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1、第三章突触和突触传递 吕海芹 东南大学医学院人体解剖与组织胚胎学系 Email lhnn66cn Cellphone 13770314680 基本要求 1 掌握 突触的概念 结构特点 分类及作用 离子通道和受体的概念 2 熟悉 突触可塑性 神经递质释放的主要过程及影响递质释放的主要因素 3 了解 突触小泡的形成 转运与再循环 内容纲要 突触受体和离子通道突触研究简史受体突触的概念离子通道突触的分类膜片钳突触的结构几种重要的离子通道突触的传递与突触有关的疾病突触后电位突触的整合突触的可塑性 1突触 概述神经元是神经组织基本的结构和功能单位 神经元与神经元之间通过复杂的网络相连 单个神经元细胞的信
2、息传递中 树突接受信息后在胞体整合产生动作电位 后者沿轴突传导到神经末稍 神经元与神经元之间 神经元和效应细胞之间的通讯是通过突触结构进行电信号和化学信号传递的 每个神经元有很多突触 如大脑皮质锥体细胞约有3万个突触 小脑中有的细胞多达20万个突触 成千上万的神经元通过突触构成不同水平的多级神经元环路 进行细胞间的信息传递 突触是神经冲动传导得以实现的转化装置 突触传递则是神经系统中感觉 自主运动和学习记忆等生理活动的基础 我国著名生理学家冯德培教授对突触的作用有过一段精辟的阐述 即 在整个神经生物学中 突触及其有关的研究可以说是占据中心地位 因为神经系统基本上是信息加工系统 而信息加工要求神
3、经元与神经元对话 这是通过突触进行的 1 神经元和神经网络学说 一 突触研究简史 Golgi 意大利解剖学家 创造了一种神经组织选择性染色方法 能染出百分之几的完整神经细胞 1873年 1885年用其母语发表了他的一些研究结果 提出了神经联系的 网状学说 Cajal 西班牙解剖学家 在Golgi研究的基础上做了进一步的研究 提出了 神经元学说 1888 1891年 Cajal用Golgi方法染出了大量分离的 着色完全的神经细胞 并无迹象表明连续网的存在 从而确立了神经细胞之间通过突触连接沟通的概念 他在对神经元进行显微解剖研究时对神经元之间的复杂联系进行了探索 首次提出了 突触 synapse
4、 的概念 他在论文中写到 随着我们目前知识的进展 我们倾向于认为神经纤维分叉端点只是和它所碰到的细胞体或树突相接触 而并相连续 一个神经细胞与另一个间的这种特异的连接可称为突触 突触的发现和命名完善了神经元理论 1894年 英国生理学家谢灵顿 C Sherrington 1857 1952 发现支配肌肉的神经含有感觉神经纤维和引起肌肉收缩的运动神经纤维 他证明在反射活动中 当一群肌肉兴奋时 相对的另一群肌肉就被抑制 这种交互神经支配理论被称为谢灵顿定律 限于当时的技术手段 Sherrington并没有真正观察到突触结构 最初人们认为所有的突触都是通过电传递 即电流直接从一个神经元流到另一个神经
5、元 2 电传递与化学传递 火与汤 的学说 埃利奥特第一次将神经传导与化学物质联系起来 可惜这种新思想没有受到权威们的重视 1905年剑桥大学年轻的生理学家埃利奥特 T R Elliott 1877 1961 做如下实验 将两个蛙心分离出来 第一个带有神经 第二个没带 两个蛙心都装上蛙心插管 并充以少量任氏液 刺激第一个心脏的迷走神经几分钟 心跳减慢 随即将其中的任氏液吸出转移到第二个未被刺激的心脏内 后者的跳动也慢了下来 正如刺激了它的迷走神经一样 同样地 刺激心脏的加速 交感 神经 而将其中的任氏液转移至第二心脏 后者的跳动也加速起来 这些结果无疑地证明神经并不直接影响心脏 而是在其末梢释放
6、出特殊的化学物质 后者产生众所周知的刺激神经所特有的心脏功能的改变 1921年维也纳生理学家洛伊 O Loewi 1873 1961 进行了系统直观的实验 直接证明 蛙心 心肌上交感和副交感神经末梢释放两种性质相反的化学物质 迷走神经释放的物质使心脏减速甚至停止跳动 交感神经释放的物质使心脏跳动加快 不久戴尔 H Dale 1875 1968 和洛伊直接证明了迷走神经释放的物质是乙酰胆碱 与此同时 美国的坎农 W B Cannon 1877 1945 和巴克 Z M Bacq 证实了交感神经释放的是去甲肾上腺素 由于这一开创性的工作 Dale和Loewi于1936年获得了诺贝尔生理学或医学奖
7、Dale和Loewi的发现激起神经科学家对化学信号如何在神经系统上产生电信号的热烈讨论 后来出现两派观点 以JohnEccles Sherrington的学生 为主的电传递学说 生理学派 认为所有的突触都是电传递 在突触前神经元产生的动作电位产生电流 后者被流动到突触后细胞上 以HenryDale为主的化学传递学说 药理学派 认为突触传递是化学性的 突触前的动作电位导致化学物质释放并反过来在突触后细胞上产生电流 1954年 Palade和Palay通过电镜观察对突触进行深入研究 阐明了突触的基本结构 DeRobertis与Bennett发现了突触小泡 他们的发现乃是划时代的事件 揭开了突触构造
8、之谜 从而结束了网状学说与神经元学说的长期争论 随着生理技术的发展及电镜的发明进一步证明 两种形式的突触都存在且二者形态结构上有明显差异 电镜下 化学突触是由突触前膜 突触后膜和突触间隙组成 前后膜分别来自不同的神经元 且前后膜之间有20 30nm的突触间隙 电突触中负责传递信息的是突触前和突触后组成的缝隙连接 类似于两个细胞间的导管一样 哥伦比亚大学的Kandel以海兔为研究对象 在突触水平研究了学习与记忆等高级神经活动 发现短期记忆与长期记忆均发生在突触部位 短期记忆 的机制是由于离子通道受影响 使更多的钙离子进入神经末梢 长期记忆需要生成新的蛋白质 他因此获2000年诺贝尔医学生理学奖
9、一百多年来人们从不同的角度或不同的侧面研究了突触的结构与功能 在突触生物化学 电生理学和药理学等方面都取得了巨大进展 并且还广泛开展了突触局部形貌学 突触分子构筑学 比较突触学的研究 已逐渐发展成为神经生物学的一个独立分支学科 突触学 synaptology 研究突触的主要方法包括 电镜技术 冰冻断裂法 示踪技术 突触分离技术 细胞内微电极技术 X线衍射技术 电压钳 斑片钳技术 显微录像技术和分子克隆 DNA重组技术等 二 突触的概念 突触 synapse 一词源于希腊语 连接 之意 CharlesSherrington 1897年 最早提出这一术语 Sherrington当时只是从生理学角度
10、把突触定义为相邻两个神经细胞之间发生机能联系的部位 狭义的突触指的是一个神经元的轴突末梢与另一个神经元形成的功能接触点 后来 随着突触形态学证据不断增多 其定义发展为 突触是两个神经元之间机能上密切联系与结构上特殊分化的部位 它代表着解剖结构上特化的与生理机能上专一的传递兴奋和抑制的区域 即信息传递的特殊区域 广义的突触不仅指两个神经元之间的功能性接触 亦包括神经元与效应器或感受细胞 甚至与胶质细胞之间的功能性接触 是神经元回路的组成单位 是不同信息加工的关键环节 其功能是进行神经冲动的传递 情报的整合和信息的处理 为了概括各类突触 现代的突触定义似乎应当改为 两神经元之间或与感受细胞 效应细
11、胞之间以及同一个神经元突起之间结构上特化的机能联系部位 突触标准 解剖上的实体 独特的生化组成 有特殊的功能 有多个控制位点 1 根据突触结构和传递机制不同分类 电突触 通过缝隙连接 借离子流 局部电流 为媒介构成电信号的直接传递 主要见于无脊椎动物 在脊椎动物大脑内 心肌和平滑肌细胞间也存在这种突触 化学性突触 借化学递质媒介进行信息传递 根据其递质又可分为乙酰胆碱能 多巴胺能 谷氨酸能 GABA能突触等 混合性突触 在两个神经元之间的突触面上 可有化学传递和电传递两种结构并存 称为混合性突触 mixedsynapse 三 突触的分类 2 按照神经元接触部位不同 可分为轴 树突触 最常见 可
12、以是轴突与树突干或树突棘相突触 多为不对称型 据认为是兴奋性突触 轴 体突触 可为对称型或不对称型 但以对称型为多轴 轴突触 多在轴丘处或轴突起始处或轴突末梢部 大多具有突触前抑制作用 树 树突触 具有双向极性 即构成突触的两个树突之间可以互相传递冲动 另外还有体 树突触 体 体突触 树 体突触 体 轴突触 树 轴突触 这些突触的功能尚不清楚 可能有修饰神经环路中的传入冲动 并起相当复杂的调制作用 其中以轴 树突触和轴 体突触这两种突触类型居多 3 根据突触生理作用分类 兴奋性突触 突触前膜释放的是兴奋性神经递质 引起突触后膜呈现兴奋性 膜的去极化 抑制性突触 突触前膜释放的是抑制性神经递质
13、引起突触后膜发生抑制性变化 4 根据突触前后膜特征分类 Gray氏1型 非对称型 往往是兴奋性的 如谷氨酸能突触 突触小泡以圆形为主 其突触前致密带 活性带 明显 突触间隙较宽 突触后膜致密 Gray氏2型 对称型 往往是抑制性的 如GABA能突触 其突触前致密带不明显 突触间隙较窄 突触后膜较薄 突触小泡以扁平形为主 5 根据突触排列方式分类 串联式突触 类似于电路中的串联一样交互式突触 同一个突触有两个传递方向相反的的活动点 互为突触的前后膜 如绣球僧帽细胞和颗粒细胞之间的突触 并联式突触 两个或两个以上的突触前成分同时作用于突触后膜上 6 根据突触小泡形态分类 S型 sphere F型
14、flattened S F型C型 core 7 张香桐 1952 根据大脑皮质锥体细胞上的突触结合形式 将突触分为 1 包围式突触 一个轴突末梢的许多分支密集地贴附在另一神经元的胞体上 这种结合形式使兴奋易于总合 相当于轴突 胞体突触 2 依傍式突触 一个神经元的轴突末梢分支与另一神经元的树突或胞体的某一点相接触 这一结合形式起易化作用 相当于轴突 树突突触或轴突 胞体突触 连接子 四 突触结构 在可兴奋组织中 通过缝隙连接 gapjunction 构成电信号的直接传递 1 结构 由突触前膜 突触后膜和突触间隙组成 突触间隙极窄 约2 4nm左右 突触前 后膜的构造完全相等 无增厚 紧相贴附
15、突触前膜无突触囊泡电信号的传递是通过连接子通道进行 一 电突触 Electricalsynapse 呈六角形 前后膜上各有一个半通道 每个半通道是由6个连接蛋白构成 突触前后膜上的半通道对接形成通道 通道外径2nm 内径1 5nm 连接子 2 特点和分布 构成细胞之间的低电阻通路 可以通透带电粒子和有机小分子 不依赖化学传递物质的作用 可以直接进行电紧张性传导电流易于在两个神经元之间通过 并且也防止了电流漏向细胞外的空间而损耗 动作电位的传播几乎没有衰减 信号传递简单快速 具双向传导性和高保真性 为神经元总体的同步化提供了一种手段在角质细胞中更加普遍 也存在于上皮细胞间及肌细胞间缝隙连接除了传
16、递电信号以外 可能还具有代谢物质和离子传递作用 与维持离子稳态和代谢调节有关 主要见于鱼类和两栖类 也存在于哺乳动物前庭核和下橄榄核 二 化学性突触 是哺乳动物神经组织信息传递的主要形式 由突触前成分 突触后成分和突触间隙所构成 呈单向性传导 突触前后膜厚约7 5nm 1 突触前成分主要由突触前膜和突触囊泡等组成 突触前膜通常是神经元的轴突终末 呈球状膨大 在印染标本中呈棕黑色的环扣状 附着在另一神经元的胞体 树突或轴突上 突触小泡的形态因储存神经递质不同而不同 一般将其分为以下几种类型 具有均匀透明中心的小囊泡 SSV 直径 60nm 一般含有快速作用的神经递质 其中圆形小泡内含兴奋性活性物质 如Ach或氨基酸类递质 扁平小泡内含抑制性活性物质 如GABA Glycine 具有致密中心的小囊泡 直径在40 60nm 一般含有儿茶酚胺类神经递质 具有致密中心的大囊泡 直径在120 200nm 一般含有儿茶酚胺类或神经肽类 突触活性区 突触前膜增厚的圆盘状特殊结构 越0 1 m 是突触囊泡进行拴系 锚定 激活和融合的主要部位 突触小泡的直径在40 200nm 堆积在靠近突触前膜处 一般呈
