离子通道和神经元的电活动Neuronal Electric Activities.ppt
大脑中的电火花：离子通道和神经细胞的故事
大脑中的电火花：离子通道和神经细胞的故事READING编者按去年9月，Frontiers for Young Minds期刊网站（以下简称“FYM”）上线了五位诺贝尔奖得主专门为青少年撰写的科学文章合集，《赛先生》获FYM官方授权第一时间发布了中文翻译版本。
今年11月，FYM诺贝尔奖合集系列迎来更新，再次收录五篇由诺奖得主为全球的好奇大脑撰写的最新文章。
《赛先生》获FYM独家授权，将陆续翻译这五篇文章，分享给中文读者。
目前，该合集收录以下文章：《诺奖得主解读引力波：宇宙的一扇新窗》– 2017年诺贝尔物理学奖得主，巴里·巴里斯（Barry Barish）和所有在Frontiers for Young Minds发表的文章一样，诺贝尔奖合集的作者们同样需要用孩子的语言对文章进行改写，随后由8-15 岁的青少年审稿人出具审稿报告，通过后文章才可以发表，以确保文章易于理解并有趣。
诺贝尔奖得主合集系列将持续更新，旨在发展这一宝贵的教育资源，以激励年轻人，同时鼓励分析性思维和想象力的建立。
大脑中的电火花：离子通道和神经细胞的故事作者Bert Sakmann（马克斯·普朗克神经生物学研究所教授，1991年诺贝尔生理学和医学奖得主）翻译李娟校译玛雅蓝大脑的正常工作，离不开神经细胞之间的交流。
解读神经细胞的“语言”是我们认识大脑的关键。
一个神经细胞发出的信号是如何被另一个细胞捕获的？又会产生什么样的电生理活动？结合我做过的科学实验，我将为读者们介绍大脑电生理活动的最基本组件——离子通道，帮助大家更好地了解神经细胞的通讯方式。
离子通道的发现为理解大脑和其他器官（如心脏）的电生理活动奠定了基础，为治疗癫痫和心率失常等电活动相关疾病的药物研发提供了全新见解。
01细胞之间是如何交流的细胞是生命的基本组成部分。
我们身体的单个细胞既是独立的功能单位，又是需要协同运作的有机体(如大脑和心脏)的一部分。
细胞由细胞膜包裹，形成一层清晰的物理边界，以分隔细胞内容物与外部（细胞外）环境及其他细胞。
神经生物学2离子通道和神经元电活动
Diffusion
• Temperature-dependent random movement of ions and molecules tends to distribute the ions evenly throughout the solution so that there is a net movement of ions from regions of high concentration to regions of low concentration.
• Generating a steady electrical potential difference across a membrane requires
– An ionic concentration gradient – Selective ionic permeability
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Before moving on to neurons, four important points should be made:
Each of the different polypeptides contributing to a protein with quaternary structure is called a subunit (亚基).
1.4 Channel Proteins
• Channel protein is suspended in a phospholipid bilayer, with its
• The protein channels can be highly selective for specific ions. (离子通道对离子具有高度的选择性)
• The movement of any ion through channel depends on the concentration gradient and the difference in electrical potential across the membrane. (离子的跨膜运动依赖于膜两侧的浓度梯度和电位差)
神经元电活动
神经元的电活动静息电位和动作电位神经元由胞体、轴突和树突组成。
在静息情况下，细胞内以K+ 和有机负离子为主，细胞外以Na+、Ca2+和Cl-为主，维持静息电位在-70 mV ——-90mV (细胞膜内为负，细胞膜外为正)。
在细胞兴奋时，Na+通道开放，Na+内流，使膜内变正，产生去极化，形成动作电位的上升支；随后K+顺浓度差外流，膜内再次变负，称为复极化，形成动作电位的下降支。
最后通过Na+ -K+-ATP泵逆浓度差将细胞内多余的运送到细胞外，同时将细胞外多余的运送到细胞内。
由Na+快速内流构成的锋电位时间非常短暂（<2 ms）, 并在细胞外衰减，因而不是构成皮层脑电图电位的主要成分。
除Na+电位外，在细胞膜兴奋时，还存在另一个重要的非突触电位，它由Ca2+缓慢内流的引起，可产生20 mV ——50mV的高电压，并可在一群神经元中形成同步化锋电位，在癫痫样放电中具有重要作用。
动作电位沿轴突（神经纤维）的传导是双向的，以局部电流的形式传向远端。
但在到达突触时，动作电位只能从突触前膜向另一神经元的突触后膜单向传导。
突触结构和神经递质两个神经元之间的接触点称为突触（synapse），由突触前膜、突触后膜和突触间隙构成。
神经元之间可通过轴突—树突、轴突—胞体、轴突—轴突等多种方式实现突触连接。
一个神经元兴奋后对下一级神经元的作用取决于神经末梢(突触前膜)说是放的神经递质或调质的功能。
兴奋性神经递质使突触后膜去极化，导致静息电位升高，神经元兴奋性增加，引起兴奋性突触后电位（EPSP）；而抑制性神经递质则使突触后膜超级化，静息电位降低，神经元兴奋性降低，引起抑制性突触后电位（IPSP）。
兴奋性电流主要与Na+、Ca2+内流有关，而抑制性电流主要涉及K+、Cl-外流。
在大多数生理情况下，突触活动是构成脑电图电位的最主要成分。
脑内主要的兴奋性氨基酸为谷氨酸和天门冬氨酸，对大脑皮层神经元、海马、丘脑、小脑等结构都能产生极强的兴奋作用，是脑内大多数兴奋性神经元的递质。
离子通道对神经功能的调节机制研究
离子通道对神经功能的调节机制研究神经细胞的正常活动涉及大量的离子通道，这些离子通道可以调节神经细胞膜电位和离子内外浓度，从而影响神经元的兴奋性和抑制性，进而控制神经系统的各种生理功能。
离子通道在神经系统中起着非常重要的作用，因而离子通道对神经功能的调节机制一直是研究热点之一。
本文将从离子通道分类、离子通道功能和离子通道对神经功能的调节机制三个方面探讨离子通道对神经功能的调节机制研究进展。
一、离子通道分类离子通道是贯穿神经细胞膜的蛋白质通道，其中主要包括钠通道、钾通道、钙通道和氯通道等。
这些离子通道分布在神经细胞不同的位置，对神经细胞的兴奋性和抑制性起着不同的作用。
1. 钠通道钠通道是神经细胞中最早被研究的离子通道之一，它可以促进神经细胞膜的去极化，从而产生神经冲动。
钠通道还参与神经细胞的动态调节，能受到各种内外因素的调节，如细胞内离子浓度、神经递质释放、神经激素分泌等。
2. 钾通道钾通道是神经细胞的主要调节通道，它能控制神经元膜电位在不同的时间尺度上发生变化。
钾通道可以影响神经元的去极化和复极化过程，进而影响神经细胞的兴奋性和抑制性。
3. 钙通道钙通道是神经细胞中最为复杂和多样化的离子通道之一，它们能参与神经细胞的兴奋性、神经递质释放和神经元信号转导等过程。
钙通道随着细胞内胞质钙离子浓度的变化而发生打开和关闭，这与神经元发放和传递信号过程密切相关。
4. 氯通道氯离子在神经细胞中位于主要的抑制性离子，氯通道可通过调节神经元膜的去极化程度进而调节神经细胞的抑制性和兴奋性。
不同于其他离子通道，氯通道的开关状态一般不会由于神经元内部兴奋或者抑制状态而发生明显的变化。
二、离子通道功能离子通道在神经系统中担负着多种功能，如控制神经元膜电位、调节神经元的离子浓度、参与神经元兴奋和抑制等。
1. 控制神经元膜电位离子通道可以调节神经元膜电位的变化，从而控制神经元的去极化和复极化过程。
这对神经元的兴奋性和抑制性起着至关重要的作用。
分子药理-离子通道
第一节、离子通道药理概述离子通道是神经元、肌肉细胞等可兴奋组织上的特殊结构的大分子蛋白质，它在脂质膜上构成具有高度选择性的孔道，一定的条件下，允许一种或几种离子透过。
离子沿着电化学梯度流过通道，形成离子电流，使可兴奋膜产生特殊的电位变化，形成神经和肌肉电活动的基础。
根据跨膜电位或受神经递质通过受体激活调控离子通道的开启，可将离子通道分为二类： (1) 电压依赖性离子通道 (2) 受体调控性离子通道电压依赖性离子通道广泛分布于各类可兴奋膜上，主要功能是产生动作电位。
受体调控性离子通道多局限于神经突触后膜和神经肌肉接头的运动终板，参与神经突触后电位或终板电位的形成。
但上述的区分并非是绝对的，神经递质可调控某些电压依赖性离子通道的活动，而受体调控性离子通道也有受膜电位影响的现象。
研究已证实许多药物可作用于离子通道，影响可兴奋膜上电冲动的产生和传播，进而影响机体的生理和病理，这就为寻找和设计影响离子通道新药奠定了理论基础。
研究离子通道药理需要一些先进的研究技术和仪器，以下介绍几种常用的研究离子通道的电生理技术。
1、电压钳（Voltage Clamp）技术我们知道，当组织细胞兴奋时，流过膜的电流通常包含电容电流和离子电流两部分，前者是膜电容充电或放电的位移电流，后者是流过通道的离子电流，它反映了膜的通透性变化。
电压钳制的目的是将离子电流和电容电流分开，从而进一步分析离子电流随时间和膜电位变化的规律。
电压钳的具体工作原理大体是通过负反馈放大器迫使膜电位随控制电压的变化而变化，为此向膜内注射电流以抵消膜电流，确保膜电位稳定在控制电压水平。
在电压钳制时，电容电流在膜电容充电至控制电压后，此时电容电流消失，此后的膜电流即离子电流。
这种方法的灵敏度可达在0.5ms内测量106个离子流动的水平。
2、闸门电流（gating current Ig）是指在外部电场作用下，电压依赖性通道口或其附近的带电闸门颗粒移动所产生的非对称电流，这些闸门颗粒决定通道的开闭。
脑神经元的电生理活动及其应用
脑神经元的电生理活动及其应用人类的神经系统是由复杂的神经元和突触等神经元元件构成，同时具有区分性、可塑性和规律性。
其中主要的功能单元是神经元。
神经元是一种具有特殊结构和功能的细胞，其主要功能是接受、处理和传递信息。
神经元通过细胞内外的离子流动和电信号传递来实现这一功能。
因此，研究神经元的电生理活动对于我们深入了解神经元的功能和疾病机制具有重要的意义。
神经元是由细胞体、树突、轴突和突触等四个主要部分组成的。
细胞体包括神经元细胞核、内质网、线粒体等细胞器。
树突是向外分枝的突起，类似于树枝，主要作用是接受来自其他神经元的信息。
轴突则是单一的长突起，主要作用是把信息传递到其他神经元或肌肉细胞中。
突触是神经元之间、神经元与肌肉细胞之间的连接处，也是信息传递的重要场所。
神经元的电生理活动主要包括静息电位、动作电位、突触电位等。
静息电位是神经元在安静时的基本负偏电位，通常为-70mV左右。
当神经元接受到足够多的受体区域的电刺激时，静息电位会发生改变，引起神经元内外离子浓度的变化，导致神经元生成动作电位。
动作电位是一种具有快速上升和下降阶段的瞬时电位变化，一般时程为1毫秒。
动作电位的主要特点是“全或无”，即只有达到一定阈值时，神经元才会产生动作电位；否则，只会产生微小的细小值。
突触电位是神经元与神经元或神经元与肌肉细胞之间的接触处的电位变化，主要作用是在神经元之间或神经元与肌肉细胞之间传递信息。
研究神经元的电生理活动对于医学、生物学、计算机科学等领域都有重要的应用。
在医学领域中，神经元的电生理活动被广泛用于诊断和治疗许多神经系统疾病，如帕金森病、失眠症、抑郁症、多发性硬化症等。
脑深部刺激治疗帕金森病、抑郁症等神经系统疾病已经得到了广泛的应用。
此外，神经元的电生理活动还可用于分析脑电图，了解大脑的功能活动模式，从而进一步跟踪疾病进程和治疗效果。
在生物学领域中，神经元的电生理活动被用于探索神经元的功能、神经网络的连接、认知过程等方面。
大脑神经元的电信号传导原理
大脑神经元的电信号传导原理大脑是人类最为复杂的器官之一，负责人体的思考、记忆、感知以及协调各种行为。
而大脑的运作依赖于神经元之间的电信号传导。
本文将介绍大脑神经元的电信号传导原理，包括神经元的结构、电化学过程及信号传导机制。
一、神经元的结构神经元是构成神经系统的基本单位，可以分为三个部分：树突、轴突和细胞体。
树突（Dendrite）是神经元的接收区，负责接收其他神经元传递来的电信号。
轴突（Axon）是神经元的传导区，负责将电信号传递到其他神经元。
细胞体（Cell body）包含了神经元的核心结构，负责维持细胞的生命活动。
二、电化学过程神经元之间的电信号传导是基于电化学过程，其中包括静息态和兴奋态两种状态。
在静息态时，神经元的内外部相对电荷差异维持在安静的状态，这个差异被称为静息电位。
而在兴奋态时，神经元内外部的相对电荷差异会发生快速变化，导致电信号传递和信息处理。
1. 静息态在神经元的静息态中，细胞内的离子主要为带正电的钾离子（K+）和带负电的蛋白质阴离子（A-）。
而细胞外的离子主要为带负电的氯离子（Cl-）、带正电的钠离子（Na+）和带负电的蛋白质阴离子（A-）。
这种离子分布差异导致了细胞内外的相对电荷差异，形成了静息电位。
2. 兴奋态当神经元受到刺激时，静息电位会发生瞬时的改变，进而触发电信号传导。
首先，细胞膜上的特殊通道会打开，使得钠离子从细胞外进入细胞内。
这个过程称为钠离子通道的开放。
随后，细胞内的电荷发生了明显的变化，形成了细胞内电位的升高，这个电位被称为动作电位。
动作电位的形成被认为是大脑活动的基础。
三、信号传导机制神经元之间的电信号传导主要依赖于两种机制：化学突触传递和电突触传递。
1. 化学突触传递化学突触是指神经元之间通过神经递质传递电信号的传导机制。
在突触前神经元的动作电位到达突触末梢时，会释放出神经递质。
神经递质通过突触间隙传递到突触后神经元，然后结合到突触后神经元上的受体上，引发电信号的传导。
离子通道在神经系统中的功能研究
离子通道在神经系统中的功能研究在神经系统中，离子通道是一种非常重要的分子结构，其作用是通过调节神经元和其他细胞的膜电位，从而控制神经和细胞功能。
离子通道的研究已经成为当前神经科学领域中的一个热点，人们通过研究离子通道的结构、功能和调节机制来深入了解神经信号的传递机制、神经系统的疾病发生和治疗等方面的问题。
一.离子通道的分类和结构离子通道是一种特殊的蛋白质，其主要作用是允许特定类型和大小的离子进入或从细胞膜透过。
离子通道根据其所允许的离子种类和特殊特性分为不同的类型，例如钙通道、钠通道、钾通道等。
钙通道和钠通道均属于电压门控离子通道，而钾通道又分为电压门控和内在门控两种类型。
离子通道的结构由多个亚基组成，其中包括膜蛋白子单位和可变可控亚单位等。
膜蛋白子单位主要负责形成离子通道的膜区域，而可变可控亚单位则对离子通道的打开或关闭发挥调节作用。
离子通道的结构为其功能提供了重要的基础，同时也对研究人员提出了一些挑战，例如如何更好地描述离子通道的结构、如何隔离并测量离子通道等问题。
二.离子通道的功能和信号传递机制离子通道在神经信号传递中起着关键作用。
例如，在动作电位的产生过程中，钠离子通道扮演着重要的角色。
当受到足够的电刺激后，钠离子通道会打开，使得细胞内外的电势差逆转，造成膜上的电压发生快速升高。
这种升高的电压会触发下一组离子通道的打开，从而进一步增加电压和信号强度，形成一个正反馈的环路，最终导致动作电位的产生和传递。
另一个例子是钙离子通道的作用。
钙离子通道对于神经和肌肉的信号传递起着重要作用。
在神经进入肌肉时，神经系统会释放乙酰胆碱（ACh），ACh会结合到肌肉细胞的ACh受体上，从而激活钙离子通道，使得钙离子流入肌肉细胞中，引起收缩。
这种作用在心肌细胞中的表现尤为明显，钙离子通道可以调节心脏收缩的力度和速率，直接影响心脏的正常功能和健康。
三.离子通道相关的疾病和治疗由于离子通道在神经信号传递中的重要作用，离子通道相关的疾病和治疗也成为当前神经科学领域中的热门话题。
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– Equilibrium Potential – The Distribution of Ions Across the Membrane – Relative Ion Permeabilities of Membrane at Rest – The Importance of Regulating the External Potassium
The Neuronal Membrane at Rest
• The CAST OF CHEMICALS
– Cytosol and Extracellular Fluid – The Phospholipid Membrane – Protein
• The MOVEMENT OF IONS
– Diffusion – Electricity
Each of the different polypeptides contributing to a protein with quaternary structure is called a subunit (亚基).
Channel Proteins
• Channel protein is suspended in a phospholipid bilayer, with its
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Protein
• These proteins provide routes for ions to cross the neuronal membrane. •The resting and action potentials depend on special proteins that span the phospholipid bilayer.
Neuronal Electric Activit经科学研究所、神经生物学系
Neuronal Electric Activities Include:
• Rest Potential (Chapter 3) • Action Potential (Chapter 4) • Local Potentials
• THE CAST OF CHEMICALS
– Cytosol and Extracellular Fluid – The Phospholipid Membrane – Protein
• THE MOVEMENT OF IONS
– Diffusion – Electricity
• THE IONIC BASIS OF RESTING MEMBRANE POTENTIAL
– hydrophobic (疏水的) portion inside the membrane
– hydrophilic (亲水的) ends exposed to the watery environments on either side
Figure 3.7 A Membrane Ion Channel
The Phospholipid Membrane (磷脂膜)
The lipids of the neuronal membrane forming:
a barrier to water-soluble ions a barrier to water
头端-极性磷酸盐-亲水
尾端-非极性碳氢化合物 -疏水
Concentration
• CONCLUDING REMARKS
Cytosol and Extracellular Fluid
• Water:
– Its uneven distribution of electrical charge, so H2O is a polar molecule
• Ions:
Protein – Amino Acids
The Peptide Bond (肽键) and a Polypeptide (多肽)
Figure 3.6 Protein Structure
The tertiary structure
The primary structure The secondary structure The quaternary structure
– Salt dissolves readily in water because the charged portions of the water molecule have a stronger attraction for the ions than they have for each other
Ion Pumps (离子泵)
• Ion pumps are enzymes that use the energy released by the breakdown of ATP to transport certain ions across the membrane
Chapter 3
The Neuronal Membrane at Rest
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Two Properties of Ion Channels
• Ion selectivity (离子选择性)
– The diameter of the pore – The nature of the R groups lining it
• Gating (门控特性)
– Channels with this property can be opened and closed-gated by changes in the local microenvironment of the membrane
– Post-Synaptic Potential
• Excitatory Post-Synaptic Potential • Inhibitory Post-Synaptic Potential
– End-plate Potential – Receptor Potential
Chapter 3