神经元兴奋动力学课件第3章
第三章 神经元的兴奋和传导
第一节 细胞膜的电生理
细胞的生物电现象
生物电现象:细胞在静息或活动状态下 所伴随的各种电现象(离子电流、溶液导电、 静息电位、动作电位等)总称为生物电现象。
一、静息膜电位的形成和维持
静息电位(resting potential):细胞未受刺激时, 即处于静息状态下存在于膜内外两侧的电位差。 极化:对于机体中的大多数细胞来说,只要处于静息 状态,维持正常的新陈代谢,其膜电位总是稳定在一定的 水平,细胞膜内外存在电位差的这一现象成为极化。 形成膜电位的相关因素: 膜内外离子的浓度梯度、跨膜电势差和离子的渗透性 任意一离子跨膜流动在膜两侧形成的平衡电位计算公司:
三、神经冲动的传导 传导和传递
(一)神经冲动传导的一般特征
1、生理完整性
2、双向传导:顺向冲动、逆向冲动 3、非递减性 4、绝缘性 5、相对不疲劳性
(二)神经冲动传导机理:
局部电流(路)学说
1、无髓纤维的传导
(图) 2、有髓纤维:跳跃传导 郎飞氏结 (图)
四、神经干的电位变化:复合动作电位
1、神经干包含各类显示不同动作电位的神经纤维
分级电位:不同强度的刺激会产生不同大小的电位变化, 这种不同幅值的电位称为分级电位。
极化(polarization):静息状态下,细胞膜外为正电位,膜内 为负电位的状态,称为极化。
超极化(hyperpolarization):原有极化程度增强,静息电位 的绝对值增大,兴奋性降低的状态。 去极化(depolarization):生物膜受到刺激或损伤后,膜内 外的电位差逐渐减小,极化状态逐步消徐,此种过程称为去极化。 反极化(reversal of polarization):去极化进一部发展,导 致膜极性倒转,变成膜内为正,膜外为负的相反的极化状态。 超射(overshoot):极性倒转的部分(即膜电位由零到 +40mV)。 复极化(repolarization):由去极化状态恢复到静息时膜外 为正、膜内为负的极化状态的过程,称为复极化。
人体及动物生理学-第三章神经元的兴奋和传导ppt课件
②膜对K+、Na+通透性:
K+的通透性↑,则RP↑,更趋向于EK Na+的通透性↑,则RP↓,更趋向于ENa
③ Na+-K+泵的活动水平
精选ppt课件
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钠-钾泵 (sodium-potassium pump):存在于细 胞膜上的一种具有ATP酶活性 的特殊蛋白质,可 被细胞膜内的Na+增加或细胞外K+的增加所激 活,受Mg2+浓度的影响,分解ATP释放能量, 进行Na+ 、K+逆浓度和电位梯度的转运。
03ms相对不应期相对不应期relativerefractoryperiodrelativerefractoryperiod绝对不应期之后随着复极化的继续组绝对不应期之后随着复极化的继续组织的兴奋性有所恢复只对阈上刺激产生兴奋织的兴奋性有所恢复只对阈上刺激产生兴奋3ms3ms超常期超常期supranormalperiod相对不应期之后兴奋恢复高于原相对不应期之后兴奋恢复高于原有水平用阈下刺激就可引起兴奋有水平用阈下刺激就可引起兴奋12ms低常期subnormalperiod超常期之后组织进入兴奋性较低超常期之后组织进入兴奋性较低时期只有阈上刺激才能引起兴奋时期只有阈上刺激才能引起兴奋70ms46电紧张电位电紧张电位局部反应或局部电位局部反应或局部电位阈电位和动作电位阈电位和动作电位4711电紧张电位电紧张电位electrotonicpotentialelectrotonicpotential定义
现一个突然的电位跃变;
2.静息电位是一个稳定的直流电位;
3.范围:-10mV~-100mV(随细胞种类而不同); 极化(polarization):外正内负 去极化(depolarization):|RP|值减小 超极化(hyperpolarization):|RP|值增大 反极化(reversepolarization):去极到正值 复极化(repolarization):去极后向RP恢复 超射(overshoot):膜电位高于0电位部分
神经元兴奋动力学
细胞膜内外附近的 浓度、离子流与膜 电位之间的关系!
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由上述关系,可以求解出钾离子的离子流密度jk:
处在大量介质中的钾离子浓度与膜表面附近的浓度
关系可以用系数\beta来表示。并且这里我们假设两
个界面均适用这种关系。这样我们令膜与细胞内空
间界面的坐标为0,与细胞外空间界面的坐标为d,
那么:
[K]表示为大量介质中的
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斜率电导和弦电导 在描述总离子电流关系式:
离子电流和跨膜电位之间的关系很显然是非线性的。因此增量电导 dJ/dVm将不是常数。
在此情况下,可以定义两种电导:其一是前面曾经提及的电流-电压 曲线斜率,它定出了斜率电导,即
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其二是由于Vm对J是非线性的,所以可以直接定义弦电导:
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离子通道电流 简介
K+ Cl-
KA-i
K+ Cle
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Goldman方程:
➢ 对于生物膜,由于膜内无论是Cp(p中离子的浓度)还是(电位)
的变化都还不能确切知道。 ➢ 离子还受到空间电荷的影响,因而应用Nernst-Planck方程到生物
膜上式比较困难的 ➢ 假设细胞膜足够的薄,可以近似的认为膜中的电位是线性变化的。
K+ Cl-
KA-i
K+ Cle
[K+]i=[Cl-]i+[A-]
又因为: [K+]e/[K+]i=[Cl-]i/[Cl-]e=r
可以消去[Cl-]
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然后利用Nernst电位: Ek=[(RT)/F]ln([K+]e/[K+]i)=ECl=[(RT)/F]ln([Cl-]e/[Cl-]i)
可得:
兴奋在神经元之间的传导 PPT课件
1.突触的结构
为什么突触小体中 含较多的线粒体?
突触:指两个神经元相接触的部位
突触小体:神经元的轴突末梢膨大形成的杯状或球状体,
内含许多的线粒体和突触小泡。
突触前膜:轴突末端突触小体的膜 突 触 突触间隙:突触前膜与突触后膜之间的间隙 突触后膜:与突触前膜相对应的另一个神经元的胞体膜
四、神经系统的分级调节
2.各级中枢的分级调控
1)不同的神经中枢调节某一特定的生理功能。 2)不同的神经中枢相互联系,相互调节。 3)低级神经中枢受高级中枢的调控。
五、人脑的高级功能
1.人类大脑皮层是整个神经系统中最高级的 部分 2.高级功能主要体现在躯体运动、躯体感觉、 语言、视觉、听觉等中枢
躯体运动中枢 书写语言中枢 躯体感觉中枢 中央沟
类型 信号形式 传导速度 传导方向 神经纤维上的传导 细胞间的传递
电信号 快
慢
单向的: 因为神经递质只存在于突触小体内, 只能由前膜释放,作用于后膜,而不能按相反 的方向传递。
神经冲动在体内传导的途径是:
A、树突 突触 神经元细胞体
B、轴突神经元细胞体
B.兴奋由电信号转变成化学信号,再转变成电 信号 C.兴奋在突触处只能由前膜传向后膜
D.突触前后两个神经元的兴奋是同步的
2、已知突触前神经元释放的某种递质可 使突触后神经元兴奋,当完成一次兴奋传 递后,该种递质立即被分解。某种药物可 以阻止该种递质的分解,这种药物的即时 效应是( B ) A.突触前神经元持续性兴奋 B.突触后神经元持续性兴奋 C.突出前神经元持续性抑制 D.突触后神经元持续性抑制
五、人脑的高级功能
• 可能是H区出现了问题 (2)学习和记忆 • 问:学习过程中老师经常强调要动用各种 器官,反复复习。这有什么科学道理?
兴奋在神经元间的传递PPT
解析
当兴奋通过轴突传导到突触小体时,突触小 体内的突触小泡就将递质释放到突触间隙里, 突触后膜的相应受体蛋白接受递质的化学刺 激,引起突触后膜的膜电位改变。这样,兴 奋就从一个神经元传递给了另一个神经元。
第三部分
4. 小结 ●突触的结构 ●信息传递过程:当局部电流沿神经纤维传导到轴突末梢的突触时,突触 小泡释放递质作用于突触后膜,引起突触后膜电位改变,引发神经冲动。 兴奋在神经纤维上的传导和兴奋在神经元之间的传递的异同点?
兴 之奋 间在 的神 传经 递元
1. 知识回顾
1、兴奋 在神经 纤维上 的传导
第一部分
2、兴奋 在神经 元之间 的传递?
2. 突触
第二部分 突触
2. 突触
突触的亚显 微结构图
思考?
兴分
3. 信息传递
第二部分
3. 信息传递
图解
第二部分
能不能双向 传递呢?
谢谢 观看
兴奋在神经元之间的传递课件
如果神经递质一直起作用,会有什么结果?
兴奋
递质 突触小体(突触小泡)
突触前膜
突
突触间隙
触
兴奋或抑制
突触后膜
兴奋在神经元之间的传导特点:
单向性
(因为神经递质只存在于突触前膜的突触小泡中,只能由突触前膜释放,然后作用于突触后膜上。)
兴奋在神经纤维和神经元之间的传导、传递的区别
传导方式
神经纤维上的传导
A神经元 B神经元
电信号
化学信号
电信号
神经递质-----你了解多少?
(1)产生
由内质网、高尔基体产生(线粒体参与供能)
(2)分泌结构 (3)受体
突触前膜 突触后膜上的特异性受体
(4)种类 (5)作用
乙酰胆碱、肾上腺素等 使后膜兴奋或抑制
(6)去向
作用后被酶分解或被移走而迅速停止作用
一次神经冲动只能引起一次递质释放, 产生一次突触后电位变化。
5.生物体的许多生命活动都是在生物膜上的,下图是一个神经突触。 ( 时1,)此编 处号的①通是透神性__经发__冲_生_动改_ (变或,形_局膜成部动,电当作流神电)经位纤,维使受兴到奋刺以激发生兴奋 ____________的形式传导。 (2)编号②是_________膜,突突触触小前泡膜在此处破裂,可释放出 _(_3__)__编__号__③到是突__触_间___隙__中__。____膜,上面有各种特神异经性递的质(或递质) ____________。 (4)编号④是____________ 膜,上面分布着与_____________ 有关的酶,为神经冲动的传导提供能突量触。后膜
②、记忆是将获得的经验进行贮存和再现的 过程。
外界信息输入 (通过视、听、触觉等)
兴奋在神经元之间的传递PPT教学课件
进入部位 :突触间隙
体现细胞膜的 流动性 作用部位: 突触后膜
受体本质:突触后膜上的糖蛋白
传递方向:只能突触前膜 突触间隙
类型:兴奋性递质,抑制性递质 作用:引起下一个神经元的兴奋或抑制 去向:在相关酶的作用下被分解
常见类型举例:乙酰胆碱,多巴胺
相关细胞器:高尔基体、线粒体
小结
突触后膜
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使下一个神经元持续兴奋
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α -银环蛇毒能与突触后膜上的乙酰 胆碱受体牢固结合,那么α -银环蛇毒的 中毒症状是怎样的?
肌肉不能收缩
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科学家破解了神经元“沉默突触”的沉默之谜。 此前发现,在脑内有一类突触只有突触结构而没有信 息传递功能,被称为“沉默突触”。请你推测科学家 对此项研究所取得的成果最可能是( )
课内 探究 兴奋在反射弧中只能单向传递的原因是什么? 口头展示
二
10组
课内 连接在神经元之间的电流表指针如何偏转? 黑板作图 7组
探究
9组
三 连接在神经元之间的电流表指针如何偏转? 黑板作图 12组
笔展非示姿展要态示求大同:方学书、归写声纳认方音整真法洪理,;亮,必C。记层须脱点忆整脱稿评课理稿,要本落,强求。实注调:A基意重层础总点形知结,成识规注知。律意识方拓网法展络;、;使补B用层充双归15色纳
探究二 兴奋在反射弧中只能单向传递的原因 A
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我的成功我把握
展示内容
展示方式 展示组 点评组
兴奋在神经元之间的传递过程是怎样的? 口头展示 3组
课
内 兴奋在神经元之间的传递过程是怎样的? 口头展示 6组
探 究
乙酰胆碱如何引起下一个神经元的兴奋?
黑板作图 1组
8组
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Dynamics of Neuronal Excitability神经元的数学物理模型神经元兴奋动力学内容回顾Hodgkin-Huxley神经元方程的模拟与计算●介绍了Hodgkin和Huxley最初的几篇论文实验、模型、模拟●介绍了HH方程在当前前沿科学中被广泛使用●分析了HH方程特点,介绍了怎样利用欧拉积分方法求解HH方程●给出了模拟HH神经元发放的Matlab程序●模拟了单个动作电位、不同刺激强度下的动作电位时间演化、刺激强度与动作电位发放频率如左图所示,乌贼巨轴突的一小片膜接受图(A )刺激得到的结果,要求编写程序画出左图中的所有曲线:A 刺激脉冲为矩形的电流;B 膜电位随时间的演化;C 钠电导(实线)和钾电导(虚线)随时间演化D 钠电流(实线)和钾电流(虚线)随时间演化提示:(1)刺激矩形脉冲幅度位53 μA/cm 2,持续0.2ms (2)第二次脉冲刺激的到达时间延迟15ms (3)静息态膜电位位-60mV ,温度为T = 6.3◦C.作业:神经元的其他数学物理模型在APS数据库里输入neuron 你会发现:大量关于神经元模型的论文神经元的数学物理模型Integrate-and-fire neuronsRate modelsMcCulloch and PittsHodgkin-HuxleyFitzHugh-NagumoWilson-CowanMorris-LecarHindmarsh-RosePhase oscillator modelsMap modelsIntegrate-and-fire neurons (IF )模型Lapicque, L., 1907, J. Physiol. Pathol. Gen. 9, 620One of his main contributions was to propose the integrate-and-firemodel of the neuron in a seminal article published in 1907.Today, this model of the neuron is still one of the most popular models in computational neuroscience for both cellular and neural networks studies, as well as in mathematical neuroscience because of its simplicity. ).His wife, [[Jean Valkean ]], was also a neurophysiologist.[4] Louis Lapicque "insisted on the importance of his wife as equal co-worker in all his research".法国科学家Louis Lapicque1907年提出来的Integrate-and-fire neuronsv(t)是膜电压, \theta是产生动作电位峰的阈值,I_ext是外界的刺激电流,I_syn是所有突触输入的电流之和,tau_1和tau_2是确定突触电流的时间常数。
一个动作电位发生仅当神经元的膜电位达到阈值\theta;之后神经元的膜电位被重置到静息态/courses/cse590rr/03au/homework3.htmlA. IF神经元模型动作电位发放的时间序列,刺激为仅有直流刺激且大小为I_0 = 1.5. 膜电位u(t) 在这里相对阈值做了归一化(u(t)/theta).B. IF神经元的发放频率随着刺激电流变化。
实线为标准IF神经元发放频率;虚线为在IF模型中加入4 ms不应期的结果。
abs_ref = 5; % absolute refractory period ref = 0; % absolute refractory period counterV_trace = []; % voltage trace for plotting V_th = 10; % spike thresholdfor t = 1:tstopif ~refV = V - (V/(R*C)) + (I/C)elseref = ref - 1;V = 0.2*V_th; % reset voltageendif (V > V_th)V = 50; % emit spikeref = abs_ref; % set refractory counter endV_trace = [V_trace V];end plot(V_trace);xlabel('time');ylabel('menbrane potential');if (V > V_th)V = 50; % emit spikeref = abs_ref; % set refractory counter endV_trace = [V_trace V];endplot(V_trace);xlabel('time');ylabel('menbrane potential');leak Integrate-and-fire neurons的matlab程序simulation resultsRate models模型Lotka, A. J., 1925, Elements of Physical Biology W illiams &Wilkins Co., Baltimore .是第i 个神经元或者神经元集群发放的速率;p_ij 是连接矩阵;发放;F 、G 、Q 均为多项式函数。
根据实际需要选择速率模型中的多项式方程。
例如:x 3 + 2xyz 2 −yz + 1.McCulloch and Pittstheta是发放阈值,x_j(n)是分立时间n上的突触输入;x_i(n)是输出;因而输入输出均为二进制的(0或者1);这里突触输入g_ij为1,-1,三种取值。
MCP模型是最早的人工神经元计算模型;也被称之为线性阈值模型(linear threshold model)。
这个模型忽视了神经元动作的相对时间。
Hodgkin-Huxley这些非线性常微分方程组给出了神经元的点模型。
积分起来的步骤非常繁琐,但是该方程业已成为计算神经科学中的基本工具(principal tool )。
该方程也可以被修改,例如,在等式的右边可以添加任何离子电流。
该方程表现出来的动力学分叉的行为也已经在实验中被观察到。
FitzHugh-Nagumo model Richard FitzHugh with analog computer atNIH, ca. 1960.received his PhD. in Biophysicsfrom Johns Hopkins University.FitzHugh R. (1961) Impulses andphysiological states in theoreticalmodels of nerve membrane.Biophysical J. 1:445-466FitzHugh R. (1962) Computation ofimpulse initiation and saltatoryconduction in a myelinated nervefiber. Biophys J. 2:11-21Richard FitzHugh during the preparation ofNagumo J., Arimoto S., and YoshizawaS. (1962) An active pulse transmissionline simulating nerve axon. Proc. IRE.50:2061–2070.J. Nagumo et al. whocreated the equivalentcircuit the following year,describes a prototype ofan excitable system (e.g.,a neuron).帮我找到Nagumo J.的照片FitzHugh-Nagumo modelis a two-dimensional simplification of the Hodgkin-Huxley model of spike generation in squid giant axons. Here,This system was suggested by FitzHugh (1961), who called it "Bonhoeffer-van der Pol model", and the equivalent circuit byNagumo et al. (1962; see Figure 1).Circuit diagram of thetunnel-diode nerve model of Nagumo et al.膜电位随时间演化FHN模型的相图。
蓝色线是FHN模型相空间轨迹,紫色和黄色的线分别是相空间中的三次零线和线性零线。
增加FHN神经元的外界刺激时,相图中轨迹、零线以及膜电位的变化Wilson-Cowan model{E(x,t),I(x,t)}是兴奋性和抑制性神经元在连续神经介质x 邻域内的数目密度(wee(x),wie(x),wei(x),wii(x))是在神经细胞中连接性分布。
{Le ,Li}是反应不同神经元群体的阈值的非线性响应。
操作子为对连接分布的卷积。
这是第一个神经的平均场模型。
他尝试去描述一群神经元,并且通过平均噪声分布的方法,避免了单个神经元噪声作用下的相干动力学行为。
Morris-Lecar neuronMorris and Lecar, 1981v(t) 是膜电位,n(t)来描述钾电流的恢复活动;I 是外界刺激电流ML 模型是从HH 神经元模型中简化而来的模型,最早是用来描述天鹅的肌肉细胞的兴奋性。
Catherine Morris (b. 24 December 1949) is aCanadian biologist. She won a Commonwealthscholarship to study at Cambridge University,where she earned her PhD in 1977. She became a professor at the University of Ottawa in theearly 1980s. As of 2015, she is an emeritus professor at the University of Ottawa.http://www.ohri.ca/profile/CatherineEMorrisHistoryHarold Lecar (18 Oct 1935-4 Feb 2014) 2014)was an American professor of biophysics andneurobiology at the University of CaliforniaBerkeley. He graduated with his PhD inphysics from Columbia University in 1963.https:///news-and-events/department-news/harold-lecar-has-diedV : membrane potentialN : recovery variable: the probability that the K+ channel is conductinBifurcation in the Morris–Lecar model have been analyzedwith the applied current I, as the main bifurcation parameter and φ, gCa, V3, V4 as secondary parameters for phase plane analysis:Hopf BifurcationSNIC bifurcation Homoclinic bifurcationCurrent clamp simulations of the Morris–Lecar model. The injected current for the SNIC bifurcation and the homoclinic bifurcation is varied between 30 nA and 50 nA, while the current for the Hopf bifurcation is varied between 80nA and 100nAg_ca=4.0;g_k=8.0;g_l=2;v_ca=120;v_k=-84;v_l=-60;Q=1/15;V1=-1.2;V2=18;V3=12;V4=17.4;c_m=20;dt=0.1; t_span=220; t=0:dt:t_span;I_app=50; v=30.83; w=0.2;vt=zeros(1,length(t));wt=zeros(1,length(t));for it=1:length(t)tau_w=1/cosh((v-V3)/(2*V4));m_inf=0.5*(1+tanh((v-V1)/V2));w_inf=0.5*(1+tanh((v-V3)/V4));if t(it)>=80 && t(it)<=80.5II=480;elseII=0;endvt(it)=(-g_ca*m_inf*(v-v_ca)-g_k*w*(v-v_k)-g_l*(v-v_l)+I_app+II)*dt/c_m+v; wt(it)=Q*(w_inf-w)*dt/tau_w+w;v=vt(it);w=wt(it);endfigure(1)hold onplot(t,vt,'--','LineWidth',2);hold offHindmarsh-RoseHindmarsh and Rose, 1984x(t)是膜电压;y(t)用来描述快电流变量;z(t)来描述慢电流变量;I 是外界刺激电流; 该模型是利用多项式拟合简化HH 神经元模型得到的;该模型可以得到粗发放和混沌发放的模式该模型不能用来模拟发放后的超极化状态Bifurcation diagram and spiking patterns for an HR neuron. (a) Bifurcation diagram plotted as the interspike interval of the response spike train of the neuron vs. I ext . (b)-(f) are period-1, period-2, period-3, period-4 and chaotic burstings, respectively. The corresponding externalDC inputs were established as I ext = 1:37; 1:67; 2:23; 2:67; 3:11, respectively.Phase oscillator modelsCohen et al.,1982; Ermentrout and Kopell, 1984; Kuramoto,1984Map models作业:玩一下IF模型 ^_^依照本节课给出的程序:1)重复IF模型模拟的动作电位2)改变刺激强度大小,观察动作电位的变化3)试求出动作电位的发放频率随刺激强度变化规律。