《神经元的信息传递》课件

神经元的信息传递课程目标了解神经元的基本结构掌握各部分形态和功能理解信息传递的电生理基础静息电位和动作电位的形成掌握神经元间的信息传递突触结构和功能认识神经网络的形成神经元的基本结构树突接收信息的分支细胞体神经元的控制中心轴突传导信息的通道突触信息传递的接口神经元的主要组成部分树突短而分支多表面积大接收信号细胞体含有细胞核合成蛋白质整合信号轴突单一长突起髓鞘包裹传导信号树突的功能1信息接收接收来自其他神经元的信号2信号整合汇集多个信号输入3放大信号通过树突棘增强信号强度4空间分布不同区域树突接收不同来源信号轴突的特征结构特点单一长突起末端分支形成轴突终末含有轴浆运输系统髓鞘包裹由少突胶质细胞形成形成郎飞结增加传导速度功能作用传导动作电位远距离信号传递释放神经递质细胞体的作用整合信息综合处理来自树突的信号基因表达控制蛋白质合成代谢活动提供能量支持产生电信号启动动作电位神经元的类型感觉神经元传递感觉信息从外周到中枢运动神经元传递运动指令从中枢到肌肉中间神经元连接其他神经元形成神经网络星形胶质细胞支持神经元维持稳态感觉神经元结构特点假单极细胞信息流向外周→中枢功能作用感知环境刺激位于背根神经节，负责将感觉信息从外周传入中枢神经系统运动神经元位置脊髓前角特征胞体大，轴突长传递中枢→肌肉作用控制肌肉收缩中间神经元90%数量占比神经系统中最多的神经元类型1000+连接数单个中间神经元可形成的突触连接10cm轴突长度局部环路中的平均长度连接感觉和运动神经元，形成复杂的神经网络，参与信息处理神经元的电生理基础静息电位膜内外电位差：-70mV动作电位电信号快速变化离子交换Na+、K+通过通道流动信号传导沿轴突单向传播静息电位细胞内浓度(mM)细胞外浓度(mM)静息时膜内外离子分布不均，形成约-70mV的电位差动作电位去极化Na+内流，膜电位上升复极化K+外流，膜电位下降超极化暂时低于静息电位恢复期返回静息状态离子通道的作用电压门控钠通道对膜电位变化敏感电压门控钾通道开放较慢，关闭缓慢配体门控通道受神经递质调控去极化和复极化过程阈值达到膜电位升至-55mV去极化Na+通道开放，Na+内流复极化K+通道开放，K+外流恢复原状Na+/K+泵重建离子梯度不应期绝对不应期持续1-2msNa+通道失活不能产生新动作电位相对不应期持续3-4ms部分Na+通道恢复需更强刺激才能激活生理意义保证信号单向传导限制最大放电频率防止过度兴奋局部电位和阈值局部电位可以是去极化或超极化，振幅小，只能局部扩散阈值是引发动作电位所需的最小去极化水平，约为-55mV神经元间的信息传递电信号传导动作电位沿轴突传播抵达突触前膜激活突触前终末化学信号转换释放神经递质受体结合引起突触后电位突触的结构突触前膜含突触小泡有主动区结构储存和释放递质突触间隙宽度20-40nm连接前后膜递质扩散区域突触后膜含受体蛋白有突触后致密物接收化学信号突触前膜突触小泡储存神经递质主动区小泡锚定和释放位点钙通道控制递质释放突触小泡循环回收和再填充过程突触间隙20nm宽度神经元间的物理间隔0.2ms递质扩散时间从释放到结合的平均时间5000粘附分子维持突触结构的连接蛋白数量充满细胞外基质，含有黏附分子和酶类，维持突触结构并调控递质浓度突触后膜受体密集区高浓度受体蛋白聚集突触后致密物骨架支撑结构信号转导系统二级信使级联反应接收神经递质信号并转换为电信号或生化信号化学突触动作电位到达轴突末梢去极化钙离子内流激活释放机制递质释放小泡与膜融合受体激活引起突触后反应电突触基本结构缝隙连接细胞间直接连通六聚体通道蛋白功能特点双向传递传导速度快同步活动无延迟效应神经递质的类型1234氨基酸类谷氨酸GABA甘氨酸胺类多巴胺5-羟色胺组胺肽类内啡肽P物质神经肽Y其他乙酰胆碱ATP一氧化氮兴奋性神经递质类型主要递质作用位置生理作用氨基酸谷氨酸中枢神经系统学习记忆胆碱乙酰胆碱神经肌肉接头肌肉收缩单胺多巴胺奖赏回路情绪调节抑制性神经递质γ-氨基丁酸(GABA)中枢主要抑制性递质增加氯离子通透性抗焦虑药物靶点甘氨酸脊髓主要抑制性递质控制运动神经元活动调节疼痛传导5-羟色胺部分突触呈抑制作用调节睡眠和情绪抗抑郁药物靶点神经递质的合成和储存合成途径酶催化特定前体物质轴浆运输从胞体到轴突末梢包装储存装入突触小泡递质池形成储备池和可释放池神经递质的释放过程1动作电位到达电压门控Ca2+通道开放钙离子内流Ca2+浓度瞬间升高膜融合SNARE蛋白介导小泡融合递质释放通过融合孔释放到间隙钙离子在神经递质释放中的作用Ca2+浓度(μM)递质释放量(相对单位)钙离子是递质释放的直接触发因子，浓度与释放量呈非线性关系突触小泡的融合和释放锚定阶段小泡靠近突触前膜主动区停靠阶段SNARE复合物形成融合阶段钙离子触发膜融合释放阶段递质扩散到突触间隙神经递质与受体的结合特异性识别锁钥匹配原理构象变化受体蛋白结构改变通道开放允许特定离子通过信号放大激活下游信号通路离子通道型受体结构特点跨膜多亚基复合物中央离子通道配体结合区域主要类型尼古丁型乙酰胆碱受体NMDA谷氨酸受体GABAA受体5-HT3受体功能特点快速反应（毫秒级）直接改变膜电位介导快速突触传递G蛋白偶联受体递质结合与受体胞外域结合G蛋白激活GTP取代GDP效应器激活如腺苷酸环化酶二级信使产生如cAMP、IP3、DAG生化级联反应蛋白激酶活化突触后电位突触后膜产生的局部电位变化，包括兴奋性和抑制性幅度小（0.1-5mV），可以空间和时间整合兴奋性突触后电位（EPSP）形成机制Na+、Ca2+通道开放正离子内流膜去极化特点振幅约0.5-1mV持续5-15ms可以累加常见递质谷氨酸乙酰胆碱5-羟色胺(部分)抑制性突触后电位（IPSP）形成原理Cl-内流或K+外流膜电位变化超极化或稳定在静息电位功能作用抑制神经元放电主要递质GABA和甘氨酸时间和空间整合空间整合不同突触输入同时作用同步性增强线性或非线性相加时间整合相近时间内连续输入膜电位时间累加受膜时间常数影响突触可塑性1短时程可塑性突触前机制主导持续秒至分钟2中时程可塑性突触后修饰持续数分钟至小时3长时程可塑性基因表达改变持续数天至终生长时程增强（LTP）诱导高频刺激激活突触早期机制Ca2+内流激活CaMKII3表达AMPA受体数量增加4维持蛋白质合成和结构改变长时程抑制（LTD）1Hz诱导频率低频刺激引发-40%突触效能突触强度持续降低48h+持续时间可维持数天由低频刺激诱导，钙离子浓度温和上升，激活蛋白磷酸酶，导致AMPA受体内吞和突触效能下降突触可塑性在学习和记忆中的作用感知学习感觉神经环路重塑记忆形成海马LTP记忆存储皮层突触变化记忆提取神经元通路再激活神经元信息传递的调节强度调节递质释放量变化方向调节突触抑制与促进时间调节放电模式改变模式调节神经网络连接改变神经调质的作用释放特点扩散性释放影响范围广作用持久常见神经调质内源性大麻素一氧化氮神经肽类调节方式影响突触传递效率改变神经元兴奋性调节突触可塑性突触前调节递质合成调节限速酶活性控制前体物质可得性合成速率变化递质释放调节Ca2+流入变化突触小泡可用性释放概率改变自身调节自身受体反馈突触前抑制去敏感化机制突触后调节受体数量调节合成、转运、降解变化受体敏感性调节磷酸化修饰改变亲和力受体分布调节突触内外侧定位变化锚定蛋白调节PSD蛋白结构稳定性神经元网络多个神经元通过突触连接形成的功能性网络具有反馈调节、信息整合和模式识别等功能神经环路的形成神经元产生神经干细胞分化轴突导向生长锥寻路突触形成目标识别与连接突触修剪无效连接消除环路成熟功能稳定反馈和前馈调节前馈抑制提高信号时间精度减少背景噪声增强信号对比度反馈抑制防止过度兴奋维持网络稳定性产生振荡活动神经元信息传递的时空特性时间特性毫秒级精确传递空间特性定向传导与分布概率特性释放与响应随机性神经元信息传递具有高度时空特异性，既能精确定位又能快速传导信息编码频率编码放电频率携带信息时间编码放电精确时间点群体编码多个神经元协同爆发编码脉冲串模式频率编码刺激强度(%)放电频率(Hz)刺激强度与神经元放电频率呈非线性相关，编码信息强度时间编码精确定时毫秒级放电时间点相位编码与背景振荡相位关系首次放电编码首个动作电位时间点放电间隔模式连续放电时间间隔群体编码分布式编码多个神经元共同表征信息同步编码神经元群体的同步活动动态编码时间演变的活动模式神经元信息传递的病理变化突触病理突触结构异常递质释放减少受体功能障碍电活动异常过度兴奋异常抑制节律改变网络功能障碍连接性改变信息整合异常神经环路失调神经退行性疾病中的信息传递异常疾病病理变化信息传递异常主要症状阿尔茨海默病淀粉样蛋白沉积胆碱能系统功能下降记忆丧失帕金森病多巴胺神经元丢失基底节回路异常运动障碍亨廷顿病纹状体神经元变性GABA能传递减弱舞蹈样动作精神疾病与神经元信息传递抑郁症