīng)末梢注射HRP (辣根過氧化物酶) 經(jīng)逆向運輸至胞體 化學(xué)反應(yīng)使腦切片 上的HRP顯影 揭示腦內(nèi)連接。,探索腦P39,狂犬病毒也會搭便車：由皮膚上軸突末梢 經(jīng)逆向運輸進入神經(jīng)系統(tǒng) 瘋狂復(fù)制，殺死宿主神經(jīng)元 感染者死亡。,二、靜息態(tài)下，神經(jīng)元膜內(nèi)的負電位如何產(chǎn)生和維持？（靜息電位原理） （探索腦

7、第3章）,1.滿是漏洞的軸突，在傳播電信號時，與銅導(dǎo)線相比有什么優(yōu)勢？,理解動作電位，先要理解靜息電位,靜息電位：神經(jīng)元不沖動時，稱為靜息態(tài)。神經(jīng)元膜內(nèi)表面，分布負電荷，這種跨膜電荷分布的差異，稱為靜息膜電位。 動作電位：靜息電位的短暫翻轉(zhuǎn)（可短至1毫秒），與膜外相比，膜內(nèi)變?yōu)檎姾伞?離子通道（ion channel）（雙向？） 選擇性地通透離子，高濃度 低濃度； 鈉通道：幾乎只通透 鉀通道：只通透 鈣通道：只通透 正離子通過神經(jīng)元膜，負離子不通過，則膜內(nèi)外必然產(chǎn)生正負電荷的凈差，即膜內(nèi)外的電位差。 門控（gating）特性，通道可根據(jù)膜局部微環(huán)境的改變，進行開放和關(guān)閉。,2.對于靜息電位，

8、神經(jīng)元膜上兩種重要跨膜蛋白質(zhì)，為何缺一不可？,嵌入神經(jīng)元膜的離子通道,探索腦P55,另外一種重要的跨膜蛋白：離子泵,離子泵（ion pump）：形成濃度梯度。 什么力量驅(qū)動離子通過離子通道？ 膜內(nèi)外的離子濃度差。 為什么離子濃度差沒有隨離子的擴散運動而消失？ 離子泵在維持膜內(nèi)外的離子濃度差（濃度梯度），把離子由低濃度 泵到高濃度 沒有離子泵，大腦將停止工作。 需ATP供能（主動熵減）,膜內(nèi)外不同離子的濃度差&膜電位（沒有濃度差就沒有膜電位）,體溫條件下，如果神經(jīng)元膜僅為某種離子單一通透時的膜內(nèi)電位。,探索腦P62,摩爾（mol）：每升溶液中的分子數(shù)。,降解ATP 釋放化學(xué)能，驅(qū)動鈉鉀泵 交換膜

9、內(nèi) 與膜外 結(jié)果： 富集于神經(jīng)元內(nèi)， 富集于神經(jīng)元外 鈉鉀泵是耗能大戶，占大腦ATP消耗量的70%,鈉鉀泵：鉀進鈉出，形成梯度,探索腦P62,鈉鉀泵：交換鈉鉀，形成梯度,鉀進，納出,探索腦P62,3.膜內(nèi)負電位，是膜內(nèi)外離子在哪兩種力作用下的動態(tài)平衡？,擴散力： 離子經(jīng)選擇性離子通道，高濃度流向低濃度； 電場力： 擴散運動后，細胞內(nèi)出現(xiàn)凈負電荷，產(chǎn)生跨膜電位差。 電場力由擴散運動產(chǎn)生，又與其制衡。,第一種力：擴散力,探索腦P56,第二種力：電場力,神經(jīng)元膜內(nèi)外的電場從何而來呢？,探索腦P57,膜內(nèi)外存在濃度梯度（鉀內(nèi)高外低） 插入鉀通道（選擇性通透） 擴散至膜外， 其它的負離子如 ，被阻擋 膜

10、內(nèi)得到凈負電荷，出現(xiàn)跨膜電位差 形成跨膜電場（內(nèi)負外正），吸引 回到細胞內(nèi)。 推動 外出的擴散力，和吸引它們返回胞內(nèi)的電場力相等，方向相反時，跨膜 凈運動停止。 形成精確的平衡某種濃度梯度的離子平衡電位。,|擴散力|=|電場力|：離子平衡電位,離子平衡電位的建立（內(nèi)負外正）,探索腦P59,計算總的膜電位,探索腦P61,4.為什么靜脈注射氯化鉀會致死？,心肌細胞也需要細胞膜維持靜息電位 靜脈注射氯化鉀（回流到心臟） 心肌細胞膜外 濃度升高 膜內(nèi)外離子濃度差消失 膜內(nèi)正的 不再擴散外流 膜內(nèi)負的靜息膜電位被去除 心肌細胞不再產(chǎn)生能夠?qū)е率湛s的沖動 心臟立刻停止跳動 掛了,三、沖動不是魔鬼（動作電位

11、的產(chǎn)生和傳遞） （探索腦第4章）,動作電位的子過程：上升相&下降相（圖在下一頁）,靜息電位：-65mV 去極化（上升相）：膜電位快速翻轉(zhuǎn)變正，達+40mV 超射：膜電位超過0V以上的部分。 復(fù)極化（下降相）：膜電位恢復(fù)為負值，直至比靜息電位更負。 回射or后超極化：膜電位低于靜息電位的部分 逐步恢復(fù)到靜息電位。 整個過程2ms。 （所謂極化，就是一邊正一邊負的狀態(tài)。）,單個動作電位的組成,探索腦P72,多個動作電位的產(chǎn)生,在胞內(nèi)注入正電流，相當于人工去極化。 刺激電流持續(xù)，動作電位卻迅速回落又上升。形成脈沖，用頻率編碼。,探索腦P73,動作電位的頻率，依賴于去極化水平（編碼刺激強度）,刺激越強

12、,動作電位 頻率越高,去極化沒達到閾值,不產(chǎn)生 動作電位,極限為1000Hz。 1ms內(nèi)，不可能產(chǎn)生下一個動作電位，不應(yīng)期。,探索腦P73,1.動作電位過程中，離子通道如何開閉？離子如何跨膜流動？,動作電位是一個對跨膜電荷進行大幅度再分配的過程。 去極化：鈉離子跨膜內(nèi)流。 復(fù)極化：鉀離子跨膜外流。,2.為什么神經(jīng)元是用動作電位的頻率而不是電壓，來編碼刺激的強度？此種編碼方式的優(yōu)勢何在？A:高保真（Jake的答案）就像調(diào)幅（用電位編碼）&調(diào)頻（用頻率編碼）的區(qū)別,為什么的兩種含義： 產(chǎn)生的原因（why），離子通道的開閉很快 （下面詳述） 功能（for what）？,電壓門控鈉通道開放：去極化,1、膜電位-65mV，閾值以下，鈉通道關(guān)閉。,2、膜電位-65mV升至-40mV，達到閾值，短暫延遲后，鈉通道開放，鈉離子內(nèi)流，產(chǎn)生動作電位。,3、開放持續(xù)時間1ms 迅速關(guān)閉。持續(xù)去極化導(dǎo)致失活。,4、要使鈉通道去失活，膜電位必須恢復(fù)到-65mV（復(fù)極化以后）。,膜電位,鈉通道電流,膜電位&鈉通道 相互影響,這個5毫秒是不是太長了？,探索腦P83,3.電壓門控鈉通道和電壓門控鉀通道如何精確配合 ？,鈉通道：膜內(nèi)負電位達到閾值 電壓門控鈉通道開放 鈉離子跨膜內(nèi)流 膜內(nèi)電壓上升變正 去極化； 鉀通道：膜去極化1ms后 電壓門控鉀通道開放