探索腦讀書會(huì)講義神經(jīng)元靜息電位動(dòng)作電位

人類應(yīng)當(dāng)知道，因?yàn)橛辛四X，我們才有了樂趣、欣喜、歡笑和運(yùn)動(dòng)，才有了悲痛、哀傷、絕望和無盡的憂思。因?yàn)橛辛四X，我們才以一種獨(dú)特的方式擁有了智慧、獲得了知識(shí)；我們才看得見、聽得到；我們才懂得了美與丑、善與惡；我們才感受到甜美與無味……同樣，因?yàn)橛辛四X，我們才會(huì)發(fā)狂和神智昏迷，才會(huì)被畏懼和恐怖所侵?jǐn)_……我們之所以會(huì)經(jīng)受這些折磨，是因?yàn)槟X有了病恙……由于這樣一些原因，我認(rèn)為，腦在一個(gè)人的機(jī)體中行使了至高無上的權(quán)力?！狧ippocrates（希波克拉底，古希臘醫(yī)師，西方醫(yī)學(xué)之父），OntheSacredDisease，論神圣的疾病，公元前4世紀(jì)（《神經(jīng)科學(xué)——探索腦》第二版P3）第一頁，共四十八頁。第二頁，共四十八頁。神經(jīng)系統(tǒng)的兩類細(xì)胞神經(jīng)元

約1000億負(fù)責(zé)處理信息神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞

數(shù)量10倍于神經(jīng)元隔離、支持以及營養(yǎng)周圍神經(jīng)元&處理信息第三頁，共四十八頁。一、作為一個(gè)細(xì)胞，神經(jīng)元的信息處理能力從何而來？（《探索腦》第2章）基本思路：結(jié)構(gòu)——功能相關(guān)性第四頁，共四十八頁。1.外部形態(tài)上，神經(jīng)元與其它細(xì)胞有何不同？胞體：直徑20微米，含有細(xì)胞核及其它細(xì)胞器。（人眼分辨率極限：100微米。）軸突：一般只有1個(gè)，長度可達(dá)1米，傳遞神經(jīng)元的輸出信號(hào)。軸突可有分支，成直角。樹突：長度小于2毫米，接受輸入信號(hào)。

《探索腦》P25第五頁，共四十八頁。和其它細(xì)胞比較一下外形：

神經(jīng)突起是神經(jīng)元細(xì)胞的獨(dú)有結(jié)構(gòu).第六頁，共四十八頁。2.神經(jīng)元內(nèi)部的那些奇形怪狀的細(xì)胞器，

都是干神馬用的？

《探索腦》P28第七頁，共四十八頁。

細(xì)胞核：封裝遺傳信息，最終決定了神經(jīng)元蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能細(xì)胞核內(nèi)有46條染色體；每條染色體含有2納米寬的連續(xù)雙螺旋DNA（脫氧核糖核酸），總長>2米。DNA字符串上的段落就是基因，長0.1至幾微米。第八頁，共四十八頁。DNA在細(xì)胞核，but蛋白質(zhì)合成在細(xì)胞質(zhì)，信息如何傳達(dá)？還好，有mRNA（信使核糖核酸）作為信使分子生物學(xué)的中心法則：DNAmRNA蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯第九頁，共四十八頁。轉(zhuǎn)錄：組裝一段含有基因信息的mRNA?！短剿髂X》P29第十頁，共四十八頁。翻譯：

附在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的核糖體，以氨基酸為原料，根據(jù)mRNA提供的藍(lán)圖（遺傳信息），合成蛋白質(zhì)。粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)：合成蛋白質(zhì)的工廠第十一頁，共四十八頁。粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)&核糖體《探索腦》P29（25納米）第十二頁，共四十八頁。在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和游離核糖體上，合成蛋白質(zhì)。綠色小花：核糖體；紅絲帶：mRNA黃絲帶：合成的蛋白質(zhì)；《探索腦》P30第十三頁，共四十八頁。像圖靈機(jī)嗎？有點(diǎn)兒。圖片來源：jake《探索腦》P30第十四頁，共四十八頁。不同場所合成的蛋白質(zhì)，

有不同的歸宿游離核糖體上合成的蛋白質(zhì)：釋放入胞液。粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上合成的蛋白質(zhì)：嵌入細(xì)胞膜or細(xì)胞器膜?！沁@些膜上蛋白（哪些？稍后詳解）

，給予了神經(jīng)元奇妙的信息處理能力。第十五頁，共四十八頁。高爾基體：蛋白質(zhì)“翻譯后”進(jìn)行大量化學(xué)修飾（？）的場所把運(yùn)轉(zhuǎn)到神經(jīng)元不同部位（如軸突和樹突）的蛋白質(zhì)，進(jìn)行分類整理。（粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的下一個(gè)工種）《探索腦》P31第十六頁，共四十八頁。線粒體：神經(jīng)元里的發(fā)電廠。

合成ATP，提供能量?！拔搿北?氧氣，合成ATP（三磷酸腺苷）《探索腦》P311微米的香腸第十七頁，共四十八頁。ATP是細(xì)胞內(nèi)的能量流通物質(zhì)儲(chǔ)藏在ATP中的化學(xué)能（？），供給神經(jīng)元大多數(shù)生化反應(yīng)。例：神經(jīng)元膜上的特定蛋白（離子泵），利用ATP釋放的能量將某些物質(zhì)跨細(xì)胞膜從低濃度“泵”到高濃度維持神經(jīng)元內(nèi)外的濃度差

使得靜息電位和動(dòng)作電位成為可能。例：給驅(qū)動(dòng)蛋白&動(dòng)力蛋白供能（在軸突里）。第十八頁，共四十八頁。3.軸突不含核糖體，蛋白質(zhì)從哪來？

——胞體

軸突：輸出神經(jīng)信號(hào)軸漿運(yùn)輸：蛋白質(zhì)合成于胞體，沿軸突運(yùn)輸。順向運(yùn)輸：蛋白質(zhì)（？）存儲(chǔ)于囊泡，胞體末梢，由“驅(qū)動(dòng)蛋白”運(yùn)輸。逆向運(yùn)輸：末梢胞體，由“動(dòng)力蛋白”運(yùn)輸，給胞體提供軸突末梢需求變化的信息。這個(gè)過程需要線粒體合成的ATP提供能量

第十九頁，共四十八頁。驅(qū)動(dòng)蛋白擔(dān)任“腿腳”的順向運(yùn)輸。沿著軸突，胞體末梢《探索腦》P38如果你是腦科學(xué)研究人員，你能借助這個(gè)系統(tǒng)追蹤腦內(nèi)的神經(jīng)連接嗎？第二十頁，共四十八頁。注射+顯影：

追蹤神經(jīng)連接神經(jīng)末梢注射HRP(辣根過氧化物酶)

經(jīng)逆向運(yùn)輸至胞體化學(xué)反應(yīng)使腦切片上的HRP顯影揭示腦內(nèi)連接?！短剿髂X》P39狂犬病毒也會(huì)搭便車：由皮膚上軸突末梢經(jīng)逆向運(yùn)輸進(jìn)入神經(jīng)系統(tǒng)瘋狂復(fù)制，殺死宿主神經(jīng)元感染者死亡。第二十一頁，共四十八頁。二、靜息態(tài)下，神經(jīng)元膜內(nèi)的負(fù)電位如何產(chǎn)生和維持？（靜息電位原理）

（《探索腦》第3章）

第二十二頁，共四十八頁。1.滿是漏洞的軸突，在傳播電信號(hào)時(shí)，與銅導(dǎo)線相比有什么優(yōu)勢？

銅導(dǎo)線軸突良導(dǎo)體，電子導(dǎo)電帶電原子（離子）導(dǎo)電絕緣性好（絕緣層或空氣）浸浴在可導(dǎo)電的含鹽細(xì)胞外液中，就像水流過滿是漏洞的水管被動(dòng)傳導(dǎo)，信號(hào)隨距離衰減動(dòng)作電位：固定大小和持續(xù)時(shí)間的信號(hào)。信息編碼方式：單個(gè)神經(jīng)元上動(dòng)作電位的頻率&觸發(fā)動(dòng)作電位的神經(jīng)元分布與數(shù)量。第二十三頁，共四十八頁。理解動(dòng)作電位，先要理解靜息電位靜息電位：神經(jīng)元不沖動(dòng)時(shí)，稱為靜息態(tài)。神經(jīng)元膜內(nèi)表面，分布負(fù)電荷，這種跨膜電荷分布的差異，稱為靜息膜電位。動(dòng)作電位：靜息電位的短暫翻轉(zhuǎn)（可短至1毫秒），與膜外相比，膜內(nèi)變?yōu)檎姾?。第二十四頁，共四十八頁。離子通道（ionchannel）（雙向？）選擇性地通透離子，高濃度低濃度；

鈉通道：幾乎只通透

鉀通道：只通透鈣通道：只通透正離子通過神經(jīng)元膜，負(fù)離子不通過，則膜內(nèi)外必然產(chǎn)生正負(fù)電荷的凈差，即膜內(nèi)外的電位差。門控（gating）特性，通道可根據(jù)膜局部微環(huán)境的改變，進(jìn)行開放和關(guān)閉。2.對于靜息電位，神經(jīng)元膜上兩種重要跨膜蛋白質(zhì)，為何缺一不可？第二十五頁，共四十八頁。嵌入神經(jīng)元膜的離子通道《探索腦》P55第二十六頁，共四十八頁。另外一種重要的跨膜蛋白：離子泵離子泵（ionpump）：形成濃度梯度。什么力量驅(qū)動(dòng)離子通過離子通道？——膜內(nèi)外的離子濃度差。為什么離子濃度差沒有隨離子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)而消失？——離子泵在維持膜內(nèi)外的離子濃度差（濃度梯度），把離子由低濃度泵到高濃度沒有離子泵，大腦將停止工作。需ATP供能（主動(dòng)熵減）第二十七頁，共四十八頁。膜內(nèi)外不同離子的濃度差&膜電位

（沒有濃度差就沒有膜電位）體溫條件下，如果神經(jīng)元膜僅為某種離子單一通透時(shí)的膜內(nèi)電位。《探索腦》P62摩爾（mol）：每升溶液中的分子數(shù)。第二十八頁，共四十八頁。降解ATP釋放化學(xué)能，驅(qū)動(dòng)鈉鉀泵交換膜內(nèi)與膜外

結(jié)果：富集于神經(jīng)元內(nèi)，富集于神經(jīng)元外鈉鉀泵是耗能大戶，占大腦ATP消耗量的70%鈉鉀泵：鉀進(jìn)鈉出，形成梯度《探索腦》P62第二十九頁，共四十八頁。鈉鉀泵：交換鈉鉀，形成梯度鉀進(jìn)，納出《探索腦》P62第三十頁，共四十八頁。3.膜內(nèi)負(fù)電位，是膜內(nèi)外離子在哪兩種力作用下的動(dòng)態(tài)平衡？

擴(kuò)散力：離子經(jīng)選擇性離子通道，高濃度流向低濃度；電場力：擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)后，細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)凈負(fù)電荷，產(chǎn)生跨膜電位差。電場力由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，又與其制衡。第三十一頁，共四十八頁。第一種力：擴(kuò)散力《探索腦》P56第三十二頁，共四十八頁。第二種力：電場力神經(jīng)元膜內(nèi)外的電場從何而來呢？《探索腦》P57第三十三頁，共四十八頁。膜內(nèi)外存在濃度梯度（鉀內(nèi)高外低）插入鉀通道（選擇性通透）擴(kuò)散至膜外，其它的負(fù)離子如，被阻擋膜內(nèi)得到凈負(fù)電荷，出現(xiàn)跨膜電位差形成跨膜電場（內(nèi)負(fù)外正），吸引回到細(xì)胞內(nèi)。推動(dòng)外出的擴(kuò)散力，和吸引它們返回胞內(nèi)的電場力相等，方向相反時(shí)，跨膜凈運(yùn)動(dòng)停止。形成精確的平衡某種濃度梯度的離子平衡電位。|擴(kuò)散力|=|電場力|：離子平衡電位第三十四頁，共四十八頁。離子平衡電位的建立（內(nèi)負(fù)外正）《探索腦》P59第三十五頁，共四十八頁。計(jì)算總的膜電位《探索腦》P61第三十六頁，共四十八頁。4.為什么靜脈注射氯化鉀會(huì)致死？心肌細(xì)胞也需要細(xì)胞膜維持靜息電位靜脈注射氯化鉀（回流到心臟）心肌細(xì)胞膜外濃度升高膜內(nèi)外離子濃度差消失膜內(nèi)正的不再擴(kuò)散外流膜內(nèi)負(fù)的靜息膜電位被去除心肌細(xì)胞不再產(chǎn)生能夠?qū)е率湛s的沖動(dòng)心臟立刻停止跳動(dòng)掛了第三十七頁，共四十八頁。三、沖動(dòng)不是魔鬼

（動(dòng)作電位的產(chǎn)生和傳遞）

（《探索腦》第4章）

第三十八頁，共四十八頁。動(dòng)作電位的子過程：上升相&下降相

（圖在下一頁）靜息電位：-65mV去極化（上升相）：膜電位快速翻轉(zhuǎn)變正，達(dá)+40mV超射：膜電位超過0V以上的部分。復(fù)極化（下降相）：膜電位恢復(fù)為負(fù)值，直至比靜息電位更負(fù)?；厣鋙r后超極化：膜電位低于靜息電位的部分逐步恢復(fù)到靜息電位。整個(gè)過程2ms。（所謂極化，就是一邊正一邊負(fù)的狀態(tài)。）第三十九頁，共四十八頁。單個(gè)動(dòng)作電位的組成《探索腦》P72第四十頁，共四十八頁。多個(gè)動(dòng)作電位的產(chǎn)生在胞內(nèi)注入正電流，相當(dāng)于人工去極化。刺激電流持續(xù)，動(dòng)作電位卻迅速回落又上升。形成脈沖，用頻率編碼。《探索腦》P73第四十一頁，共四十八頁。動(dòng)作電位的頻率，依賴于去極化水平（編碼刺激強(qiáng)度）刺激越強(qiáng)動(dòng)作電位頻率越高去極化沒達(dá)到閾值不產(chǎn)生動(dòng)作電位極限為1000Hz。1ms內(nèi)，不可能產(chǎn)生下一個(gè)動(dòng)作電位，不應(yīng)期?！短剿髂X》P73第四十二頁，共四十八頁。1.動(dòng)作電位過程中，離子通道如何開閉？離子如何跨膜流動(dòng)？動(dòng)作電位是一個(gè)對跨膜電荷進(jìn)行大幅度再分配的過程。去極化：鈉離子跨膜內(nèi)流。復(fù)極化：鉀離子跨膜外流。第四十三頁，共四十八頁。2.為什么神經(jīng)元是用動(dòng)作電位的頻率而不是電壓，來編碼刺激的強(qiáng)度？此種編碼方式的優(yōu)勢何在？

A:高保真（Jake的答案）

就像調(diào)幅（用電位編碼）&調(diào)頻（用頻率編碼）的區(qū)別為什么的兩種含義：產(chǎn)生的原因（why），離子通道的開閉很快（下面詳述）功能（forwhat）？第四十四頁，共四十八頁。電壓門控鈉通道開放：去極化1、膜電位-65mV，閾值以下，鈉通道關(guān)閉。2、膜電位-65mV升至-40mV，達(dá)到閾值，短暫延遲后，鈉通道開放，鈉離子內(nèi)流，產(chǎn)生動(dòng)作電位。3、開放持續(xù)時(shí)間<1ms迅速關(guān)閉。持續(xù)去極化導(dǎo)致失活。4、要使鈉通道去失活，膜電位必須恢復(fù)到-65mV（復(fù)極化以后）。膜電位鈉通道電流膜電位&鈉通道相互影響這個(gè)5毫秒是不是太長了？《探索腦》P83第四十五頁，共四十八頁。3.電壓門控鈉通道和電壓門控鉀通道如何精確配合？鈉通道：膜內(nèi)負(fù)電位達(dá)到閾值電壓門控鈉通道開放鈉離子跨膜內(nèi)流膜內(nèi)電壓上升變正去極化；鉀通道：膜去極化1ms后電壓門控鉀通道開放