1、第五章 突触和突触传递,学 生：刘 健 锋导 师：邵 宝 平 副教授Email: 时 间：2012.10.15,突触是神经冲动传导得以实现的转化装置，突触传递则是神经系统中感觉、自主运动和学习记忆等生理活动的基础。 我国著名生理学家冯德培教授对突触的作用有过一段精辟的阐述： 即“在整个神经生物学中，突触及其有关的研究可以说是占据中心地位。因为神经系统基本上是信息加工系统，而信息加工要求神经元与神经元对话，这是通过突触进行的。”,一、 突触,狭义的突触指的是一个神经元的轴突末梢与另一个神经元形成的功能接触点。后来，随着突触形态学证据不断增多，其定义发展为：突触是两个神经元之间机能上密切联系与结构
2、上特殊分化的部位，它代表着解剖结构上特化的与生理机能上专一的传递兴奋和抑制的区域，即信息传递的特殊区域。,二、突触的概念,现代的突触定义： “两神经元之间或与感受细胞/效应细胞之间以及同一个神经元突起之间结构上特化的机能联系部位”。,二、突触的概念,1. 根据突触结构和传递机制不同分类：电突触通过缝隙连接，借离子流（局部电流）为媒介构成电信号的直接传递。主要见于无脊椎动物，在脊椎动物大脑内，心肌和平滑肌细胞间也存在这种突触。化学性突触借化学递质媒介进行信息传递。根据其递质又可分为乙酰胆碱能、多巴胺能、谷氨酸能、GABA能突触等。混合性突触在两个神经元之间的突触面上，可有化学传递和电传递两种结构
3、并存，称为混合性突触（mixed synapse）。,二、突触的分类,2. 按照神经元接触部位不同，可分为：轴树突触：最常见，可以是轴突与树突干或树突棘相突触，多为不对称型，据认为是兴奋性突触。轴体突触：可为对称型或不对称型，但以对称型为多。轴轴突触：多在轴丘处或轴突起始处或轴突末梢部，大多具有突触前抑制作用。树树突触：具有双向极性，即构成突触的两个树突之间可以互相传递冲动。,二、突触的分类,3根据突触生理作用分类：,二、突触的分类,连接子,在可兴奋组织中，通过缝隙连接（gap junction)构成电信号的直接传递。,（一）电突触（Electrical synapse）,三、突触结构,1.
4、结构： 由突触前膜、突触后膜和突触间隙组成:突触间隙极窄，约 2-4nm左右;突触前、后膜的 构造完全相等，无增厚，紧相贴附，突触前膜无突触囊泡。电信号的传递是通过连接子通道进行,呈六角形，前后膜上各有一个半通道，每个半通道是由6个连接蛋白构成，突触前后膜上的半通道对接形成通道，通道外径2nm，内径1.5nm。,连接子,是哺乳动物神经组织信息传递的主要形式，由突触前成分、突触后成分和突触间隙所构成，呈单向性传导。突触前后膜厚约7.5nm。,1. 突触前成分主要由突触前膜和突触囊泡等组成。突触前膜通常是神经元的轴突终末，呈球状膨大，在印染标本中呈棕黑色的环扣状，附着在另一神经元的胞体、树突或轴突
5、上。,（一）化学性突触（Electrical synapse）,三、突触结构,2. 突触间隙,突触前膜与突触后膜之间的间隙，度因突触类型不同而异，约20nm。CNS中的突触间隙一般为10-30nm，神经-肌接头的间隙可达5-60nm。,突触间隙内有电子致密物质，主要作用可能是使突触前膜和突触后膜产生物理性连接，利于从突触前膜释放的神经递质扩散到突触后膜。突触前膜和突触后膜都可以通过胞饮方式从间隙中摄取某些物质。,突触后膜上含有受体蛋白和离子通道蛋白，还含有一些酶类、线粒体和神经微管等。,厚薄不一，一般在此膜的深面有电子致密物质层，以颗粒物质和埋在其中的细丝为特征，此层的厚度直接影响突触后膜的厚
6、度。,3.突触后膜,五、突触传递,是指经典的化学突触传递过程，可简单概括为3部分：突触前神经轴突末梢的电信号转化为化学信号；化学物质到达突触后神经元；突触后神经元将化学信号转化为电信号；,电-化学-电传递,四、突触传递,突触前神经元兴奋 突触前膜去极化Ca2+通道开放细胞外Ca 2+内流突触囊泡向突触前膜靠近和融合突触小泡释放神经递质突触后膜受体与递质相互作用后膜离子通道开放或关闭突触后膜去极化或超级化突触后电位多余递质失活突触囊泡返回质膜,1.突触具体传递过程,单向传递：兴奋只能从突触前神经末梢传向突触后神经元而不能逆向传递。突触延搁：兴奋在突触处的传递比在神经纤维上的传导慢，约需0.5ms
7、。总和：通常兴奋性突触每兴奋一次不足以触发突触后神经元兴奋，而需同时传来一连串兴奋或许多突触前神经末梢同时传来兴奋。对内环境变化敏感性：缺氧、CO2增加或酸碱度改变都可以改变突触部位的传递活动。对某些药物敏感：突触后膜的受体对神经递质非常敏感，因而某些药物也可以特异性地作用于突触传递过程，阻断或增强突触的传递。,2.突触传递特点,量子式释放（quantal release），即一个小囊泡直径约50nm，单个囊泡所含的递质总量为一个量子，一次动作电位可诱导一批类似的囊泡释放。在递质释放过程中，突触前末梢的去极化及钙离子内流是诱发递质释放的关键因素。,3.突触前神经递质的释放,通过突触囊泡与突触前
8、膜融合以胞吐形式将事先在胞体合成并且转运过来的神经递质释放到突触间隙。,从突触小泡的胞吐作用到小泡恢复可以分为7个时相:,突触小泡的循环,锚靠（docking）：突触囊泡锚靠在突触前膜的特定区域活化带。,突触小泡的循环,激活：锚靠后，突触囊泡须经历一成熟过程，才可在钙离子内流的触发下，与突触前膜的快速融合。,突触小泡的循环,融合（fusion）/出胞(释放，release)：突触前膜动作电位使钙离子通 道开放，钙离子大量内流触发突触囊泡与突触前膜完全融合。,突触小泡的循环,移位：包被囊泡去除外衣，移位至轴浆中成为循环的突触囊泡。,突触小泡的循环,内质体融合：循环的突触囊泡与内质体融合。,突触小
9、泡的循环,出芽：从内质体萌生形成新的突触囊泡。,突触小泡的循环,神经递质摄取：突触囊泡以主动转运方式将神经递质摄入囊泡内，其能量来自囊泡膜钠离子钾离子产生的电化学梯度。有神经递质的囊泡经扩散或细胞骨架蛋白组成的轴浆运载系统，移回突触前膜的活化区。,突触递质的调制过程 a. 神经元内在过程：静息膜电位或动作电位发放的变化引起 b. 神经元外部过程：其他神经元的突触输入突触递质调制的部位 a. 突触前受体 b. 突触后受体 c. 突触间隙突触前终末调制靶点 a. 改变启闭钙通道已改变突触前精细Ca2+浓度 b. 改变钙通道门控 c. 改变K+或Na+内流以改变动作电位过程中电 压门控Ca2+内流作
10、用于Ca2+内流的下游机制。,4. 神经递质突触前释放的调制,快突触（神经信息）传递： 神经递质通过突触前膜释放到突触间隙，再扩散至突触后膜并与相应受体结合，使受体通道开放，产生突触后电位。如果突触通道中的Na+或Ca2+增多，即产生兴奋性突触后电位；如果K+或Cl-增多，则产生抑制性突触后电位。两种情况都是在1ms内完成。慢突触传递： 神经递质与突触后膜受体结合后并不立即引起膜电位变化，而是产生一系列生物化学反应，并由反应产生的活性分子来传递信息，常以秒计，且造成的行为、情感、思维和精神状态可以持续几分钟甚至几小时。,5. 快传递与慢传递,1. 兴奋性突触后电位（excitatory pos
11、tsynaptic potential，EPSP）：概念:发生在突触后膜的去极化电位。产生机制：突触前膜释放兴奋性神经递质，突触后膜对Na和K（主要是Na）的通透性增加，导致细胞膜的局部去极化。,6. 突触后电位,根据突触后膜发生去极化或超极化，可将突触后电位分为兴奋性和抑制性突触后电位。,兴奋性突触后电位的产生,6. 突触后电位,概念：发生在突触后膜的超极化电位。产生机制：抑制性递质作用于突触后膜，使突触后膜对Cl-和K+（主要是Cl-）的通透性增加。,6. 突触后电位,2. 抑制性突触后电位（inhibitory postsynaptic potential，IPSP）,突触后神经元的电活
12、动变化,概念：化学性突触传递效能的改变称为突触可塑性，包括突触传递增强和突触传递减弱两方面。突触传递增强：突触后膜上电反应增强； 突触传递减弱：突触后膜上电反应减弱。广义的突触可塑性包括突触传递可塑性、突触发育可塑性和突触形态的可塑性，一般指突触传递可塑性。突触可塑性是神经科学领域近年来进展最快、取得成果最大的研究领域，不仅与学习记忆功能关系密切，还参与了感觉、心血管调节等重要病理生理过程。突触可塑性可分为短时程突触可塑性和长时程突触可塑性。,6. 突触可塑性（synaptic plasticity）,突触前神经末梢受到一连串有效刺激后，在短时间内（数十毫秒至数十分钟）突触前或突触后反应增强或
13、减弱。有三种表现形式：突触易化（synaptic facilitation）突触前神经末梢接受强制刺激期间，每个动作电位引起的神经递质释放和突触后电位的幅度逐渐增强，强直刺激停止后，增强的突触反应可持续几百毫秒。强直后增强（post-tetanic potentiation,PTP）突触前神经末梢接受强制刺激后，每个动作电位引起的神经递质释放和突触反应增强的发生缓慢，在刺激停止数秒后才发生最大反应，可延续数分至数十分钟。突触抑制（synaptic depression）在连续的动作电位刺激期间，突触前神经末梢神经递质释放越来越少，突触反应逐渐减弱。,A. 短时程突触可塑性,指可以持续数小时乃至
14、数周的突触活动增强与抑制现象，分别称为长时程增强（long-term potentiation, LTP ）和长时程抑制（long-term depression，LTD）。LTP：突触前神经末梢接受强制刺激后，突出后神经元出现的一种突触后电位持续增强的现象。在海马CA1、CA2和CA3区可见到此现象，与学习和记忆有关。LTD：突触传递效应持续性下降。小脑皮层是产生LTD的重要部位之一。,B. 长时程突触可塑性,电突触和化学突触的对比,重症肌无力是神经肌肉接头处传递障碍的慢性疾病，也就是说支配肌肉收缩的神经在多种病因的影响下，不能将“信号”正常传递到肌肉，使肌肉丧失了收缩功能，所以临床上就出现
15、了眼睑下垂、复视、斜视，表情肌和咀嚼肌无力表现为表情淡漠、不能鼓腮吹气等，延髓肌无力则出现语言不利、伸舌不灵、进食困难、饮食呛咳等。免疫学研究显示为自身免疫性疾病，由抗受体抗体干扰突触传递所致。问题出在突触后，递质与受体结合受阻。,6. 与突触有关的疾病,a重症肌无力：,某些癌症，如小细胞性肺癌发生重症肌无力是由于突触前存在电压门控钙离子通道抗体，致钙离子内流减少，递质释放受阻。使用免疫抑制剂往往使症状得到缓解。问题出在突触前。,7. 与突触有关的疾病,b.突触前神经肌接头阻断,阿尔茨海默病( Alzheimers disease，AD) 是一种多发于老年人的神经退行性病变，65 岁以上的老年
16、人口发病率约为5% 10%。其主要临床表现是渐进性的认知功能障碍和记忆损害。,7. 与突触有关的疾病,c.阿尔茨海默病,* SCN4A为骨骼肌钠通道基因变异，SCN5A为心肌钠通道基因变异， SCN1A/B为神经细胞亚基基因突变。,7. 与突触有关的疾病,c.离子通道疾病,8. 突触相关前沿进展,药物成瘾是由成瘾药物与大脑奖赏系统相互作用后产生的慢性、复发性脑病，涉及极其复杂的神经机制。有研究表明药物等多种因素可通过多脑区、多受体系统、多神经回路长时程作用于神经突触，导致突触结构与功能可塑性变化，影响突触传递效能。但阐明某种突触修饰与特定行为之间的因果联系，目前仍是突触可塑性研究领域中最具挑战
17、性的难题。,8. 突触相关前沿进展,近年的研究表明，在未成熟哺乳动物突触发生期，短暂性拮抗N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA) 受体或过度激动-氨基丁酸A(GABAA) 受体可诱发大脑神经细胞的大量凋亡、脊髓凋亡性退变。这些药物主要有全身麻醉药、抗惊厥药及乙醇等。人类突触发生高峰期为妊娠后3个月到出生后3年。妊娠晚期、新生儿及婴幼儿刚好处在这个时间窗。全麻药对于突触发生期中枢神经系统的影响机制还有待更进一步的研究，这对于指导妊娠期及婴幼儿临床合理用药具有重要意义。,8. 突触相关前沿进展,中医针刺防治阿尔茨海默病（AD）, 积累了丰富的临床经验, 但机理尚不清楚。最近有研究表明针刺可拮抗衰老过程
18、中的病理生理变化。采用行为学、免疫组化和图像分析技术, 研究针刺对AD大鼠学习记忆、海马CA1 区超微结构和突触素表达的影响,实验结果表明针刺是通过促进海马内突触重建, 提高突触素的表达, 从而改善AD 大鼠的学习记忆能力,也为针刺治疗AD提供了思路。,8. 突触相关前沿进展,由于阿尔茨海默病（AD）起病隐匿、病因复杂，目前尚无特效的治疗药物和手段，最近有研究表明运动不仅能提高普通人群的认知能力，还能减缓AD的发病和进展。所有运动都可向中枢神经系统提供感觉、运动和反射性传入，运动对大脑的功能重组和代偿起着重要作用。中枢神经系统的突触可塑性是研究学习和记忆神经机制的核心问题，突触可塑性改变可能是
19、运动防治AD的细胞机制。,8. 突触相关前沿进展,最近发现肌球蛋白1E与神经元的胞吐作用即囊泡的释放有关，肌球蛋白1E作用于突触小泡上Ca2+的结合蛋白突触体素，当兴奋到达突触时，Ca2+内流突然增加并且与突触体素结合，从而促进突触小泡的胞吐作用。在敲除非常规肌球蛋白II基因的脑片中树突棘的发育速度比对照组减缓。这些发现提示非常规肌球蛋白II和突触的生长以及可塑性存在重要的联系。随着人口老龄化的加快，老年痴呆症等神经退行性疾病的发病率也显著增高，学习记忆障碍也越来越受到人们的重视。肌球蛋白与突触可塑性的相关研究为了解学习记忆形成和维持的机制提供了新的方向，也为治疗和预防神经退行性疾病提供了新的
20、靶点。,8. 突触相关前沿进展,突触丢失与阿尔茨海默病( Alzheimers disease，AD) 病人的认知功能下降密切相关，神经递质的释放和再利用过程-突触囊泡再循环是突触传递的一个重要步骤。在AD 病人脑中一些参与突触囊泡再循环的功能蛋白水平出现明显下降。利用基因芯片技术分析AD 病人的脑组织后发现，与突触囊泡循环相关的一些基因下降，而编码其它功能的突触基因没有变化。然而突触功能障碍和丢失的分子机制仍然不清楚,8. 突触相关前沿进展,近年来有报道乙型淀粉粒beta( amyloidbeta，简称A)是造成阿尔茨海默病的头号要犯。 ，研究人员发现A 会在神经轴索( axon) 形成突触的前后时程中不断地过度表现，还发现A 对神经元影响的范围大约为10 微米( microns) 左右，不但在突触形成的结构上造成阻碍，也对突触功能带来毁灭性的影响这些受困的突触便无法在脑部执行电脉冲，也无法提供记忆贮藏以及传递信息的功能。影响突触塑性的A 会不停的分泌，不过，当阻止A 分泌大约30 60 min的时程里，就足够让神经元突触塑性的正常发展，换句话说，如果能找到一个方法阻止脑部突触附近的A 分泌，将有机会恢复突触的正常功能。,
