神经元的电活动.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二讲,神经元的电活动,主讲人：张隆华,意大利解剖学和医学教授伽伐尼（Luigi Galvani,17371789）,生物电的发现,用两种不同的金属碰触青蛙腿的两端，可以引起它的收缩。,神经科学 Neuroscience,静息态的神经元膜,膜的化学特性,膜上的离子流动,静息膜电位产生的离子基础,神经科学 Neuroscience,神经科学 Neuroscience,神经科学 Neuroscience,神经系统信号的传递都通过电或者化学信号，其中电信号对于信息的快速及长距离传播具有重要意义。,所有的电信号（受体电位、突触电位、动作电位）都是通过膜两侧的离子浓度变化来实现的，离子进入或者流出细胞导致细胞偏离其静息状态。,能够产生和传导兴奋的细胞具有,可兴奋性膜,（,excitable membrane,）,其在静息状态下细胞膜内外具有的电势差称之为静息膜电位。,一、膜的化学特性,神经科学 Neuroscience,1，膜两边的盐溶液,细胞质和细胞外液,水和离子,水是一极性溶剂,Cation:K,+,Na,+,Ca,2+,Anion:Cl,-,二、膜上的离子流动,神经科学 Neuroscience,离子移动所需的外力：,1、浓度梯度扩散 Diffusion,a.膜两侧具有浓度梯度,b.膜上具有离子通道,二、膜上的离子流动,神经科学 Neuroscience,离子移动所需的外力：,2、电场作用 Electricity,a.膜上具有离子通道,b.膜两侧具有电势差,IgV,I，电流；g，电导；V，电压。,三、静息膜电位产生的离子基础,神经科学 Neuroscience,1、静息膜电位：Vm,在任何状态下跨神经元膜的电压称为膜电位。,典型的神经元的静息膜电位大约为-65mV。,静息膜电位的测量方法,三、静息膜电位产生的离子基础,神经科学 Neuroscience,2、离子平衡电位 E,ion,平衡某种离子浓度梯度的电位差，简称为平衡电位，是针对某种特定离子的电位，E,ion,。,a、当膜不能通透离子时，虽然有浓度差，但没有离子的流动，故膜电位为零，Vm=0。,b、膜上有钾离子通道时，钾离子可以顺浓度梯度流出到胞外，则胞内会有过多的A,-,，而细胞外就会积聚过多的正电荷K,+,，则会出现跨膜电位。,c、随着胞内越来越多的负电荷积聚，负电荷就会吸引带正电的钾离子返回胞内。当达到一定的电位差后，吸引K,回胞内的电势与扩散力刚好相等，但方向相反，就会达到平衡状态。,字母大小代表浓度高低,三、静息膜电位产生的离子基础,神经科学 Neuroscience,2、离子平衡电位 E,ion,a，膜电位的巨大改变是由离子浓度的小变化引起的,b，净电荷差发生在膜的内和外表面,c，离子被驱动跨膜运动的速率与膜电位和平衡电位之差成正比；,（V,m,-E,ion,）被称为离子驱动力,d，如果已知某一离子的跨膜浓度差，可以计算其平衡电位,跨膜电荷分布,三、静息膜电位产生的离子基础,神经科学 Neuroscience,计算离子平衡电位的Nernst 方程,如果膜两侧存在浓度梯度，且膜只对某种离子通透，则可以得到稳态电位。,可以根据Nernst 方程计算其平衡电位,：,Eion=RT/zF lnion,o,/ion,i,R 气体常数，T 绝对温度，z离子电荷，F法拉第常数，ion 内外膜离子浓度,三、静息膜电位产生的离子基础,神经科学 Neuroscience,3、离子的跨膜分布,钾离子膜内多，,钠钙氯离子膜外多,三、静息膜电位产生的离子基础,神经科学 Neuroscience,3、离子的跨膜分布,离子浓度梯度的建立是因为离子泵的作用。,1)Na-K pump，将钾离子泵进胞内，钠离子泵出胞外。,2)Calcium pump，将钙离子泵出到胞外，此外内质网、线粒体、钙结合蛋白等也可以降低胞内钙离子浓度。,三、静息膜电位产生的离子基础,神经科学 Neuroscience,4、膜在静息状态下离子的相对通透性,神经元在静息时，对离子具有选择通透性，假如仅对一种离子通透：,K,+,，则V,m,=E,k+,=-80mV,Na,+,则V,m,=E,Na+,=62mV,实际上Vm 65mV，介于E,K,和E,Na,之间。,对钾离子的通透远远大于对钠离子的通透性。,三、静息膜电位产生的离子基础,神经科学 Neuroscience,4、膜在静息状态下离子的相对通透性,C、去极化使钾离子平衡状态被打破，钾离子浓度梯度大于电场作用力，使钾离子流出，与流入的钠电流方向相反，最终达到平衡。此为新的静息膜电位。,B、膜上有少部分钠通道开放，钠离子在浓度梯度和电场作用下进入细胞膜内部，细胞开始去极化。,A、只对钾离子通透，Vm=E,k,神经元静息膜电位的形成,三、静息膜电位产生的离子基础,神经科学 Neuroscience,4、膜在静息状态下离子的相对通透性,当膜电位受几种离子影响的时候，每一种离子对膜电位的影响不仅取决于膜内外的离子浓度，而且也取决于该离子对膜的通透性(permeability,P)。,G-H-K,Equation:,方程表明：离子浓度越大，通透能力越强，其在维持静息膜电位中就具有更大的作用。,*Goldman-Hodgkin-Katz,三、静息膜电位产生的离子基础,神经科学 Neuroscience,4、膜在静息状态下离子的相对通透性,如果某一种离子的通透性远远大于其它离子，Goldman方程等同于Nernst 方程。如胶质细胞中,P,K,P,Cl,P,Na,.,Alan Hodgkin,Bernard Katz 测定了几种离子在静息电位的通透能力：,P,K,：,P,Na,：,P,Cl,1.0:0.04:0.45,在动作电位峰值，其通透性为：,P,K,：,P,Na,：,P,Cl,1.0:20:0.45,三、静息膜电位产生的离子基础,神经科学 Neuroscience,5、调控细胞外钾离子浓度的重要性,静息膜电位受胞外钾离子浓度影响,因为神经元膜在静息状态下对钾离子有更高的通透性，使得静息膜电位接近于钾离子平衡电位,膜电位对胞外钾离子浓度变化特别敏感。,提高胞外钾离子浓度可以使膜电位去极化。,三、静息膜电位产生的离子基础,神经科学 Neuroscience,5、调控细胞外钾离子浓度的重要性,1）胞外钾离子浓度升高将造成细胞去极化，细胞兴奋；,2）血脑屏障限制钾离子进入脑部胞外液；,3）星形胶质细胞具有空间缓冲胞外钾离子的作用；,4）其它可兴奋细胞没有这种保护机制，则钾离子浓度升高可导致心脏停止跳动。,三、静息膜电位产生的离子基础,神经科学 Neuroscience,5、调控细胞外钾离子浓度的重要性,星形胶质细胞调节胞外钾离子浓度的机理：,钾离子立体缓冲(Potassium spatial buffering),当胞外钾离子浓度升高时，钾离子进入星形胶质细胞，导致胶质细胞去极化。钾离子的进入增加胞内钾离子浓度，继而被延伸的星星胶质细胞突起的网络系统分散到一个很大的区域。,三、静息膜电位产生的离子基础,神经科学 Neuroscience,5、调控细胞外钾离子浓度的重要性,Jack Kevorkian,Dr.Death,致死注射：,1990年4月，Jack Kevorkian帮助了患有AD的54岁的Janet Adkins结束她的生命。Adkins夫人首先滴注了一种含有麻醉剂的溶液，然后自动转换为氯化钾溶液。,麻醉剂可以使,Adkins,夫人丧失知觉。,心脏停止跳动以及死亡是由于氯化钾注射导致的。,可兴奋细胞（包括心肌）的功能需要细胞膜在不产生动作电位是维持在静息膜电位水平。由于胞外钾离子浓度大量升高，细胞去极化，没有负的静息膜电位，心肌细胞不再能够产生导致收缩的冲动，心脏就立刻停止了跳动。,三、静息膜电位产生的离子基础,神经科学 Neuroscience,6、离子通道,定义：,可以传导离子；,识别和选择性传导离子；,对特定的电、化学和机械信号作出反应而开放或者关闭通道,可被一些药物和毒素等阻断；,离子通道的功能失调可导致疾病的发生；,三、静息膜电位产生的离子基础,神经科学 Neuroscience,6、离子通道,结构：,离子通道是由插入膜中形成孔洞的蛋白质组成，由两个或者多个相同或者不同的亚基组成的，某些通道还有调节其功能的附属亚基。,根据相似的氨基酸序列和跨膜结构，离子通道被分为以下三类：配体门控通道,(,Ligand,-gated),、缝隙连接通道,(Gap-junction),、电压门控通道,(Voltage-gated),。,离子通道的结构功能可以通过,Patch Clamp,、,Gene cloning,、,X-ray crystallography,、,NMR,、,EPR,等方法研究。,三、静息膜电位产生的离子基础,神经科学 Neuroscience,7、多姿多彩的钾离子通道,Shaker,钾通道,钾通道的选择性通透是决定静息膜电位的重要因素，其选择性的分子基础主要是在通道内氨基酸残基的排列。,钾通道由四个亚单位所组成。,Pore loop去作为选择性滤器使得通道对钾离子有最高的通透性。,该区域一个氨基酸的突变就能严重破坏神经元功能。,三、静息膜电位产生的离子基础,神经科学 Neuroscience,7、多姿多彩的钾离子通道,Lily Jan&Yuh Nung Jan,果蝇中有一种突变体Shaker，对乙醚的反应是晃动腿、翅膀和腹部。电生理研究揭示Shaker突变体的钾通道功能异常。利用分子生物学技术，Jan等人绘出了Shaker体内突变的基因。这个Shaker基因编码一种钾通道。,三、静息膜电位产生的离子基础,神经科学 Neuroscience,7、多姿多彩的钾离子通道,钾通道可分为以下几种：,1、IK，delayed rectifier,延时整流钾通道，慢激活,2、IA，A-type,瞬时钾电流，快激活，快失活,3、Ica，Calcium activated，钙激活钾电流，去极化+钙,4、Iir，inward-retifier,内向整流，超极化激活,5.IM，M-type channel,小的去极化激活，Ach 失活。,三、静息膜电位产生的离子基础,神经科学 Neuroscience,7、多姿多彩的钾离子通道,钾通道孔道俯视图,中间红球为K,+,三、静息膜电位产生的离子基础,神经科学 Neuroscience,7、多姿多彩的钾离子通道,三种钾离子通道,电压门控,内向整流,Two pore domain,三、静息膜电位产生的离子基础,神经科学 Neuroscience,7、多姿多彩的钾离子通道,内向整流钾通道的X-ray衍射结构,动作电位,动作电位特性,理论上的动作电位,实际中的动作电位,动作电位的传导,动作电位、轴突和树突,神经科学 Neuroscience,一、动作电位特性,神经科学 Neuroscience,1，动作电位的上升相和下降相,示波器记录及动作电位的上升和下降相,上升相 rising phase,超射overshoot,下降相 falling phase,回射undershoot,Na,+,内流引起去极化,K,+,外流引起复极化,一、动作电位特性,神经科学 Neuroscience,2，动作电位的记录方法,胞内记录,(Intracellular recording),胞外记录,(Extracellular recording),复合动作电位记录,(Compound AP recording),一、动作电位特性,神经科学 Neuroscience,3，单个或多个动作电位的产生,不同的神经元，去极化以不同的形式引发动作电位：,皮肤受刺激，通过牵张敏感的,(stretch),钠离子通道；,神经递质引起的钠通道开放，如中间神经元；,胞内注射电流也可以产生动作电位。“阈值”,一、动作电位特性,神经科学 Neuroscience,3，单个或多个动作电位的产生,动作电位发放频率依赖于去极化电流的强度，即刺激强度被编码为神经冲动频率。,发放动作电位的速率是有上限的，,最大发放频率大约为1000Hz。,二、理论上的动作电位,神经科学 Neuroscience,1，膜电流和膜电导,钠、钾通道关闭,Vm,=0,仅钾通道开放,通道开放，有电导，驱动力为,Vm-Ek,平衡状态,Vm,=,Ek,驱动力(V,m,-E,K,),，,电流，电导三者之间关系：,I,K,=g,K,(V,m,-E,K,),I,ion,=g,ion,(V,m,-E,ion,),二、理论上的动作电位,神经科学 Neuroscience,2，动作电位过程中离子的进出,动作电位可以看做是离子通道的通透性转变导致膜电位的翻转,静息状态下，钠离子具有很大的驱动力,Vm-E,Na,=-80-62=-142mV。,膜对离子的通透性由钾离子变为钠离子，膜电位可以在极短的时间内逆转。,三、实际的动作电位,神经科学 Neuroscience,1，电压钳方法,1963 Nobel Prize,要验证理论上的动作电位，可以通过测定在动作电位的不同时期各离子的电导，以期确定钾钠离子及其通道在动作电位产生过程中的作用。,测电导的工具，电压钳，就是将膜电位钳制在某一预设数值的装置，由,Kenneth C.Cole,发明。,50,年代，,Hodgkin&Huxley,用电压钳方法把神经元轴突膜电位钳制在任意数值，然后通过测量在不同膜电位时流过膜的电流来推测膜电导变化。,g=I/V,Alan Hodgkin,Andrew Huxley,三、实际的动作电位,神经科学 Neuroscience,2，膜片钳方法,Erwin Neher,Bert Sakmann,1991 Nobel Prize,三、实际的动作电位,神经科学 Neuroscience,3，电压门控钠通道,通道选择性地对钠离子开放，且通道的开放与关闭与膜电位的变化有关。,1）,钠通道结构,一个完整的钠通道是由一条多肽长链组成。除了这个多肽长链组成的,单位以外，还有两个亚单位(1,2）起修饰作用。,多肽长链由四个结构域(I-IV)组成，每个结构域含6个跨膜alpha螺旋(S1-S6)。,III-IV之间可能调节失活。,S4片段上有电压感受器；,S5-S6组成通道选择性滤过器。,TTX作用位点,三、实际的动作电位,神经科学 Neuroscience,3，电压门控钠通道,2）,钠通道开放模式图,S4段含有正电荷(每隔两个氨基酸残基就有一个带正电荷的赖氨酸或者精氨酸)，当膜电位发生变化的时候，S4片段便会被迫发生移动，这种构像变化可以引起钠通道开放。,三、实际的动作电位,神经科学 Neuroscience,3，电压门控钠通道,3）,钠通道的功能特性,开放延时很短暂；,开放时间约,1ms,后失活,(inactivation),；,失活后继续去极化不能使钠通道再开放；,只有当膜电位复极化到阈值附近时，通道才能被去极化再次打开。,三、实际的动作电位,神经科学 Neuroscience,3，电压门控钠通道,4）,作用于钠通道的毒素,活化阻断剂（阻断钠电流）,河豚毒素,(,Tetrodotoxin,TTX),特点：作用迅速，可逆,石房蛤毒素,(,Saxitoxin,STX),赤潮中的旋沟藻，专用于对,TTX,不敏感的钠通道。,在蛤蜊、蚌类及其它海洋壳类动物中常常会因为以原生藻类为食而积聚,STX,，食用会致命。,b.,失活化阻断剂（延长动作电位）,海葵毒素,(Sea anemone venom),使开放的钠通道不能立即关闭，继续开放下去，从而使,Na,离子继续内流，峰值时间延长，形成平台。,蝎毒素,(Scorpion toxin),阻止钠通道失活化，动作电位延长。,c.,钠通道激动剂（异常开放）,箭毒,(,Batrachotoxin,),哥伦比亚产小蛙皮肤分泌物提取物。,使钠通道在更负的水平上开放，开放时间长于正常开放时间。,百合科藜芦定（,veratridine,),或者毛茛科乌头碱,(,aconitine,),与箭毒作用类似。,三、实际的动作电位,神经科学 Neuroscience,3，电压门控钠通道,d.,毒素的作用特点及功能,不同的毒素结合于通道蛋白的不同位点，故不同的毒素结合位点可以帮助我们推断钠通道的三维结构；,钠通道毒素可以阻断动作电位的产生，可以用来分离不同的离子电流,毒理学研究，当心吃入嘴中的东西。,4）,作用于钠通道的毒素,三、实际的动作电位,神经科学 Neuroscience,3，电压门控钠通道,局部麻醉剂,局部麻醉剂是能够暂时阻断轴突上动作电位的药物，被直接注射到需要局部感觉缺失的组织中。,利多卡因是现在最广泛应用的局麻药。它位于通道蛋白质的,IV,区中的,S6 alpha,螺旋区。,小轴突要求更多的电压门控钠通道参与，因此较细的轴突对局麻药更敏感，这在临床上非常有意义。,三、实际的动作电位,神经科学 Neuroscience,4，电压门控钾通道,1）在去极化时，钾通道开放比钠通道稍晚。,2）钾通道是由四个独立的多肽亚基组成，4个亚基聚合成一个通道；,3）对于钾通道的认识主要来源于Shaker钾通道，多种电压门控钾离子通道,三、实际的动作电位,神经科学 Neuroscience,5，小结：动作电位特征的形成原因：,阈值,(,threshold,):,足够多的钠通道的开放使钠离子通透性大于钾离子,上升相（,rising phase,),：,钠通道完全开放，钠离子迅速进入胞内,超射（,Overshoot,）：,趋向于钠平衡电位,下降相,(falling phase),：,钠通道失活，钾通道开放增加,回射（,后超级化，,undershoot,),：,接近于钾平衡电位,绝对不应期,(,absolute refractory period,),：,钠通道失活，不能被激活,相对不应期,(,relative refractory period,),：,超极化状态，接近于,Ek,，需要大的去极化,四、动作电位的传导,神经科学 Neuroscience,动作电位产生,动作电位传导,动作电位的传导速度是不相同的，10m/s是比较典型的速率。,四、动作电位的传导,神经科学 Neuroscience,影响传导速度的因素,轴突直径,v=,d,1/2,v(m/s,)=6d(um),有无髓鞘，髓鞘厚度,myelin,温度的高低,髓鞘和跳跃传导,朗飞氏结,五、动作电位、轴突和树突,神经科学 Neuroscience,动作电位产生部位：,轴丘(axon hillock)-锋电位起始区,感觉神经元：锋电位起始区靠近感觉神经末梢,一般轴丘上含有较多的电压门控钠通道。,五、动作电位、轴突和树突,神经科学 Neuroscience,动作电位的发放形式不同与神经元的离子通道种类和数量有关。,神经元选择性电行为,五、动作电位、轴突和树突,神经科学 Neuroscience,离子通道在神经元细胞上的分布的不同与动作电位传播有关：,1）树突：钙、钾、钠；电紧张电位,2）trigger zone：高密度钠通道，模拟,数字,3）轴突：钠通道,4）突触前：钙通道,