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第五章神经生理学 第一节神经细胞与突触 一、神经细胞 1、神经元 神经系统的功能单位是神经细胞,也称为神经元( neuron),即指一个神经细胞的胞体及其所有突起(轴突和树突)。 2.神经胶质细胞 神经组织的间质细胞是神经胶质细胞,其数量是神经元数量的10~50倍。神经胶质细胞与细胞间液共同构成神经元生存的微环境。 3.神经元亚细胞结构 神经元的胞体结构包括胞膜、胞核和核周质。核周质是维持和指导整个神经元代谢和功能活动的中心。胞突中代谢和功能活动所需要的蛋白质几乎都是在胞体内合成,再运送至胞突。 (1)胞膜的结构和功能:神经元的胞膜与所有细胞的细胞膜一样,同属生物膜;其具有高度分化的分子构成和多种独特的生理功能。跨膜的物质转运和能量转换、神经元对细胞外物质的识别与结合、神经元跨膜信息传递与代谢调控及神经冲动的发生和扩布等生理功能均与胞膜有关。神经元膜的主要功能之一是膜脂质双层具有选择的通透屏障,除允许非极性溶质不同程度渗透外,有机离子或无机离子与有机离子的螯合物,由于疏水性,也可经由脂质双层进出膜,而对无机离子来说则为屏障。小的溶质分子可经过蛋白质的介导出入细胞经蛋白质介导的神经元膜转运是神经元修饰自身内外环境的过程。膜转运机制选择性地控制着细胞内、外环境中的离子和其他物质浓度。神经元膜两侧浓度梯度由被动扩散和主动转运两种过程所维持,被动扩散是溶质分子由高浓度向低浓度区的净移动,而主动转运则为逆电化学差的耗能过程;神经元的原发主动转运系统主要是一种排Na+蓄K+的Na+K+泵,其排Na+蓄K+的过程需要ATP。 (2)轴突的结构与功能:轴突多由胞体的锥形隆起轴丘( axon hillock)发出,也可由主干树突的根部发出。在形态上是一个缺乏游离核蛋白体和粗面内质网的三角形或扇形区,富含神经细丝和微管。轴突的始段( initial segment)指由轴丘的顶端到开始有髓鞘包裹的一段。一般来说,神经元都有一根细长、表面光滑而均匀的轴突,它在途中很少分支,其分支常自主干呈直角发出,构成侧支( collateral branch)。轴突主干全长粗细基本一致,外被髓鞘,到末梢常分为纤维终末并失去髓鞘,与其他神经元的胞体、树突甚至轴突形成突触,或与效应细胞形成突触。 二、突触 1.定义 突触是实现这种神经元间或神经元与效应器间信息传递的功能性接触部位,这类信息传递需要动作电位来传导。突触由突触前成分、突触后成分及突触间隙3部分基本结构组成。 2.分类 根据结构和电生理的特点,突触可分为3种类型:①化学性突触;②电突触;③混合性突触。哺乳动物几乎所有的突触均为化学性突触,而电突触主要见于鱼类与两栖类。 两者的主要区别见表1-5-1。 3.基本结构 (1)电突触:电突触即为缝隙连接( gap Junction),电突触的直径在0.1~1um之间变化。突触前、后膜厚度基本相等。两膜的外单层膜被2~4nm的缝隙分开,其间具有很低的电阻抗。缝隙连接是细胞间电活动由一细胞直接传导到另一细胞的低电阻通路。缝隙连接使电信号在细胞间的传递速度快于大多数化学性突触。电突触通常可为细胞内游离Ca2+浓度、细胞内pH值、膜电压、钙调素或磷酸化作用等因素激活或调制。电突触多见于低等动物,在哺乳动物神经系统的某些区域(如下橄榄核、视网膜、前庭核和三叉神经中脑核)中也发现有些这种突触,其可能的意义在于使相邻的许多神经成分的活动同步化。 1)突触前成分:一个神经元轴突末梢首先分成许多小支,每个小支的末梢部分膨大成球状,组成突触前成分,包括神经元末梢特化产生的突触前膜及位于末梢内的线粒体、骨架成分及特征性存在有突触囊泡:①突触前膜:较一般神经元的胞膜稍厚。在前膜内侧附着一种呈斑点状并突向胞质的致密突起。②线粒体:突触前末梢内有许多线粒体存在,这些线粒体的功能为:产生ATP,供小泡沿微管滑至VAS,促使递质释放;摄取内流进入突触前成分的Ca2+。③突触小泡(突触囊泡):在突触前袋细胞质内有突触小泡,这常常是电镜下判断突触前成分的最重要的依据。一般认为,一种突触主要含一种形态的突触小泡,亦可同时含有几种突触小泡。 2)突触间隙:宽15~3 间隙内常可见糖蛋白和细丝等中度致密物质,这些物质将前后膜牢固联系起来 3)突触后成分:由突触后膜及位于突触后膜下的一些结构组成。突触后膜亦为神经元胞膜特化增厚形成。 (2)化学性突触:神经系统中最常见的,为最重要的信息传递方式。在结构上,以由轴突末梢形成的突触前成分和由神经元胞体或其树突分支形成的突触后成分,构成的轴-树突触和轴-体突触最常见。 (3)化学性突触分型:根据神经元的不同部位参与构成突触前后成分的不同,将突触分为:轴树、轴体、轴轴、树树、树体、树轴、体树、体体、体轴9种类型突触,其中前3种最为常见,其他类型少见。另外,同一个神经元的轴突与树突之间也可形成轴树型自身突触,或者个神经元的树突与其本身的分支形成树树型自身突触。常将突触分为兴奋性及抑制性两大类,其突触组成结构上的不同点见表1-5-2 4.神经递质的释放与调制 (1)递质释放过程:首先突触前末梢的去极化是诱发递质释放的关键因素。动作电位出现时,Na+内流造成突触前膜去极化,引起突触前膜中的电压门控性Ca2+通道开放;使一定量的细胞外Ca2+进入突触前膜。Ca2+内流的数量与当时膜的去极化大小程度成比例。这些进入前膜内的Ca2+不仅是一种电荷携带者,它本身还是一种起信使作用的物质。Ca2+触发囊泡向前膜靠近、融合以致出现胞裂外排,将所含的递质释放入突触间隙。递质扩散越过突触间隙直接作用于它的受体引起突触后电位反应或通过第二信使起作用。 (2)递质释放的调节:①递质释放激活突触前末梢的恢复机制,包括递质重摄取和膜的再生②释放过程受神经调质的调制,神经调质或直接作用于膜通道,或间接地通过第二信使发挥作用,它本身也可被自己释放的递质作用于自身受体所调制 (3)递质的量子释放理论:递质的释放是以胞裂外排的形式进行的,一个囊泡所含的递质的量,为递质释放的“最小包装”,一次神经冲动在突触前膜引发的递质释放的总量取决于参与递质释放的囊泡数目。
5)对内环境变化的敏感性:突触是具有低安全系数的区域,传递容易受到阻滞。如神经纤维在心跳停止后许多分钟,仍能继续传导冲动,但突触的传递作用早就消失了。所以缺氧、CO2增加或使用麻醉药物都能影响突触的传递功能。例如,患者脑循环暂时阻断3~5秒后,人即可失去意识。据报道,交感神经节的突触例外,它可以耐受缺O2而不致影响其传递功能。 6)对某些药物的敏感性:突触后膜的受体对递质有高度的选择性,因此,可以应用特异性的药物,阻碍或加强突触的传递功能。 (2)突触后电位:化学性突触传递在突触后将化学信息转换成电信号才能实现传递。递质和受体结合后,可直接作用于离子通道,也可以通过跨膜信号转导和第二信使间接影响离子通道的活动,产生突触后电位。突触后电位有两种主要类型:一种是去极化,使膜电位更靠近阈电位,并导致冲动发生,称兴奋性突触后电位(EPSP);另一种则是增加极化作用,即超极化,以维持膜电位使冲动不能发生,称抑制性突触后电位(IPSP)。脊髓a运动神经元与来自它所支配的肌肉的初级传入纤维形成兴奋性突触联系,与来自拮抗肌的初级传入纤维形成抑制性突触联系,此特点使之成为研究中枢突触效应的有用模型。 2.电突触的特性 由于其直接的连接性质,它们传递迅速,延搁极短(约100μs),能在两个方向通过电流或是选择性地只在一个方向增加电阻(整流作用)。电突触为几个神经元活动的同步化提供了一种手段。 3.突触传递的可塑性 化学性突触传递的一个显著特点是易受环境因素的影响,尤其是传递能力可受其已进行的传递活动的影响,称突触可塑性。尤其是传递能力可受其已进行的传递活动的影响，称突触可塑性。表现为: (1)突触易化:当突触前末梢接受一短刺激时,虽然每次刺激都引发递质释放产生突触后电位,但后来的刺激引发的突触后电位要比前面的刺激引发的为大,引发的递质释放量也多,此效应消失得很快,这种现象称为突触易化( synaptic facilitation)。 (2)突触强化:当突触前末梢接受连续强直刺激后,突触后电位可延续数秒或更长时间,在此期间来到的突触前末梢的刺激将引起较大突触后反应,称突触强化( synapse potentiation)。 (3)长时程强化:由于突触连续活动而产生的可以延续数小时乃至数月的该突触活动增强,称为长时程强化( (long-term potentiation)。 4.非突触信息传递 某些神经元之间的信息传递,并没有特定的突触形态基础,而当神经元接受到某种适当刺激时,可通过神经末梢上的曲张体( varicosity)将所含的神经活性物质释放到周围的细胞外液,再以扩散的方式到达邻近或远隔部位的靶细胞,与靶细胞特异性膜受体或胞浆受体相结合,对靶细胞的功能活动实现特异调节,由于这种化学传递不是通过经典的突触进行的,因此,称为非突触信息传递。神经信息传递的非突触方式是与突触传递方式相并行的另一种神经调节方式,为正常神经系统调节功能所必需。非突触性化学传递与突触性化学传递相比,有下列特点:①不存在突触前膜与后膜的特化结构;②不存在一对一的支配关系,一个曲张体能够影响较多的效应细胞;③神经活性物质释放部位与效应细胞间的距离至少在20nm以上,距离大的可达几十微米;④递质弥散的距离大,传递花费的时间可大于1秒;⑤递质弥散到效应细胞时,能否发生传递效应取决于效应细胞上有无相应的受体。 5.突触囊泡膜的再循环 突触囊泡与突触前膜融合,通过胞裂外排释放神经递质之后,必然要有一个囊泡膜的回收过程。否则突触前膜的面积将会由于囊泡膜的并入而不断增大,而突触活性区所含的囊泡数将逐渐减少。 第二节电生理学基础 一、细胞的生物电现象 1.生物电现象 神经在受到刺激时,在受刺激的部位产生了一个可传导的电变化,并且以一定的速度传向肌肉。 2.细胞的静息电位和动作电位 细胞水平的生物电现象主要有两种表现形式,这就是它们在安静时具有的静息电位和它们受到刺激时产生的动作电位。 (1)静息电位:细胞未受刺激时存在于细胞内外两侧的电位差。因为这一电位差是存在于安静细胞的表面膜两侧的,故称为跨膜静息电位,简称静息电位。静息电位表现为膜内较膜外为负;如规定膜外电位为0,则膜内电位大都在10~100mV之间。静息电位在大多数细胞是一种稳定的直流电位(一些有自律性的心肌细胞和胃肠平滑肌细胞例外),只要细胞未受到外来刺激而且保持正常的新陈代谢,静息电位就稳定在某一相对恒定的水平。人们常把静息电位存在时膜两侧所保持的内负外正状态称为膜的极化( polarization),是指不同极性电荷分别在膜两侧的积聚;当静息电位数值向膜内负值加大的方向变化时,称作膜的超级化( hyperpolarization);相反,如果膜内电位向负值减少的方向变化,称作去极化或除极( depolarization);细胞先发生去极化,然后再向正常安静时膜内所处的负值恢复,则称作复极化( repolarization)。 (2)动作电位:当神经纤维在安静状况下受到一次短促的阈刺激或阈上刺激时,膜内原来存在的负电位将迅速消失,并且进而变成正电位,即膜内电位在短时间内可由原来的-90～－70mV变到+20~+40mV的水平,由原来的内负外正变为内正外负。这样,整个膜内外电位变化的幅度应是90~130mV,这构成了动作电位变化曲线的上升支;但是,由刺激所引4起的这种膜内外电位的倒转只是暂时的,很快就出现膜内电位的下降,由正值的减小发展到膜内出现刺激前原有的负电位状态,这构成了动作电位曲线的下降支。由此可见,动作电位实际上是膜受刺激后在原有的静息电位基础上发生的一次膜两侧电位的快速而可逆的倒转和复原;在神经纤维,它一般在0.5~2.0ms的时间内完成,这使它在描记的图形上表现为一次短促而尖锐的脉冲样变化,因而学者们常把这种构成动作电位主要部分的脉冲样变化,称为锋电位。在锋电位下降支最后恢复到静息电位水平以前,膜两侧电位还要经历一些微小而较缓慢的波动,称为后电位,一般是先有一段持续5~30ms的负后电位,再出现一段延续更长的正后电位锋电位存在的时期就相当于绝对不应期,这时细胞对新的刺激不能产生新的兴奋;负后电位出现时,细胞大约正处于相对不应期和超常期,正后电位则相当于低常期。动作电位或锋电位的产生是细胞兴奋的标志,它只在刺激满足一定条件或在特定条件下刺激强度达到阈值时才能产生。但单一神经或肌细胞动作电位产生的一个特点是,只要刺激达到了阈强度,再增加刺激并不能使动作电位的幅度有所增大;也就是说,锋电位可能因刺激过弱而不出现,但在刺激达到阈值以后,它就始终保持它某种固有的大小和波形。另外,动作电位不是只出现在受刺激的局部,它在受刺激部位产生后,还可沿着细胞膜向周围传播,而且传播的范围和距离并不因原初刺激的强弱而有所不同,直至整个细胞的膜都依次兴奋并产生一次同样大小和形式的动作电位。 (3)“全或无”现象:神经受刺激部位和记录部位之间有一段距离;但无论记录电极在一神经纤维上如何移动,一般都能记录到同样大小和波形的锋电位,所不同的只是刺激伪迹和锋电位之间的间隔有所变化,这显然与动作电位在神经纤维上“传导”到记录电极所在部位时所消耗的时间长短有关。这种在同一细胞上动作电位大小不随刺激强度和传导距离而改变的现象,称作“全或无”现象。 3.生物电现象的产生机制 细胞生物电现象的各种表现,主要是由于某些带电离子在细胞膜两侧的不均衡分布,以及膜在不同情况下对这些离子的通透性发生改变所造成的。 (1)静息电位和K+平衡电位:已知所有正常生物细胞内的K+浓度超过细胞外K+浓度很多,而细胞外Na+浓度超过细胞内Na+浓度很多,这是Na+泵活动的结果;在这种情况下,K+必然会有一个向膜外扩散的趋势,而Na+有一个向膜内扩散趋势。假定膜在安静状态下只对K+有通透的可能,那么只能有K+移出膜外,这时又由于膜内带负电荷的蛋白质大分子不能随之移出细胞,于是随着K+移出,出现膜内变负而膜外变得较正的状态。K+的这种外向扩散并不能无限制地进行,这是因为移到膜外的K+所造成的外正内负的电场力,将对K的继续外移起阻碍作用,而且K+移出的愈多,这种阻碍也会愈大。因此,设想当促使K+外移的膜两侧K+浓度势能差同已移出K+造成的阻碍K+外移的电势能差相等,亦即膜两侧的电化学(浓度)势代数和为零时,将不会再有K+的跨膜净移动,而由已移出的K+形成的膜内外电位差,也稳定在某一不再增大的数值。这一稳定的电位差在类似的人工膜物理模型中称为K+平衡电位。 Bernstein用这一原理说明细胞跨膜静息电位的产生机制。不难理解,K+平衡电位所能达到的数值,是由膜两侧原初存在K浓度差的大小决定的。 (2)锋电位和Na+平衡电位:膜在受到刺激时可能出现了膜对Na+通透性的突然增大,超过了K+的通透性,由于细胞外高Na+,而且膜内静息时原已维持着的负电位也对Na+的内流起吸引作用,于是Na+迅速内流,结果先是造成膜内负电位的迅速消失;而且由于膜外Na+的较高的浓度势能,Na+在膜内负电位减小到零电位时仍可继续内移,直至内移的Na在膜内形成的正电位足以阻止Na+的净移入时为止。但是膜内电位停留在ENa水平的时间极短;随后很快出现膜内电位向静息时的状态恢复,亦即出现复极,造成了锋电位曲线的快速下降支实验证明,下降支的出现是由于Na+通透性的消失,并伴随出现了K+通透性的增大。细胞每 兴奋一次或产生一次动作电位,总有一部分Na在去极化时进入膜内,一部分K+在复极化时逸出膜外,但由于离子移动受到各该离子的平衡电位的限制,它们的实际进出量是很小的。 二、兴奋和传导机制 1.阈电位和锋电位的引起 膜内负电位必须去极化到某一临界值时,才能在整段膜引发次动作电位,这个临界值大约比正常静息电位的绝对值小10~20mV,称为阈电位。例如巨大神经轴突的静息电位为70mV,它的阈电位约为55mV。这不是由于小于阈电位的去极化不引起GNa的增加,实际情况是这时也有一定数目的Na通道开放,但由于膜对K+的通透性仍大于Na+,因而少量的Na+内流及其对膜内电位的影响随即被K+的外流所抵消,因而去极化不能继续发展下去,不能形成动作电位。只有当外来刺激引起的去极化达到阈电位水平时,由于较多量Na通道的开放造成了膜内电位较大的去极化,而此去极化已不再能被K外流所抵消,因而能进一步加大膜中Na+通道开放的几率,结果又使更多Na+内流增加而造成膜内进一步的去极化,如此反复促进,就形成一种正反馈的过程,称为再生性循环,其结果使膜内去极化迅速发展,形成动作电位陡峭的升支,直至膜内电位上升到近于Na+平衡电位的水平。由此可见,阈电位不是单一通道的属性,而是在一段膜上能使Na+通道开放的数目足以引起上面描述的再生性循环出现的膜内去极化的临界水平。由此也不难理解,只要刺激大于能引起再生性循环的水平,膜内去极化速度就不再决定于原刺激的大小;整个动作电位上升支的幅度也只决定于原来静息电位的值和膜内外的Na+浓度差,而与引起此次动作电位的刺激大小无关。此即动作电位所以能表现“全或无”现象的机制。阈电位是用膜本身去极化的临界值来描述动作电位的产生条件。所谓阈强度,是作用于标本时能使膜的静息电位去极化到阈电位的外加刺激的强度;这就是阈强度和阈电位在概念上的区别。 2.局部兴奋及其特性 一个阈下刺激会对可兴奋细胞产生何种影响?如果在巨大神经轴突放置一对刺激电极,但其中一个电极穿入膜内,再在附近放置一个作膜内电反应记录的记录电极。假定先把膜内的刺激！ |
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