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第 3 章神经生理学

高级类别：【脑科学】【脑科学索引】(https://jb243.github.io/pages/577)

1. 大脑的特征

2. 神经元

3. 神经胶质

4. 静息膜电位

5. 分级电位与主动电位

6. 动作电位的产生

7. 有效电位的传导

8. 化学突触

9. 大脑和小脑的组织学

10. 学习与记忆

1.大脑的特征

⑴ 浸入颅骨内的脑脊液中，受三层脑膜（软脑膜、蛛网膜、硬脑膜）保护。

⑵ 人脑大约由100至2000亿个神经元组成。

① 按物种划分的神经元数量：

○ 线虫 (302)

○ 果蝇 (~150,000)

○ 斑马鱼（约 500 万条）

○ 鼠标（约 7100 万）

○ 斑胸草雀 (~1.31 亿)

○ 八达通（约5亿）

○ 狨猴（~6.36 亿）

○ 恒河猴（约64亿）

○ 人类（~860 亿）

○ 大象（约2570亿）

⑶ 由神经胶质细胞支持，其数量约为神经元的 10 倍。

⑷ 人脑重量：约占体重（1,200-1,400克）的2%。

⑸ 人脑容量：约1400mL；类人猿的体积约为 400 毫升。

⑹新陈代谢：约消耗总氧的20%和总血流量的20%。

⑺ 大脑使用能量的速度为 10 至 60 瓦：每个神经元大约 0.1 纳瓦。

⑻ 大脑仅使用葡萄糖作为能量来源；如果葡萄糖不能持续供应，大脑的葡萄糖储存会在 10 分钟内耗尽

⑼ 染色技术：高尔基体、尼氏、Weigert

图1. 脑切片的染色技术；从左到右为高尔基、尼塞尔、魏格特

2.神经元

⑴ 神经元的结构

① 长度：短至2~3mm，长至1m左右

② 细胞体（体细胞）

○ 含有细胞核、核糖体、内质网、高尔基体、线粒体等。

○ 细胞核位于中央，中央有明显的核仁。

○ 富含核糖体，因此被碱性染料染色。

○ 尼氏体

○ 粗面内质网核糖体和颗粒状内质网染色，呈豹斑图案。

○ 尼氏染色使用的染料是碱性染料。

图 2. 脊神经节的横截面

又大又红的细胞是神经节细胞

③ 树突：像树枝一样分枝的神经部分

○ 没有被髓磷脂覆盖。

○ 从其他细胞（突触后）接收信息。

○ 树突棘：增加表面积。

○ 兴奋性神经元与棘突触；抑制性神经元与轴突触。

图3. 锥体细胞的树突

兴奋性突触标记为红色，抑制性突触标记为蓝色

④ 轴突（也称神经纤维）

○ 被髓磷脂覆盖。

○ 有髓神经：被髓鞘覆盖的神经。

○ 无髓神经：没有髓鞘的神经（例如鱿鱼轴突）。

○ 长度：最长 1–1.5 m。» ○ 将信息传输到其他细胞（突触前）。

○ 轴突侧支：轴突的一个分支。

⑤ 神经末梢（也称布顿或突触末梢）

⑵ 神经元的形成

① 大约存在860亿个神经元；突触数量约为 10¹⁴–10¹⁵。

② 神经元的生长和与靶细胞的连接在胚胎发育期间开始，并通过学习和训练得到加强。

③ 只有部分神经元损伤后可以再生：如果神经元碎片或细胞体缺失，则不可能再生。

⑶ 神经元的分类

① 按功能

○ 传入神经元（感觉神经元）：通过脊髓背侧区域向中枢神经系统传递信息。

○ 传出神经元（运动神经元）：通过脊髓腹侧区域传递来自中枢神经系统的信息。

○ 中间神经元：连接传入神经元和传出神经元。

② 通过轴突的存在

○ I型：有轴突；产生动作电位；包括运动神经元和感觉神经元。

○ II型：无轴突；不产生动作电位；包括中间神经元。

③ 髓鞘（雪旺细胞）的存在

○ 有髓神经：脊椎动物的运动和感觉神经元。

○ 无髓神经：无脊椎动物的神经元，脊椎动物的中间神经元。

⑷ 神经元的类型

① 单极神经元：

○ 具有向一个方向延伸的树突和轴突。

○ 存在于无脊椎动物中。

② 伪单极神经元：

○ 单个轴突分为两个分支，分别充当树突和轴突。

○ 示例：脊神经节的感觉神经节细胞。

③双极神经元：

○ 具有1个树突和1个从细胞体伸出的轴突。

○ 例如：视网膜细胞、嗅觉细胞。

④ 多极神经元：

○ 具有一根轴突和多个从细胞体伸出的树突。

○ 示例：大多数神经元。

图 4. 神经元类型

⑸ 膜片钳法

① 一种通过将贴片附着在活细胞膜上来研究电生理学的技术。

3。胶质细胞

⑴ 成人体内有 1 万亿个神经胶质细胞。

①“glia”的词源是“胶水”。

② 其完整功能尚未揭晓，但相信发挥着非常重要的作用。

⑵ 星形胶质细胞

① 胶质细胞中最大。

② 类：原生质星形胶质细胞、纤维性星形胶质细胞

③ 位置：延长一侧与血管接触、另一侧与神经元、软脑膜和神经纤维接触的细胞质突起。

④ 功能

○ 提供身体支持。

○ 覆盖 Ranvier 节点以防止轴突暴露。

○ 重新吸收神经元周围多余的钾离子。

○ 吸收谷氨酸并将其转化为谷氨酰胺。

○ 通过形成阻止物质运动的紧密连接来维持血脑屏障（BBB）：BBB 可以理解为由毛细血管中的紧密连接形成。

○ 作为干细胞，有助于新神经元和神经胶质细胞的形成。

⑶少突胶质细胞 

① 形成中枢神经系统神经纤维的髓鞘。

②单个少突胶质细胞可以使多个神经元有髓鞘化。

图。 4. 中枢神经系统中的少突胶质细胞

⑷雪旺氏细胞 

① 形成周围神经系统（PNS）神经纤维的髓鞘。

② 单个雪旺细胞多次包裹单个神经元。

⑸ 小胶质细胞

①属于单核吞噬系统，具有吞噬功能。

○ 巨噬细胞的一种（注：巨噬细胞也是单核吞噬系统的一部分）

②在神经系统内发挥免疫功能作用。

⑹ 室管膜细胞

① 排列在中央管和脑室内表面的上皮细胞。

② 拥有有助于脑脊液（CSF）微循环的纤毛。

③血管内皮细胞之间存在紧密连接（血脑屏障的一部分，BBB），限制血浆和脑间质液之间的物质交换。

图。 6. 各种类型的神经胶质细胞

4。 静息膜电位

⑴ 膜电位是内膜电位相对于外膜电位的比值。 （单位：㎷）

⑵ 静息膜电位的平衡状态为-70㎷。

① 细胞膜周围离子分布不均匀。

② 细胞膜的选择性透明度（Na⁺ < K⁺）：部分 K⁺ 通道开放

③ Na⁺/K⁺ 泵：将 3 分子 Na⁺ 移至细胞外，并将 2 分子 K⁺ 移至细胞内。

④ 细胞内带负电的蛋白质的吸引力

⑶ 能斯特方程

① 推导：G = −RT lnQ = −nFE

② 解释

当细胞内部的离子浓度高于细胞外部时，就会存在渗透势，将离子向外驱动。

由于系统处于平衡状态，因此必须存在将离子向内拉的反作用力。

这种相反的力是当膜内部带负电（E < 0）且外部带正电（E > 0）时产生的电势。

出于与第 ⑵ 节中所述相同的原因，该电势存在并维持离子渗透电势的不对称性。

③ 应用领域

○ 当 K⁺ 添加到细胞外液中时，K⁺ 泵将 K⁺ 泵入细胞内，导致静息膜电位增加。

○ 注意：如果仅存在 K⁺，添加更多 K⁺ 不会影响静息膜电位。

○ 外界离子（如Na⁺）浓度越高，膜电位越低，导致动作电位频率降低。

○ 内部离子浓度越高（例如，高钾血症中的 K⁺），阈值就越高，更容易触发动作电位。

○ 相反，内部离子浓度越低（例如低钾血症中的 K⁺），阈值就越低，导致动作电位频率降低。

⑷ Goldman-Hodgkin-Katz 方程

① Nernst 方程计算仅涉及一种离子时的平衡电位。> ② 实际上，实际膜电位受多个离子的渗透性 (P) 和分布的影响，每种离子的贡献取决于细胞膜对每种离子的渗透性。

③ 平衡势示例：

○ E_K⁺ = −88 mV

○ E_Na⁺ = +53 mV

○ E_Ca²⁺ = +145 mV

○ E_Cl⁻ = −58 mV

④ 静息膜电位趋于接近电导最高的离子的平衡电位。

5.分级电位与动作电位

⑴分级电位（Stepwise Potential）：膜电位随离子流入量成比例变化。

⑵ 动作电位：始终引起恒定幅度的膜电位变化。

⑶ 幅度：传播得越远，幅度越小，幅度始终恒定。

⑷ 通道：配体门控通道与电压门控通道。

① 产生动作电位的部位通道总数较多。

⑸ 相关离子：Na⁺（兴奋性）、K⁺、Cl^-（抑制性）与 Na⁺、K⁺。

⑹ 位置：树突、神经元细胞体与轴突。

① 在轴突小丘中，同时涉及分级电位和动作电位。

6。动作电位的产生

⑴ 全有或全无法则：动作电位遵循全有或全无原则。

⑵ 渠道

① Na⁺通道：同时具有激活门和失活门。

② K⁺通道

③ 通道开启时长：Na⁺通道<K⁺通道

④ 通道开启速度：Na⁺通道 > K⁺通道

⑶ 第一^第一。静止状态（平衡状态）

① Na⁺通道：激活门关闭，失活门打开。

② K⁺通道：关闭。

⑷ 第二^第二。分级潜力

① 当 Na⁺ 从邻近轴突进入时，少量电压门控 Na⁺ 通道打开。

② 打开的电压门控 Na⁺ 通道会诱导其他关闭的电压门控 Na⁺ 通道打开。

⑸ 第三^rd。去极化

① 阈值电位：-40 至-50 mV。动作电位的发生需要去极化超过该阈值。

② Na⁺通道：激活门打开，失活门关闭。

③ K⁺通道：关闭。

⑹第四^th。下降阶段

① Na⁺ 通道：激活门打开，失活门关闭（达到+30 mV 后立即）。

② K⁺通道：在达到+30 mV之前，K⁺外流导致膜电位下降。

③ 星形胶质细胞调节 K⁺ 流出速率。

⑺第五^th。复极化

① Na⁺通道：激活门关闭，失活门关闭。

② K⁺通道：打开。

③ 存在绝对不应期。

⑻第六^th。超极化

① Na⁺通道：激活门关闭，失活门打开。

② K⁺通道：关闭过程中

③ 通过恢复静息膜电位的机制缓慢恢复至-70 mV

④ 存在相对不应期

⑼ 不应期

① K⁺离子离开轴突、膜电位恢复到-70 mV的时间。

② 绝对不应期：从膜电位超过阈值起至发生复极化

○ 无论刺激强度如何，都不会产生动作电位

○ h-gate（灭活门）关闭

③相对不应期：从超极化开始

○ h-gate（失活门）打开，m-gate（激活门）关闭。» ○ 非常强的刺激可以使膜去极化超过阈值，打开激活门并产生动作电位

⑽ 动作电位模式取决于细胞外 Na⁺ 浓度

⑾ 抑制剂

① 河豚毒素 (TTX)：不可逆地抑制电压门控 Na⁺ 通道。

○ 主要存在于河豚的卵巢和肝脏中。

○ 河豚本身具有抗性，因为它们的 Na⁺ 通道蛋白发生突变（仅一个氨基酸差异）。

② 四乙铵 (TEA)：阻断电压门控 K⁺ 通道。

③ Botox：抑制神经肌肉接头处的电压门控 Ca²⁺ 通道 → 阻止乙酰胆碱释放 → 导致肌肉麻痹

④ CPZ：减少或抑制神经递质释放。

7. 主动电位的传导

⑴ 局部电流机制：使邻近区域去极化，形成阈值电位，导致再生传导。

⑵单向传导：动作电位发生的区域处于不应期，因此传导仅向一个方向进行。

⑶ 跳跃式传导

① 髓鞘形成

○ 髓磷脂在出生后大约一年左右逐渐形成。

○ 少突胶质细胞：延长包裹附近神经纤维的过程，形成髓磷脂。

○ 雪旺细胞：整个细胞包裹在神经纤维周围，形成髓磷脂。

○ 髓磷脂是轴突层层紧密包裹而形成的。当相对的细胞膜接近接触时，就会发生这种包裹，形成双膜结构。髓磷脂的主要成分是脂质，也是细胞膜的主要成分。

○ 由于髓磷脂是以这种方式形成的，所以会留下间隙，称为朗飞结节。

② 髓磷脂作为绝缘体 → 动作电位仅在无髓鞘区域形成 → 传导速度增加。

○ 动作电位产生所需的时间等于钠离子和钾离子局部扩散的时间。

○ 轴突被绝缘髓磷脂包裹，以防止每个节段产生动作电位。

③跳跃传导：动作电位从朗飞尔的一个节点“跳跃”到下一个节点的现象。

○ 在 Ranvier 节点：存在电压门控离子通道 → 主动传播。

○ Ranvier 节点之间：无电压门控离子通道 → 被动传播。

○ 当 Ranvier 节点电位达到并维持在阈值以上时，发生跃变传导，产生动作电位。

⑷ 传导速度

① 135 m/s

② 神经直径越大，传导速度越快。

③ 人体的神经中流过约39mA的微电流。

8.化学突触

⑴ 突触

① 类型 1： 电突触

○ 特点： 双向、间隙连接（连接子）、非常快、狭窄的突触间隙

○ 示例： 心肌、中枢神经系统

② 类型 2： 化学突触

○ 特点： 单向、宽突触间隙，通过神经递质传递。

○ 存在电压门控 Ca²⁺ 通道（神经递质释放所需）。

○ 神经递质通过突触前神经元的再摄取而被清除。

○ 烟碱受体：反应速度快，与突触后神经元离子通道开放有关。

○ 毒蕈碱受体：反应缓慢，与突触后神经元的第二信使信号传导有关。

⑵ 化学突触机制

① 神经递质

图 10. 化学突触的组成部分

⑶神经递质的合成和储存：储存在突触小泡中。

图 11. 神经递质的合成和储存

⑷ 神经递质的释放

① Ca²⁺离子促进突触小泡与突触前神经元膜的结合。

② 神经递质被释放到突触间隙。

③ 突触带：存在于Ca²⁺流入集中的区域；通过运输囊泡促进神经递质释放。

图 12. 通过胞吐作用释放神经递质

⑸ 突触后电位

①兴奋性突触后电位（EPSP）：Na⁺流入→去极化

图 13. 兴奋性突触后电位 (EPSP)

② 抑制性突触后电位（IPSP）：K⁺ 流出或 Cl^- 流入 → 超极化

图 14. 抑制性突触后电位 (IPSP)

③ 反转电位：不发生突触后电流（EPC）的膜电位。

⑹ 突触整合

① 空间求和和时间求和

图 15. EPSP 突触求和

② 分流抑制

图 16. 分流抑制

⑺ 神经递质的类型

①乙酰胆碱（ACh）：胆碱+乙酰辅酶A

○ 运动神经元（肌肉）：兴奋性

○ 自主神经系统：兴奋性；抑制新陈代谢。

○ 副交感神经系统：兴奋性或抑制性；副交感神经活动的调节

○ 中枢神经系统：兴奋性

○ 无脊椎动物：兴奋性或抑制性

○ 乙酰胆碱的分泌过程

图17. ACh的分泌过程

○ 烟碱乙酰胆碱受体（nAChR）：兴奋性；在自主神经节和神经肌肉接头中观察到。

图 18. 烟碱乙酰胆碱受体

○ 毒蕈碱 ACh 受体 (mAChR)：兴奋性或抑制性；在副交感神经末梢观察到。

图 19. 毒蕈碱乙酰胆碱受体

○ 抑制剂/毒素：

○ 肉毒杆菌毒素：存在于变质的肉类中；阻止突触小泡与膜的融合。

○ 破伤风毒素：发现于破伤风梭菌；阻断囊泡融合。

○ 毒蕈碱：存在于有毒蘑菇中；干扰 ACh 受体结合。

○ 眼镜蛇毒素：存在于眼镜蛇中；干扰 ACh 受体结合。

○ 箭毒（d-管箭毒碱）：阻断 ACh 受体结合。

○ 阿托品：阻断乙酰胆碱受体结合。

○ 乙酰胆碱分解抑制剂：沙林神经毒气、杀虫剂> ② 肾上腺素、去甲肾上腺素（儿茶酚胺）：

○ 节后交感神经：兴奋性或抑制性；刺激新陈代谢，增加心率。

○ 中枢神经系统：兴奋性或抑制性；调节交感神经活动和免疫反应。

③ 血清素（儿茶酚胺）：

○ 中枢神经系统：抑制；调节食欲、心血管功能、睡眠、注意力和情绪

④ 多巴胺（儿茶酚胺）：

○ CNS或周围神经系统：兴奋性或抑制性；调节情绪和运动控制

○ 缺乏症：精神分裂症（根据地区不同，多巴胺也过多）、帕金森病（运动统合障碍）

⑤ 甘氨酸（氨基酸）：

○ 脊髓：抑制；抑制运动神经元的兴奋。

○ 例：非洲本土毒镖抑制甘氨酸受体 → 脊髓过度兴奋 → 麻痹

⑥ 谷氨酸（氨基酸）：

○ 中枢神经系统：兴奋性；刺激参与学习和记忆（LTP）的运动神经元。

⑦ GABA（γ-氨基丁酸，氨基酸）：

○ 中枢神经系统：抑制；参与细胞信号传导。

○ 缺乏症：失去自制力、酒精敏感、妄想

⑧ 内啡肽（肽）：

○ CNS：兴奋性或抑制性；产生快乐并抑制痛苦。

⑨ 脑啡肽（肽）：

○ 中枢神经系统：产生快乐并抑制疼痛。

⑩ 组胺：

○ 中枢神经系统的某些区域：觉醒

⑪ P物质

⑫ 一氧化氮 (NO)

⑬ 前列腺素

9.大脑和小脑的组织学

⑴ 在伺服系统中，神经元细胞体一般按照相似的功能聚集在一起：

① 基底神经节

② 丘脑

③各类原子核

④ 脊髓灰质

⑤ 神经节

⑵ 大脑的组织学结构

① 一般组织：灰质位于表面，白质位于内部，皮质细分为六层。

○ 分子层：

○ 大脑皮层最外层

○ 包含很少的神经元。

○ 包含与大脑表面平行的神经纤维。

○ 外部颗粒层：

○ 含有颗粒细胞和神经胶质细胞。

○ 该层主要接收外部信号。

○ 外锥体层：

○ 含有锥体状的锥体细胞。

○ 该层主要向外发送信号。

○ 内部颗粒层：

○ 密集的小颗粒细胞

○ 内部锥体层：

○ 包含最大的锥体细胞。

○ 多种形式层：

○ 含有各种形状的细胞。

② 柱理论

○ 由Hubel 提出。

○ 颗粒层接收输入信号，金字塔层发送输出信号。

○ 相邻层之间的连续通信允许复杂的信息处理。

○ 因此，每列内的单元被认为在功能上是集成的。

图20.代表大脑皮层6层的横截面

⑶ 小脑的组织学结构

① 小脑生理学

○ 小脑包含大脑中数量最多的神经元。

○ 富含抑制性神经元，可实现精细运动控制。

②表面灰质，内白质，分为三层。

③ 分子层

○ 小脑皮质最外层

○ 细胞排列松散。

④浦肯野细胞层：非常大的浦肯野细胞排列在分子层和颗粒层之间。

⑤ 颗粒层：神经元密集。

图 21. 该图片代表 3 层小脑皮质

图。 22. 代表小脑皮质浦肯野细胞的特殊染色组织图片

它很好地显示了树突，箭头代表轴突。

10.学习和记忆

⑴ 历史

① 埃里克·坎德尔 (Eric R. Kandel) 获得诺贝尔奖。

② 以海兔（Aplysia）为模型 → 神经元很大，可以进行形态学研究。

⑵ 长时程增强（LTP）：发生在海马体，与赫布定律有关。

①分子机制

图23. LTP的分子机制

○ 第一^第一。受刺激的突触前神经元释放谷氨酸。

○ 第二^第二。谷氨酸与突触后膜上的 AMPA 受体结合。

○ 第三^第。 AMPA受体打开，Na⁺进入，发生去极化；突触后神经元的去极化与刺激成正比。

○ 第 4。当突触后神经元发生强去极化时，阻断 NMDA 受体通道的 Mg²⁺ 被去除（在谷氨酸存在的情况下）。

○ 第五^th。 NMDA 受体开放，导致 Ca²⁺ 流入，增加突触后神经元细胞内 Ca²⁺ 浓度。

○ 第六^th。 Ca²⁺ 作为第二信使，增加 NO 合酶活性并产生一氧化氮 (NO)。

○ 7^th。 NO 增加突触后膜 AMPA 受体的数量。

○ 第八^th。 NO还充当逆行信使，扩散回突触前神经元。

○ 9^th。突触前神经元释放更多的谷氨酸。

② 突触变化：正反馈机制。

③功能改变：突触传递加强。

图 24. 根据 LTP 的突触后神经元功能变化

⑶ LTD（长期抑郁）：发生在小脑。

①分子机制

图 25. LTP/LTD 机制

② 突触变化

图 26. PKC 和随后的 LTD 对 AMPA 受体进行磷酸化

③ 小脑的学习和记忆

○ 小脑的大小是大脑的十分之一，但神经元的数量相等。

○ 输入：PF（平行光纤）、CF（攀爬光纤）；它代表地址。

○ 输出：PC（浦肯野细胞）；突触强度发生了变化。

图27. 小脑神经元的电路图

图28. 小脑神经元的电路图

输入：2018.09.17 23:53