神经电传导教材

关于神经电传导物理系B11011125811004刘安琪

人体是由许多许多细胞构成的，细胞是我们机体的最基本的单位，因为只有机体各个细胞均执行它们的功能，才使得人体的生命现象延续不断。从电学角度考虑，细胞也是一个生物电的基本单位，它们还是一台台的“微型发电机”呢。原来，一个活细胞，不论是兴奋状态，还是安静状态，它们都不断地发生电荷的变化，科学家们将这种现象称为“生物电现象”。细胞处于未受刺激时所具有的电势称为“静息电位”；细胞受到刺激时所产生的电势称为“动作电位”。而电位的形成则是由于细胞膜外侧带正电，而细胞膜内侧带负电的原因。细胞膜内外带电荷的状态医生们称为“极化状态”。人体任何一个细微的活动都与生物电有关。外界的刺激、心脏跳动、肌肉收缩、眼睛开闭、大脑思维等，都伴随着生物电的产生和变化。人体某一部位受到刺激后，感觉器官就会产生兴奋。兴奋沿着传入神经传到大脑，大脑便根据兴奋传来的信息做出反应，发出指令。然后传出神经将大脑的指令传给相关的效应器官，它会根据指令完成相应的动作。这一过程传递的信息——兴奋，就是生物电。也就是说，感官和大脑之间的“刺激反应”主要是通过生物电的传导来实现的。心脏跳动时会产生1～2毫伏的电压，眼睛开闭产生5～6毫伏的电压，读书或思考问题时大脑产生0.2～1毫伏的电压。正常人的心脏、肌肉、视网膜、大脑等的生物电变化都是很有规律的。神经细胞的构造1.神经细胞由树突和细长的轴突和细胞相连,轴突由外面的细胞膜和里面的轴浆组成，有的轴突长达一米。2.高等动物的某些轴突被一个多层髓鞘所包围二、用电缆模型来描绘轴突1.把轴突等效于同轴电缆。2轴浆看作电阻R，中有电流i（神经脉冲）通过。3轴突膜很薄，两侧有电位差，（内负外正）故要考虑漏电电阻R‘和电容C。Cm是单位面积容积（F/mm），Rm是单位面积漏电电阻（Ω/mm）。对一厘米轴突：R=2.5*108Ω电阻竟有如此之大，大自然竟用这种绝缘的导线，设计出高效的神经联络系统。细胞膜很薄，可看作平行板电容，C正比于面积S，因此不必求介电常数，若轴突长1，则C=Cm*2πrl膜电阻R却反比与S，因此R=Rm/2πrl1cm无髓鞘轴突，C=3*10-9F，R=6.4*105Ω，此值甚至小于轴浆电阻的1%，在1cm的路程内99%以上的电流都穿过细胞膜泄漏掉了。三、轴突对脉冲的传导和放大在实验中，无髓鞘轴突受刺激，显现出类似行为，一根探针与电池连接在X=0的地方，Vi升到-60mV，随着X的增大，Vi变化减小，达到稳定的时间增大。可以证明，当离子浓度C0,Ci满足方程q（VI-V0）=KTInC0/Ci时，离子处于平衡状态。测得膜内外的离子浓度，即可算得钠的平衡电势差为+66mV,钾为-98mV，66mV＞-90mV＞-98mV，所以，Na+由外向里，K+由里向外自由扩散但当Vi｜x=0增到-50mV以上，x＞0的某处电势会突增，稍后可看到，这是神经传导的关键。当电势突增时，细胞膜对Na+的透性也突增，造成Na+的急剧流入，使Vi从负到正，直至接近+66mV，Na+流变缓，此时对K+的透性也突增，K+急剧流出，Vi恢复。四、神经传导中的能量耗费以上过程虽然复杂，却不能耗费能量，真正耗费能量的是脉冲过后把多的Na+运出和少的K+运回的过程，轴突如果很粗，涌入的Na+和涌出的K+就会增多，要把他们运回去耗能也会增