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1、第五章 细胞膜电位,恩格斯在100多年前总结自然科学成就时指出：“地球几乎没有一种变化发生而不同时显示出电的现象”；生物体当然也不例外。事实上，在埃及残存史前古文字中，已有电鱼击人的记载；但对于生物电现象的研究，只能是在人类对于电现象一般规律和本质有所认识以后，并随着电测量仪器的精密化而日趋深入 目前，对健康人和患者进行心电图、脑电图、肌电图，甚至视网膜电图、胃肠电图的检查，已经成为发现、诊断和估量疾病进程的重要手段； 人体和各器官的电现象的产生，是以细胞水平的生物电现象为基础的，,心电图机,脑电图机,肌电图机,视网膜电图仪,胃肠电图仪,第1节 刺激与反应,十九世纪中后期的生理学家用两栖类动物
2、做实验时，发现青蛙或蟾蜍的某些组织在离体的情况下，也能在一定的时间内维持和表现出某些生命现象。这些生命现象的表现之一是：当这些组织受到一些外加的刺激因素（如机械的、化学的、温热的或适当的电刺激）作用时，可以应答性出现一些特定的反应或暂时性的功能改变。这些活组织或细胞对外界刺激发生反应的能力，就是生理学最早对于兴奋性(excitability)的定义,例如，把蟾蜍的腓肠肌和支配它的神经由体内剥离出来，制成神经-肌肉标本，这时如果在神经游离端一侧轻轻地触动神经，或通以适当的电流，那么在经过一个极短的潜伏期后，可以看到肌肉出现一次快速的缩短和舒张；如把刺激直接施加于肌肉，也会引起类似的收缩反应；而且
3、只要刺激不造成组织的损伤，上述反应可以重复出现。这就是神经和肌肉组织具有兴奋性能证明。,实际上，几乎所有活组织或细胞都具有某种程度的对外界刺激发生反应的能力，只是反应的灵敏度和反应的表现形式有所不同。 在各种动物组织中，一般以神经和肌细胞，以及某些腺细胞表现出较高的兴奋性；这就是说它们只需接受较小的程度的刺激，就能表现出某种形式的反应，因此称为可兴奋细胞或可兴奋组织。 不同组织或细胞受刺激而发生反应时，外部可见的反应形式有可能不同，如各种肌细胞表现机械收缩，腺细胞表现分泌活动等，但所有这些变化都是由刺激引起的，因此把这些反应称之为兴奋（excitation）。,随着电生理技术的发展和资料的积累
4、，兴奋性和兴奋的概念有了新的含义。 大量事实表明，各种可兴奋细胞处于兴奋状态时，虽然可能有不同的外部表现，但它们都有一个共同的、最先出现的反应，这就是受刺激处的细胞膜两侧出现一个特殊形式的电变化（它由细胞本身所产生，不应与作为刺激使用的外加电刺激相混淆），这就是动作电位；而各种细胞所表现的其他外部反应，如机械收缩和分泌活动等，实际上都是由细胞膜的动作电位进一步触发和引起的。,在神经细胞，特别是它的延续很长、起着信息传送作用的轴突（神经纤维），在受刺激而兴奋时并无肉眼可见的外部反应，其反应只能用灵敏的电测量仪器才能测出的动作电位。 在多数可兴奋细胞（以神经和骨骼肌、心肌细胞为主），当动作电位在受
5、刺激部位产生后，还可以沿着细胞膜向周围扩布，使整个细胞膜都产生一次类似的电变化 。,神经细胞示意图,既然动作电位是大多数可兴奋细胞受刺激时共有的特征性表现，它不是细胞其他功能变化的伴随物，而是细胞表现其他功能的前提或触发因素，因此在近代生理学中，兴奋性被理解为细胞在受刺激时产生动作电位的能力，而兴奋一词就成为产生动作电位的过程或动作电位的同义语了。只有那些在受刺激时能出现动作电位的组织，才能称为可兴奋组织；只有组织产生了动作电位时，才能说组织产生了兴奋。,可以对上述神经-肌肉标本的现象描述如下： 当刺激作用于坐骨神经某一点时，由于神经纤维具有兴奋性而出现兴奋，即产生了动作电位，此动作电位（常称
6、为神经冲动）沿着神经纤维传向它们所支配的骨骼肌纤维，通过神经-肌接头处的兴奋传递，再引起骨骼肌细胞兴奋而产生动作电位，以后是动作电位沿整个肌细胞膜传遍整个肌细胞，并触发了细胞内收缩蛋白质的相互作用，表现出肌肉一次快速的收缩和舒张。,刺激引起兴奋的条件和阈刺激,具有兴奋性的组织和细胞，并不对任何程度的刺激都能表现兴奋或出现动作电位。 刺激可以泛指细胞所处环境因素的任何改变；亦即各种能量形式的理化因素的改变，都可能对细胞构成刺激。,在实验室中，常用各种形式的电刺激作为人工刺激，用来观察和分析神经或各种肌肉组织的兴奋性，度量兴奋性在不同情况下的改变。 这是因为电刺激可以方便地由各种电仪器（如电脉冲和
7、方波发生器等）获得，它们的强度、作用时间和强度-时间变化率可以容易地控制和改变；并且在一般情况下，能够引起组织兴奋的电刺激并不造成组织损伤，因而可以重复使用。,实验表明，刺激要引起组织细胞发生兴奋，必须在以下三个参数达到某一临界值： 刺激的强度 刺激的持续时间 刺激强度对于时间的变化率（即强度对时间的微分） 不仅如此，这三个参数对于引起某一组织和细胞的兴奋并不是一个固定值，它们存在着相互影响的关系。,为了说明刺激的各参数之间的相互关系，可以先将其中一个参数固定于某一数值，然后观察其余两个的相互影响。 例如，当使用方波刺激时，由于不同大小和持续时间的方波上升支都以同样极快的增加速率达到某一预定的
8、强度值，因而可以认为上述第三个参数是固定不变的，而每一方波电刺激能否引起兴奋，就只决定于它所达到的强度和持续的时间了,占空比：在一串理想的脉冲周期序列中（如方波），正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值,在神经和肌组织进行的实验表明，在强度-时间变化率保持不变的情况下，在一定的范围内，引起组织兴奋所需的最小刺激强度，与这一刺激所持续的时间呈反变的关系 当刺激的强度较大时，它只需持续较短的时间就足以引进组织的兴奋，而当刺激的强度较弱时，这个刺激就必须持续较长的时间才能引起组织的兴奋。,但这个关系只是当所用强度或时间在一定限度内改变时是如此。 如果将所用的刺激强度减小到某一数值时，则这个刺激不论持续多
9、么长也不会引起组织兴奋； 与此相对应，如果刺激持续时间逐步缩短时，最后也会达到一个临界值，即在刺激持续时间小于这个值的情况下，无论使用多么大的强度，也不能引起组织的兴奋。,如果用较小的刺激强度就能兴奋的组织具有较高的兴奋性，那么，这个强度小的程度，还要决定于这个刺激的持续时间和它的强度-时间变化率。 因此，如果要简单地用刺激强度这一个参数来表示不同组织兴奋性的高低或同一组织兴奋性的波动，就必须使所用刺激的持续时间和强度-时间变化率固定为某一数值（应是中等程度的） ；这样，才能把引起组织兴奋、即产生动作电位所需的最小刺激强度，作为衡量组织兴奋性高低的指标；这个刺激强度称为阈强度或阈刺激，简称阈值
10、（threshold）。强度小于阈值的刺激，称为阈下刺激；阈下刺激不能引起兴奋或动作电位，但并非对组织细胞不产生任何影响。 阈值越小，说明组织的兴奋性越高。,第2节细胞的静息电位,细胞水平的生物电现象主要有两种表现形式，这就是它们在安静时具有的静息电位和它们受到刺激时产生的动作电位。体内各种器官或多细胞结构所表现的多种形式的生物电现象，大都可以根据细胞水平的这些基本电现象来解释。,静息电位指细胞未受刺激时存在于细胞内外两侧的电位差。,当两个电极都处于膜外时，只要细胞未受到刺激或损伤，可发现细胞外部表面各点都是等电位的；这就是说，在膜表面任意移动两个电极，一般都不能测出它们之间有电位差存在。 但
11、如果让微电极缓慢地向前推进，让它刺穿细胞膜进入膜内，那么在电极尖端刚刚进入膜内的瞬间，在记录仪器上将显示出一个突然的电位跃变，这表明细胞膜内外两侧存在着电位差。,膜内,膜外,28,1,1,1,13,30,离子浓度差 电位差,在静息状态下，细胞膜内K+的高浓度和安静时膜主要对K+的通透性，是大多数细胞产生和维持静息电位的主要原因。（K+的平衡电位）,膜两侧的电-化学（浓度）势代数和为零时，将不会再有K+的跨膜净移动,K+ 多 Cl- 少 Na+ 少,内负外正膜电位,膜内电位线性变化的一维膜模型,(0),(d),对于K+,对上式从x=0到d积分,Vm为跨膜电位，d为膜厚。,设某种溶质的脂水分配系数
12、为k，其定义为：,式中Cm及Cw分别代表溶质在脂内和在水中的溶解度。,定义钾的通透性Pk,在细胞膜中，与钾一起有着重要作用的还有钠电流JNa和氯电流JCl。总离子电流为各组成部分之总和，即为：,总的,钾离子,一般而言，生物膜并不能让所有的离子处于平衡中，如果对常见的组分计算K、Na、Cl的Nernst电位，其数值都不同。因此，静息状态仅仅能用稳态来代表，即,下列三种假定的条件下推导出来的：（1）如在溶液中一样，膜内离子也是在电场和浓度梯度的影响下移动的；（2）紧贴膜的细胞内离子浓度和与其邻接的溶液中的离子浓度相等；（3）膜内的电场梯度是均一的, Goldman方程/戈德曼方程,F是法拉第常数，
13、R是气体常数，T是绝对温度，P是通透常数 ，e (extra)、i(intra)是细胞外，内的离子浓度。,Nernst电位,K+的Nernst电位,乌贼神经轴突细胞离子浓度（mmol/L),K+的Nernst电位为： 测量得到乌贼轴突细胞的静息电位约为-70mV，因此在静息时K+是接近（但不完全是）平衡的。,1939年Hodgkin(霍奇金)等利用了枪乌贼的巨大神经纤维和较精密的示波器等测量仪器，第一次精确地测出此标本的静息电位值，结果发现此值和计算所得的K+平衡电位值非常接近而略小于后者；如在一次实验中测得的静息电位值为77mV，而按当时K+e和K+i值算出的Ek为87mV。,大多数细胞的静
14、息电位的产生，是由于正常细胞的细胞内液高K+而膜在安静时又主要对K+有通透能力的结果；至于静息电位的数值为何略小于理论上的Ek值，一般认为是由于膜在静息时对Na+也有极小的通透性（大约只有K+通透性的1/501/100）的缘故；由于膜外Na+浓度大于膜内，即使小量的Na+逸入膜内也会抵消一部分K+外移造成的膜内负电位。,第3节神经细胞,神经元也叫神经细胞，是构成神经系统结构的基本单位。 神经元是具有长突起的细胞，它由细胞体和细胞突起构成。细胞体位于脑、脊髓和神经节中，细胞突起可延伸至全身各器官和组织中。,细胞体是细胞含核的部分，其形状大小有很大差别，直径约4120微米。核大而圆，位于细胞中央，
15、染色质少，核仁明显。细胞质内有斑块状的核外染色质（旧称尼尔小体），还有许多神经元纤维。,细胞突起是由细胞体延伸出来的细长部分，又可分为树突和轴突。每个神经元可以有一或多个树突，可以接受刺激并将兴奋传入细胞体。每个神经元只有一个轴突，可以把兴奋从胞体传送到另一个神经元或其他组织，如肌肉或腺体。,在外周神经系统中，我们所看到的神经纤维都是轴突。 各种神经元轴突粗细长短均不相同，一般较粗的轴突传导速度较快，反之较慢 绝大多数轴突直径为3050微米。 在一些大动物体内轴突可以长达几米，人体中最长的轴突大约为一米。,在电生理实验中，可以以一定强度与频率的电流脉冲刺激细胞，就产生了动作电位。 一般的实验对
16、象是马蹄蟹的视神经纤维或乌贼鱼巨纤维做实验。利用蚯蚓神经索的巨纤维也可很好地说明在单根纤维上传导着的动作电位的行为。,第3节 动作电位,指可兴奋细胞受到刺激而兴奋时，在静息电位的基础上膜两侧的电位发生快速而可逆的倒转和复原。这种电位变化称作动作电位,极化（polarization）膜两侧存在的内负外正的电位状态。 去极化（Depolarization）膜电位绝对值逐渐减小的过程。 超极化（Over-polarization）膜电位绝对值高于静息电位的状态。 复极化（Repolarization）膜电位去极化后逐步恢复极化状态的过程。,动作电位，相对于静息电位，是细胞和组织去极化的过程。它是具有一定频率和振幅特性的生物电位，是活系统兴奋的一种外在表现。 动作电位的出现是一切兴奋细胞和组织，特别是比较高等、复杂结构生物对象的本性。它可起因于组织本身的内在过程，如脑电、心电等，也可来自外界的人为产生，如离体细胞组织在不同刺激因素作用下产生的电位，或来自外部感受装置的传入脉冲。,动作电位包括三个基本过程： （1）去极化，膜内原来存
