人體及動(dòng)物生理學(xué)-第三章神經(jīng)元的興奮和傳導(dǎo)課件

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1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, Electrophysiology1786，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 2一、組織的興奮和興奮性

2、P29 Excitation & excitability of tissue (一)刺激和反應(yīng) 1.刺激stimulation：細(xì)胞和組織所處的 內(nèi)外環(huán)境的變化。 刺激的形式：物理 化學(xué) 機(jī)械等 刺激的三要素：強(qiáng)度；持續(xù)時(shí)間；強(qiáng) 度-時(shí)間變化率(方波刺激時(shí)不變) 閾強(qiáng)度(閾值) threshold intensity (value) :刺激的持續(xù)時(shí)間固定,引起 細(xì)胞或組織發(fā)生反應(yīng)(產(chǎn)生AP)的最小 刺激強(qiáng)度 3 閾刺激threshold stimulus:具有閾強(qiáng) 度的刺激 2.反應(yīng)response:可興奮組織或細(xì)胞對(duì)刺 激所發(fā)生的應(yīng)答。 興奮excitation:機(jī)體對(duì)外界環(huán)境變化做出的反

3、應(yīng)。或活組織因刺激而產(chǎn)生沖動(dòng)的反應(yīng)。 抑制inhibition(二)可興奮細(xì)胞或組織和興奮性 1.可興奮細(xì)胞或組織excitable cell or tissue:受刺激后能產(chǎn)生反應(yīng)(即AP)的 細(xì)胞或組織。神經(jīng)、肌肉、腺體的細(xì) 胞或組織屬于此類。 42.興奮性 excitability: 可興奮組織、細(xì)胞對(duì)刺激發(fā)生反應(yīng)(即產(chǎn)生 動(dòng)作電位)的能力。 衡量興奮性高低的指標(biāo)閾值 Excitability 閾上刺激 supraliminal stimulus 閾下刺激 subthreshold stimulus 閾強(qiáng)度 threshold intensity 1threshold intensity

4、 5二、細(xì)胞膜的被動(dòng)電學(xué)特性1.平行板電容器:細(xì)胞膜脂質(zhì)雙層將細(xì)胞內(nèi)外 液隔開,類似于平行板電容器。2.細(xì)胞膜電學(xué)特性:細(xì)胞膜具有膜電容Cm : 較大，約1F/cm2膜電阻Rm: 可變,與通道及轉(zhuǎn)運(yùn)體數(shù)目有關(guān)； Rm倒數(shù)即膜電導(dǎo)Gm=帶電離子通透性細(xì)胞膜通道開放帶電離子跨膜移動(dòng)相 當(dāng)于電容器充電或放電可產(chǎn)生電位差即 跨膜電位 transmembrane potential,Em因此電學(xué)特性可用并聯(lián)的阻容耦合電路來描述63.電緊張電位electrotonic potential 隨距刺激原點(diǎn)距離的增加而膜電位呈指數(shù)衰減的電位變化稱電緊張電位。 該電位是由膜的固有電學(xué)特性決定的,其產(chǎn)生過程中沒有離

5、子通道的激活,也無膜電導(dǎo)的改變。7三、靜息電位及其產(chǎn)生機(jī)制(P26)(一)靜息電位Resting potential，RP 細(xì)胞在未受刺激時(shí)(靜息狀態(tài)下),存在于細(xì)胞膜內(nèi)外的電位差。 81.在微電極尖剛插入膜內(nèi)的瞬間,記錄儀器顯 現(xiàn)一個(gè)突然的電位躍變；2.靜息電位是一個(gè)穩(wěn)定的直流電位；3.范圍:-10mV-100mV(隨細(xì)胞種類而不同); 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(repolarizatio

6、n):去極后向RP恢復(fù) 超射(overshoot):膜電位高于0電位部分9(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+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10 鈉平衡電位(+50+70mV)離子平衡電位 ion equilibrium potential 鉀平衡電位(-90-100mV)11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+oEK=59.

7、5 log (mV) K+i E:是某種離子的平衡電位12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:13Nernst公式(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+i14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

8、,更趨向于ENa Na+-K+泵的活動(dòng)水平Resting Potential15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)。16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

9、糖、氨基酸等進(jìn)行繼發(fā)性主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)的能量來源。17四、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、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)。182.動(dòng)作電位的波形:19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-potential20后電位動(dòng)作電位在復(fù)極后期發(fā)

10、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21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22 1.離

11、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(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+=+20mV232.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。243.Gm變化的機(jī)制是離子通道的活動(dòng) 膜片鉗(patc

12、h 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)25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)26AP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)27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 P

13、otential： AP的超射值等于Na+平衡電位(+50+70mV)28Na+通道去極化激活失活恢復(fù)Action Potential：升支Na+通道激活開放,Na+內(nèi)流形成AP上升支29Action 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30 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

14、):生 電性鈉泵作用的結(jié)果31AP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324.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) 33刺激強(qiáng)度增加較多

15、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 AP34局部電位及其向鋒電位的轉(zhuǎn)變35 (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

16、激強(qiáng)度無關(guān)。36(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 37Local 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381.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)

17、生在郎飛結(jié) 間的跳躍式傳導(dǎo) saltatory conduction(三)動(dòng)作電位在同一細(xì)胞上的傳導(dǎo)39無髓鞘神經(jīng)纖維AP傳導(dǎo):40跳躍式傳導(dǎo)： 提速、節(jié)能有髓鞘神經(jīng)纖維AP傳導(dǎo)：41(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

18、奮性興奮性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43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)44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(subnormal 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

19、引起興奮(70ms)45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461、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 propagation472、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Local 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

20、短距離的電緊張性擴(kuò)布；無不應(yīng)期，有總和現(xiàn)象483、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)。49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) 50二、沖動(dòng)的傳導(dǎo) (Conduction of Action pot