动作电位actionpotential动作电位产生的离子机制

第三章神经电信号和动作电位(actionpotential)第一节神经电信号神经电信号是指神经元在静息电位基础上所发生的电位变化。按照表现和传播特性可以分为局部变化和传播性变化两类。局部变化称为局部电位，包括感受器电位、突触电位等，以等级性和局限性为特征。传播性变化以局部变化为基础而产生，大小形态固定不变，可以长距离传播，称为动作电位。动作电位是神经元的兴奋或功能活动的标志。尽管在不同的神经元略有差异，但其基本形式非常相似，是神经电信号的基本形式，是神经信息编码的基本单元。这不但在不同性质的信息处理方面相同，而且在各种动物和人都相同。第二节动作电位(actionpotential)一、动作电位产生的离子机制当用直流电刺激神经时,在阴极和阳极处膜电位变化,称为电紧张电位:阴极膜电位降低去极化,阳极膜电位升高产生超极化。若刺激电流增强,只在阴极处产生一个可衰减的电位变化称为局部电位。如果刺激电流增强达到阈值时,在阴极产生一个不衰减的“全或无”式的沿神经纤维传导的神经冲动时,称为动作电位。（一）离子学说及其实验证据Bernstein的膜学说认为动作电位应等于静息电位的绝对值。后发现它不能解释动作电位的超射(overshoot)现象。用毛细管微电极测量枪乌贼大神经纤维兴奋时电位变化发现动作电位大于膜静息电位。当改变细胞外Na+浓度时动作电位的时程和大小均发生变化：①Na+浓度稍减,动作电位上升缓慢,超射减少传导速度变慢(图A曲线2);②减少50%,超射几乎减少一半,上升相更慢(图B曲线2);③减少33%,超射几乎完全消失(图A曲线3).根据一系列实验,1950-1952年Hodgkin，Huxley和Katz提出著名的钠学说,即离子学说。认为膜静息时PK＞PNa，PK＞PCl；膜兴奋时，PNa＞PK，PNa＞PCl，此时RT[Na+]oENa=——ln———=+53mV与实验测得的+55mV超射相近。F[Na+]i钠学说得到各方面实验证实。每次动作电位期间Na+内流量与K+外流量大致相等，关键是两种离子在动作电位期间流动的时相不同。（二）动作电位产生的离子机制1.静息时细胞膜内外存在各种离子的浓度差,而膜对这些离子的通透性不同,所以维持-70mV的静息电位。2.膜受到电刺激时产生去极化,膜对Na+、K+通透性发生变化。首先Na+通透性增大,加速膜去极化,发生超射,构成动作电位上升相.3.接着Na+通道失活,而K+通道活化，K+外流,构成动作电位的下降相。由于钾电导的变化没有失活现象，只是在膜电位的恢复过程中逐渐降低，延时较长，产生正后电位。4.依靠膜上纳泵完成排Na+摄K+,维持膜内外离子浓度差,恢复静息水平。二、离子电流的分离方法在测量快速兴奋过程中离子电流的变化和分离单个离子电流时，常采用电压钳技术。（一）电压钳(voltageclamp)原理根据简化电缆模型,一小片膜的等效电路如右上图所示。因为Im=∑Iion+IC令IC=0得Im=∑Iion此即电压钳技术的原理。固定膜电位不变，膜电容电流为零，则总电流等于离子电流(右下图)。在枪乌贼大纤维内纵向插入两根细铂丝，一根记录电压E’，另一根记录电流I’。记录膜电位E’与调定电压差值经放大进入快速电压-电流转换器(FBA),加入反馈电流I’,直至膜电位与调定电压相等为止,维持膜电压不变。当一个神经冲动到达时，出现膜离子电流，为了维持膜电位不变，就必须输入一个与膜离子电流大小相等，方向相反的补偿电流,记录下这个补偿电流就是膜电流的镜像。（二）离子电流的分离方法用电压钳技术记录出的是冲动到来时总的膜电流,是各种离子移动的总电流。关键如何分离各种离子的电流。1.离子置换法右上图示膜去极化56mV,A为正常海水中记录总离子电流,B为用氯化胆碱溶液代替NaCl后IK,C为A减B后得到的INa,这里就是利用了离子独立的原则。2.逆向电位法在电压钳实验中不断改变Vm,Na+的变化为:当VmENa,内向INa;Vm=ENa,INa=0;VmENa,外向INa。右下图为Hodgkin等1952年的实验结果。另外，也可直接将膜电位调到某一离子的平衡电位，这样可消除该离子的影响，测得一电流，用总电流减去测得电流，即该离子电流。（三）药理学方法1.阻断钠通道活化的药物1)河豚毒素(tetrodotoxin,TTX):分子式C11H17O8N3,专一性地阻断钠通道，作用可逆。右下图示TTX对枪乌贼轴突离子电流的影响.2)石房蚶(蛤)毒素(saxitoxin,STX):来源于旋沟藻,专一性阻断钠通道,能阻断对TTX不敏感的钠通道。2.阻遏钠通道失活化的药物1)海葵毒素(seaanemonevenom):其作用是使动作电位下降相延长，形成平台。它不影响钠、钾通道的开放，只是使已开放的钠通道不能立即关闭，继续开放，Na+大量内进，超射的下降相变慢，形成平台。2)蝎毒素(scorpiontoxin):其作用与海葵毒素相似。3.激活钠通道的药物-箭毒(batrachotoxin)的作用是静息时增加轴突膜对Na+的通透性,不影响动作电位钠通道的活化。4.阻遏钾通道的药物:四乙二胺(TEA)和4-氨基吡啶(4-AP)。三、离子电导和Hodgkin-Huxley模型（一）离子电导分出离子电流后将测定离子通透性或通道开放的数目。Hodgkin和Huxley使枪乌贼大纤维长时间去极化，使一些离子通道开放，然后让电压突升到第二数值，这个时间很短，新通道来不及打开，已开放的通道来不及关闭，在膜通透性不变时测量电压-电流关系。第一次测钠通道开放，第二次测钾通道开放。此时离子电导为:gNa=INa/(E-ENa)gK=IK/(E-EK)此为弦电导,适于线性关系。而G=I/E为斜率电导,不论电压与电流呈什么关系均成立。（二）钾电导钾离子电导gK是时间t和膜电位Vm的函数:gK=ƒ(t,Vm)。右图A示在25mV去极化持续4.9ms18℃时gK(t)沿S型曲线上升;B示在复极化时gK(t)呈指数曲线下降。Hodgkin等作了一系列假定后用一组方程式来拟合这条实验曲线：dngK=ğK·n4—=αn(1-n)-βn·ndt然后又经过一些假定条件可计算得到参数αn和βn。枪乌贼在6.3℃时可换算得下面的经验常数:0.01(E+55)αn=——————————1－exp[－(E+55)/10]βn=0.0555exp(－E/80)式中E为以mV为单位的绝对电位值.（三）钠电导钠离子电导在膜静息状态时近似等于零。在动作电位期间钠通道有一个快速的激活和慢速的失活化过程。用药物TTX和ATX可证实这是两个独立的过程。为了能用数学方程式描述上述变化过程，Hodgkin和Huxley用两个参数m和h分别描述钠电导的增加和减少过程，根据实验曲线得到拟合方程为：dmdhgNa=ğNa•m3h——=αm(1–m)–βmm——=αh(1–h)–βhhdtdt根据Hodgkin-Huxley模型，对于枪乌贼在6.3℃时得到如下经验常数:0.1(E+40)αm=—————————1－exp[－(E+40)/10]βm=0.108exp(－E/18)αh=0.0027exp(－E/20)1βh=—————————1+exp(－E+35)/10]右上图表示动作电位在去极化和复极化期间参数m,h,n之间的关系和它们的乘积。上为n参数,下为m,h参数;左为去极化,右为复极化期间各参数之间的关系。左侧曲线m3h模拟gNa。右下图表示动作电位期间膜电导的变化，表明动作电位V与gK及gNa的关系。（四）Hodgkin-Huxley方程根据每种离子电导方程,在大纤维和电压钳位条件下每种离子的电流方程为:INa=gNa(V－ENa)IK=gK(V－EK)IL=gL(V－EL)gNa=ğNam3hgK=ğKn4根据膜的电缆模型等效电路,膜总电流为:Im=INa+IK+IL+ICE=ğNam3h(V－ENa)+ğKn4(V－EK)+gL(V－EL)+Cm——t在动作电位传导时因有局部电流存在而不能使用电压钳位和空间钳位。Hodgkin假设电缆性质在空间上是均一的，动作电位以恒速传播，则可得出下列普遍的电流方程：α2EEIm=——.———=Cm——+INa+IK+IL(R轴浆电阻,α纤维半径,θ传导速度)2Rθt2t以上即H-H方程。右图是根据H-H方程计算的在18.5℃下枪乌贼大纤维扩布性动作电位过程中膜电流、膜电导及m,n,,h等参数的变化。整个动作电位分四个时相:(1)时相I(A):局部电流使膜电容放电,膜去极化,Im和Ic都为正,几乎相等,离子电导很小。(2)时相II(B):时程短,小于0.5ms,gNa和INa(内向)增大,出现超射。(3)时相III(C):时程小于1ms,gNa失活,gK激活,膜复极化,IK(外向)逐渐增加,INa(内向)减小,因K+外向通量大于Na+内向通量,因此Iion外向。(4)时相IV(D):时相较长约2ms，动作电位完全复极化。gNa完全失活,钾通道不失活,gK仍很高,膜电位暂时出现超极化后电位。后gK恢复及Na-K-ATPase的作用,膜电位恢复到静息电位。Itisend!第四章神经电信号的传递第一节神经电信号的传递概述神经元所产生的电信号以两种方式在神经网络中传播，一种是同一神经元上的传播，称为传导，另一种是在神经元间或在神经元与效应器等细胞间传播，称为传递。神经生物学中的传递即指动作电位在细胞之间的传播。神经电信号的传递方式根据神经元间的结构和相对关系突触传递（synaptictransmission）和非突触性传递（non－synaptictransmission）。前者包括化学突触传递和电突触传递。第二节化学突触传递化学突触传递即经典的突触传递，也就是突触前神经元产生的兴奋性电信号（动作电位）诱发突触前膜释放神经递质,跨过突触间隙而作用于突触后膜，进而改变突触后神经元的电活动。此过程称为电－化学－电传递。第三节突触电位和突触整合突触电位通常发生于化学突触。当神经递质从突触前膜释放，跨过突触间隙作用于突触后膜时，在突触后膜上引起一个短暂的电位变化，如果引起突触后膜去极化，称为兴奋性突触后电位(excitatorypostsynapticpotential,EPSP);如果引起突触后膜超极化,称为抑制性突触后电位(inhibitorypostsynapticpotential,IPSP)。一.兴奋性突触后电位神经轴突兴奋冲动引起轴突终末去极化,钙离子流入,突触小泡膜与突触前膜融合并破裂，释放兴奋性神经递质,作用于突触后膜使其对钠离子通透性升高,产生局部兴奋,产生兴奋性突触后电位。其特点是通道受配基门控,大小是一种分级电位,具时间和空间的总和。二.抑制性突触后电位其传递过程与兴奋性突触后电位相同,不同处在于引起突触后膜超极化,使突触后神经元更难以产生动作电位。原因是由于神经递质和离子通道性质的不同。另外，兴奋性突触后电位是由于钠离子流入，而抑制性突触后电位则是由于氯离子（或钾离子）流入引起的。抑制性突触后电位不仅和刺激强度相关（下图），而且与突触后神经元的膜电位相关。三.突触整合不同突触的冲动流入在神经元内相互作用的过程称为突触整合(integration)。简单的例子是EPSP和IPSP在一个神经元上的相互作用，使得EPSP幅度下降，达不到动作电位爆发的阈值。此过程并不是突触电位简单的代数和。Thankyouverymuch!