神經(jīng)元的電活動

1、會計學1神經(jīng)元的電活動神經(jīng)元的電活動1. 膜的化學特性2. 膜上的離子流動3. 靜息膜電位產(chǎn)生的離子基礎神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience 神經(jīng)系統(tǒng)信號的傳遞都通過電或者化學信號，其中電信號對于信息的快速及長距離傳播具有重要意義。 所有的電信號（受體電位、突觸電位、動作電位）都是通過膜兩側的離子濃度變化來實現(xiàn)的，離子進入或者流出細胞導致細胞偏離其靜息狀態(tài)。 能夠產(chǎn)生和傳導興奮的細胞具有可興奮性膜可興奮性膜（excitable mem

2、brane）, 其在靜息狀態(tài)下細胞膜內(nèi)外具有的電勢差稱之為靜息膜電位。神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience1，膜兩邊的鹽溶液細胞質和細胞外液水和離子Cation: K+,Na+, Ca2+Anion: Cl-神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience2，磷脂膜神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience3，跨膜蛋白質p 酶p 受體p 離子泵p 離子通道 離子選擇性（ion selectivity） 門控特性 (gate)神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience離子移動所需的外力：1、濃度梯度擴

3、散 Diffusion a. 膜兩側具有濃度梯度 b. 膜上具有離子通道神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience離子移動所需的外力：2、電場作用 Electricity a. 膜上具有離子通道 b. 膜兩側具有電勢差 IgVI，電流；g，電導；V，電壓。神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience1、靜息膜電位： Vm 在任何狀態(tài)下跨神經(jīng)元膜的電壓稱為膜電位。典型的神經(jīng)元的靜息膜電位大約為 -65mV。 靜息膜電位的測量方法神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience2、離子平衡電位 Eion平衡某種離子濃度梯度的電位差，簡

4、稱為平衡電位，是針對某種特定離子的電位，Eion。a、當膜不能通透離子時，雖然有濃度差，但沒有離子的流動，故膜電位為零，Vm=0。b、膜上有鉀離子通道時，鉀離子可以順濃度梯度流出到胞外，則胞內(nèi)會有過多的A-，而細胞外就會積聚過多的正電荷K+，則會出現(xiàn)跨膜電位。 c、隨著胞內(nèi)越來越多的負電荷積聚，負電荷就會吸引帶正電的鉀離子返回胞內(nèi)。當達到一定的電位差后，吸引K回胞內(nèi)的電勢與擴散力剛好相等，但方向相反，就會達到平衡狀態(tài)。字母大小代表濃度高低神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience2、離子平衡電位 Eiona，膜電位的巨大改變是由離子濃度的小變化引起的b，凈電荷差發(fā)生在膜

5、的內(nèi)和外表面c，離子被驅動跨膜運動的速率與膜電位和平衡電位之差成正比；（Vm-Eion）被稱為離子驅動力d，如果已知某一離子的跨膜濃度差，可以計算其平衡電位跨膜電荷分布神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience計算離子平衡電位的Nernst 方程 如果膜兩側存在濃度梯度，且膜只對某種離子通透，則可以得到穩(wěn)態(tài)電位。可以根據(jù)Nernst 方程計算其平衡電位： Eion= RT/zF lniono/ioniR 氣體常數(shù)，T 絕對溫度，z離子電荷，F(xiàn)法拉第常數(shù)，ion 內(nèi)外膜離子濃度神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience3、離子的跨膜分布鉀離子膜內(nèi)多

6、，鈉鈣氯離子膜外多神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience3、離子的跨膜分布離子濃度梯度的建立是因為離子泵的作用。1) Na- K pump， 將鉀離子泵進胞內(nèi)，鈉離子泵出胞外。2) Calcium pump，將鈣離子泵出到胞外，此外內(nèi)質網(wǎng)、線粒體、鈣結合蛋白等也可以降低胞內(nèi)鈣離子濃度。神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience4、膜在靜息狀態(tài)下離子的相對通透性 神經(jīng)元在靜息時，對離子具有選擇通透性，假如僅對一種離子通透： K+， 則Vm= Ek+ =-80mV Na+, 則Vm= ENa+=62mV 實際上Vm 65mV，介于EK和ENa之間

7、。 對鉀離子的通透遠遠大于對鈉離子的通透性。神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience4、膜在靜息狀態(tài)下離子的相對通透性C、去極化使鉀離子平衡狀態(tài)被打破，鉀離子濃度梯度大于電場作用力，使鉀離子流出，與流入的鈉電流方向相反，最終達到平衡。此為新的靜息膜電位。B、膜上有少部分鈉通道開放，鈉離子在濃度梯度和電場作用下進入細胞膜內(nèi)部，細胞開始去極化。A、只對鉀離子通透，Vm=Ek神經(jīng)元靜息膜電位的形成神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience4、膜在靜息狀態(tài)下離子的相對通透性 000lnClPNaPKPClPNaPKPFRTECliNaiKiClNaK當

8、膜電位受幾種離子影響的時候，每一種離子對膜電位的影響不僅取決于膜內(nèi)外的離子濃度，而且也取決于該離子對膜的通透性(permeability, P)。G-H-K Equation:方程表明：離子濃度越大，通透能力越強，其在維持靜息膜電位中就具有更大的作用。*Goldman-Hodgkin-Katz神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience4、膜在靜息狀態(tài)下離子的相對通透性如果某一種離子的通透性遠遠大于其它離子，Goldman方程等同于Nernst 方程 。如膠質細胞中PKPCl, PNa.Alan Hodgkin, Bernard Katz 測定了幾種離子在靜息電位的通透能

9、力 ：PK：PNa：PCl1.0 : 0.04 : 0.45在動作電位峰值，其通透性為：PK：PNa：PCl1.0 : 20 : 0.45神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience5、調控細胞外鉀離子濃度的重要性靜息膜電位受胞外鉀離子濃度影響l因為神經(jīng)元膜在靜息狀態(tài)下對鉀離子有更高的通透性，使得靜息膜電位接近于鉀離子平衡電位l膜電位對胞外鉀離子濃度變化特別敏感。l提高胞外鉀離子濃度可以使膜電位去極化。神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience5、調控細胞外鉀離子濃度的重要性1） 胞外鉀離子濃度升高將造成細胞去極化，細胞興奮；2） 血腦屏障限制鉀離

10、子進入腦部胞外液；3） 星形膠質細胞具有空間緩沖胞外鉀離子的作用；4） 其它可興奮細胞沒有這種保護機制，則鉀離子濃度升高可導致心臟停止跳動。神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience5、調控細胞外鉀離子濃度的重要性星形膠質細胞調節(jié)胞外鉀離子濃度的機理：鉀離子立體緩沖 (Potassium spatial buffering)當胞外鉀離子濃度升高時，鉀離子進入星形膠質細胞，導致膠質細胞去極化。鉀離子的進入增加胞內(nèi)鉀離子濃度，繼而被延伸的星星膠質細胞突起的網(wǎng)絡系統(tǒng)分散到一個很大的區(qū)域。神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience5、調控細胞外鉀離子濃度

11、的重要性Jack KevorkianDr. Death 致死注射：1990年4月，Jack Kevorkian幫助了患有AD的54歲的Janet Adkins結束她的生命。Adkins夫人首先滴注了一種含有麻醉劑的溶液，然后自動轉換為氯化鉀溶液。麻醉劑可以使Adkins夫人喪失知覺。心臟停止跳動以及死亡是由于氯化鉀注射導致的?？膳d奮細胞（包括心肌）的功能需要細胞膜在不產(chǎn)生動作電位是維持在靜息膜電位水平。由于胞外鉀離子濃度大量升高，細胞去極化，沒有負的靜息膜電位，心肌細胞不再能夠產(chǎn)生導致收縮的沖動，心臟就立刻停止了跳動。神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience6、離子通

12、道定義： 可以傳導離子； 識別和選擇性傳導離子； 對特定的電、化學和機械信號作出反應而開放或者關閉通道 可被一些藥物和毒素等阻斷； 離子通道的功能失調可導致疾病的發(fā)生；神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience6、離子通道結構： 離子通道是由插入膜中形成孔洞的蛋白質組成，由兩個或者多個相同或者不同的亞基組成的，某些通道還有調節(jié)其功能的附屬亞基。 根據(jù)相似的氨基酸序列和跨膜結構，離子通道被分為以下三類：配體門控通道(Ligand-gated)、縫隙連接通道(Gap-junction)、電壓門控通道(Voltage-gated)。 離子通道的結構功能可以通過Patch Cl

13、amp、Gene cloning、X-ray crystallography、NMR、EPR等方法研究。神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience7、多姿多彩的鉀離子通道Shaker 鉀通道鉀通道的選擇性通透是決定靜息膜電位的重要因素，其選擇性的分子基礎主要是在通道內(nèi)氨基酸殘基的排列。鉀通道由四個亞單位所組成。Pore loop去作為選擇性濾器使得通道對鉀離子有最高的通透性。該區(qū)域一個氨基酸的突變就能嚴重破壞神經(jīng)元功能。神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience7、多姿多彩的鉀離子通道Lily Jan & Yuh Nung Jan果蠅中有

14、一種突變體Shaker，對乙醚的反應是晃動腿、翅膀和腹部。電生理研究揭示Shaker突變體的鉀通道功能異常。利用分子生物學技術，Jan等人繪出了Shaker體內(nèi)突變的基因。這個Shaker基因編碼一種鉀通道。神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience7、多姿多彩的鉀離子通道鉀通道可分為以下幾種：1、IK，delayed rectifier, 延時整流鉀通道， 慢激活2、IA，A-type, 瞬時鉀電流，快激活，快失活3、Ica，Calcium activated，鈣激活鉀電流，去極化+鈣4、Iir，inward-retifier, 內(nèi)向整流，超極化激活5. IM，M-t

15、ype channel, 小的去極化激活，Ach 失活。神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience7、多姿多彩的鉀離子通道鉀通道孔道俯視圖中間紅球為K+神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience7、多姿多彩的鉀離子通道三種鉀離子通道電壓門控內(nèi)向整流Two pore domain神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience7、多姿多彩的鉀離子通道內(nèi)向整流鉀通道的X-ray衍射結構1. 動作電位特性2. 理論上的動作電位3. 實際中的動作電位4. 動作電位的傳導5. 動作電位、軸突和樹突神經(jīng)科學神經(jīng)科學 Neuroscience

16、Neuroscience神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience1，動作電位的上升相和下降相示波器記錄及動作電位的上升和下降相上升相 rising phase超射overshoot下降相 falling phase回射undershootNa+內(nèi)流引起去極化K+外流引起復極化神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience2，動作電位的記錄方法胞內(nèi)記錄 (Intracellular recording)胞外記錄 (Extracellular recording)復合動作電位記錄 (Compound AP recording)神經(jīng)科學神經(jīng)科學 Neur

17、oscienceNeuroscience3，單個或多個動作電位的產(chǎn)生 不同的神經(jīng)元，去極化以不同的形式引發(fā)動作電位：皮膚受刺激，通過牽張敏感的 (stretch)鈉離子通道；神經(jīng)遞質引起的鈉通道開放，如中間神經(jīng)元；胞內(nèi)注射電流也可以產(chǎn)生動作電位。“閾值”神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience3，單個或多個動作電位的產(chǎn)生動作電位發(fā)放頻率依賴于去極化電流的強度，即刺激強度被編碼為神經(jīng)沖動頻率。發(fā)放動作電位的速率是有上限的，最大發(fā)放頻率大約為1000Hz。神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience1，膜電流和膜電導a) 鈉、鉀通道關閉Vm=0b)

18、僅鉀通道開放通道開放，有電導，驅動力為Vm-Ekc) 平衡狀態(tài)Vm=Ek驅動力(Vm-EK)，電流，電導三者之間關系：IK = gK(Vm-EK) Iion = gion(Vm-Eion)神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience2，動作電位過程中離子的進出動作電位可以看做是離子通道的通透性轉變導致膜電位的翻轉靜息狀態(tài)下，鈉離子具有很大的驅動力Vm-ENa=-80 -62=-142mV。膜對離子的通透性由鉀離子變?yōu)殁c離子，膜電位可以在極短的時間內(nèi)逆轉。神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience1，電壓鉗方法1963 Nobel Prizel要驗證

19、理論上的動作電位，可以通過測定在動作電位的不同時期各離子的電導，以期確定鉀鈉離子及其通道在動作電位產(chǎn)生過程中的作用。l測電導的工具，電壓鉗，就是將膜電位鉗制在某一預設數(shù)值的裝置，由Kenneth C. Cole發(fā)明。l50年代，Hodgkin & Huxley 用電壓鉗方法把神經(jīng)元軸突膜電位鉗制在任意數(shù)值，然后通過測量在不同膜電位時流過膜的電流來推測膜電導變化。g= I/VAlan HodgkinAndrew Huxley神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience2，膜片鉗方法Erwin NeherBert Sakmann1991 Nobel Prize神經(jīng)科學

20、神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience3，電壓門控鈉通道通道選擇性地對鈉離子開放，且通道的開放與關閉與膜電位的變化有關。1） 鈉通道結構 一個完整的鈉通道是由一條多肽長鏈組成。除了這個多肽長鏈組成的單位以外，還有兩個亞單位(1,2）起修飾作用。多肽長鏈由四個結構域(I-IV)組成，每個結構域含6個跨膜alpha螺旋(S1-S6)。III-IV之間可能調節(jié)失活。S4片段上有電壓感受器；S5-S6組成通道選擇性濾過器。TTX作用位點神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience3，電壓門控鈉通道2） 鈉通道開放模式圖S4段含有正電荷(每隔兩個氨基酸殘基就有一

21、個帶正電荷的賴氨酸或者精氨酸)，當膜電位發(fā)生變化的時候，S4片段便會被迫發(fā)生移動，這種構像變化可以引起鈉通道開放。神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience3，電壓門控鈉通道3） 鈉通道的功能特性 開放延時很短暫； 開放時間約1ms后失活(inactivation)； 失活后繼續(xù)去極化不能使鈉通道再開放； 只有當膜電位復極化到閾值附近時，通道才能被去極化再次打開。神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience3，電壓門控鈉通道4） 作用于鈉通道的毒素a. 活化阻斷劑（阻斷鈉電流）河豚毒素(Tetrodotoxin, TTX), 特點： 作用迅速， 可

22、逆 石房蛤毒素(Saxitoxin, STX), 赤潮中的旋溝藻，專用于對TTX不敏感的鈉通道。在蛤蜊、蚌類及其它海洋殼類動物中常常會因為以原生藻類為食而積聚STX，食用會致命。b. 失活化阻斷劑（延長動作電位）?？舅?Sea anemone venom), 使開放的鈉通道不能立即關閉，繼續(xù)開放下去，從而使Na離子繼續(xù)內(nèi)流，峰值時間延長，形成平臺。蝎毒素(Scorpion toxin), 阻止鈉通道失活化，動作電位延長。c. 鈉通道激動劑（異常開放） 箭毒(Batrachotoxin),哥倫比亞產(chǎn)小蛙皮膚分泌物提取物。使鈉通道在更負的水平上開放，開放時間長于正常開放時間。 百合科藜蘆定（ve

23、ratridine)或者毛茛科烏頭堿(aconitine)與箭毒作用類似。神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience3，電壓門控鈉通道d. 毒素的作用特點及功能 不同的毒素結合于通道蛋白的不同位點，故不同的毒素結合位點可以幫助我們推斷鈉通道的三維結構； 鈉通道毒素可以阻斷動作電位的產(chǎn)生，可以用來分離不同的離子電流 毒理學研究，當心吃入嘴中的東西。4） 作用于鈉通道的毒素神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience3，電壓門控鈉通道局部麻醉劑 局部麻醉劑是能夠暫時阻斷軸突上動作電位的藥物，被直接注射到需要局部感覺缺失的組織中。 利多卡因是現(xiàn)在最廣泛應

24、用的局麻藥。它位于通道蛋白質的IV區(qū)中的S6 alpha螺旋區(qū)。 小軸突要求更多的電壓門控鈉通道參與，因此較細的軸突對局麻藥更敏感，這在臨床上非常有意義。神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience4，電壓門控鉀通道1）在去極化時，鉀通道開放比鈉通道稍晚。2）鉀通道是由四個獨立的多肽亞基組成，4個亞基聚合成一個通道；3）對于鉀通道的認識主要來源于Shaker鉀通道，多種電壓門控鉀離子通道神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience5，小結：動作電位特征的形成原因：閾值(threshold): 足夠多的鈉通道的開放使鈉離子通透性大于鉀離子上升相（ris

25、ing phase)：鈉通道完全開放，鈉離子迅速進入胞內(nèi)超射（Overshoot）：趨向于鈉平衡電位下降相(falling phase)：鈉通道失活，鉀通道開放增加回射（后超級化，undershoot)：接近于鉀平衡電位 絕對不應期(absolute refractory period)：鈉通道失活，不能被激活 相對不應期(relative refractory period)：超極化狀態(tài)，接近于Ek，需要大的去極化神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience動作電位產(chǎn)生動作電位傳導動作電位的傳導速度是不相同的，10m/s是比較典型的速率。神經(jīng)科學神經(jīng)科學 Neurosc

26、ienceNeuroscience影響傳導速度的因素p 軸突直徑 v= d1/2 v(m/s)=6d(um)p 有無髓鞘，髓鞘厚度 myelinp 溫度的高低髓鞘和跳躍傳導朗飛氏結神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience動作電位產(chǎn)生部位：軸丘(axon hillock)- 鋒電位起始區(qū)感覺神經(jīng)元：鋒電位起始區(qū)靠近感覺神經(jīng)末梢一般軸丘上含有較多的電壓門控鈉通道。神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience動作電位的發(fā)放形式不同與神經(jīng)元的離子通道種類和數(shù)量有關。神經(jīng)元選擇性電行為神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience離子通

27、道在神經(jīng)元細胞上的分布的不同與動作電位傳播有關：1）樹突：鈣、鉀、鈉；電緊張電位2）trigger zone：高密度鈉通道，模擬 數(shù)字3）軸突：鈉通道4）突觸前：鈣通道神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience離子移動所需的外力：1、濃度梯度擴散 Diffusion a. 膜兩側具有濃度梯度 b. 膜上具有離子通道神經(jīng)科學神經(jīng)科學 NeuroscienceNeuroscience3、離子的跨膜分布離子濃度梯度的建立是因為離子泵的作用。1) Na- K pump， 將鉀離子泵進胞內(nèi)，鈉離子泵出胞外。2) Calcium pump，將鈣離子泵出到胞外，此外內(nèi)質網(wǎng)、線粒體、鈣結合蛋白等也可以降低胞內(nèi)鈣離子濃度。神經(jīng)科學神經(jīng)科學 Neur