第二讲 神经元的电活动
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第二讲
神经元的电活动
主讲人：张隆华
生物电的发现
• 用两种不同的金属碰触青 蛙腿的两端，可以引起它 的收缩。
意大利解剖学和医学教授伽伐尼 （Luigi Galvani,1737～1789）
静息态的神经元膜
1. 膜的化学特性 2. 膜上的离子流动 3. 静息膜电位产生的离子基础
神经科学 Neuroscience
跨膜电荷分布
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
计算离子平衡电位的Nernst 方程 如果膜两侧存在浓度梯度，且膜只对某种离子 通透，则可以得到稳态电位。
可以根据Nernst 方程计算其平衡电位：
Eion= RT/zF × ln[ion]o/[ion]i
R 气体常数，T 绝对温度，z离子电荷，F法拉第 常数，[ion] 内外膜离子浓度
6、离子通道 定义：
• • • • 可以传导离子； 识别和选择性传导离子； 对特定的电、化学和机械信号作出反应而开放或者关闭通道 可被一些药物和毒素等阻断；
•
离子通道的功能失调可导致疾病的发生；
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
6、离子通道
结构： 离子通道是由插入膜中形成孔洞的蛋白质组成，由两个或 者多个相同或者不同的亚基组成的，某些通道还有调节其功 能的附属亚基。 根据相似的氨基酸序列和跨膜结构，离子通道被分为以下 三类：配体门控通道(Ligand-gated)、缝隙连接通道(Gapjunction)、电压门控通道(Voltage-gated)。 离子通道的结构功能可以通过Patch Clamp、Gene cloning、X-ray crystallography、NMR、EPR等方法研究。
不同的神经元，去极化以不同的形式引发动作电位： ① ② ③ 皮肤受刺激，通过牵张敏感的 (stretch)钠离子通道； 神经递质引起的钠通道开放，如中间神经元； 胞内注射电流也可以产生动作电位。“阈值”
可兴奋细胞（包括心肌）的功能需要细胞膜在不产 生动作电位是维持在静息膜电位水平。由于胞外钾 离子浓度大量升高，细胞去极化，没有负的静息膜 电位，心肌细胞不再能够产生导致收缩的冲动，心 脏就立刻停止了跳动。
Jack Kevorkian Dr. Death
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
Shaker 钾通道
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
7、多姿多彩的钾离子通道
果蝇中有一种突变体 Shaker，对乙醚的反应是 晃动腿、翅膀和腹部。电 生理研究揭示Shaker突变 体的钾通道功能异常。利 用分子生物学技术，Jan 等人绘出了Shaker体内突 变的基因。这个Shaker基 因编码一种钾通道。
二、膜上的离子流动
离子移动所需的外力： 2、电场作用 Electricity
a. 膜上具有离子通道
b. 膜两侧具有电势差
I＝gV
I，电流；g，电导；V，电压。
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
1、静息膜电位： Vm
在任何状态下跨神经元 膜的电压称为膜电位。 典型的神经元的静息膜 电位大约为 -65mV。
因为神经元膜在静息状态 下对钾离子有更高的通透 性，使得静息膜电位接近 于钾离子平衡电位 膜电位对胞外钾离子浓度 变化特别敏感。 提高胞外钾离子浓度可以 使膜电位去极化。
静息膜电位受胞外钾离子浓度影响
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
5、调控细胞外钾离子浓度的重要性
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
4、膜在静息状态下离子的相对通透性 当膜电位受几种离子影响的时候，每一种离子对膜电位的影 响不仅取决于膜内外的离子浓度，而且也取决于该离子对膜 的通透性(permeability, P)。
G-H-K Equation:
RT PK K 0 PNa Na0 PCl Cl i E ln F PK K i PNa Nai PCl Cl 0
一、动作电位特性
2，动作电位的记录方法
• 胞内记录 (Intracellular recording) • 胞外记录 (Extracellular recording) • 复合动作电位记录 (Compound AP recording)
神经科学 Neuroscience
一、动作电位特性
3，单个或多个动作电位的产生
静息膜电位的测量方法
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
2、离子平衡电位 Eion
平衡某种离子浓度梯度的电位差，简称为平衡电位，是 针对某种特定离子的电位，Eion。
a、当膜不能通透离子时，虽然有浓度差，但没有离子 的流动，故膜电位为零，Vm=0。
b、膜上有钾离子通道时，钾离子可以顺浓度梯度流出 到胞外，则胞内会有过多的A-，而细胞外就会积聚过多 的正电荷K+，则会出现跨膜电位。 c、随着胞内越来越多的负电荷积聚，负电荷就会吸引带 正电的钾离子返回胞内。当达到一定的电位差后，吸引 K＋回胞内的电势与扩散力刚好相等，但方向相反，就会 达到平衡状态。
三、静息膜电位产生的离子基础
5、调控细胞外钾离子浓度的重要性
致死注射：1990年4月，Jack Kevorkian帮助了
患有AD的54岁的Janet Adkins结束她的生命。 Adkins夫人首先滴注了一种含有麻醉剂的溶液，然 后自动转换为氯化钾溶液。 •麻醉剂可以使Adkins夫人丧失知觉。 •心脏停止跳动以及死亡是由于氯化钾注射导致的。
字母大小代表浓度高低
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
2、离子平衡电位 Eion
a，膜电位的巨大改变是由离子浓度的小变 化引起的
b，净电荷差发生在膜的内和外表面
c，离子被驱动跨膜运动的速率与膜电位和 平衡电位之差成正比； （Vm-Eion）被称为离子驱动力 d，如果已知某一离子的跨膜浓度差，可以 计算其平衡电位
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
3、离子的跨膜分布
钾离子膜内多， 钠钙氯离子膜外多
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
3、离子的跨膜分布
离子浓度梯度的建立是因为离子泵的作用。
1) Na- K pump， 将钾离子泵进胞内，钠离子泵出胞外。 2) Calcium pump，将钙离子泵出到胞外，此外内质网、线粒体、钙结 合蛋白等也可以降低胞内钙离子浓度。
Lily Jan & Yuh Nung Jan
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
7、多姿多彩的钾离子通道
钾通道可分为以下几种： 1、IK，delayed rectifier, 延时整流钾通道， 慢激活 2、IA，A-type, 瞬时钾电流，快激活，快失活 3、Ica，Calcium activated，钙激活钾电流，去极化+钙
1） 胞外钾离子浓度升高将造成细胞去极化，细胞兴奋； 2） 血脑屏障限制钾离子进入脑部胞外液； 3） 星形胶质细胞具有空间缓冲胞外钾离子的作用； 4） 其它可兴奋细胞没有这种保护机制，则钾离子浓度升高 可导致心脏停止跳动。
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
5、调控细胞外钾离子浓度的重要性
Alan Hodgkin, Bernard Katz 测定了几种离子在静息电位的 通透能力 ：
PK：PNa：PCl＝1.0 : 0.04 : 0.45 在动作电位峰值，其通透性为：
PK：PNa：PCl＝1.0 : 20 : 0.45
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
5、调控细胞外钾离子浓度的重要性
方程表明：离子浓度越大，通透能力越强，其在维持静息膜 电位中就具有更大的作用。
*Goldman-Hodgkin-Katz
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
4、膜在静息状态下离子的相对通透性
如果某一种离子的通透性远远大于其它离子，Goldman方程 等同于Nernst 方程 。如胶质细胞中PK>>PCl, PNa.
神经科学 Neuroscience
一、动作电位特性
1，动作电位的上升相和下降相
上升相 rising phase 超射 overshoot
下降相 falling phase
回射 undershoot
Na+内流引起去极化 K+外流引起复极化 示波器记录及动作电位的上升和下降相
神经科学 Neuroscience
神经科学 Neuroscience
一、膜的化学特性
1，膜两边的盐溶液 细胞质和细胞外液 水和离子
Cation: K+,Na+, Ca2+ Anion: Cl-
水是一极性溶剂
神经科学 Neuroscience
一、膜的化学特性
2，磷脂膜
神经科学 Neuroscience
一、膜的化学特性
3，跨膜蛋白质
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
4、膜在静息状态下离子的相对通透性
神经元静息膜电位的形成
A、只对钾离子通透，Vm=Ek B、膜上有少部分钠通道开放，钠离子在浓 度梯度和电场作用下进入细胞膜内部，细 胞开始去极化。
C、去极化使钾离子平衡状态被打破，钾离 子浓度梯度大于电场作用力，使钾离子流 出，与流入的钠电流方向相反，最终达到 平衡。此为新的静息膜电位。
7、多姿多彩的钾离子通道
电压门控
内向整流
Two pore domain 三种钾离子通道
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
7、多姿多彩的钾离子通道
内向整流钾通道的 X-ray衍射结构
动作电位
1. 动作电位特性
2. 理论上的动作电位 3. 实际中的动作电位 4. 动作电位的传导 5. 动作电位、轴突和树突
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
7、多姿多彩的钾离子通道
钾通道的选择性通透是决定 静息膜电位的重要因素，其 选择性的分子基础主要是在 通道内氨基酸残基的排列。
钾通道由四个亚单位所组成。
Pore loop去作为选择性滤器使得通 道对钾离子有最高的通透性。
该区域一个氨基酸的突变就能严重 破ห้องสมุดไป่ตู้神经元功能。
4、Iir，inward-retifier, 内向整流，超极化激活
5. IM，M-type channel, 小的去极化激活，Ach 失活。
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
7、多姿多彩的钾离子通道
钾通道孔道俯视图 中间红球为K+
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
当胞外钾离子浓度升高时 ，钾离子进入星形胶质细 胞，导致胶质细胞去极化 。钾离子的进入增加胞内 钾离子浓度，继而被延伸 的星星胶质细胞突起的网 络系统分散到一个很大的 区域。
星形胶质细胞调节胞外钾离子浓度的机理： 钾离子立体缓冲 (Potassium spatial buffering)
神经科学 Neuroscience
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
4、膜在静息状态下离子的相对通透性 神经元在静息时，对离子具有选择通透性，假如仅对一 种离子通透：
K+， 则Vm= Ek+ =-80mV Na+, 则Vm= ENa+=62mV 实际上Vm～ －65mV，介于EK和ENa之间。 对钾离子的通透远远大于对钠离子的通透性。
神经科学 Neuroscience
神经系统信号的传递都通过电或者化学信号，其中电信号 对于信息的快速及长距离传播具有重要意义。 所有的电信号（受体电位、突触电位、动作电位）都是通 过膜两侧的离子浓度变化来实现的，离子进入或者流出细胞 导致细胞偏离其静息状态。
能够产生和传导兴奋的细胞具有可兴奋性膜（excitable membrane）, 其在静息状态下细胞膜内外具有的电势差称 之为静息膜电位。
酶
受体 离子泵 离子通道 • 离子选择性（ion selectivity）
• 门控特性 (gate)
神经科学 Neuroscience
二、膜上的离子流动
离子移动所需的外力： 1、浓度梯度扩散 Diffusion
a. 膜两侧具有浓度梯度
b. 膜上具有离子通道
神经科学 Neuroscience
神经元的电活动
主讲人：张隆华
生物电的发现
• 用两种不同的金属碰触青 蛙腿的两端，可以引起它 的收缩。
意大利解剖学和医学教授伽伐尼 （Luigi Galvani,1737～1789）
静息态的神经元膜
1. 膜的化学特性 2. 膜上的离子流动 3. 静息膜电位产生的离子基础
神经科学 Neuroscience
跨膜电荷分布
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
计算离子平衡电位的Nernst 方程 如果膜两侧存在浓度梯度，且膜只对某种离子 通透，则可以得到稳态电位。
可以根据Nernst 方程计算其平衡电位：
Eion= RT/zF × ln[ion]o/[ion]i
R 气体常数，T 绝对温度，z离子电荷，F法拉第 常数，[ion] 内外膜离子浓度
6、离子通道 定义：
• • • • 可以传导离子； 识别和选择性传导离子； 对特定的电、化学和机械信号作出反应而开放或者关闭通道 可被一些药物和毒素等阻断；
•
离子通道的功能失调可导致疾病的发生；
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
6、离子通道
结构： 离子通道是由插入膜中形成孔洞的蛋白质组成，由两个或 者多个相同或者不同的亚基组成的，某些通道还有调节其功 能的附属亚基。 根据相似的氨基酸序列和跨膜结构，离子通道被分为以下 三类：配体门控通道(Ligand-gated)、缝隙连接通道(Gapjunction)、电压门控通道(Voltage-gated)。 离子通道的结构功能可以通过Patch Clamp、Gene cloning、X-ray crystallography、NMR、EPR等方法研究。
不同的神经元，去极化以不同的形式引发动作电位： ① ② ③ 皮肤受刺激，通过牵张敏感的 (stretch)钠离子通道； 神经递质引起的钠通道开放，如中间神经元； 胞内注射电流也可以产生动作电位。“阈值”
可兴奋细胞（包括心肌）的功能需要细胞膜在不产 生动作电位是维持在静息膜电位水平。由于胞外钾 离子浓度大量升高，细胞去极化，没有负的静息膜 电位，心肌细胞不再能够产生导致收缩的冲动，心 脏就立刻停止了跳动。
Jack Kevorkian Dr. Death
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
Shaker 钾通道
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
7、多姿多彩的钾离子通道
果蝇中有一种突变体 Shaker，对乙醚的反应是 晃动腿、翅膀和腹部。电 生理研究揭示Shaker突变 体的钾通道功能异常。利 用分子生物学技术，Jan 等人绘出了Shaker体内突 变的基因。这个Shaker基 因编码一种钾通道。
二、膜上的离子流动
离子移动所需的外力： 2、电场作用 Electricity
a. 膜上具有离子通道
b. 膜两侧具有电势差
I＝gV
I，电流；g，电导；V，电压。
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
1、静息膜电位： Vm
在任何状态下跨神经元 膜的电压称为膜电位。 典型的神经元的静息膜 电位大约为 -65mV。
因为神经元膜在静息状态 下对钾离子有更高的通透 性，使得静息膜电位接近 于钾离子平衡电位 膜电位对胞外钾离子浓度 变化特别敏感。 提高胞外钾离子浓度可以 使膜电位去极化。
静息膜电位受胞外钾离子浓度影响
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
5、调控细胞外钾离子浓度的重要性
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
4、膜在静息状态下离子的相对通透性 当膜电位受几种离子影响的时候，每一种离子对膜电位的影 响不仅取决于膜内外的离子浓度，而且也取决于该离子对膜 的通透性(permeability, P)。
G-H-K Equation:
RT PK K 0 PNa Na0 PCl Cl i E ln F PK K i PNa Nai PCl Cl 0
一、动作电位特性
2，动作电位的记录方法
• 胞内记录 (Intracellular recording) • 胞外记录 (Extracellular recording) • 复合动作电位记录 (Compound AP recording)
神经科学 Neuroscience
一、动作电位特性
3，单个或多个动作电位的产生
静息膜电位的测量方法
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
2、离子平衡电位 Eion
平衡某种离子浓度梯度的电位差，简称为平衡电位，是 针对某种特定离子的电位，Eion。
a、当膜不能通透离子时，虽然有浓度差，但没有离子 的流动，故膜电位为零，Vm=0。
b、膜上有钾离子通道时，钾离子可以顺浓度梯度流出 到胞外，则胞内会有过多的A-，而细胞外就会积聚过多 的正电荷K+，则会出现跨膜电位。 c、随着胞内越来越多的负电荷积聚，负电荷就会吸引带 正电的钾离子返回胞内。当达到一定的电位差后，吸引 K＋回胞内的电势与扩散力刚好相等，但方向相反，就会 达到平衡状态。
三、静息膜电位产生的离子基础
5、调控细胞外钾离子浓度的重要性
致死注射：1990年4月，Jack Kevorkian帮助了
患有AD的54岁的Janet Adkins结束她的生命。 Adkins夫人首先滴注了一种含有麻醉剂的溶液，然 后自动转换为氯化钾溶液。 •麻醉剂可以使Adkins夫人丧失知觉。 •心脏停止跳动以及死亡是由于氯化钾注射导致的。
字母大小代表浓度高低
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
2、离子平衡电位 Eion
a，膜电位的巨大改变是由离子浓度的小变 化引起的
b，净电荷差发生在膜的内和外表面
c，离子被驱动跨膜运动的速率与膜电位和 平衡电位之差成正比； （Vm-Eion）被称为离子驱动力 d，如果已知某一离子的跨膜浓度差，可以 计算其平衡电位
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
3、离子的跨膜分布
钾离子膜内多， 钠钙氯离子膜外多
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
3、离子的跨膜分布
离子浓度梯度的建立是因为离子泵的作用。
1) Na- K pump， 将钾离子泵进胞内，钠离子泵出胞外。 2) Calcium pump，将钙离子泵出到胞外，此外内质网、线粒体、钙结 合蛋白等也可以降低胞内钙离子浓度。
Lily Jan & Yuh Nung Jan
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
7、多姿多彩的钾离子通道
钾通道可分为以下几种： 1、IK，delayed rectifier, 延时整流钾通道， 慢激活 2、IA，A-type, 瞬时钾电流，快激活，快失活 3、Ica，Calcium activated，钙激活钾电流，去极化+钙
1） 胞外钾离子浓度升高将造成细胞去极化，细胞兴奋； 2） 血脑屏障限制钾离子进入脑部胞外液； 3） 星形胶质细胞具有空间缓冲胞外钾离子的作用； 4） 其它可兴奋细胞没有这种保护机制，则钾离子浓度升高 可导致心脏停止跳动。
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
5、调控细胞外钾离子浓度的重要性
Alan Hodgkin, Bernard Katz 测定了几种离子在静息电位的 通透能力 ：
PK：PNa：PCl＝1.0 : 0.04 : 0.45 在动作电位峰值，其通透性为：
PK：PNa：PCl＝1.0 : 20 : 0.45
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
5、调控细胞外钾离子浓度的重要性
方程表明：离子浓度越大，通透能力越强，其在维持静息膜 电位中就具有更大的作用。
*Goldman-Hodgkin-Katz
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
4、膜在静息状态下离子的相对通透性
如果某一种离子的通透性远远大于其它离子，Goldman方程 等同于Nernst 方程 。如胶质细胞中PK>>PCl, PNa.
神经科学 Neuroscience
一、动作电位特性
1，动作电位的上升相和下降相
上升相 rising phase 超射 overshoot
下降相 falling phase
回射 undershoot
Na+内流引起去极化 K+外流引起复极化 示波器记录及动作电位的上升和下降相
神经科学 Neuroscience
神经科学 Neuroscience
一、膜的化学特性
1，膜两边的盐溶液 细胞质和细胞外液 水和离子
Cation: K+,Na+, Ca2+ Anion: Cl-
水是一极性溶剂
神经科学 Neuroscience
一、膜的化学特性
2，磷脂膜
神经科学 Neuroscience
一、膜的化学特性
3，跨膜蛋白质
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
4、膜在静息状态下离子的相对通透性
神经元静息膜电位的形成
A、只对钾离子通透，Vm=Ek B、膜上有少部分钠通道开放，钠离子在浓 度梯度和电场作用下进入细胞膜内部，细 胞开始去极化。
C、去极化使钾离子平衡状态被打破，钾离 子浓度梯度大于电场作用力，使钾离子流 出，与流入的钠电流方向相反，最终达到 平衡。此为新的静息膜电位。
7、多姿多彩的钾离子通道
电压门控
内向整流
Two pore domain 三种钾离子通道
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
7、多姿多彩的钾离子通道
内向整流钾通道的 X-ray衍射结构
动作电位
1. 动作电位特性
2. 理论上的动作电位 3. 实际中的动作电位 4. 动作电位的传导 5. 动作电位、轴突和树突
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
7、多姿多彩的钾离子通道
钾通道的选择性通透是决定 静息膜电位的重要因素，其 选择性的分子基础主要是在 通道内氨基酸残基的排列。
钾通道由四个亚单位所组成。
Pore loop去作为选择性滤器使得通 道对钾离子有最高的通透性。
该区域一个氨基酸的突变就能严重 破ห้องสมุดไป่ตู้神经元功能。
4、Iir，inward-retifier, 内向整流，超极化激活
5. IM，M-type channel, 小的去极化激活，Ach 失活。
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
7、多姿多彩的钾离子通道
钾通道孔道俯视图 中间红球为K+
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
当胞外钾离子浓度升高时 ，钾离子进入星形胶质细 胞，导致胶质细胞去极化 。钾离子的进入增加胞内 钾离子浓度，继而被延伸 的星星胶质细胞突起的网 络系统分散到一个很大的 区域。
星形胶质细胞调节胞外钾离子浓度的机理： 钾离子立体缓冲 (Potassium spatial buffering)
神经科学 Neuroscience
神经科学 Neuroscience
三、静息膜电位产生的离子基础
4、膜在静息状态下离子的相对通透性 神经元在静息时，对离子具有选择通透性，假如仅对一 种离子通透：
K+， 则Vm= Ek+ =-80mV Na+, 则Vm= ENa+=62mV 实际上Vm～ －65mV，介于EK和ENa之间。 对钾离子的通透远远大于对钠离子的通透性。
神经科学 Neuroscience
神经系统信号的传递都通过电或者化学信号，其中电信号 对于信息的快速及长距离传播具有重要意义。 所有的电信号（受体电位、突触电位、动作电位）都是通 过膜两侧的离子浓度变化来实现的，离子进入或者流出细胞 导致细胞偏离其静息状态。
能够产生和传导兴奋的细胞具有可兴奋性膜（excitable membrane）, 其在静息状态下细胞膜内外具有的电势差称 之为静息膜电位。
酶
受体 离子泵 离子通道 • 离子选择性（ion selectivity）
• 门控特性 (gate)
神经科学 Neuroscience
二、膜上的离子流动
离子移动所需的外力： 1、浓度梯度扩散 Diffusion
a. 膜两侧具有浓度梯度
b. 膜上具有离子通道
神经科学 Neuroscience