醫(yī)學(xué)神經(jīng)生理學(xué)基礎(chǔ)課件

1、1第4章 神經(jīng)生理學(xué)基礎(chǔ)1第4章 神經(jīng)生理學(xué)基礎(chǔ)2本章主要內(nèi)容：1、生物電研究簡(jiǎn)史；2、靜息電位及其形成機(jī)制；3、動(dòng)作電位： 形成機(jī)制；特征；興奮的產(chǎn)生及傳導(dǎo)。4、離子通道與門控電流 離子通道；膜片鉗及門控電流。2本章主要內(nèi)容：1、生物電研究簡(jiǎn)史；3Galvani在18世紀(jì)末進(jìn)行的所謂“涼臺(tái)實(shí)驗(yàn)”是生物電研究的開(kāi)端。4.1 生物電研究簡(jiǎn)史生物電現(xiàn)象：3Galvani在18世紀(jì)末進(jìn)行的所謂“涼臺(tái)實(shí)驗(yàn)”是生物電研41827年物理學(xué)家Nobeli首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物電(損傷電位)的直接測(cè)量。德國(guó)生理學(xué)家Du Bois Reymond首次提出了關(guān)于生物電產(chǎn)生機(jī)制的學(xué)說(shuō)，即極化分子說(shuō)。Bernstein提出

2、了經(jīng)典的膜學(xué)說(shuō)。20世紀(jì)20年代，Gasser和Erlanger將陰極射線示波器等近代電子學(xué)設(shè)備引入神經(jīng)生理學(xué)研究，促進(jìn)了生物電研究的較快發(fā)展。標(biāo)志著現(xiàn)代電生理學(xué)的開(kāi)始。41827年物理學(xué)家Nobeli首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物電(損傷電位5在微電極記錄技術(shù)的推動(dòng)下，英國(guó)生理學(xué)家A.L. Hodgkin和Huxley首次實(shí)現(xiàn)了靜息電位和動(dòng)作電位的胞內(nèi)記錄，并在對(duì)這兩種電位的精確定量分析的基礎(chǔ)上，證實(shí)并發(fā)展了Bernstein關(guān)于靜息電位膜學(xué)說(shuō)的同時(shí)，又提出了動(dòng)作電位的鈉學(xué)說(shuō)。5在微電極記錄技術(shù)的推動(dòng)下，英國(guó)生理學(xué)家A.L. Hodgk64.2 靜息電位 靜息電位(resting potential, R

3、P)是指神經(jīng)元及其他可興奮性細(xì)胞未受刺激時(shí)，存在于細(xì)胞膜內(nèi)外兩側(cè)的電位差。 細(xì)胞膜電位為10100mV的直流電位，膜內(nèi)為負(fù)、膜外為正。通常把 膜 外 電位規(guī)定為0，則膜內(nèi)電位-10-100mV。 生物電中“”、“”只表示膜內(nèi)電位與膜外電位的關(guān)系， “”表示膜外電位高于膜內(nèi)電位， “”表示膜內(nèi)電位低于膜外電位。64.2 靜息電位 靜息電位(resting pote4.2.2 靜息電位形成的機(jī)制離子學(xué)說(shuō)細(xì)胞膜內(nèi)外離子分布的濃度差異1. 離子運(yùn)動(dòng)2. 膜電位4.2.2 靜息電位形成的機(jī)制離子學(xué)說(shuō)細(xì)胞膜內(nèi)外離子分布2022/9/298磷脂雙分子層頭端-極性磷酸鹽-親水尾端-非極性碳?xì)浠衔?疏水202

4、2/9/278磷脂雙分子層頭端-極性磷酸鹽-親水尾端-9靜息狀態(tài)下神經(jīng)細(xì)胞膜內(nèi)外離子分布不均衡 細(xì)胞膜外 細(xì)胞膜內(nèi) Na+ 150 mmol/L 15 mmol/LK+ 5 mmol/L 100 mmol/LCl- 150 mmol/L 13 mmol/L9靜息狀態(tài)下神經(jīng)細(xì)胞膜內(nèi)外離子分布不均衡 10神經(jīng)元離子通道離子通道是蛋白質(zhì)在脂質(zhì)雙分子層中形成水性通道的大分子，大多具有傳遞離子與識(shí)別并選擇離子種類等重要特性，根據(jù)通道開(kāi)放和關(guān)閉狀態(tài)分為門控性和非門控性通道。10神經(jīng)元離子通道離子通道是蛋白質(zhì)在脂質(zhì)雙分子層中形成水性通11擴(kuò)散的兩個(gè)基本條件:存在跨膜的離子濃度梯度；膜上有相應(yīng)的離子通道。 1

5、）擴(kuò)散1. 離子運(yùn)動(dòng)11擴(kuò)散的兩個(gè)基本條件:存在跨膜的離子濃度梯度； 1）擴(kuò)散12電場(chǎng)驅(qū)使離子跨膜移動(dòng)的條件： 膜擁有通透離子的通道； 有跨膜電位差的存在。2）電場(chǎng)12電場(chǎng)驅(qū)使離子跨膜移動(dòng)的條件：2）電場(chǎng)132. 膜電位1）擴(kuò)散電位2）平衡電位靜息電位形成的基礎(chǔ)3）離子的跨膜分布132. 膜電位1）擴(kuò)散電位141）擴(kuò)散電位K胞內(nèi)胞外K擴(kuò)散電位擴(kuò)散電位只是當(dāng)離子移動(dòng)速度不同時(shí)產(chǎn)生的電位，并不能被穩(wěn)定地維持。141）擴(kuò)散電位K胞內(nèi)胞外K擴(kuò)散電位擴(kuò)散電位只是當(dāng)離子移動(dòng)速152）平衡電位20:1K離子的平衡電位：K離子外流使膜外聚集較多的正離子，膜內(nèi)側(cè)較多負(fù)離子，造成膜兩側(cè)的電位差，膜外為正，膜內(nèi)為負(fù)

6、，這樣的電位差能阻止K離子進(jìn)一步外流，離子的移動(dòng)就達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。Vm = - 80 mVK離子外流: 細(xì)胞內(nèi)有機(jī)負(fù)離子一般不能透出膜外，K離子 直徑小，膜內(nèi)外濃度差大，很容易順濃度差流向膜外。152）平衡電位20:1K離子的平衡電位：K離子外流使膜外聚163）離子的跨膜分布 細(xì)胞膜外 細(xì)胞膜內(nèi) 平衡電位Na+ 150mmol/L 15mmol/L ENa=62mvK+ 5 mmol/L 100mmol/L Ek=-80mvCa2+ 2mmol/L 0.0002mmol/L ECa=123mvCl- 150 mmol/L 13mmol/L ECl=-65mvNa+ 有從膜外向膜內(nèi)擴(kuò)散的趨勢(shì) K

7、+ 有從膜內(nèi)向膜外擴(kuò)散的趨勢(shì)163）離子的跨膜分布 細(xì)胞膜外 17離子的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)鈉泵：鈉鉀依賴式ATP酶鈣泵：鈣鎂ATP酶17離子的主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)鈉泵：鈉鉀依賴式ATP酶18Na+ K+ -ATP酶維持細(xì)胞內(nèi)Na+和 K+ 的濃度鈉-鉀泵的生電性作用，使細(xì)胞膜輕度超極化，對(duì)膜電位的增加一般不超過(guò)5mV。18Na+ K+ -ATP酶維持細(xì)胞內(nèi)Na+和 K+ 的濃度19Ca2+-ATP酶維持細(xì)胞內(nèi)Ca2+的低濃度19Ca2+-ATP酶維持細(xì)胞內(nèi)Ca2+的低濃度20 靜息狀態(tài)下細(xì)胞膜對(duì)K+的選擇性通透 K +的通透性大；Na+ 的通透性極小 20 靜息狀態(tài)下細(xì)胞膜對(duì)K+的選擇性通透2121224.3 動(dòng)作

8、電位細(xì)胞受刺激時(shí)，產(chǎn)生的膜兩側(cè)的快速、可逆，并能擴(kuò)布的電位，稱為動(dòng)作電位（action potential，AP）。224.3 動(dòng)作電位細(xì)胞受刺激時(shí)，產(chǎn)生的膜兩側(cè)的快速、可逆，23概述動(dòng)作電位主要生理功能為： 作為快速而長(zhǎng)距離傳導(dǎo)的電信號(hào)，調(diào)控神經(jīng)遞質(zhì)釋放、肌肉收縮和腺體分泌等各種可興奮細(xì)胞的動(dòng)作電位雖有共同性，但它們的振幅、形狀和甚至產(chǎn)生的離子基礎(chǔ)卻有一定程度的差異23概述動(dòng)作電位主要生理功能為：24膜電位狀態(tài)極 化 靜息電位存在時(shí)膜兩側(cè)保持的內(nèi)負(fù)外正的狀態(tài)去極化 靜息電位減小甚至消失的過(guò)程反極化 膜內(nèi)電位由零變?yōu)檎档倪^(guò)程超射值 膜內(nèi)電位由零到反極化頂點(diǎn)的數(shù)值復(fù)極化 去極化、反極化后恢復(fù)到

9、極化的過(guò)程超極化 靜息電位增大的過(guò)程24膜電位狀態(tài)極 化 靜息電位存在時(shí)膜兩側(cè)保持的內(nèi)負(fù)254.3.2 形成機(jī)制鈉學(xué)說(shuō)254.3.2 形成機(jī)制鈉學(xué)說(shuō)26Hodgkin experiment改變細(xì)胞外液NaCl濃度，AP的幅度、去極化速度和AP傳導(dǎo)速度都下降，下降程度與細(xì)胞外液NaCl濃度減小成比例說(shuō)明細(xì)胞外液NaCl與AP形成有關(guān)26Hodgkin experiment改變細(xì)胞外液NaC27AP形成的原理細(xì)胞受刺激靜息電位減小膜鈉通道打開(kāi) Na+通透性增大 Na+內(nèi)流膜內(nèi)電位增高去極化反極化形成鋒電位的上升相膜鈉通道關(guān)閉復(fù)極化鋒電位的下降相 靜息電位。 Na內(nèi)流27AP形成的原理細(xì)胞受刺激靜息

10、電位減小膜鈉通道打開(kāi) 28AP形成的原理28AP形成的原理29閾電位（能引起鈉通道大量開(kāi)放而爆發(fā)動(dòng)作電位的臨界膜電位水平）有效刺激本身可以引起膜部分去極化，當(dāng)膜電位水平達(dá)到閾電位時(shí)，便通過(guò)再生性循環(huán)機(jī)制而正反饋地使鈉通道大量開(kāi)放Na+內(nèi)流的再生性循環(huán)29閾電位（能引起鈉通道大量開(kāi)放而爆發(fā)動(dòng)作電位的臨界膜電位水30動(dòng)作電位的發(fā)生靜息電位 K+的平衡電位 靜息狀態(tài)下細(xì)胞膜對(duì)K+選擇性通透 對(duì)K +的通透性大，對(duì)Na+ 的通透性極小 30動(dòng)作電位的發(fā)生靜息電位 K+的平衡電位314.3.3 動(dòng)作電位的特征1.“全或無(wú)”現(xiàn)象2.不衰減性擴(kuò)布3.脈沖式發(fā)放314.3.3 動(dòng)作電位的特征1.“全或無(wú)”現(xiàn)象

11、321.“全或無(wú)”現(xiàn)象閾下刺激無(wú)閾上刺激固定的最大值321.“全或無(wú)”現(xiàn)象閾下刺激無(wú)332.不衰減性擴(kuò)布不衰減傳導(dǎo)動(dòng)作電位作為電脈沖，它一旦在神經(jīng)元的一處發(fā)生，則該處的膜電位便爆發(fā)式變?yōu)閮?nèi)正外負(fù)，于是該處便成為電池，對(duì)仍處于靜息膜電位 (內(nèi)負(fù)外正)的相鄰部位形成刺激，并且其強(qiáng)度明顯超過(guò)閾值。因此相鄰部位隨因受到閾上刺激而進(jìn)入興奮狀態(tài)，并且也隨之產(chǎn)生全或無(wú)式動(dòng)作電位。332.不衰減性擴(kuò)布不衰減傳導(dǎo)動(dòng)作電位作為電脈沖，它一旦在34不衰減性擴(kuò)布34不衰減性擴(kuò)布353. 脈沖式發(fā)放動(dòng)作電位的持續(xù)時(shí)間較短，神經(jīng)纖維一般在 0.52.0 ms的時(shí)間內(nèi)完成，表現(xiàn)為一次短促而尖銳的脈沖樣變化由于不應(yīng)期的存在使

12、連續(xù)的多個(gè)動(dòng)作電位不可能融合，故兩個(gè)動(dòng)作電位之間總有一定間隔，而呈脈沖式波形10mV10ms-65mV353. 脈沖式發(fā)放動(dòng)作電位的持續(xù)時(shí)間較短，神經(jīng)纖維一般在 361、絕對(duì)不應(yīng)期 在神經(jīng)接受前一個(gè)刺激而興奮時(shí)的一個(gè)短暫時(shí)期內(nèi)， 神經(jīng)的興奮性下降至零。此時(shí)任何刺激均歸于“無(wú)效”。2、相對(duì)不應(yīng)期 在絕對(duì)不應(yīng)期之后，神經(jīng)的興奮性有所恢復(fù)，但要引起組織的再次興奮，所用的刺激強(qiáng)度必須大于該神經(jīng)的閾強(qiáng)度。3、超常期 經(jīng)過(guò)絕對(duì)不應(yīng)期、相對(duì)不應(yīng)期，神經(jīng)的興奮性繼續(xù)上升，可超過(guò)正常水平。用低于正常閾強(qiáng)度的檢測(cè)刺激就可引起神經(jīng)第二次興奮4、低常期 繼超常期之后神經(jīng)的興奮性又下降到低于正常水平，在持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間后，

13、興奮性恢復(fù)到正常。4. 興奮性的變化364. 興奮性的變化37興奮性的變化絕對(duì)不應(yīng)期0.3ms相對(duì)不應(yīng)期3ms超常期12ms低常期70ms37興奮性的變化絕對(duì)不應(yīng)期0.3ms384.3.4 興奮的產(chǎn)生1、刺激的概念凡能引起細(xì)胞、組織或機(jī)體發(fā)生反應(yīng)的環(huán)境變化稱為刺激。 物理性刺激 化學(xué)性刺激 生物性刺激 生理學(xué)上把能引起組織發(fā)生反應(yīng)的最小刺激強(qiáng)度稱為閾強(qiáng)度。達(dá)到閾強(qiáng)度的刺激稱為閾刺激；低于閾強(qiáng)度的刺激稱為閾下刺激；高于閾強(qiáng)度的刺激稱為閾上刺激。384.3.4 興奮的產(chǎn)生1、刺激的概念生理學(xué)上把能引39閾電位： 膜去極化到達(dá)爆發(fā)動(dòng)作電位的臨界膜電位。閾電位的特性： 引起膜上Na+通道的激活對(duì)膜去極

14、化的正反饋。引起動(dòng)作電位的條件： 膜去極化達(dá)到閾電位。39閾電位：402）局部興奮402）局部興奮41（1）不是“全或無(wú)”（2）衰減性傳導(dǎo)（3）無(wú)不應(yīng)期（4）具有總和效應(yīng)局部興奮的特性41（1）不是“全或無(wú)”局部興奮的特性424.3.5 興奮的傳導(dǎo) 無(wú)髓神經(jīng) 有髓神經(jīng)424.3.5 興奮的傳導(dǎo) 無(wú)髓神經(jīng)43 已經(jīng)興奮的膜部分通過(guò)局部電流“刺激”了未興奮的膜部分，使之出現(xiàn)動(dòng)作電位。無(wú)髓神經(jīng)纖維上的興奮傳導(dǎo)43 已經(jīng)興奮的膜部分通過(guò)局部電流“刺激”了未興奮的膜44無(wú)髓神經(jīng)纖維上的興奮傳導(dǎo)局部電流44無(wú)髓神經(jīng)纖維上的興奮傳導(dǎo)局部電流45有髓神經(jīng)纖維上的興奮傳導(dǎo)45有髓神經(jīng)纖維上的興奮傳導(dǎo)46有髓神經(jīng)

15、纖維上的興奮傳導(dǎo)跳躍式46有髓神經(jīng)纖維上的興奮傳導(dǎo)跳躍式474748動(dòng)作電位在傳導(dǎo)過(guò)程中的特點(diǎn)信號(hào)不衰減：因電荷的流動(dòng)會(huì)構(gòu)成新的刺激，使電流強(qiáng)度在整個(gè)傳導(dǎo)過(guò)程中不衰減，亦即“全或無(wú)”式的。48動(dòng)作電位在傳導(dǎo)過(guò)程中的特點(diǎn)信號(hào)不衰減：因電荷的流動(dòng)會(huì)構(gòu)成494.4 離子通道與門控電流494.4 離子通道與門控電流504.4.1 離子通道離子通道是蛋白質(zhì)在脂質(zhì)雙分子層中形成水性通道的大分子，大多具有傳遞離子與識(shí)別并選擇離子種類等重要特性，根據(jù)通道開(kāi)放和關(guān)閉狀態(tài)分為門控性和非門控性通道。504.4.1 離子通道離子通道是蛋白質(zhì)在脂質(zhì)雙分子層51門控性和非門控性離子通道非門控性電壓門控性配體門控性機(jī)械門控

16、通道51門控性和非門控性離子通道非門控性電壓門控性配體門控性52配體門控通道與離子通道直接耦聯(lián)的受體通常稱為配體門控性離子通道。受體本身由配體結(jié)合部位與離子通道兩部分構(gòu)成，配體與受體結(jié)合后改變離子通道活性。52配體門控通道與離子通道直接耦聯(lián)的受體通常稱為配體門控性離53機(jī)械門控通道電壓門控通道53機(jī)械門控通道電壓門控通道54- 40 mV654.4.2 膜片鉗在一小片膜上可能存在一個(gè)或幾個(gè)離子通道，有可能記錄到單一離子通道的電流。Nobel Prize 54- 40 mV654.4.2 膜片鉗在一小片膜上可能55關(guān)閉開(kāi)放失活去失活55關(guān)閉開(kāi)放失活去失活56膜片鉗的記錄模式56膜片鉗的記錄模式5

17、7Cell-attached recordingCellPatch-pipetteCell membraneExternal lipidInternal lipid57Cell-attached recordingCellP58Whole-cell recordingCellPatch-pipetteCell membrane研究第二信使58Whole-cell recordingCellPatc59Inside-out recordingPatch-pipetteThe internal face of the lipidbi-layer faces the bath solution59I

18、nside-out recordingPatch-pi60Outside-out recordingPatch-pipetteThe external face of the lipidbi-layer faces the bath solution60Outside-out recordingPatch-p61單通道電流與宏觀電流4.4.3 門控電流61單通道電流與宏觀電流4.4.3 門控電流624.4.4 常見(jiàn)電壓門控離子通道624.4.4 常見(jiàn)電壓門控離子通道63電壓門控鈉通道電壓門控鈣通道電壓門控鉀通道63電壓門控鈉通道電壓門控鈣通道電壓門控鉀通道64電壓門控性通道1.電壓門控鈉通道關(guān)閉開(kāi)放失活去失活64電壓門控性通道1.電壓門控鈉通道關(guān)閉開(kāi)放失活去失活65鈉通道的亞型TTX 敏感性和TTX不敏感性鈉通道鈉通道疾病綜合癥基因突變常染色體顯性遺傳病65鈉通道的亞型TTX 敏感性和TTX不敏感性鈉通道鈉通道疾662.電壓門控鈣通道Ca2+