1、1,本章重点： 1、细胞的兴奋性和生物电 2、静息电位和动作电位及其产生机制 3、兴奋的引起、阈值、局部电位、阈电位和锋电位 4、兴奋在同一细胞上传导的机制 5、熟练掌握细胞对刺激的反应及刺激与反应的关系 6、牢固掌握细胞的生物电现象及产生机理。本章内容：第一节 细胞的生物电现象第二节神经冲动的传导,第三章神经元的兴奋和传导Chapter III Neuronal excitability and conduction,2,第一节 细胞的生物电现象Section I-cell bio-electric phenomena生物电现象(bioelectric phonomenon):生命活动过程中
2、出现的电现象称为生物电。Bioelectricity, Electrophysiology1786，Galvani，神经-肌肉各自带有生物电电位计 阴极射线示波器 微电极技术电压钳技术膜片钳技术计算机实验材料：枪乌贼巨大神经纤维、海兔的巨大神经细胞,3,一、组织的兴奋和兴奋性P29 Excitation & excitability of tissue (一)刺激和反应,1.刺激stimulation：细胞和组织所处的内外环境的变化。 刺激的形式：物理 化学 机械等 刺激的三要素：强度；持续时间；强度-时间变化率(方波刺激时不变) 阈强度(阈值) threshold intensity (va
3、lue) :刺激的持续时间固定,引起 细胞或组织发生反应(产生AP)的最小 刺激强度 阈刺激threshold stimulus:具有阈强度的刺激,4,2.反应response:可兴奋组织或细胞对刺激所发生的应答。 兴奋excitation:机体对外界环境变化做出的反应。或活组织因刺激而产生冲动的反应。或可兴奋组织受到有效刺激后产生动作电位的过程或现象。 抑制inhibition:由活动状态转变为相对静止状态，或功能活动由强变弱。(二)可兴奋细胞或组织和兴奋性 1.可兴奋细胞或组织excitable cell or tissue:受刺激后能产生反应(即AP)的细胞或组织。神经、肌肉、腺体的细胞
4、或组织属于此类。,5,2.兴奋性 excitability: 可兴奋组织、细胞对刺激发生反应(即产生 动作电位)的能力。 衡量兴奋性高低的指标阈值 Excitability 阈上刺激 supraliminal stimulus 阈下刺激 subthreshold stimulus 阈强度 threshold intensity,1threshold intensity,6,二、细胞膜的被动电学特性,1.平行板电容器:细胞膜脂质双层将细胞内外 液隔开,类似于平行板电容器。2.细胞膜电学特性:细胞膜具有膜电容Cm : 较大，约1F/cm2膜电阻Rm: 可变,与通道及转运体数目有关； Rm倒数即膜电
5、导Gm=带电离子通透性细胞膜通道开放带电离子跨膜移动相 当于电容器充电或放电可产生电位差即 跨膜电位 transmembrane potential,Em因此电学特性可用并联的阻容耦合电路来描述,7,3.电紧张电位electrotonic potential 随距刺激原点距离的增加而膜电位呈指数衰减的电位变化称电紧张电位。 该电位是由膜的固有电学特性决定的,其产生过程中没有离子通道的激活,也无膜电导的改变。,8,三、静息电位及其产生机制(P26),(一)静息电位Resting potential，RP 细胞在未受刺激时(静息状态下),存在于细胞膜内外的电位差。,9,1.在微电极尖刚插入膜内的瞬
6、间,记录仪器显 现一个突然的电位跃变；2.静息电位是一个稳定的直流电位；3.范围:-10mV-100mV(随细胞种类而不同); 极化(polarization):外正内负 去极化(depolarization):|RP|值减小 超极化(hyperpolarization):|RP|值增大 反极化(reversepolarization):去极到正值 复极化(repolarization):去极后向RP恢复 超射(overshoot):膜电位高于0电位部分,10,(二)静息电位产生机制,1.生物电活动的基础:钠泵活动造成膜内外离子不均衡分布:胞外Na+胞内Na+,胞内K+胞外K+2.离子扩散与离
7、子平衡电位： 扩散驱动力：浓度差和电位差 膜通透性：安静状态下,膜主要对K+通透 扩散平衡：电位差=浓度差,驱动力=0 根据Nernst公式可计算出离子平衡电位,11,钠平衡电位(+50+70mV),离子平衡电位 ion equilibrium potential,钾平衡电位(-90-100mV),12,离子平衡电位计算公式,Nernst方程： (环境温度为27时，教材为29.2) K+oEK=59.5 log (mV) K+i E:是某种离子的平衡电位,13,膜主要对K+通透细胞内外K+势能差K+经通道易化扩散扩散出的K+形成阻碍K+继续扩散的电场力K+的浓度差动力和电场力阻力平衡,静息电位
8、Resting Potential:,14,负电位，范围：-10 - -100mV。 例如：骨骼肌细胞的静息电位约-90mV， 神经纤维为-70 - -90mV， 平滑肌细胞为-50 - -60mV， 红细胞为 -10mV，等。,静息电位值Resting Potential,15,Nernst公式(环境温度为27时) EK=59.5 log (mV), RP相当于EK，但实测值总是小于Nernst公式的计算值，原因是静息时，细胞膜对Na+等离子也存在一定的通透性,K+o K+i,16,Nernst 方程（1889年）： Ek= RT/ZF. Ln K+o/K+i 式中R是气体常数，T是绝对温度
9、， z是离子的化合价，F是Farady常数， K。和Ki分别表示膜外和膜内K的浓度。如果把环境温度设定为27，同时将自然对数转换为常用对数，则式可简化为 Ek= 61 logK+o/K+I (mv) 各种可兴奋细胞膜内外K+ 浓度的比值约在20-50之间，据此可计算出K+的平衡电位约为-78。与静息电位的实测值相近.,17,影响RP因素： 胞内、外的K+: K+o与 K+ i的差值决定EK， K+o EK 膜对K+、Na+通透性: K+的通透性,则RP,更趋向于EK Na+的通透性,则RP,更趋向于ENa Na+-K+泵的活动水平,Resting Potential,18,钠-钾泵 （sodi
10、um-potassium pump）:存在于细胞膜上的一种具有ATP酶活性 的特殊蛋白质,可被细胞膜内的Na+增加或细胞外K+的增加所激活，受Mg2+浓度的影响，分解ATP释放能量，进行Na+ 、K+逆浓度和电位梯度的转运。,19,1.钠泵活动造成的细胞内高K，是胞浆内许多代谢反应所必需的。例如，核糖体合成蛋白质就需高K的环境。2.将不断漏入的Na转运出胞外，以维持胞浆渗透压和细胞容积的相对稳定。 维持细胞外高Na+，使得Na+不易进入细胞，也阻止了与之相伴随的水的进入，对维持正常细胞的渗透压与形态有着重要意义；钠泵被抑制后，由于Na以及相伴随的Cl内流，会使胞浆渗透压升高，细胞肿胀。,钠-钾
11、泵的生理意义:,20,3.细胞内代谢产生的H通过Na-H交换机制排除膜外，钠泵活动形成的膜内、外Na浓度差，是维持Na-H交换的动力。钠泵的活动对维持细胞内PH的稳定具有重要的意义。4.钠泵活动造成的膜内外Na和K的浓度差，是细胞生物电活动的前提条件。5.钠泵每分解1分子ATP，可排出3个Na，转入2个K，因而它的活动是生电性的，可使膜超极化，并在一定程度上影响静息电位的数值。6.建立势能贮备，是神经、肌肉等组织具有兴奋性的基础，Na在膜两侧的浓度差也是其他物质继发性主动转运的动力。如葡萄糖、氨基酸等进行继发性主动转运的能量来源。,21,四、动作电位及其产生机制,(一)动作电位Action p
12、otential,AP 1.在RP基础上，细胞受到一个适当(不 小于阈值)刺激时，其膜电位所发生的 一次可扩布、迅速的、短暂的波动。,实质：是膜电位在RP基础上发生的一 次可扩布、快速的倒转和复原；是细胞 兴奋的本质表现。,22,2.动作电位的波形:,23,升支(去极化相)降支(复极化相)锋电位 spike potential电位变化显示为一高幅尖锋后电位 负后电位 negative after-potential 正后电位 positive after-potential,24,后电位动作电位在复极后期发生的一些微小而缓慢的电位波动，为后电位，包括负后电位和正后电位负后电位(Negative
13、 after potential) (Positive after potential)： : 复极后期，膜电位恢复到静息电位水平之前的缓慢的复极过程，称之为负后电位 机制：K+蓄积于膜外而进一步阻止K+的外流所致,25,正后电位(Positive after potential)： : 继负后电位之后，膜电位有一个低于静息电位水平的电位波动，称之为正后电位 机制：由于Na+K+泵活动，将向细胞内泵入2K+，而向细胞外泵出3Na+ ，因此时尽管细胞复极已达静息水平，但膜两侧的离子尚为恢复到原来的水平,26,1.离子跨膜流动的电化学驱动力 电化学驱动力=Em-E离子 = *动力为负值时：推动正电
14、荷流入胞(内向 电流 inward current,如Na+,Ca2+内流) *动力为正值时：推动正电荷出胞(外向电 流outward current,如K+外流,Cl-内流)RP条件下，Na+受到很强的内向驱动力,(二)动作电位的产生机制,Na+=-130mV K+=+20mV,27,2.动作电位期间Gm（电导）的变化 用电压钳(voltage clamp,固定膜电位,测量膜电流)技术的研究结果表明: 动作电位期间,膜GNa首先增加,随即又衰减,在其衰减的同时GK增大。,28,3.Gm变化的机制是离子通道的活动 膜片钳(patch clamp):钳制一小片膜， 记录单个通道离子电流的技术。,
15、膜片钳技术,29,用膜片钳技术研究的结果说明：膜电导变化的实质是实质是膜上离子通道随机开放和关闭的总和效应,30,AP期间的离子通道ion channels活动：,膜片钳的实验研究表明，AP期间有两种离子通道活动： Na+通道：通道特异性阻断剂 :河豚毒(tetrodotoxin,TTX) K+通道：通道特异性阻断剂:四乙铵(tetraethylammonium, TEA),31,刺激后,膜对Na+通透 膜内外Na+势能贮备 Na+经通道易化扩散扩散的Na+抵消膜内负电位,形成正电位直至正电位增加到足以对抗由浓度差所致的Na+内流,Action Potential：, AP的超射值等于Na+平
16、衡电位(+50+70mV),32,Na+通道去极化激活失活恢复,Action Potential：升支,Na+通道激活开放,Na+内流形成AP上升支,33,Action Potential: 降支,K+通道激活开放,K+外流形成AP下降支,K+通道关闭激活,34,小结AP的形成的离子基础： 升支:Na+内流； 降支:K+外流； 静息水平: Na+- K+ 泵活动,离子恢复静息 时的分布状态； 负后电位(后去极化,after depolarization):复极 时外流的K+蓄积在膜外,阻碍了K+外流； 正后电位(后超极化,after hyperpolarization):生 电性钠泵作用的结果
17、,35,AP的特点：,“全或无” all or none：幅度不随 刺激强度增加而增大 可传播性:不减衰传导(幅度波形不变) 有不应期:因而锋电位之间不发生 融合或叠加,36,4.动作电位的引起,(1)局部兴奋及其向锋电位的转变 阈下弱刺激电紧张电位刺激稍加强去极化电紧张电位少量Na+通道开放, 少量Na+内流被K+外流抵消 不能发展成AP只能与电紧张电位叠加局部反应(local response)。 因此，局部反应是阈下刺激在受刺激的膜的局部引起的一个较小的去极化反应。又称局部兴奋或局部电位 (local excitation or potential),37,刺激强度增加较多Na+通道开放
18、,较多Na+内流当刺激强度使膜去极化程度达某一临界膜电位(阈电位)时Na+内流K+外流膜发生更强的去极化从而使更多Na+通道开放和Na+内流(形成Na+通道激活对膜去极化的正反馈)直至接近ENa AP,38,局部电位及其向锋电位的转变,39,(2) 阈电位 threshold potential，TP 能引起大量Na+通道开放和Na+内流并形成Na+通道激活对膜去极化的正反馈过程进而诱发动作电位的临界膜电位值。 阈电位一般比RP小1020mV。 如神经细胞RP=-70mV，TP-55mV 达到阈电位后,AP幅度只取决于膜电位去极化程度、Na+通道和Na+电流之间的正反馈过程，而与外加刺激强度无
19、关。,40,(3)局部反应Local response 阈下刺激因强度较弱而不能使膜的去极化达到阈电位，不能触发AP，但可引起局部反应。,局部反应的特征：非“全或无”：反应幅度随刺激强度的增大而 增大在局部形成电紧张性扩布可以总和: 空间总和 spatial summation 时间总和 temporal summation,41,42,(三)细胞一次兴奋后兴奋性的周期性变化,绝对不应期(相当于锋电位) absolute refractory period 兴奋性=0 Na+通道全部关闭相对不应期(相当于负后电位) relative refractory period 正常兴奋性0 Na+通道
20、渐恢复 超常期(相当于负后电位)supranormal period 兴奋性正常 Na+通道恢复 低常期(相当于正后电位)subnormal period 兴奋性兴奋性0超常期： 兴奋性正常 低常期： 兴奋性正常,兴奋性的周期性变化,44,绝对不应期(absolute refractory period)组织兴奋后，在去极之后到复极达到一定程度之前对任何强度的刺激均不产生反应.(0.3ms)相对不应期(relative refractory period)绝对不应期之后，随着复极化的继续，组织的兴奋性有所恢复，只对阈上刺激产生兴奋(3ms),45,超常期(supranormal period)
21、相对不应期之后，兴奋恢复高于原有水平，用阈下刺激就可引起兴奋(12ms)低常期(subnormal period)超常期之后，组织进入兴奋性较低时期，只有阈上刺激才能引起兴奋(70ms),46,第二节神经冲动的传导 Section II Nerve impulse conduction,一、冲动的产生电紧张电位局部反应或局部电位阈电位和动作电位,冲动种快速的可传导的的生物电的变化(动作电位）,47,1、电紧张电位 (electrotonic potential) 定义：阈下刺激所引起的细胞膜电位发生的变化（超极化或去极化）。特点：被动反应，局限性，分级性，电紧张性扩布 (electrotoni
22、c propagation,48,2、局部反应 (local response)定义：指阈下刺激时（外向电流）产生的电紧张电位和由少量Na+通道开放产生的特定电变化叠加在一起的去极化电位，又称Local potential或Local excitation,Local Potential：（1）肌细胞的终板电位EPP（2）感受器细胞的感受器电位（3）N元突触的突触后电位,特点：不具全或无性质；不能传导，只能向周围作短距离的电紧张性扩布；无不应期，有总和现象,49,3、阈电位和动作电位的引起 (Threshold potential and AP Genesis)阈电位：能够导致膜对Na+通透性
23、突然增大的临界膜电位数值。（能触发AP产生的临界膜电位数值）阈刺激就是刚能使膜电位降低到阈电位水平的最低刺激强度。动作电位特点： 具有全或无性质； 非递减性传导。,50,局部电位和动作电位的区别：,局部电位 动作电位 刺激强度 阈下刺激 阈刺激 Na+通道开放数量少 多 电位幅度 小 大 总和现象 有 无 全或无现象 无 有 不应期 无 有 传播特点 紧张性扩布 非衰减性传导,51,二、冲动的传导 (Conduction of Action potential),1、神经冲动传导的一般特点 生理完整性 双向性 非递减性 绝缘性 相对不疲劳性,定义：动作电位在同一细胞上的传布过程,52,2、冲动
24、传导的机制- Local current学说,冲动传导的局部电流与两种纤维的传导特点：有髓神经纤维：跳跃式传导，速度快无髓神经纤维：连续传递，速度慢无髓NF 兴奋部位：电荷分布为内正外负（反极化） 相邻静息部位：电荷分布为内负外正 两部位存在电位差（可高达100）产生局部电流，局部电流邻近的静息部位兴奋膜去极化新的动作电位，如此顺次重复动作电位沿整个膜传播。,53,无髓鞘神经纤维AP传导:,无髓鞘神经纤维AP传导机制 局部电流local current 传导速度:轴突直径、电阻、钠通道密度,54,跳跃式传导： 提速、节能,有髓鞘神经纤维AP传导：,有髓鞘神经纤维AP传导机制 局部电流发生在郎飞
25、结 间的跳跃式传导 saltatory conduction,55,影响传导速度因素直径粗细粗纤维R小，电流大，传导速度快 细纤维R大，电流小，传导速度慢有无髓鞘 温度：恒温动物较变温动物快 猫 A.f: 100m/s蛙 A.f: 40m/s人尺神经 54m/s,56,三、神经干复合动作电位(compound action potential）,1、神经干复合动作电位的定义与特点1）定义：神经干所包含的许多神经纤维的生物电变化的总和2）特点：细胞外记录兴奋快慢与阈值有关：阈值低的先兴奋，阈值高的后兴奋兴奋传导速度与纤维直径成正相关系实质：记录电极下膜外两点的电位差,57,一个复合动作电位系若干
26、电位幅度和传导速度不同的成分组成,记录方法：电极置于神经干的表面 特点：幅度随刺激强度增强逐渐增大。 最大刺激-能使神经干中所有纤维都兴奋的刺激。,58,（）单相动作电位,-在神经干上放置一对电极，但a极置于无损伤部位，b极部位则予以损伤或阻断。当在神经干一端进行刺激时，a极和b极之间的电位变化。,四、双相动作电位和单相动作电位,59,（）双相动作电位- 神经干上放置一对记录电极a和b。当在神经干一端进行刺激时，动作电位分别传导到a、b电极部位时，a、b之间出现电位差呈双相变化。,60,1：AP 没有传到记录电极下时， a，b之间无电位差2：动作电位传导到a电极部位时，a、b之间出现电位差，b
27、为正，a为负，示波器扫描线向上偏转。3：当动作电位继续传导到a、b两电极之间时，a、b又处于等电位状态，扫描回到基线。4：当动作电位到b电极部位时，a、b之间又出现电位差，a为正、b为负，扫描线向下偏转。5：记录回到零位,61,想一想1.有髓神经纤维与无髓神经纤维都是通过局部电流的机制传导动作电位的，因此二者兴奋的传导速度相同。 （ ）2.阈下刺激可引起可兴奋细胞生产局部反应，局部反应具有“全或无”的特性。 （ ）3.局部反应就是细胞膜上出现的较局限的动作电位。 （ ）4.局部去极化电紧张电位可以叠加而增大，一旦达到阈电位水平则产生扩布性兴奋。（ ）5.单一神经纤维动作电位的幅度，在一定范围内
28、随刺激强度的增大而增大。 （ ）,1. 2. 3. 4.5. ,62,知识小结阈强度与阈刺激:在一定的刺激持续作用下，刚能引起组织兴奋的临界刺激强度，称为阈强度；达到这一临界强度的刺激是引起细胞产生动作电位的有效刺激，称为阈刺激。兴奋性和兴奋 :兴奋性是指细胞在受刺激时产生动作电位的能力。兴奋是指细胞在收到刺激时产生动作电位过程。极化与去极化 :极化是指静息状态下膜两侧所保持的内负外正的膜电位状态；去极化指膜内电位向负值（即膜内电位绝对值减小）的方向变化的过程。 静息电位与动作电位 :静息电位指细胞未受到刺激时存在于细胞膜两侧的电位差。动作电位指可兴奋细胞受到刺激后在静息电位的基础上发生的一次快速、短暂、可逆转且可扩布的膜电位变化的过程。,63,动作电位及其“全或无”现象 :动作电位指可兴奋细胞受到刺激后在静息电位的基础上发生的一次快速、短暂、可逆转且可扩布的膜电位变化的过程。 “全或无”现象是指动作电位的产生，不会因为刺激因素的不同或强度的差异而使动作电位的形状发生改变，即动作电位只要发生，它的波形就不发生变化。,64,作业：P41：1；3；7,
