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,亦称为神经元(),即指一个神经细胞的胞体及其所有凸起(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,其数目是神经元数目的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须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奇特的生理功能。跨膜的物质转运和能量转换、神经元对细胞外物质的辨识与结合、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类单层具有选择的通透屏障,除容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,因为疏水性,也可经由脂类单层进出膜,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入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含量。神经元膜右侧含量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含量向低含量区的净联通,而主动转运则为逆电物理差的耗能过程;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+的过程须要ATP。
(2)轴突的结构与功能:轴突多由胞体的锥形凸起轴丘(axon)发出,也可由主干树突的内侧发出。在形态上是一个缺少游离核蛋白体和粗面核糖的三角形或扇形区,含有神经细丝和微管。轴突的始段()指由轴丘的顶端到开始有髓鞘包裹的一段。通常来说,神经元都有一根修长、表面光滑而均匀的轴突,它在途中极少分支,其分支常自主干呈直角发出,构成侧支()。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丧失髓鞘,与其他神经元的胞体、树突甚至轴突产生突触,或与效应细胞产生突触。
二、突触
1.定义突触是实现这些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,这类信息传递须要动作电位来传导。突触由突触前成份、突触后成份及突触间隙3部份基本结构组成。
2.分类按照结构和电生理的特性,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。喂奶植物几乎所有的突触均为物理性突触,而电突触主要见于鸟类与两栖类。
二者的主要区别见表1-5-1。
3.基本结构
(1)电突触:电突触即为空隙联接(gap),电突触的半径在0.1~1um之间变化。突触前、后膜长度基本相等。两膜的外双层膜被2~4nm的空隙分开,其间具有很低的电阻抗。空隙联接是细胞间电活动由一细胞直接传导到另一细胞的低阻值通路。空隙联接使联通号在细胞间的传递速率快于大多数物理性突触。电突触一般可为细胞内游离Ca2+含量、细胞内pH值、膜电流、钙调素或乙酸化作用等诱因激活或调制。电突触多见于低等植物,在喂奶植物神经系统的个别区域(如下橄榄核、视网膜、前庭核和三叉神经中脑核)中也发觉有些这些突触,其可能的意义在于使相邻的许多神经成份的活动同步化。
1)突触前成份:一个神经元轴突末梢首先分成许多小支,每位小支的末梢部份坐果成球形,组成突触前成份,包括神经元末梢特化形成的突触前膜及坐落末梢内的线粒体、骨架成份及特点性存在有突触囊泡:①突触前膜:较通常神经元的胞膜稍厚。在前膜外侧附着一种呈黑斑状并突向胞质的致密凸起。②线粒体:突触前末梢内有许多线粒体存在,这种线粒体的功能为:形成ATP,供水泡沿微管滑至VAS,使得递质释放;摄入内流步入突触前成份的Ca2+。③突触水泡(突触囊泡):在突触前袋细胞质内有突触水泡,这往往是电镜下判定突触前成份的最重要的根据。通常觉得,一种突触主要含一种形态的突触水泡,亦可同时富含几种突触水泡。
2)突触间隙:宽15~3间隙内常可见糖蛋白和细丝等轻度致密物质,这种物质将前后膜牢靠联系上去
3)突触后成份:由突触后膜及坐落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产生。
(2)物理性突触:神经系统中最常见的,为最重要的信息传递方法。在结构上,以由轴突末梢产生的突触前成份和由神经元胞体或其树突分支产生的突触后成份,构成的轴-树突触和轴-体突触最常见。
(3)物理性突触分型:按照神经元的不同部位参与构成突触前后成份的不同,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,其他类型稀少。另外,同一个神经元的轴突与树突之间也可产生轴树型自身突触,或则个神经元的树突与其本身的分支产生树树型自身突触。常将突触分为激动性及抑制性两大类,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诱因。动作电位出现时,Na+内流导致突触前膜去极化,导致突触前膜中的电流门控性Ca2+通道开放;使一定量的细胞外Ca2+步入突触前膜。Ca2+内流的数目与当时膜的去极化大小程度成比列。这种步入前膜内的Ca2+除了是一种电荷携带者,它本身还是一种起信使作用的物质。Ca2+触发囊泡往前膜紧靠、融合因而出现胞裂外排,将所含的递质释放入突触间隙。递质扩散跨过突触间隙直接作用于它的受体引发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,包括递质重摄入和膜的再生②释放过程受神经回火的调制,神经淬火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方式进行的,一个囊泡所含的递质的量,为递质释放的“最大包装”,一次神经冲动在突触前膜引起的递质释放的总数取决于参与递质释放的囊泡数量。
EPSP加强,进而达到突触后神经元领取冲动的水平,这就是空间上的总和。时间总和与空间总和在自然剌激中常常是结合在一起的。
5)对内环境变化的敏感性:突触是具有低安全系数的区域,传递容易遭到阻滞。如神经纤维在脉搏停止后许多分钟,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降低或使用麻醉抗生素都能影响突触的传递功能。诸如,病人脑循环暂时阻断3~5秒后,人即可丧失意识。据报导,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)对个别抗生素的敏感性:突触后膜的受体对递质有高度的选择性,因而,可以应用特异性的抗生素,制约或强化突触的传递功能。
(2)突触后电位:物理性突触传递在突触后将物理信息转换成联通号能够实现传递。递质和受体结合后,可直接作用于离子通道,也可以通过跨膜讯号转导和第二信使间接影响离子通道的活动,形成突触后电位。突触后电位有两种主要类型:一种是去极化,使膜电位更紧靠阈电位,并造成冲动发生,称激动性突触后电位(EPSP);另一种则是降低极化作用,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)。脑干a运动神经元与来自它所支配的胸肌的中级传入纤维产生激动性突触联系,与来自拮抗肌的中级传入纤维产生抑制性突触联系,此特性使之成为研究中枢突触效应的有用模型。
2.电突触的特点因为其直接的联接性质,它们传递迅速,延搁极短(约100μs),能在两个方向通过电压或是选择性地只在一个方向降低内阻(检波作用)。电突触为几个神经元活动的同步化提供了一种手段。
3.突触传递的可塑性物理性突触传递的一个明显特征是易受环境诱因的影响,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剌激时,尽管每次剌激都引起递质释放形成突触后电位,但后来的剌激引起的突触后电位要比上面的剌激引起的为大,引起的递质释放量也多,此效应消失得很快,这些现象称为突触易化()。
(2)突触加强:当突触前末梢接受连续强直剌激后,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剌激将导致较大突触后反应,称突触加强()。
(3)长时程加强:因为突触连续活动而形成的可以延续数小时乃至数月的该突触活动提高,称为长时程加强((long-term)。
4.非突触信息传递个别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剌激时,可通过神经末梢上的曲张体()将所含的神经活性物质释放到周围的细胞外液,再以扩散的形式抵达毗邻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,因为这些物理传递不是通过精典的突触进行的,因而,称为非突触信息传递。神经信息传递的非突触方法是与突触传递方法相并行的另一种神经调节方法,为正常神经系统调节功能所必需。非突触性物理传递与突触性物理传递相比,有下述特征: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,一个曲张体才能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起码在20nm以上,距离大的可达几十微米;④递质弥散的距离大,传递耗费的时间可小于一秒;⑤递质弥散到效应细胞时,能够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以后,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因为囊泡膜的划归而不断减小,而突触活性区所含的囊泡数将逐步降低。
第二省电生理学基础
一、细胞的生物电现象
1.生物电现象神经在遭到剌激时,在受剌激的部位形成了一个可传导的电变化,但是以一定的速率传向胸肌。
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方式,这就是它们在安静时具有的静息电位和它们遭到剌激时形成的动作电位。
(1)静息电位:细胞未受剌激时存在于细胞内外两边的电位差。由于这一电位差是存在于安静细胞的表鼻贴两边的,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肠道平滑肌细胞例外),只要细胞未遭到外来剌激并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右侧所保持的内负外正状态称为膜的极化(),是指不同极性电荷分别在膜右侧的蓄积;当静息电位数值向膜内负值加强的方向变化时,也称膜的超级化();相反,倘若膜内电位向负值减小的方向变化,也称去极化或除极();细胞先发生去极化,之后再向正常安静时膜内所处的负值恢复,则叫做复极化()。
(2)动作电位:当神经纤维在安静状况下遭到一次短促的阈剌激或阈上剌激时,膜内原先存在的负电位将迅速消失,但是因而弄成正电位,即膜内电位在短时间内可由原先的-90～－70mV变到+20~+40mV的水平,由原先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;并且,由剌激所引4起的这些膜内外电位的倒转只是暂时的,很快就出现膜内电位的增长,由正值的降低发展到膜内出现剌激前原有的负电位状态,这构成了动作电位曲线的增长支。由此可见,动作电位实际上是膜受剌激后在原有的静息电位基础上发生的一次膜右侧电位的快速而可逆的倒转和复原;在神经纤维,它通常在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,因此学者们常把这些构成动作电位主要部份的脉冲样变化,称为锋电位。在锋电位升高支最后恢复到静息电位水平曾经,膜右侧电位还要经历一些微小而较平缓的波动,称为后电位,通常是先有一段持续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,这时细胞对新的剌激不能形成新的激动;负后电位出现时,细胞大概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形成是细胞激动的标志,它只在剌激满足一定条件或在特定条件下剌激硬度达到阀值时才会形成。但单一神经或肌细胞动作电位形成的一个特征是,只要剌激达到了阈硬度,再降低剌激并不能使动作电位的幅度有所减小;也就是说,锋电位可能因剌激过弱而不出现,但在剌激达到阀值之后,它就一直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剌激的局部,它在受剌激部位形成后,还可顺着细胞膜向周围传播,并且传播的范围和距离并不因原初剌激的强弱而有所不同,直到整个细胞的膜都依次激动并形成一次同样大小和方式的动作电位。
(3)“全或无”现象:神经受剌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怎么联通,通常都能记录到同样大小和波形的锋电位,所不同的只是剌激伪迹和锋电位之间的间隔有所变化,这似乎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。这些在同一细胞上动作电位大小不随剌激硬度和传导距离而改变的现象,也称“全或无”现象。
3.生物电现象的形成机制细胞生物电现象的各类表现,主要是因为个别带电离子在细胞膜外侧的不均衡分布,以及膜在不怜悯况下对那些离子的私密性发生改变所引起的。
(1)静息电位和K+平衡电位:已知所有正常生物细胞内的K+含量超过细胞外K+含量好多,而细胞外Na+含量超过细胞内Na+含量好多,这是Na+泵活动的结果;在这些情况下,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。假设膜在安静状态下只对K+有通透的可能,这么只能有K+移出膜外,这时又因为膜内带负电荷的蛋白质大分子不能急剧移出细胞,于是随着K+移出,出现膜内变负而膜外显得较正的状态。K+的这些内向扩散并不能无限制地进行,这是由于移到膜外的K+所导致的外正内负的电场力,将对K的继续外移起制约作用,并且K+移出的愈多,这些制约也会愈大。因而,构想当使得K+外移的膜右侧K+含量势能差同已移出K+导致的制约K+外移的电势能差相等,亦称膜右侧的电物理(含量)势代数和为零时,将不会再有K+的跨膜净联通,而由已移出的K+产生的膜内外电位差,也稳定在某一不再减小的数值。这一稳定的电位差在类似的人工膜化学模型中称为K+平衡电位。用这一原理说明细胞跨膜静息电位的形成机制。不难理解,K+平衡电位所能达到的数值,是由膜右侧原初存在K含量差的大小决定的。
(2)锋电位和Na+平衡电位:膜在遭到剌激时可能出现了膜对Na+私密性的忽然减小,超过了K+的私密性,因为细胞外高Na+,并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,结果先是导致膜内负电位的迅速消失;并且因为膜外Na+的较高的含量势能,Na+在膜内负电位降低到零电位时仍可继续内移,直到内移的Na在膜内产生的正电位足以制止Na+的净移入时为止。并且膜内电位逗留在ENa水平的时间极短;随即很快出现膜内电位向静息时的状态恢复,亦称出现复极,导致了锋电位曲线的快速增长支实验证明,增长支的出现是因为Na+私密性的消失,并伴随出现了K+私密性的减小。细胞每激动一次或形成一次动作电位,总有一部份Na在去极化时步入膜内,一部份K+在复极化时逸出膜外,但因为离子联通遭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.阈电位和锋电位的造成膜内负电位必须去极化到某一临界值时,能够在整段膜引起次动作电位,这个临界值大概比正常静息电位的绝对值小10~20mV,称为阈电位。诸如巨大神经轴突的静息电位为70mV,它的阈电位约为55mV。这不是因为大于阈电位的去极化不造成GNa的降低,实际情况是这时也有一定数量的Na通道开放,但因为膜对K+的私密性仍小于Na+,因此少量的Na+内流及其对膜内电位的影响随后被K+的外流所抵消,因此去极化不能继续发展下去,不能产生动作电位。只有当外来剌激造成的去极化达到阈电位水平时,因为较多量Na通道的开放导致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,从而能进一步加强膜中Na+通道开放的概率,结果又使更多Na+内流降低而导致膜内进一步的去极化,这么反复推动,就产生一种正反馈的过程,称为再生性循环,其结果使膜内去极化迅速发展,产生动作电位崎岖的升支,直到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+通道开放的数量足以导致前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,只要剌激小于能引发再生性循环的水平,膜内去极化速率就不再决定于原剌激的大小;整个动作电位上升支的幅度也只决定于原先静息电位的值和膜内外的Na+含量差,而与造成这次动作电位的剌激大小无关。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形成条件。所谓阈硬度,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剌激的硬度;这就是阈硬度和阈电位在概念上的区别。
2.局部激动及其特点一个阈下剌激会对可激动细胞形成何种影响?假如在巨大神经轴突放置一对剌激电极,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。假设先把膜内的剌激！