第一讲-神经元学说的诞生与突触

Golgi和Cajal之争——神经元学说的诞生主讲人：张隆华神经科学Neuroscience•17世纪显微镜的发明——细胞1665年英国科学家罗伯特.胡克RobertHooke用自制显微镜发现了细胞。•19世纪——细胞学说诞生德国植物学家施莱登Schleiden(1838)、动物学家施旺Schwan(1839)提出：细胞是一切动植物结构的基本单位。神经系统是否由神经细胞组成？罗马帝国时代对脑的认识•Galen发现脑室中空并含有液体。脑室的发现很符合当时流行的“四体液论的平衡学说”：机体的功能有赖于4种重要的液体或体液的平衡。感知被大脑所记录，运动被小脑所启动，都是由体液通过神经到达脑室和离开脑室的流动，而实现感知周围环境并支配躯体运动。神经科学NeuroscienceSheepbrainblood,phlegm,choler，blackbile血(心-气)、粘(脑-水)、黄胆汁(肝-火)、黑胆汁(脾-土)健康是各种体液和谐混合的结果，如果体液混合错误就会生病，而医疗要领就是使体液恢复和谐的状态。从文艺复兴到18世纪对脑的认识•在17世纪早期，法国人发明了类似水车驱动动力的机械装置，这些装置支持了“脑以类似机械运行的方式行使其功能”这样一种观点：液体从脑室中被压出来，经过神经“管道”到达肌肉，促使肌肉运动。神经科学Neuroscience文艺复兴时期对脑室的描绘19世纪对脑的认识神经科学Neuroscience神经“电缆”论神经是一些“电缆”，将电信号传入和传出脑。•1751年，BenjaminFranklin出版了一本题为《电的实验和观察》的书，宣告了对电现象一次全新的认识。•意大利科学家LuigiGalvani和德国生物学家EmilduBois-Reymond证明，神经受到电刺激时会引起肌肉的颤动，同时脑本身也能产生电流。这些发现最终取代了“神经通过液体的流动而与脑相联系”的观点。未能解决的问题是：引起运动和感觉的神经是不是同一根神经？双向传导？1906年诺贝尔生理学或医学奖神经科学Neuroscience意大利细胞学家C.Golgi(1843-1926)西班牙神经组织学家R.Y.Cajal(1852-1934)PK•神经网状理论，reticulartheory不同神经细胞的突起相互融合，连接形成网状结构，类似于循环系统中的动脉和静脉，细胞学说不适应于神经系统。•神经元学说，neurondoctrine神经元的突起不是连通的，而是通过特化的结构接触而不是相互贯通的，细胞学说适应于神经系统。神经科学Neuroscience意大利细胞学家C.Golgi(1843-1926)1879年将脑徒手切成薄片用铬酸盐-渍银法染色在显微镜下看到了神经元和神经胶质细胞高尔基染色的神经元高尔基染色：显示神经元的细胞核和呈辐射状伸出的突起，只能显示少数神经元。神经科学Neuroscience西班牙神经组织学家R.Y.Cajal(1852-1934)掌握了Golgi的方法并加以改进，1903年建立了还原硝酸银染色法，能显示最细的神经末梢，并提出神经元之间没有原生质联系，仅有接触关系。于1888年学习了Golgi染色法后，在随后的25年里，他用Golgi染色法染出了许多脑区的环路。Cajal绘制的海马神经环路图Cajal绘制的大脑环路图之一神经科学Neuroscience植物表皮细胞大肠杆菌红细胞肌细胞神经科学Neuroscience神经元胞体突起突起融合在一起？神经科学Neuroscience突触神经网状理论神经元学说神经科学Neuroscience神经科学Neuroscience突触一、神经元学说神经科学Neuroscience•从信号传递功能可分为四个功能分区：•接收——胞体和树突膜•整合——胞体，轴丘产生动作电位•传导——轴突•输出——神经末梢释放递质二、神经元结构神经元具有兴奋性和传导性，并具有分泌功能。神经科学Neuroscience•1、胞体细胞膜细胞核细胞器尼氏体、高尔基体、线粒体、内质网细胞骨架•2、突起树突轴突二、神经元结构神经科学Neuroscience•1、胞体细胞膜连续完整的细胞膜，厚约5nm脂质双分子层，有电容特性膜上蛋白质形成离子通道、受体等胞体、树突、轴突膜的蛋白质组成均不同。具有信息传递、神经冲动的发生和传导、物质的跨膜转运以及细胞外物质的识别与结合等多种生理功能。二、神经元结构神经科学Neuroscience膜蛋白在神经元细胞上的分布不同与神经元不同部位的功能有关1）树突：各种受体（可以通透钙、钾、钠或者氯离子），接受突触前递质释放的信息，电紧张电位的形成2）轴丘：高密度钠通道，神经冲动的发生3）轴突：钠离子通道，神经冲动的传导4）突触前：钙离子通道，神经递质的释放以动作电位传播为例二、神经元结构神经科学Neuroscience•1、胞体细胞核核膜、核孔、染色质DNA转录mRNA翻译蛋白质基因转录。mRNA分子把蛋白质合成的基因指令从细胞核携带到细胞质中。二、神经元结构神经科学Neuroscience•1、胞体胞质和细胞器1）粗面内质网roughER＋核糖体ribosome-尼氏体(Nisslbody)•主要存在于胞体中，表明神经元具有活跃的蛋白质合成功能•树突和胞体中含有，而轴突、轴丘没有尼氏体。二、神经元结构神经科学Neuroscience•1、胞体胞质和细胞器2）核糖体放射自显影显示核糖体RNA在培养海马神经元中的分布（左图），在胞体、树突中都有存在，而未在轴突中出现。（右图）树突中的核糖体主要在突触后膜，树突棘头部以下与树突干交会处（S：树突棘头；Den：树突干）神经科学Neuroscience轴浆运输axonplasmictransport实验检验：Waller氏退变(walleriandegeneration)：切断轴突与胞体的联系轴突无法生存PaulWeiss实验（慢速轴浆运输）环绕轴突系一条线物质在轴突内靠近胞体一侧聚集打开线结聚集的物质以每天1-10mm的速度沿轴突运输BerniceGrafstein实验（快速轴浆运输）胞体注射放射性氨基酸测量轴突末梢放射性蛋白质到达时间来计算运输速度运输速度高达每天1000mm轴突不含核糖体和rER，其生长发育及代谢需要的蛋白从哪儿来？二、神经元结构神经科学Neuroscience•1、胞体胞质和细胞器3）滑面内质网smoothER将蛋白质折叠并形成三维结构4）高尔基体Golgiapparatus蛋白质“翻译后”大量化学修饰；将内质网合成的蛋白质进行加工、修饰、分类与包装，然后分门别类地送到细胞特定的部位或分泌到细胞外。5）线粒体mitochondrion细胞的“动力工厂”胞体、树突、轴突中均可见。二、神经元结构神经科学Neuroscience•1、胞体细胞骨架cytoskeleton作用：1）维持细胞形态；2）生长、发育、轴浆运输3）突触可塑性微管microtubule微丝microfilament神经丝neurofilament二、神经元结构神经科学Neuroscience•1、胞体细胞骨架cytoskeleton1）微管：决定细胞外形，轴浆运输•最粗，d=20nm，中空圆柱状结构。•管壁由13根原纤维组合成的多股链。•微管处于聚合和解聚的动态过程，可受胞内信号影响，调控神经元形状。•微管相关蛋白(MAPs)促进微管组装、聚集成束，维持微管的稳定。其中，tau与MAP3存在于轴突，MAP2存在于树突。•tau的病理性变化（如过度磷酸化）与阿尔茨海默病（AD）引起的痴呆相关。神经科学Neuroscience1907年，首例报告的阿尔茨海默症病人阿尔茨海默病属于原发性退行性脑变性疾病，多起病于老年期，病理改变主要表现为脑细胞的广泛死亡。临床上以智能损害为主。•轻度1、轻度语言功能受损；2、日常生活中出现明显的记忆减退，特别是对近期事件记忆的丧失；3、时间观念产生混淆；4、在熟悉的地方迷失方向；5、做事缺乏主动性及失去动机；6、出现忧郁或攻击行为；7、对日常活动及生活中的爱好丧失兴趣。•中度1、变得更加健忘，特别常常忘记最近发生的事及人名；2、个人自理能力下降，需要他人的协助，如上厕所、洗衣服及穿衣等；3、在居所及驻地这样熟悉的地方也会走失；4、不能独自从事煮饭、打扫卫生或购物等活动；5、不能继续独立地生活；6、开始变得非常依赖；7、说话越来越困难；8、出现无目的的游荡和其他异常行为；9、出现幻觉。•重度1、不能独立进食；2、不能辨认家人、朋友及熟悉的物品；3、明显地语言理解和表达困难；4、在居所内找不到路；5、行走困难；6、大、小便失禁；7、在公共场合出现不适当的行为；8、行动开始需要轮椅或卧床不起。1907年，首例报告的阿尔茨海默症病人神经科学NeuroscienceAD病人脑中的神经元。Tau由于过度磷酸化，离开微管聚集于胞体，导致微管不稳定，数目下降，这种细胞骨架的破坏导致轴突衰亡。a，神经丝；b，tau蛋白；c，a、b图像的重叠三角：正常神经元，含有神经丝但没有缠结大箭头：患病神经元，有神经丝而且tau开始聚集小箭头：死亡神经元，不含神经丝，残存纤维缠结二、神经元结构神经科学Neuroscience•1、胞体细胞骨架cytoskeleton2）神经丝•d=10nm，大小介于微管和微丝之间，•参与轴浆运输作用。3）微丝：生长椎运动，特化微域•d=5nm,神经细胞中最细的丝，•由b、g肌动蛋白组成，不断装配和解聚，处于动态过程，具有极性•多存在神经突起中，形成特化的突触结构，如生长椎伪足等。•存在于细胞周边，在胞膜下与其它蛋白形成网状结构。二、神经元结构神经科学Neuroscience•2、突起：树突和轴突——占神经元体积95%以上二、神经元结构神经科学Neuroscience二、神经元结构神经科学Neuroscience•2、树突Dendrites神经元胞体上的树状突起，内容物与胞体相似。单个神经元的树突统称为树突树。树突的分支上可以有大量多种形状的树突棘，部分树突棘下含有多聚核糖体。海马椎体细胞树突，树突棘小脑Purkinje细胞脊髓运动神经元二、神经元结构神经科学Neuroscience树突棘是突触输入的重要靶点，在学习记忆中具有重要作用(数量和形状的变化)。树突棘的改变程度与智力迟钝的程度成正相关。与正常儿童相比，智障儿童的树突上少了很多树突棘，而仅有的少量的树突棘又异常细长。二、神经元结构神经科学Neuroscience•3、轴突TheAxon——神经元特有的结构仅存在于神经细胞中，是胞体上起源于轴丘的长的纤维，起信息传递作用无粗面ER和核糖体，有线粒体有侧枝（axoncollateral）膜蛋白组成不同于胞体膜轴突直径、是否有髓鞘包裹，与传导速度相关神经纤维郎飞氏结神经信号二、神经元结构神经科学Neuroscience•3、轴突TheAxon轴突末梢axonterminal•轴突末梢膨大部分与轴突内细胞质的不同：a.不存在微管b.为数众多的突触囊泡c.含有大量线粒体d.面对与其他神经元连接处的囊泡膜内表面附有特别高密度的蛋白质二、神经元结构神经科学Neuroscience•3、轴突TheAxon突触synapsea.突触前b.突触后c.突触间隙d.突触传递e.神经递质f.突触是很多神经毒气和精神类药物的作用位点•轴突末梢与其它神经元的连接点是突触(synapse)；神经科学Neuroscience三、神经元分类神经垂体皮层神经元短轴索的感觉神经元运动神经元感觉神经元三、神经元分类神经科学Neuroscience•1、按神经突起数目分类单极、双极、多极三、神经元分类神经科学Neuroscience•2、按连接分类初级感觉神经元、运动神经元、中间神经元三、神经元分类神经科学Neuroscience•3、按树突分类星形细胞，椎体神经元•4、按轴突长度分类高尔基I型神经元：长的轴突投射，如脊髓前角运动神经元高尔基II型神经元：短的轴突