探索脑读书会讲义神经元静息电位动作电位

人类应当知道，因为有了脑，我们才有了乐趣、欣喜、欢笑和运动，才有了悲痛、哀伤、绝望和无尽的忧思。因为有了脑，我们才以一种独特的方式拥有了智慧、获得了知识；我们才看得见、听得到；我们才懂得了美与丑、善与恶；我们才感受到甜美与无味……同样，因为有了脑，我们才会发狂和神智昏迷，才会被畏惧和恐怖所侵扰……我们之所以会经受这些折磨，是因为脑有了病恙……由于这样一些原因，我认为，脑在一个人的机体中行使了至高无上的权力。——Hippocrates（希波克拉底，古希腊医师，西方医学之父），OntheSacredDisease，论神圣的疾病，公元前4世纪（《神经科学——探索脑》第二版P3）当前1页，总共48页。当前2页，总共48页。神经系统的两类细胞神经元

约1000亿负责处理信息神经胶质细胞

数量10倍于神经元隔离、支持以及营养周围神经元&处理信息当前3页，总共48页。一、作为一个细胞，神经元的信息处理能力从何而来？（《探索脑》第2章）基本思路：结构——功能相关性当前4页，总共48页。1.外部形态上，神经元与其它细胞有何不同？胞体：直径20微米，含有细胞核及其它细胞器。（人眼分辨率极限：100微米。）轴突：一般只有1个，长度可达1米，传递神经元的输出信号。轴突可有分支，成直角。树突：长度小于2毫米，接受输入信号。

《探索脑》P25当前5页，总共48页。和其它细胞比较一下外形：

神经突起是神经元细胞的独有结构.当前6页，总共48页。2.神经元内部的那些奇形怪状的细胞器，

都是干神马用的？

《探索脑》P28当前7页，总共48页。

细胞核：封装遗传信息，最终决定了神经元蛋白质的结构和功能细胞核内有46条染色体；每条染色体含有2纳米宽的连续双螺旋DNA（脱氧核糖核酸），总长>2米。DNA字符串上的段落就是基因，长0.1至几微米。当前8页，总共48页。DNA在细胞核，but蛋白质合成在细胞质，信息如何传达？还好，有mRNA（信使核糖核酸）作为信使分子生物学的中心法则：DNAmRNA蛋白质转录翻译当前9页，总共48页。转录：组装一段含有基因信息的mRNA。《探索脑》P29当前10页，总共48页。翻译：

附在粗面内质网上的核糖体，以氨基酸为原料，根据mRNA提供的蓝图（遗传信息），合成蛋白质。

粗面内质网：合成蛋白质的工厂当前11页，总共48页。粗面内质网&核糖体《探索脑》P29（25纳米）当前12页，总共48页。在粗面内质网和游离核糖体上，合成蛋白质。绿色小花：核糖体；红丝带：mRNA黄丝带：合成的蛋白质；《探索脑》P30当前13页，总共48页。像图灵机吗？有点儿。图片来源：jake《探索脑》P30当前14页，总共48页。不同场所合成的蛋白质，

有不同的归宿游离核糖体上合成的蛋白质：释放入胞液。粗面内质网上合成的蛋白质：嵌入细胞膜or细胞器膜。——正是这些膜上蛋白（哪些？稍后详解）

，给予了神经元奇妙的信息处理能力。当前15页，总共48页。高尔基体：蛋白质“翻译后”进行大量化学修饰（？）的场所把运转到神经元不同部位（如轴突和树突）的蛋白质，进行分类整理。（粗面内质网的下一个工种）《探索脑》P31当前16页，总共48页。线粒体：神经元里的发电厂。

合成ATP，提供能量。“吸入”丙酮酸+氧气，合成ATP（三磷酸腺苷）《探索脑》P311微米的香肠当前17页，总共48页。ATP是细胞内的能量流通物质储藏在ATP中的化学能（？），供给神经元大多数生化反应。例：神经元膜上的特定蛋白（离子泵），利用ATP释放的能量将某些物质跨细胞膜从低浓度“泵”到高浓度维持神经元内外的浓度差

使得静息电位和动作电位成为可能。例：给驱动蛋白&动力蛋白供能（在轴突里）。当前18页，总共48页。3.轴突不含核糖体，蛋白质从哪来？

——胞体

轴突：输出神经信号轴浆运输：蛋白质合成于胞体，沿轴突运输。顺向运输：蛋白质（？）存储于囊泡，胞体末梢，由“驱动蛋白”运输。逆向运输：末梢胞体，由“动力蛋白”运输，给胞体提供轴突末梢需求变化的信息。这个过程需要线粒体合成的ATP提供能量

当前19页，总共48页。驱动蛋白担任“腿脚”的顺向运输。沿着轴突，胞体末梢《探索脑》P38如果你是脑科学研究人员，你能借助这个系统追踪脑内的神经连接吗？当前20页，总共48页。注射+显影：

追踪神经连接神经末梢注射HRP(辣根过氧化物酶)

经逆向运输至胞体化学反应使脑切片上的HRP显影揭示脑内连接。《探索脑》P39狂犬病毒也会搭便车：由皮肤上轴突末梢经逆向运输进入神经系统疯狂复制，杀死宿主神经元感染者死亡。当前21页，总共48页。二、静息态下，神经元膜内的负电位如何产生和维持？（静息电位原理）

（《探索脑》第3章）

当前22页，总共48页。1.满是漏洞的轴突，在传播电信号时，与铜导线相比有什么优势？

铜导线轴突良导体，电子导电带电原子（离子）导电绝缘性好（绝缘层或空气）浸浴在可导电的含盐细胞外液中，就像水流过满是漏洞的水管被动传导，信号随距离衰减动作电位：固定大小和持续时间的信号。信息编码方式：单个神经元上动作电位的频率&触发动作电位的神经元分布与数量。当前23页，总共48页。理解动作电位，先要理解静息电位静息电位：神经元不冲动时，称为静息态。神经元膜内表面，分布负电荷，这种跨膜电荷分布的差异，称为静息膜电位。动作电位：静息电位的短暂翻转（可短至1毫秒），与膜外相比，膜内变为正电荷。当前24页，总共48页。离子通道（ionchannel）（双向？）选择性地通透离子，高浓度低浓度；

钠通道：几乎只通透

钾通道：只通透钙通道：只通透正离子通过神经元膜，负离子不通过，则膜内外必然产生正负电荷的净差，即膜内外的电位差。门控（gating）特性，通道可根据膜局部微环境的改变，进行开放和关闭。2.对于静息电位，神经元膜上两种重要跨膜蛋白质，为何缺一不可？当前25页，总共48页。嵌入神经元膜的离子通道《探索脑》P55当前26页，总共48页。另外一种重要的跨膜蛋白：离子泵离子泵（ionpump）：形成浓度梯度。什么力量驱动离子通过离子通道？——膜内外的离子浓度差。为什么离子浓度差没有随离子的扩散运动而消失？——离子泵在维持膜内外的离子浓度差（浓度梯度），把离子由低浓度泵到高浓度没有离子泵，大脑将停止工作。需ATP供能（主动熵减）当前27页，总共48页。膜内外不同离子的浓度差&膜电位

（没有浓度差就没有膜电位）体温条件下，如果神经元膜仅为某种离子单一通透时的膜内电位。《探索脑》P62摩尔（mol）：每升溶液中的分子数。当前28页，总共48页。降解ATP释放化学能，驱动钠钾泵交换膜内与膜外

结果：富集于神经元内，富集于神经元外钠钾泵是耗能大户，占大脑ATP消耗量的70%钠钾泵：钾进钠出，形成梯度《探索脑》P62当前29页，总共48页。钠钾泵：交换钠钾，形成梯度钾进，纳出《探索脑》P62当前30页，总共48页。3.膜内负电位，是膜内外离子在哪两种力作用下的动态平衡？

扩散力：离子经选择性离子通道，高浓度流向低浓度；电场力：扩散运动后，细胞内出现净负电荷，产生跨膜电位差。电场力由扩散运动产生，又与其制衡。当前31页，总共48页。第一种力：扩散力《探索脑》P56当前32页，总共48页。第二种力：电场力神经元膜内外的电场从何而来呢？《探索脑》P57当前33页，总共48页。膜内外存在浓度梯度（钾内高外低）插入钾通道（选择性通透）扩散至膜外，其它的负离子如，被阻挡膜内得到净负电荷，出现跨膜电位差形成跨膜电场（内负外正），吸引回到细胞内。推动外出的扩散力，和吸引它们返回胞内的电场力相等，方向相反时，跨膜净运动停止。形成精确的平衡某种浓度梯度的离子平衡电位。|扩散力|=|电场力|：离子平衡电位当前34页，总共48页。离子平衡电位的建立（内负外正）《探索脑》P59当前35页，总共48页。计算总的膜电位《探索脑》P61当前36页，总共48页。4.为什么静脉注射氯化钾会致死？心肌细胞也需要细胞膜维持静息电位静脉注射氯化钾（回流到心脏）心肌细胞膜外浓度升高膜内外离子浓度差消失膜内正的不再扩散外流膜内负的静息膜电位被去除心肌细胞不再产生能够导致收缩的冲动心脏立刻停止跳动挂了当前37页，总共48页。三、冲动不是魔鬼

（动作电位的产生和传递）

（《探索脑》第4章）

当前38页，总共48页。动作电位的子过程：上升相&下降相

（图在下一页）静息电位：-65mV去极化（上升相）：膜电位快速翻转变正，达+40mV超射：膜电位超过0V以上的部分。复极化（下降相）：膜电位恢复为负值，直至比静息电位更负。回射or后超极化：膜电位低于静息电位的部分逐步恢复到静息电位。整个过程2ms。（所谓极化，就是一边正一边负的状态。）当前39页，总共48页。单个动作电位的组成《探索脑》P72当前40页，总共48页。多个动作电位的产生在胞内注入正电流，相当于人工去极化。刺激电流持续，动作电位却迅速回落又上升。形成脉冲，用频率编码。《探索脑》P73当前41页，总共48页。动作电位的频率，依赖于去极化水平（编码刺激强度）刺激越强动作电位频率越高去极化没达到阈值不产生动作电位极限为1000Hz。1ms内，不可能产生下一个动作电位，不应期。《探索脑》P73当前42页，总共48页。1.动作电位过程中，离子通道如何开闭？离子如何跨膜流动？动作电位是一个对跨膜电荷进行大幅度再分配的过程。去极化：钠离子跨膜内流。复极化：钾离子跨膜外流。当前43页，总共48页。2.为什么神经元是用动作电位的频率而不是电压，来编码刺激的强度？此种编码方式的优势何在？

A:高保真（Jake的答案）

就像调幅（用电位编码）&调频（用频率编码）的区别为什么的两种含义：产生的原因（why），离子通道的开闭很快（下面详述）功能（forwhat）？当前44页，总共48页。电压门控钠通道开放：去极化1、膜电位-65mV，阈值以下，钠通道关闭。2、膜电位-65mV升至-40mV，达到阈值，短暂延迟后，钠通道开放，钠离子内流，产生动作电位。3、开放持续时间<1ms迅速关闭。持续去极化导致失活。4、要使钠通道去失活，膜电位必须恢复到-65mV（复极化以后）。膜电位钠通道电流膜电位&钠通道相互影响这个5毫秒是不是太长了？《探索脑》P83当前45页，总共48页。3.电压门控钠通道和电压门控钾通道如何精确配合？钠通道：膜内负电位达到阈值电压门控钠通道开放钠离子跨膜内流膜内电压上升变正去极化；钾通道：膜去极化1ms后电压门控钾通道开