神经信号与电生理学方法(li)

一、神经系统的信号传递当前第1页\共有39页\编于星期四\20点当前第2页\共有39页\编于星期四\20点1.神经元轴突内神经活动的电变化当前第3页\共有39页\编于星期四\20点Measuringtherestingmembranepotential1)电信号当前第4页\共有39页\编于星期四\20点MethodsofRecordingActionPotentials1)电信号当前第5页\共有39页\编于星期四\20点神经纤维静息电位与动作电位波形与产生机制Thevoltage-gatedchannel当前第6页\共有39页\编于星期四\20点Structureofthevoltage-gatedsodiumchannel当前第7页\共有39页\编于星期四\20点2.神经元-神经元间化学性突触传递SynapticarrangementsintheCNSVarioussizesofCNSsynapses当前第8页\共有39页\编于星期四\20点2.神经元-神经元间化学性突触传递当前第9页\共有39页\编于星期四\20点2.神经元-神经元间化学性突触传递当前第10页\共有39页\编于星期四\20点Amembraneionchannel•Theproperties:ionselectivityandgating.当前第11页\共有39页\编于星期四\20点Amembraneionchannel•Theproperties:ionselectivityandgating.当前第12页\共有39页\编于星期四\20点TransmitteractionsatG-protein-coupledreceptors.

ThebindingofneurotransmittertothereceptorleadstotheactivationofG-proteins.ActivatedG-proteinsactivateeffectorproteins,whichmaybe(a)ionchannelsor(b)enzymesthatgenerateintracellularsecondmessengers.当前第13页\共有39页\编于星期四\20点二、电生理学方法细胞外纪录(extracellularrecording):细胞内纪录(intracellularsingleunitrecording)：电压钳（voltageclamp）膜片钳（patchclamp）

脑电图(EEG)诱发电位（evokedpotential）

微电泳（microelectrophoresis）

抗体微量注射

正电子发射断层扫描术磁共振成像术当前第14页\共有39页\编于星期四\20点

（1)

阴极射线示波器（oscillograph）：

（2）生物电放大器(amplifier):

频率相应范围大（通频带从0~100kHz)，有足够高的放大能力，低噪声，高输入阻抗，高的辨差比。（3）电子刺激器（electronicstimulator）:矩形脉冲：刺激强度（幅度:最大瞬时值，0.001~200V之间，连续可调）、时间（波宽：10s~1s）、频率(波宽和延迟时间之和小于频率的倒数)、延迟；刺激方式：单，连续，双脉冲刺激；同步输出：触发其他需要与刺激同步的仪器（示波器，微电泳，照相等）一起工作。刺激隔离器（insulator）。（4）

储存和分析电生理实验结果的仪器：

常用的主要仪器当前第15页\共有39页\编于星期四\20点

电记录的技术(A)细胞外记录法记录法记录单个细胞或一群细胞的电活动。(B)微电极细胞内记录法记录膜内外的电位差：静息电位和动作电位。(C)膜片钳记录法记录当膜上单个通道开启或关闭时的电流。当前第16页\共有39页\编于星期四\20点•工作原理：把引导电极安放在神经组织的表面或附近引导神经组织的电活动。活动部位的神经元去极化，未活动部位极化状态，在容积导体中两部位电位不同，电流流动，放置在细胞表面的电极会纪录出两者间的电位差。•优点：方便，电极不插入细胞。•特点：细胞外电位的波形因记录细胞的不同部位而异

细胞外纪录(ExtracellularRecording)当前第17页\共有39页\编于星期四\20点Wangetal.,JCompNeurol,2001膈神经及呼吸相关神经元放电记录当前第18页\共有39页\编于星期四\20点细胞内纪录IntracellularSingleUnitRecording当前第19页\共有39页\编于星期四\20点细胞内纪录

IntracellularSingleUnitRecording

由于插入神经元内胞体并记录细胞内电位的微电极技术的发展，Eccles等首先将微电极插入脊髓运动神经元的胞体，记录哺乳类动物脊髓的大运动神经元胞内电位。•运动神经元的胞体直径70m;•微电极尖端直径0.5m；•跨膜电位差60~80mV。当前第20页\共有39页\编于星期四\20点图用微电极在猫脊髓运动神经元内记录的突触后电位A.B.C:三种不同的阈下刺激；D:10次刺激引起的峰电位。图刺激神经在单根肌纤维的终板上所诱发的电位a.正常终板电位和相继发生的肌肉峰电位；b,c,d,e:箭毒进行性地阻滞肌反应;e只留下终板电位，神经肌肉传递被箭毒阻滞了。图枪乌贼星状神经节的突触前纤维表现的动作电位和在突触后神经元诱发的局部电位。当前第21页\共有39页\编于星期四\20点

20世纪50年代，HodgkinandHuxley首次应用电压钳技术对枪乌贼的标本进行膜电流的测定。•工作原理：离子流过通道所形成的离子流是形成动作电位的基础。电生理实验以电流作为刺激源，使可兴奋细胞产生兴奋，然后测定其膜电压以确定离子通道的状态。但在形成动作电位时所产生的离子流可影响膜电位，而膜电位的变化又会影响该离子的通透性的变化。因而，须人为地使膜电位在一定时间内维持在一个固定水平。电压钳技术是通过插入细胞内的一根微电极人为向胞内补充电流，补充的电流正好等于跨膜流出的反相离子电流（大小相等方向相反）。•意义

：1）确保膜通透性发生改变时，控制膜电位始终维持在指令电位的水平；2）通过电流检测装置，记录到补充入胞内的注入电流，它相当于离子电流的反相电流。这样可测定在不同膜电位水平的离子电流，了解膜通道的电导及功能活动。电压钳voltageclamp当前第22页\共有39页\编于星期四\20点应用：定量分析刺激与细胞后膜电导的变化。反映整个细胞膜上所有通道活动的综合结果。不足：此项技术不能了解单个离子通道的功能活动状态。另外，牵制的面积大，包含大量的随机开放和关闭的通道，形成的背景噪音也大，掩盖单一通道的微弱电流，另外，小神经元插入两个电极不容易。电压钳装置图和电压钳实验记录的膜电流当前第23页\共有39页\编于星期四\20点当前第24页\共有39页\编于星期四\20点•1976年由德国Neher和Sakmann发明（1991NobelPrize）。•工作原理：同电压钳，即在人为设置电压并固定的情况下记录分析离子通道。膜片钳技术使用玻璃微电极吸管把只含1-3个离子通道、面积为几个mm2的细胞膜通过负压吸引封接起来。由于电极尖端与细胞膜的高阻封接，在电极尖端下的那片膜与膜的其他部分从电学上隔离。因此，片膜内通道开放所产生的电流流进玻璃吸管，用一个极为敏感的膜片钳放大器测量此电流强度，即代表单一离子通道电流。•性能：电极尖端(1~5m)与膜之间电阻109

（G,10G~100G）的高封接（giga-seals）,大大提高了膜片钳的可靠性和灵敏性，可测量0.06pA的电流，1m的空间分辨力和10s时间的分辨力。•意义：膜上电压依赖型离子通道有开与关两种电导状态。通道膜片钳技术可直接观察离子通道“开启”和“关闭”。膜片钳PatchClamp当前第25页\共有39页\编于星期四\20点Patchclampingrecordioniccurrentsthroughsinglechannels•Thepatchcontainsavoltage-gatedNa+channel,•Changingthemembranepotentialfrom–65mVto–40mV,•Causethechanneltoopen,andcurrent(I)willflowthroughit(e).•Theamplitudeofthemeasuredcurrent

ataconstantmembranevoltagereflectsthechannelconductance,andthedurationofthecurrentreflectsthetimethechannelisopen.b.Applyingsuctionthroughtheelectrodetip.c.Withdrawtheelectrodefromthecell,themembranepatchwastornaway.d.Ioniccurrentswasmeasuredassteadyvoltagesacrossthemembrane.a.Aglasselectrodeontothemembraneoftheneuron.当前第26页\共有39页\编于星期四\20点TheopeningandclosingofNa+channelsuponmembranedepolarization(a)Theelectricalpotentialacrossapatchofmembrane.Whenthemembranepotentialischangedfrom–65~-40mV,theNa+channelspopopen.(b)Threedifferentchannelsrespondtothevoltagestep.(c):AmodelforhowchangesintheconformationoftheNa+channelproteinmightyielditsfunctionalproperies.当前第27页\共有39页\编于星期四\20点Theshortcutpathwaya)G-proteinsinheartmuscleareactivatedbyAChbindingtomuscanrinicreceptors.b)TheactivatedGsubunitdirectlygatesaK+channel.Apatch-clamprecordingfromatransmitter-gatedionchannel.Ioniccurrentpassesthroughthechannelswhenthechannelsareopeninthepresenceofneurotransmitter.当前第28页\共有39页\编于星期四\20点IbuprofenInhibitsCysticFibrosisTransmembraneConductanceRegulator–mediatedClSecretion当前第29页\共有39页\编于星期四\20点当前第30页\共有39页\编于星期四\20点原理:

应用光学记录技术，把特别研制的荧光染料与细胞膜结合，在有动作电位发生时，这种燃料的光吸收特性发生改变。种类：•正电子发射断层扫描术（positronemissiontomography,PET）

•磁共振成像术（magneticresonaceimaging）作用：显示清醒人的大脑中受刺激区域，或发动运动时的活动状态。神经元活动的无创伤技术当前第31页\共有39页\编于星期四\20点正电子发射断层扫描术PositronEmissionTomography,PET当前第32页\共有39页\编于星期四\20点脑功能性磁共振成像术MagneticResonaceImaging功能性磁共振成像技术检测视皮层的功能活动A未刺激时组织的去氧血红蛋白比例高；B.刺激后组织氧合血红蛋白增高；C.视觉刺激后脑影像视皮层活动区。当前第33页\共有39页\编于星期四\20点OnimaruandHomma,JNeurosci,2003RespiratoryPacemakingNeuronsinParafacialArea当前第34页\共有39页\编于星期四\20点当前第35页\共有39页\编于星期四\20点突触前神经末梢的递质以量子式释放，量很微少。因此在进行神经递质功能测定时，只能用最小而有效的剂量模拟神经递质的生理功能。这是与药理学方法明显的区别。药理学研究可能用很大的剂量，所引起的效应可能与生理效应不同甚至相反。

微电泳（microelectrophoresis）

抗体微量注射神经递质功能测定的生理学方法当前第36页\共有39页\编于星期四\20点•定义：借助微电极通过一定的电流将解离物质电泳到神经元附近，观察神经递质或其他药物对该神经元的作用。•基本原理：外加电流通过含解离物质溶液的微电极时，将微电极内的解离物质从管尖释放出来。例如微电极接正极，动物头皮接负极时，带阳离子的物质从微电极中释出。相反，微电极接负极，头皮接正极时，带负离子的物质从微电极释出。微电泳时解离物质从微电极释出量，与它通过的电荷量成正比。因此，通常用微电极的电流强