电生理学

Saltatory propagation in the
myelinated axon
http://www.brainvi ews.com/abFiles/ AniSalt.htm
Factors Influencing Conduction Velocity
Action potential conduction velocity increases with increasing axonal diameter (轴突的直径) Axonal size and the number of voltage-gated channels in the membrane also affect axonal excitability (轴突上钠离子通道的密度). Temperature (温度)
n=27
n=30
Membrane Potentials (mV)
B
0
D
3.5
Spikes
Eyes-unopened Eyes-opened
SDST (ms)
PND 17
-10 -20 -30 -40 -50 -60 -70
3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 .5 0.0 1 2 3 4 5
Spikes
河豚毒 Tetrodotoxin
四乙基铵 Tetraethylammoniumn (TEA)
•Evidence that sodium is responsible for inward current during depolarization phase of the action potential. Use of the voltage clamp to measure current.
"for their discoveries concerning the ionic mechanisms involved in excitation and inhibition in the peripheral and central portions of the nerve cell membrane"

To initiate excitation

Excitable cells: nerve cell, muscle cell, endocrine cell Stimulation


Intensity
Duration dV/dt
Local response
Not “all-or-none” Electrotonic propagation:
Voltage Clamp
把细胞膜电位固定在某 一水平时，称为保持电位 （holding potential），如有 离子跨膜移动，膜电位将偏 离保持电压。电压电极测出 这一膜电位的变化，反馈电 路输入一反向电流，膜电位 固定在保持电位水平，所输 入电流量的数值反映了该指 令电位下的膜电流的大小。
当时没有任何测量电流的仪器，只是发现利用电容器（如雷顿瓶）的放 电 ， 或雷电发生时竖起一根长导线，引导大气中的电，都可以刺激蛙的神 经肌肉标本，引起肌肉收缩，所以当时就用蛙的神经肌肉标本作为电流存在 的标志。 1791 年意大利解剖学教授 Galvani L 发现，如果将蛙腿的肌肉 置于铁板上，再用铜钩钩住蛙的脊髓，当铜钩与铁板接触时肌肉就会发生收 缩。他把这个现象归因于机体的 “ 动物电 ” （ animal electricity ）。 同时代的意大利物理学家 Volta 不同意 Galvani 的见解，认为实验中 发现的电现象，不是动物机体产生的动物电，而是由于实验中连接肌肉和神 经的金属不同所致，是不同金属接触时产生的电流刺激了肌肉标本。 Volta 后来因此而发明了伏特电池； Galvani 则继续进行了一个出色 的实验, 他将一个肌肉标本横断，又将另一个神经肌肉标本的神经干搭在横 断肌肉上，并使之跨越肌肉的完好面和损伤面，结果该神经支配的肌肉产生 收缩，证实了动物电的存在。

The maturation of neuronal programming
Membrane Potentials (mV)
A
10 0
C
35 30
Eyes-unopened Eyes-opened
ISI (ms)
-10 -20 -30 -40 -50 -60 PND 9
25 20 15 10 5 1 2 3 4
Goldman-Hodgkin-Katz equation
During rest in the squid giant axon, the permeabilities have the ratio PK:PNa:PCl = 1:0.04:0.45
Em
Role of Na+-K+ pump: Electrogenic Hyperpolarizing
外面向外式
外部物质浓度可变
实验中膜内介质不能改变，微 管内需低钙以防囊泡形成
全细胞式
改变内部介质以分离电流
内部介质需交换，直径大于 30～40μm的细胞难以钳制
离子流分离方法
离子替换法 药物阻断法 控制钳位电压的电平或时程 通常将三种方法结合起来观察测量单一 离子流规律,排除其它各种离子通道的活动.
三、patch-clamp技术
1976年Erwin Neher,Bert Sakmann 建立了膜片钳（patch clamp）技术，使记录单离子通道的活动成为可能。获 1991年诺贝尔生理学、医学奖。

1991 ERWIN NEHER and BERT SAKMANN for their discoveries concerning the function of single ion channels in cells
脑: αβ1β2;电鳗:α 骨骼肌及心肌: αβ1
• S4: voltage dependence
Na+ channel
S4:含有带正电的氨基酸(电压感受器) P: ion selectivity
Sodium channel structure (Na+ 通道的结构)



Created from a single long polypeptide Has 4 distinct domains, numbered I-IV. The four domains are believed to clump together to form a pore between them Each domain consists of 6 transmembrane alpha helices, numbered S1-S6 The channel has pore loops that are assembled into a selectivity filter
(2) Repolarization
Inactivation of Na+ channel
Activation of K+ channel, Tetraethylammonium (TEA)
Conduction of action potential
Continuous propagation in the unmyelinated axon
A potential difference across the membranes of inactive cells, with the inside of the cell negative relative to the outside of the cell
K+ equilibrium
Carlo Mattenci（1842）向法国科学院报 告他的发现，如将一条蛙神经肌肉标本A搭 在另一条蛙神经肌肉标本B的腓肠肌上，当B 的坐骨神经受到刺激引起肌肉B收缩时，没 有直接受到刺激的腓肠肌A也会产生继发性 收缩，这是因为在肌肉B收缩时产生了电流， 继发性地刺激了搭在肌肉B上的神经A。
Nobel Prize in Physiology or Medicine 1963
Difference between EK and directly
measured resting membrane potential
•unequal ion distribution (chemical gradient) across the membrane
•selective membrane permeability (cell membrane is more permeable to K+) •Na+-K+ pump
1963 SIR JOHN CAREW ECCLES, SIR ALAN LLOYD HODGKIN and SIR ANDREW FIELDING HUXLEY
Eccles
Hodgkin
Huxley
二、细胞的电活动 1.Resting potential
Intracellular Recording
离子通道
(1)离子通道分类




钠通道 INa If 钙通道 电压门控钙通道：L,N,T,P,Q,R型； 配体调控性钙通道：IP3Rs,RyRs 钾通道 电压依赖性钾通道：Ikr, Iks, Ito, 等； 钙依赖性钾通道：BKCa, IKCa, SKCa等； 内向整流钾通道：KATP,KAch,IK1等； 氯通道 γ-氨基丁酸受体（GABA-R)
第二章 细胞的电活动
Department of Physiology Bengbu medical college
公元前三百多年亚里士多德观察到电鳐（Tov Pedo）在 捕食时先对水中动物施加震击，使之麻痹。古希腊古罗马人 曾用黑电鳐（Tor Redo nobiliana）的震击治疗头痛。但是， 直到18世纪电学的一些基本规律被发现后，人们才逐步认识 到动物放电的性质。1769年E.N.Boncroft指出电鳐和电鲇都 能放电，并将它们的放电力与莱顿瓶组的放电力相比较。 1772年J.Walsh发现了电鲇放电的部位。
Properties of action potential (AP)
Depolarization must exceed threshold value to trigger AP. AP is all-or-none.
AP propagates without
decrement.
(1)depolarization
spreading with decrement
Summation: spatial & temporal
2.Action potential
Neurons are capable to rapidly reverse their resting membrane potential from negative resting values to slightly positive values. This transient and rapid change in membrane potential is called an action potential.
一、发展简史： 1. Luigi Galvani--- 电生理学的奠基人,1786年 “凉台实验”，“无金属实验”。

Carlo Matteuci 1842年首次记录到肌肉的动作 电位，并用 “二次收缩实验”证明，动作电位引 起肌肉收缩。
L. Galvani (1737-1798)
animal electricity
(2)离子通道结构
-电压依赖性钠通道、钙通道：Leabharlann BaiduA Na+ or Ca2+ channel
I II III IV out
B
Na+,Ca2+
N S4
P loop
in C
N Primary functional domains: • P loop: ion selectivity
C
四结构域;两亚单位:αβ
Nernst equation
potential (EK)
EK=60 log([K+]o/ ([K+]i) (mV)
chemical driving force
----------------++++++++++++++++
electrochemical balance
electrical driving force
Patch-clamp(膜片钳)技术
膜片钳放大器 探头 模数转换
单细胞
样品池 计算机
Patch Clamp Applications
分型
细胞贴附式
优点
不干扰胞浆，调制系统完整
缺点
不能改变细胞内介质，需用另 一电极测量膜电位
内面向外式
细胞内离子或调节物质的浓度可 实验中膜外介质不能改变，需 变，可向膜内表面加酶 低Ca2+液灌流以防囊泡形成