神經(jīng)元興奮和傳導(dǎo)

第一節(jié)細(xì)胞膜的電生理一、靜息電位的形成和維持細(xì)胞在未受刺激的靜息狀態(tài)下，膜兩側(cè)存在外正內(nèi)負(fù)的電位差稱為靜息電位（RestingpotentialRP.）。在神經(jīng)和肌肉，靜息電位一般為-70～-90mv之間。紅細(xì)胞的靜息電位為-10mv。

細(xì)胞外正內(nèi)負(fù)的兩極對峙狀態(tài)叫做極化（polarization）。細(xì)胞死亡以后，極化狀態(tài)消失，靜息電位為0。第1頁/共32頁（一）靜息電位主要決定于K+的平衡電位

形成靜息電位的原因主要有兩點：１、細(xì)胞膜的選擇通透性

正常細(xì)胞膜在靜息狀態(tài)下，對Na+、Cl-、Ca2+和A-等都不通透，只有對K+比較自由通透。

第2頁/共32頁２、細(xì)胞內(nèi)外離子分布不均勻第3頁/共32頁由于上述原因，細(xì)胞內(nèi)的鉀離子必然要順著自己的濃度差由細(xì)胞內(nèi)向著細(xì)胞外擴散。鉀離子在向著細(xì)胞外擴散時，遇到了兩種方向相反的力量：

１、鉀離子向細(xì)胞外越擴散，其濃度差就越來越小，擴散力量也就越來越小。２、鉀離子向細(xì)胞外越擴散，細(xì)胞外的電位就越高，胞外的正電荷阻止鉀離子向外擴散的力量也就越來越大（胞內(nèi)帶負(fù)電荷的有機蛋白分子也吸引正電荷的鉀離子外出）。當(dāng)促使鉀離子外出的化學(xué)濃度力量與對抗鉀離子外出的電場力量二者達(dá)到平衡時（即電－化平衡），鉀離子向外的凈擴散便停止，此時細(xì)胞膜兩側(cè)的電位差達(dá)到最大并穩(wěn)定下來——即為靜息電位。

靜息電位是一種勢能差，它為細(xì)胞受到刺激產(chǎn)生興奮奠定了基礎(chǔ)。第4頁/共32頁實驗證明：如果增加細(xì)胞外液的鉀離子濃度，則鉀離子向細(xì)胞外擴散較少，細(xì)胞的靜息電位則減小；反之，若降低細(xì)胞外液的鉀離子濃度，則細(xì)胞的靜息電位增大。改變細(xì)胞外液的鈉離子濃度對細(xì)胞的靜息電位則沒有影響。由此表明——鉀離子是形成靜息電位的主要離子基礎(chǔ)。根據(jù)物理化學(xué)方程式（Nernst式），根據(jù)某種離子在膜兩側(cè)的濃度，就可以計算出這種離子電化平衡時的膜電位。EK=60lg

即，細(xì)胞內(nèi)的鉀離子若高于細(xì)胞外10倍，則形成60mv的電位差；若高于100倍，則形成120mv的電位差。正常細(xì)胞內(nèi)液鉀離子濃度高于細(xì)胞外40倍，理論上應(yīng)該形成細(xì)胞內(nèi)-80多毫伏的靜息電位。但是由于正常細(xì)胞膜對于鈉離子也有極少量的通透，因此抵消了小部分的鉀離子平衡電位，使得正常神經(jīng)細(xì)胞的靜息電位一般為-70mv左右。

習(xí)慣上，我們都說-80mv比-70mv大；-60mv比-70mv小。第5頁/共32頁靜息電位的維持根據(jù)上述闡述，正常的細(xì)胞膜對鈉離子既然有少量的內(nèi)流通透，傾向于將原來的靜息電位消除。但為什么正常細(xì)胞還總是存在著-70多毫伏的靜息電位呢？這是因為，細(xì)胞膜上存在著大量的鈉-鉀泵。一旦細(xì)胞內(nèi)液的鈉離子升高到一定程度，便會啟動鈉-鉀泵開始轉(zhuǎn)運，消耗ATP，將細(xì)胞內(nèi)增多的鈉離子泵出細(xì)胞。因此，鈉-鉀泵對于維持靜息電位的穩(wěn)定具有重要的意義。所以說，當(dāng)細(xì)胞死亡后，代謝停止，細(xì)胞的靜息電位也就消失了。第6頁/共32頁二、細(xì)胞膜的動作電位

細(xì)胞受到刺激后，細(xì)胞膜的離子通透性將發(fā)生改變，其膜電位必然要隨之發(fā)生一定的變化。（一）細(xì)胞的興奮與閾刺激

刺激：凡是能為機體所感知并引起機體發(fā)生反應(yīng)的環(huán)境變化，統(tǒng)稱為刺激（stimulus）。刺激的本質(zhì)是一種信息，代表著某種環(huán)境因素的改變。刺激可分為以下四種：①物理性刺激，譬如電、機械、溫度、聲、光等；②化學(xué)性刺激，指的是酸、堿、鹽等各種各樣的化學(xué)物質(zhì)等；③生物性刺激，例如細(xì)菌、病毒等微生物；④社會心理性刺激，如語言刺激、情緒波動、社會的變革等。在生理學(xué)實驗室內(nèi)，最經(jīng)常使用的刺激就是電刺激。第7頁/共32頁刺激的特征

即使組織具有興奮性，也不是任何的刺激都能夠使組織發(fā)生反應(yīng)的。也就是說，對刺激有一定的限制條件。

A、適宜刺激：某種組織，只對某一種能量形式的刺激比較敏感，這種刺激就是這種組織的適宜刺激。如視覺感受細(xì)胞的適宜刺激是光。聲波刺激就是它的非適宜刺激。實際上適宜刺激是對刺激的一種“質(zhì)”的要求。電刺激對可興奮組織來說，都是適宜刺激。第8頁/共32頁B、刺激強度：這是對刺激的一種“量”的要求。

閾刺激（強度）：引起組織興奮的最小刺激（強度）。

閾值（threshold）：閾強度時的刺激數(shù)值。

閾下刺激：強度低于閾值的刺激。閾下刺激不能引起組織產(chǎn)生興奮。

閾上刺激：強度高于閾值的刺激。

最大刺激和特大刺激：

閾值是衡量組織興奮性高低重要指標(biāo)。閾值低的組織興奮性高；反之興奮性低。

組織興奮性與閾值關(guān)系：興奮性=1／閾值第9頁/共32頁C、刺激作用時間：

如果一個刺激作用于組織的持續(xù)時間過短促，無論刺激強度多么大也不能引起組織興奮。實際上這是一種時間閾值。臨床上采用高強度、高頻率的電理療，只能使組織產(chǎn)生熱效應(yīng)。在實驗室內(nèi)，常采用方波電刺激。方波的寬度就是刺激的作用時間。D、刺激強度變化率：

是指單位時間內(nèi)刺激強度的變化量?？焖俚膹姸茸兓菀滓鸾M織興奮；過于緩慢的強度變化不能引起興奮。譬如打針時，快進(jìn)針、慢推藥，則不感到疼。通常把刺激強度、作用時間和強度變化率稱為刺激的三要素。第10頁/共32頁反應(yīng)

沒有刺激就沒有反應(yīng)。反應(yīng)是機體對有效刺激的必然應(yīng)答。

反應(yīng)的類型：

A、快反應(yīng)：如神經(jīng)沖動，在數(shù)ms之內(nèi)就發(fā)生。

B、慢反應(yīng)：如缺氧刺激骨髓造血，則需要數(shù)天。興奮興奮是活組織對有效刺激的產(chǎn)生的反應(yīng)。譬如肌肉的收縮、腺體的分泌等。沖動：在神經(jīng)和肌肉，受到有效刺激以后，可以產(chǎn)生一種快速的、可以沿著細(xì)胞膜傳導(dǎo)的電脈沖，稱為沖動（即后面要討論的動作電位）。能夠?qū)Υ碳ぎa(chǎn)生電脈沖的組織，叫做可興奮組織。生理學(xué)上把活組織對刺激產(chǎn)生電沖動的反應(yīng)表現(xiàn)，叫做興奮。興奮性

興奮性：可興奮組織對刺激發(fā)生興奮、產(chǎn)生動作電位的能力。第11頁/共32頁（二）分級電位和動作電位當(dāng)細(xì)胞受到刺激后，細(xì)胞膜對某些離子的通透性將發(fā)生變化，必然要產(chǎn)生跨膜的離子流動，破壞原來的靜息電位。分級電位去極化（

depolarization；也稱為除極化）：是指膜內(nèi)電位迅速上升，靜息電位減小并傾向于取消的過程。它是由于細(xì)胞外液的正離子內(nèi)流形成的。超極化（hyperpolarization）：是指細(xì)胞的膜電位比靜息電位還加大的狀態(tài)。它是由于細(xì)胞外液的負(fù)離子內(nèi)流或者是正離子外流形成的。去極化和超極化產(chǎn)生的電位都是局部的不能傳播，因此屬于局部反應(yīng)電位。其大小與受到的刺激強度成正比，因此也稱之為分級電位（gradedpotential）。第12頁/共32頁動作電位當(dāng)細(xì)胞受到一個較強的刺激后，細(xì)胞膜將產(chǎn)生一個能夠沿著細(xì)胞膜快速傳導(dǎo)的、快速而短暫的電位變化，稱為動作電位（actionpotential）。復(fù)極化去極化超極化第13頁/共32頁由圖可見，動作電位是由快速的去極化過程和快速的復(fù)極化過程構(gòu)成。復(fù)極化（repolarization

）:是指膜電位向著靜息電位方向恢復(fù)的過程。超射電位：是指動作電位中高出零電位的部分。反極化：在超射電位期間，與靜息電位的極性相反，細(xì)胞的膜電位為外負(fù)內(nèi)正，稱為反極化。復(fù)極化去極化超極化鋒電位負(fù)后電位正后電位第14頁/共32頁動作電位的圖形分析

鋒電位

動作電位：負(fù)后電位

后電位

正后電位

鋒電位（spikepotential）：指細(xì)胞膜快速去極、快速復(fù)極的電變化所形成的尖峰圖形。一般歷時為0.5ms。負(fù)后電位是指膜電位復(fù)極化到達(dá)靜息電位之前的緩慢部分。正后電位是指膜電位水平低于靜息電位的超極化部分。整個動作電位的幅值高度（約110mv）=靜息電位+超射電位第15頁/共32頁動作電位形成的離子機制

將神經(jīng)置于無Na+溶液中，細(xì)胞的靜息電位不受影響，但刺激神經(jīng)則不出現(xiàn)動作電位；隨著細(xì)胞外液中Na+濃度的升高，動作電位的幅度也隨之增大。說明動作電位是膜對Na+通透性增高、Na+內(nèi)流形成的。第16頁/共32頁在動作電位的不同時期細(xì)胞膜對離子的通透性第17頁/共32頁

原來，刺激可以打開細(xì)胞膜上的Na+通道，使細(xì)胞膜對Na+的電導(dǎo)在0.5ms內(nèi)就上升500倍。大量的Na+內(nèi)流使得膜內(nèi)的電位迅速升高，發(fā)生去極化、乃至反極化，直至達(dá)到Na+的平衡電位為止。所以，動作電位的去極相是Na+的內(nèi)流的結(jié)果，其峰值接近于Na+的平衡電位。動作電位的去極化形成第18頁/共32頁動作電位的復(fù)極化形成

稍稍后于Na+電導(dǎo)的增大，細(xì)胞膜對K+的通透性進(jìn)一步增大，電導(dǎo)增大。K+迅速外流，使細(xì)胞膜內(nèi)的電位下降、復(fù)極化到靜息電位水平。所以，動作電位的復(fù)極相是K+外流的結(jié)果。

應(yīng)該補充說明的是，Na+和Cl-的內(nèi)流對靜息電位也有一定的影響。在神經(jīng)元軸突末梢，Ca2+的內(nèi)流也參與了動作電位的去極相，但是對神經(jīng)動作電位的幅度影響不大。第19頁/共32頁細(xì)胞興奮后的膜電位恢復(fù)細(xì)胞產(chǎn)生動作電位，標(biāo)志著細(xì)胞的興奮。細(xì)胞興奮后，細(xì)胞內(nèi)外的離子分布與興奮之前大不一樣了——細(xì)胞外鉀離子濃度升高了、細(xì)胞內(nèi)鈉離子濃度升高了，這種狀態(tài)就激活了細(xì)胞膜上的鈉-鉀泵，通過鈉-鉀泵的耗能轉(zhuǎn)運，很快就使細(xì)胞的離子分布恢復(fù)正常，這就為下一次受到刺激再次產(chǎn)生興奮做好了準(zhǔn)備。動作電位的負(fù)后電位時期，反映了離子濃度恢復(fù)正常時的電位波動。第20頁/共32頁分級電位與閾電位閾下刺激為什么不能產(chǎn)生動作電位呢？刺激的作用是打開細(xì)胞膜上的鈉通道。閾下刺激由于刺激強度較小，打開的鈉通道數(shù)量較少，鈉離子內(nèi)流較少，少量的鈉內(nèi)流很快就被快速的鉀外流所抵消，因此只能產(chǎn)生較小的分級電位。閾電位閾電位：是指在閾刺激強度時細(xì)胞去極化達(dá)到的臨界膜電位水平；也是細(xì)胞膜上電壓門控鈉通道能夠被打開的臨界膜電位水平。細(xì)胞的膜電位一旦達(dá)到閾電位，便會使細(xì)胞膜上的電壓門控鈉通道以正反饋方式全面開放。大量的鈉離子內(nèi)流（鉀離子的外流再也抵消不掉了）使得細(xì)胞膜迅速去極化，于是動作電位便產(chǎn)生了。由上可見，膜電位去極化距離閾電位較近，細(xì)胞的興奮性則升高；超極化時距離閾電位較遠(yuǎn)，細(xì)胞興奮性降低（處于抑制狀態(tài)）。因此，使用直流電給予細(xì)胞刺激時，通電時興奮只發(fā)生在負(fù)極；斷電時完全相反。在持續(xù)通電期間，因為沒有強度變化率，不產(chǎn)生生刺激效應(yīng)。這就是電刺激的極性法則。第21頁/共32頁Na+呈再生式內(nèi)流的正反饋過程

第22頁/共32頁

鈉通道開放一定的時間后便自行關(guān)閉，處于一定時間的失活狀態(tài)。如果下一個刺激落到這個時期，鈉通道不會再打開，因此也就不可能使細(xì)胞再次興奮。這就是細(xì)胞興奮后的不應(yīng)期。在鋒電位期間細(xì)胞膜上的鈉通道因處于失活狀態(tài)，此時不管受到多強大的刺激，細(xì)胞不可能產(chǎn)生第二次興奮，因此稱為絕對不應(yīng)期（absoluterefractoryperiod）。在神經(jīng)絕對不應(yīng)期一般在0.3~0.5ms。絕對不應(yīng)期的存在決定了動作電位永遠(yuǎn)是互相分離的，其波形不會發(fā)生融合;也決定了細(xì)胞在單位時間內(nèi)產(chǎn)生興奮的最高頻率。在鋒電位的后期和負(fù)后電位的前期，細(xì)胞膜上的鈉通道部分度處于失活期，用原來的閾強度刺激細(xì)胞也不能再次興奮，這段時間稱為相對不應(yīng)期（relativerefractoryperiod）約為3ms。此期如果受到較強的閾上刺激，還是可以再次興奮的。在負(fù)后電位的后期，膜電位距離閾電位較近，受到閾下刺激也能興奮，此期稱為超常期。此期約為12ms。在正后電位期間，膜電位距離閾電位較遠(yuǎn)，需要閾上刺激才能再次興奮，此期稱為低常期。此期約為70ms。第23頁/共32頁組織興奮及其恢復(fù)過程中興奮性變化示意圖第24頁/共32頁動作電位的“全或無”特性由上可見，之所以引起動作電位的產(chǎn)生，只需要刺激使細(xì)胞膜去極化達(dá)到了閾電位水平（一般小于靜息電位10~20mv）即可（引起細(xì)胞膜上的電壓門控鈉通道全面自動開放）。動作電位的去極化幅度與刺激的強度無關(guān)，只與鈉離子的平衡電位有關(guān)。因此——1、刺激僅僅起到的是一個“觸發(fā)”作用。如同電燈的亮度不取決于開關(guān)的力量大小。

2、即使使用閾上刺激，細(xì)胞的動作電位幅度也不會更大；因此動作電位要么不產(chǎn)生（無），只要產(chǎn)生就一定是最大幅度（全），這就叫做“全或無”（allornone

）。第25頁/共32頁第二節(jié)神經(jīng)沖動的傳導(dǎo)動作電位一經(jīng)產(chǎn)生，便會沿著細(xì)胞膜迅速擴布到該細(xì)胞的其它部位。這稱為傳導(dǎo)（conduction

）。一、神經(jīng)沖動傳導(dǎo)的局部電路學(xué)說1、無髓神經(jīng)纖維的局部電流連續(xù)傳導(dǎo)第26頁/共32頁2、有髓神經(jīng)纖維的跳躍式傳導(dǎo)有髓神經(jīng)纖維傳導(dǎo)時跨越郎飛氏結(jié)形成環(huán)路電流。跳躍式傳導(dǎo)的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于局部連續(xù)電流的傳導(dǎo)，而且還節(jié)省能量的消耗。哺乳類無髓神經(jīng)纖維的傳導(dǎo)速度與纖維的直徑的平方根成正比，一般為每秒數(shù)米以下。有髓神經(jīng)纖維的傳導(dǎo)速度與纖維的直徑成正比，最高可達(dá)120m/s，大多數(shù)為每秒數(shù)十米。第27頁/共32頁二、神經(jīng)沖動傳導(dǎo)的一般特征1、生理完整性局部麻醉等因素可導(dǎo)致傳導(dǎo)阻滯。2、雙向傳導(dǎo)順向沖動：傳向軸突末梢方向。逆向沖動：傳向胞體或樹突方向的。3、非遞減