第五章神經生理學
第一節神經細胞與突觸
一、神經細胞
1、神經元神經系統的功能單位是神經細胞,亦稱為神經元(),即指一個神經細胞的胞體及其所有凸起(軸突和樹突)。
2.神經膠質細胞神經組織的間質細胞是神經膠質細胞,其數目是神經元數目的10~50倍。神經膠質細胞與細胞間液共同構成神經元生存的微環境。
3.神經元亞細胞結構神經元的胞體結構包括胞膜、胞核和核周質。核周質是維持和指導整個神經元代謝和功能活動的中心。胞突中代謝和功能活動所須要的蛋白質幾乎都是在胞體內合成,再運送至胞突。
(1)胞膜的結構和功能:神經元的胞膜與所有細胞的細胞膜一樣,同屬生物膜;其具有高度分化的分子構成和多種奇特的生理功能。跨膜的物質轉運和能量轉換、神經元對細胞外物質的辨識與結合、神經元跨膜信息傳遞與代謝調控及神經沖動的發生和擴布等生理功能均與胞膜有關。神經元膜的主要功能之一是膜脂類單層具有選擇的通透屏障,除容許非極性溶質不同程度滲透外,有機離子或無機離子與有機離子的螯合物,因為疏水性,也可經由脂類單層進出膜,而對無機離子來說則為屏障。小的溶質分子可經過蛋白質的介導入入細胞經蛋白質介導的神經元膜轉運是神經元修飾自身內外環境的過程。膜轉運機制選擇性地控制著細胞內、外環境中的離子和其他物質含量。神經元膜右側含量梯度由被動擴散和主動轉運兩種過程所維持,被動擴散是溶質分子由高含量向低含量區的凈聯通,而主動轉運則為逆電物理差的耗能過程;神經元的原發主動轉運系統主要是一種排Na+蓄K+的Na+K+泵,其排Na+蓄K+的過程須要ATP。
(2)軸突的結構與功能:軸突多由胞體的錐形凸起軸丘(axon)發出,也可由主干樹突的內側發出。在形態上是一個缺少游離核蛋白體和粗面核糖的三角形或扇形區,含有神經細絲和微管。軸突的始段()指由軸丘的頂端到開始有髓鞘包裹的一段。通常來說,神經元都有一根修長、表面光滑而均勻的軸突,它在途中極少分支,其分支常自主干呈直角發出,構成側支()。軸突主干全長粗細基本一致,外被髓鞘,到末梢常分為纖維終末并喪失髓鞘,與其他神經元的胞體、樹突甚至軸突產生突觸,或與效應細胞產生突觸。
二、突觸
1.定義突觸是實現這些神經元間或神經元與效應器間信息傳遞的功能性接觸部位,這類信息傳遞須要動作電位來傳導。突觸由突觸前成份、突觸后成份及突觸間隙3部份基本結構組成。
2.分類按照結構和電生理的特性,突觸可分為3種類型:①化學性突觸;②電突觸;③混合性突觸。喂奶植物幾乎所有的突觸均為物理性突觸,而電突觸主要見于鳥類與兩棲類。
二者的主要區別見表1-5-1。
3.基本結構
(1)電突觸:電突觸即為空隙聯接(gap),電突觸的半徑在0.1~1um之間變化。突觸前、后膜長度基本相等。兩膜的外雙層膜被2~4nm的空隙分開,其間具有很低的電阻抗。空隙聯接是細胞間電活動由一細胞直接傳導到另一細胞的低阻值通路。空隙聯接使聯通號在細胞間的傳遞速率快于大多數物理性突觸。電突觸一般可為細胞內游離Ca2+含量、細胞內pH值、膜電流、鈣調素或乙酸化作用等誘因激活或調制。電突觸多見于低等植物,在喂奶植物神經系統的個別區域(如下橄欖核、視網膜、前庭核和三叉神經中腦核)中也發覺有些這些突觸,其可能的意義在于使相鄰的許多神經成份的活動同步化。
1)突觸前成份:一個神經元軸突末梢首先分成許多小支,每位小支的末梢部份坐果成球形,組成突觸前成份,包括神經元末梢特化形成的突觸前膜及坐落末梢內的線粒體、骨架成份及特點性存在有突觸囊泡:①突觸前膜:較通常神經元的胞膜稍厚。在前膜外側附著一種呈黑斑狀并突向胞質的致密凸起。②線粒體:突觸前末梢內有許多線粒體存在,這種線粒體的功能為:形成ATP,供水泡沿微管滑至VAS,使得遞質釋放;攝入內流步入突觸前成份的Ca2+。③突觸水泡(突觸囊泡):在突觸前袋細胞質內有突觸水泡,這往往是電鏡下判定突觸前成份的最重要的根據。通常覺得,一種突觸主要含一種形態的突觸水泡,亦可同時富含幾種突觸水泡。
2)突觸間隙:寬15~3間隙內常可見糖蛋白和細絲等輕度致密物質,這種物質將前后膜牢靠聯系上去
3)突觸后成份:由突觸后膜及坐落突觸后膜下的一些結構組成。突觸后膜亦為神經元胞膜特化增厚產生。
(2)物理性突觸:神經系統中最常見的,為最重要的信息傳遞方法。在結構上,以由軸突末梢產生的突觸前成份和由神經元胞體或其樹突分支產生的突觸后成份,構成的軸-樹突觸和軸-體突觸最常見。
(3)物理性突觸分型:按照神經元的不同部位參與構成突觸前后成份的不同,將突觸分為:軸樹、軸體、軸軸、樹樹、樹體、樹軸、體樹、體體、體軸9種類型突觸,其中前3種最為常見,其他類型稀少。另外,同一個神經元的軸突與樹突之間也可產生軸樹型自身突觸,或則個神經元的樹突與其本身的分支產生樹樹型自身突觸。常將突觸分為激動性及抑制性兩大類,其突觸組成結構上的不同點見表1-5-2
4.神經遞質的釋放與調制
(1)遞質釋放過程:首先突觸前末梢的去極化是誘發遞質釋放的關鍵誘因。動作電位出現時,Na+內流導致突觸前膜去極化,導致突觸前膜中的電流門控性Ca2+通道開放;使一定量的細胞外Ca2+步入突觸前膜。Ca2+內流的數目與當時膜的去極化大小程度成比列。這種步入前膜內的Ca2+除了是一種電荷攜帶者,它本身還是一種起信使作用的物質。Ca2+觸發囊泡往前膜緊靠、融合因而出現胞裂外排,將所含的遞質釋放入突觸間隙。遞質擴散跨過突觸間隙直接作用于它的受體引發突觸后電位反應或通過第二信使起作用。
(2)遞質釋放的調節:①遞質釋放激活突觸前末梢的恢復機制,包括遞質重攝入和膜的再生②釋放過程受神經回火的調制,神經淬火或直接作用于膜通道,或間接地通過第二信使發揮作用,它本身也可被自己釋放的遞質作用于自身受體所調制
(3)遞質的量子釋放理論:遞質的釋放是以胞裂外排的方式進行的,一個囊泡所含的遞質的量,為遞質釋放的“最大包裝”,一次神經沖動在突觸前膜引起的遞質釋放的總數取決于參與遞質釋放的囊泡數量。
EPSP加強,進而達到突觸后神經元領取沖動的水平,這就是空間上的總和。時間總和與空間總和在自然剌激中常常是結合在一起的。
5)對內環境變化的敏感性:突觸是具有低安全系數的區域,傳遞容易遭到阻滯。如神經纖維在脈搏停止后許多分鐘,仍能繼續傳導沖動,但突觸的傳遞作用早就消失了。所以缺氧、CO2降低或使用麻醉抗生素都能影響突觸的傳遞功能。諸如,病人腦循環暫時阻斷3~5秒后,人即可喪失意識。據報導,交感神經節的突觸例外,它可以耐受缺O2而不致影響其傳遞功能。
6)對個別抗生素的敏感性:突觸后膜的受體對遞質有高度的選擇性,因而,可以應用特異性的抗生素,制約或強化突觸的傳遞功能。
(2)突觸后電位:物理性突觸傳遞在突觸后將物理信息轉換成聯通號能夠實現傳遞。遞質和受體結合后,可直接作用于離子通道,也可以通過跨膜訊號轉導和第二信使間接影響離子通道的活動,形成突觸后電位。突觸后電位有兩種主要類型:一種是去極化,使膜電位更緊靠閾電位,并造成沖動發生,稱激動性突觸后電位(EPSP);另一種則是降低極化作用,即超極化,以維持膜電位使沖動不能發生,稱抑制性突觸后電位(IPSP)。腦干a運動神經元與來自它所支配的胸肌的中級傳入纖維產生激動性突觸聯系,與來自拮抗肌的中級傳入纖維產生抑制性突觸聯系,此特性使之成為研究中樞突觸效應的有用模型。
2.電突觸的特點因為其直接的聯接性質,它們傳遞迅速,延擱極短(約100μs),能在兩個方向通過電壓或是選擇性地只在一個方向降低內阻(檢波作用)。電突觸為幾個神經元活動的同步化提供了一種手段。
3.突觸傳遞的可塑性物理性突觸傳遞的一個明顯特征是易受環境誘因的影響,尤其是傳遞能力可受其已進行的傳遞活動的影響,稱突觸可塑性。尤其是傳遞能力可受其已進行的傳遞活動的影響，稱突觸可塑性。表現為:
(1)突觸易化:當突觸前末梢接受一短剌激時,盡管每次剌激都引起遞質釋放形成突觸后電位,但后來的剌激引起的突觸后電位要比上面的剌激引起的為大,引起的遞質釋放量也多,此效應消失得很快,這些現象稱為突觸易化()。
(2)突觸加強:當突觸前末梢接受連續強直剌激后,突觸后電位可延續數秒或更長時間,在此期間來到的突觸前末梢的剌激將導致較大突觸后反應,稱突觸加強()。
(3)長時程加強:因為突觸連續活動而形成的可以延續數小時乃至數月的該突觸活動提高,稱為長時程加強((long-term)。
4.非突觸信息傳遞個別神經元之間的信息傳遞,并沒有特定的突觸形態基礎,而當神經元接受到某種適當剌激時,可通過神經末梢上的曲張體()將所含的神經活性物質釋放到周圍的細胞外液,再以擴散的形式抵達毗鄰或遠隔部位的靶細胞,與靶細胞特異性膜受體或胞漿受體相結合,對靶細胞的功能活動實現特異調節,因為這些物理傳遞不是通過精典的突觸進行的,因而,稱為非突觸信息傳遞。神經信息傳遞的非突觸方法是與突觸傳遞方法相并行的另一種神經調節方法,為正常神經系統調節功能所必需。非突觸性物理傳遞與突觸性物理傳遞相比,有下述特征:①不存在突觸前膜與后膜的特化結構;②不存在一對一的支配關系,一個曲張體才能影響較多的效應細胞;③神經活性物質釋放部位與效應細胞間的距離起碼在20nm以上,距離大的可達幾十微米;④遞質彌散的距離大,傳遞耗費的時間可小于一秒;⑤遞質彌散到效應細胞時,能夠發生傳遞效應取決于效應細胞上有無相應的受體。
5.突觸囊泡膜的再循環突觸囊泡與突觸前膜融合,通過胞裂外排釋放神經遞質以后,必然要有一個囊泡膜的回收過程。否則突觸前膜的面積將會因為囊泡膜的劃歸而不斷減小,而突觸活性區所含的囊泡數將逐步降低。
第二省電生理學基礎
一、細胞的生物電現象
1.生物電現象神經在遭到剌激時,在受剌激的部位形成了一個可傳導的電變化,但是以一定的速率傳向胸肌。
2.細胞的靜息電位和動作電位細胞水平的生物電現象主要有兩種表現方式,這就是它們在安靜時具有的靜息電位和它們遭到剌激時形成的動作電位。
(1)靜息電位:細胞未受剌激時存在于細胞內外兩邊的電位差。由于這一電位差是存在于安靜細胞的表鼻貼兩邊的,故稱為跨膜靜息電位,簡稱靜息電位。靜息電位表現為膜內較膜外為負;如規定膜外電位為0,則膜內電位大都在10~100mV之間。靜息電位在大多數細胞是一種穩定的直流電位(一些有自律性的心肌細胞和腸道平滑肌細胞例外),只要細胞未遭到外來剌激并且保持正常的新陳代謝,靜息電位就穩定在某一相對恒定的水平。人們常把靜息電位存在時膜右側所保持的內負外正狀態稱為膜的極化(),是指不同極性電荷分別在膜右側的蓄積;當靜息電位數值向膜內負值加強的方向變化時,也稱膜的超級化();相反,倘若膜內電位向負值減小的方向變化,也稱去極化或除極();細胞先發生去極化,之后再向正常安靜時膜內所處的負值恢復,則叫做復極化()。
(2)動作電位:當神經纖維在安靜狀況下遭到一次短促的閾剌激或閾上剌激時,膜內原先存在的負電位將迅速消失,但是因而弄成正電位,即膜內電位在短時間內可由原先的-90～－70mV變到+20~+40mV的水平,由原先的內負外正變為內正外負。這樣,整個膜內外電位變化的幅度應是90~130mV,這構成了動作電位變化曲線的上升支;并且,由剌激所引4起的這些膜內外電位的倒轉只是暫時的,很快就出現膜內電位的增長,由正值的降低發展到膜內出現剌激前原有的負電位狀態,這構成了動作電位曲線的增長支。由此可見,動作電位實際上是膜受剌激后在原有的靜息電位基礎上發生的一次膜右側電位的快速而可逆的倒轉和復原;在神經纖維,它通常在0.5~2.0ms的時間內完成,這使它在描記的圖形上表現為一次短促而尖銳的脈沖樣變化,因此學者們常把這些構成動作電位主要部份的脈沖樣變化,稱為鋒電位。在鋒電位升高支最后恢復到靜息電位水平曾經,膜右側電位還要經歷一些微小而較平緩的波動,稱為后電位,通常是先有一段持續5~30ms的負后電位,再出現一段延續更長的正后電位鋒電位存在的時期就相當于絕對不應期,這時細胞對新的剌激不能形成新的激動;負后電位出現時,細胞大概正處于相對不應期和超常期,正后電位則相當于低常期。動作電位或鋒電位的形成是細胞激動的標志,它只在剌激滿足一定條件或在特定條件下剌激硬度達到閥值時才會形成。但單一神經或肌細胞動作電位形成的一個特征是,只要剌激達到了閾硬度,再降低剌激并不能使動作電位的幅度有所減小;也就是說,鋒電位可能因剌激過弱而不出現,但在剌激達到閥值之后,它就一直保持它某種固有的大小和波形。另外,動作電位不是只出現在受剌激的局部,它在受剌激部位形成后,還可順著細胞膜向周圍傳播,并且傳播的范圍和距離并不因原初剌激的強弱而有所不同,直到整個細胞的膜都依次激動并形成一次同樣大小和方式的動作電位。
(3)“全或無”現象:神經受剌激部位和記錄部位之間有一段距離;但無論記錄電極在一神經纖維上怎么聯通,通常都能記錄到同樣大小和波形的鋒電位,所不同的只是剌激偽跡和鋒電位之間的間隔有所變化,這似乎與動作電位在神經纖維上“傳導”到記錄電極所在部位時所消耗的時間長短有關。這些在同一細胞上動作電位大小不隨剌激硬度和傳導距離而改變的現象,也稱“全或無”現象。
3.生物電現象的形成機制細胞生物電現象的各類表現,主要是因為個別帶電離子在細胞膜外側的不均衡分布,以及膜在不憐憫況下對那些離子的私密性發生改變所引起的。
(1)靜息電位和K+平衡電位:已知所有正常生物細胞內的K+含量超過細胞外K+含量好多,而細胞外Na+含量超過細胞內Na+含量好多,這是Na+泵活動的結果;在這些情況下,K+必然會有一個向膜外擴散的趨勢,而Na+有一個向膜內擴散趨勢。假設膜在安靜狀態下只對K+有通透的可能,這么只能有K+移出膜外,這時又因為膜內帶負電荷的蛋白質大分子不能急劇移出細胞,于是隨著K+移出,出現膜內變負而膜外顯得較正的狀態。K+的這些內向擴散并不能無限制地進行,這是由于移到膜外的K+所導致的外正內負的電場力,將對K的繼續外移起制約作用,并且K+移出的愈多,這些制約也會愈大。因而,構想當使得K+外移的膜右側K+含量勢能差同已移出K+導致的制約K+外移的電勢能差相等,亦稱膜右側的電物理(含量)勢代數和為零時,將不會再有K+的跨膜凈聯通,而由已移出的K+產生的膜內外電位差,也穩定在某一不再減小的數值。這一穩定的電位差在類似的人工膜化學模型中稱為K+平衡電位。用這一原理說明細胞跨膜靜息電位的形成機制。不難理解,K+平衡電位所能達到的數值,是由膜右側原初存在K含量差的大小決定的。
(2)鋒電位和Na+平衡電位:膜在遭到剌激時可能出現了膜對Na+私密性的忽然減小,超過了K+的私密性,因為細胞外高Na+,并且膜內靜息時原已維持著的負電位也對Na+的內流起吸引作用,于是Na+迅速內流,結果先是導致膜內負電位的迅速消失;并且因為膜外Na+的較高的含量勢能,Na+在膜內負電位降低到零電位時仍可繼續內移,直到內移的Na在膜內產生的正電位足以制止Na+的凈移入時為止。并且膜內電位逗留在ENa水平的時間極短;隨即很快出現膜內電位向靜息時的狀態恢復,亦稱出現復極,導致了鋒電位曲線的快速增長支實驗證明,增長支的出現是因為Na+私密性的消失,并伴隨出現了K+私密性的減小。細胞每激動一次或形成一次動作電位,總有一部份Na在去極化時步入膜內,一部份K+在復極化時逸出膜外,但因為離子聯通遭到各該離子的平衡電位的限制,它們的實際進出量是很小的。
二、興奮和傳導機制
1.閾電位和鋒電位的造成膜內負電位必須去極化到某一臨界值時,能夠在整段膜引起次動作電位,這個臨界值大概比正常靜息電位的絕對值小10~20mV,稱為閾電位。諸如巨大神經軸突的靜息電位為70mV,它的閾電位約為55mV。這不是因為大于閾電位的去極化不造成GNa的降低,實際情況是這時也有一定數量的Na通道開放,但因為膜對K+的私密性仍小于Na+,因此少量的Na+內流及其對膜內電位的影響隨后被K+的外流所抵消,因此去極化不能繼續發展下去,不能產生動作電位。只有當外來剌激造成的去極化達到閾電位水平時,因為較多量Na通道的開放導致了膜內電位較大的去極化,而此去極化已不再能被K外流所抵消,從而能進一步加強膜中Na+通道開放的概率,結果又使更多Na+內流降低而導致膜內進一步的去極化,這么反復推動,就產生一種正反饋的過程,稱為再生性循環,其結果使膜內去極化迅速發展,產生動作電位崎嶇的升支,直到膜內電位上升到近于Na+平衡電位的水平。由此可見,閾電位不是單一通道的屬性,而是在一段膜上能使Na+通道開放的數量足以導致前面描述的再生性循環出現的膜內去極化的臨界水平。由此也不難理解,只要剌激小于能引發再生性循環的水平,膜內去極化速率就不再決定于原剌激的大小;整個動作電位上升支的幅度也只決定于原先靜息電位的值和膜內外的Na+含量差,而與造成這次動作電位的剌激大小無關。此即動作電位所以能表現“全或無”現象的機制。閾電位是用膜本身去極化的臨界值來描述動作電位的形成條件。所謂閾硬度,是作用于標本時能使膜的靜息電位去極化到閾電位的外加剌激的硬度;這就是閾硬度和閾電位在概念上的區別。
2.局部激動及其特點一個閾下剌激會對可激動細胞形成何種影響?假如在巨大神經軸突放置一對剌激電極,但其中一個電極穿入膜內,再在附近放置一個作膜內電反應記錄的記錄電極。假設先把膜內的剌激！