动作电位actionpotential动作电位产生的离子机制.PPT

第三章 神经电信号和动作电位(action potential)第一节 神经电信号 神经电信号是指神经元在静息电位基础上所发生的电位变化。按照表现和传播特性可以分为局部变化和传播性变化两类。 局部变化称为局部电位，包括感受器电位、突触电位等，以等级性和局限性为特征。 传播性变化以局部变化为基础而产生，大小形态固定不变，可以长距离传播，称为动作电位。动作电位是神经元的兴奋或功能活动的标志。尽管在不同的神经元略有差异，但其基本形式非常相似，是神经电信号的基本形式，是神经信息编码的基本单元。这不但在不同性质的信息处理方面相同，而且在各种动物和人都相同。 第二节 动作电位(action potential)一、 动作电位产生的离子机制 当用直流电刺激神经时, 在阴极和阳极处膜电位变化, 称为电紧张电位: 阴极膜电位降低去极化, 阳极膜电位升高产生超极化。若刺激电流增强, 只在阴极处产生一个可衰减的电位变化称为局部电位。 如果刺激电流增强达到阈值时, 在阴极产生一个不衰减的“全或无”式的沿神经纤维传导的神经冲动时, 称为动作电位。 （一）离子学说及其实验证据 Bernstein的膜学说认为动作电位应等于静息 电位的绝对值。后发现它不能解释动作电位 的超射(overshoot)现象。用毛细管微电极测量 枪乌贼大神经纤维兴奋时电位变化发现动作 电位大于膜静息电位。当改变细胞外Na+浓度 时动作电位的时程和大小均发生变化：①Na+ 浓度稍减, 动作电位上升缓慢, 超射减少传导速 度 变慢(图A曲线2); ②减少50%, 超射几乎减少 一半, 上升相更慢(图B曲线2); ③减少33%, 超 射几乎完全消失(图A曲线3). 根据一系列实验, 1950-1952年Hodgkin，Huxley和Katz提出著名的钠学说, 即离子学说。认为膜静息时PK＞PNa，PK＞PCl；膜兴奋时，PNa＞PK，PNa＞PCl，此时 RT [Na+]o ENa=——ln——— =+53mV 与实验测得的+55mV超射相近。 F [Na+]i 钠学说得到各方面实验证实。每次动作电位期间Na+内流量与K+外流量大致相等，关键是两种离子在动作电位期间流动的时相不同。 （二）动作电位产生的离子机制 1. 静息时细胞膜内外存在各种离子的浓度差, 而膜对这些离子的通透性不同, 所以维持-70mV的静息电位。 2. 膜受到电刺激时产生去极化, 膜对Na+、K+通透性发生变化。首先Na+通透性增大, 加速膜去极化, 发生超射, 构成动作电位上升相. 3. 接着Na+通道失活, 而K+通道活化，K+外流, 构成动作电位的下降相。由于钾电导的变化没有失活现象，只是在膜电位的恢复过程中逐渐降低，延时较长，产生正后电位。 4. 依靠膜上纳泵完成排Na+摄K+, 维持膜内外离子浓度差, 恢复静息水平。 二、离子电流的分离方法 在测量快速兴奋过程中离子电流的变化和分 离单个离子电流时，常采用电压钳技术。 （一）电压钳(voltage clamp)原理 根据简化电缆模型, 一小片膜的等效电路如 右上图所示。因为Im=∑Iion +IC 令IC=0 得Im=∑Iion 此即电压钳技术的原理。固定膜 电位不变，膜电容电流为零，则总电流等于离 子电流(右下图)。在枪乌贼大纤维内纵向插入 两根细铂丝，一根记录电压E’，另一根记录电 流I ’。记录膜电位E’与调定电压差值经放大进 入快速电压-电流转换器(FBA), 加入反馈电流 I ’, 直至膜电位与调定电压相等为止, 维持膜电 压不变。当一个神经冲动到达时，出现膜离子 电流，为了维持膜电位不变，就必须输入一个 与膜离子电流大小相等，方向相反的补偿电流, 记录下这个补偿电流就是膜电流的镜像。 （二）离子电流的分离方法 用电压钳技术记录出的是冲动到来时总的膜电流, 是各种离子移动的总电流。关键如何分离各种离子的电流。 1. 离子置换法 右上图示膜去极化56mV, A为正常海水中记录总离子电流, B为用氯化胆碱溶液代替NaCl后IK, C为A减B后得到的INa, 这里就是利用了离子独立的原则。 2. 逆向电位法 在电压钳实验中不断改变Vm , Na+的变化为: 当 Vm ENa, 内向INa; Vm=ENa, INa=0; VmENa, 外向INa。右下图为Hodgkin等1