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神经元是高度特化的细胞,是神经系统的基本结构和功能单位,其主要功能是接受、整合和传递信息。
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。
膜电位(membranepotential)
膜电位通常是指以膜相隔的两溶液之间产生的电位差。
生物细胞被以半透性细胞膜,而膜两边呈现的生物电位就是这种电位,平常把细胞内外的电位差叫膜电位。
神经细胞的膜电位主要表现为细胞在安静状态下所具有的静息电位和细胞在受到刺激时产生的动作电位。
在胞膜中存在着被称为Na+-K+泵(Na+-K+pump)的离子通道,由它们不断地逆着电化学梯度将Na+泵到胞外,再将K+带入胞内。
高钾低钠
高钠低钾
哺乳动物神经元细胞内外离子浓度和平衡电位
细胞外液
细胞内液
平衡
电位(mV)
离子
浓度(mM)
离子
浓度(mM)
Na+
K+
Cl-
Ca2+
145
5
125
2
Na+
K+
Cl-
Ca2+
12
140
9
+65
-84
-67 +125
神经元细胞处于相对安静状态时,细胞膜内、外存在的电位差,细胞内电位约-65mV,接近于K+的平衡电位-80mv,此种状态称极化。静息电位增大称超极化;减小称去极化;去极化至零或变为正值则称反极化;去极化后再恢复至静息电位称复极化。
静息电位应主要由K+、Na+、Cl-三种离子的平衡电位决定
动作电位(actionpotential,AP)
在静息电位的基础上,神经细胞受到适当刺激时,其膜电位会发生可扩布的改变。当刺激强度达到阈值时,会产生一个不衰减的“全或无”式的沿神经纤维传导的神经冲动,称为动作电位。
阈电位(threshold):能引起动作电位的最小刺激强度
动作电位产生的机制
动作电位产生与细胞膜的通透性及离子转运有关:
去极化过程:当细胞受刺激而兴奋时,膜对Na+通透性增大,对K+通透性减小,胞外的Na+内流形成了的电-化学平衡电位。
复极化过程:当细胞膜去极到峰值时,细胞膜的Na+通道迅速关闭,而对K+的通透性增大,细胞内的K+外流,导致膜内负电位增大,直至恢复到静息时的数值。
可兴奋细胞每发生一次动作电位,激活了Na+-K+依赖式ATP酶即Na+-K+泵,将胞内多余的Na+泵出胞外,同时把胞外K+泵进胞内,以恢复静息状态的离子分布,保持细胞的正常兴奋性。动作电位是可兴奋细胞兴奋的标志。
对于神经元而言,多个局部电流经过空间和时间上的整合,超过阈值(阈电位),将引发动作电位。
动作电位发放频率、大小,是神经系统信息编码的基本形式。
人工智能:解码神经系统信息编码
有髓纤维动作电位的传导
有髓神经纤维兴奋传导呈跳跃式。髓鞘越厚,结间体越长,传导速度越快。而无髓纤维传导速度则慢得多。
轴突直径v=κd1/2v(m/s)=6d(um)
温度的高低,温度低则传导速度慢。
测定传导速度有助于诊断神经纤维的疾患和估计神经损伤的预后。
决定神经纤维传导速度的因素