1、Medical Electrophysiology医学电生理学张志雄,Departmemt of Physiology Shanghai University of Traditional chinese Medicine 上海中医药大学生理学教研室,第一部分 绪论,第一节 电生理学研究的内容与对象一、生理学及电生理学 二、学习医学电生理学的主要任务 1探索正常人体生物电的现象及其发生机制。 2探索疾病时的异常生物电现象及其发生机制。 3运用电生理学作为临床疾病诊断的基础。 4将电生理方法用于疾病的治疗与评估。三、电生理学研究的不同层次 1生物电现象的细胞和分子水平机制的研究。人体最基本的结构
2、和功能单位是细胞。 2生物电现象的组织、器官水平的机制研究。 3生物电现象的整体水平的观察与机制研究。,第二节 电生理学的发展简史 人类对于生物电现象的注意可以追溯到古埃及关于电鱼击人的记载。从历史上看，电生理学发源于科学史上著名的一场争论。1786年，意大利Bologna大学解剖学教授Galvani发现，用金属导体连接蛙腿肌肉与神经，则肌肉就会发生颤抖。他把这个现象的发生原因归之于“动物电（animal electricity）”，他的著名的文章发表之后，引起一场争论。同时代的物理学家Volta不同意Galvani的见解，两人各自埋头于实验室。Volta用铜板和锌板中间隔以盐水，由于不同金属
3、的电解质相接触因而产生了电动势，从而发明了伏特电池。Galvani为了验证自己的观点，进行了一个出色的试验，他发现在无金属参与的情况下，将一个神经-肌肉标本搭在一个肌肉标本的损伤处可引起该神经-肌肉标本的肌肉产生收缩。这个发现成了电生理学的开端。,一、神经电生理的研究与发展概况电生理学的发展，几乎完全是与电学仪器的发明分不开的。 1848年德国人Reymond用电流计测量神经传导时的电变化， 1850年Helmholtz测定了神经传导速度。 1879年Hermann提出 变质学说（alteration theory）。 1902年Bernstein提出了生物电发生的膜学说(membrane t
4、heory) Adrian和Sherrington对神经元的机能研究以及信息由一个细胞向另一个细胞传递的机制的研究作出了重大贡献。他们俩一起获得1932年的诺贝尔医学-生理学奖。 Erlanger与Gasser，他们合著的神经活动的电表现一书，是应用阴极射线示波器研究外周神经活动的一个总结。他们两人因此而获得1944年的诺贝尔-生理学奖。,微电极技术的应用，又促使神经系统的电生理研究前进了一大步。开始是把微滴管刺入枪乌贼的巨轴突。以Hodgkin为代表的英国剑桥大学取得了很大的成就，修正了Bernstin的膜学说，成为动作电位的钠学说。 基于他们应用微电极技术，对于NS两大基本理论问题N冲动的
5、传导及中枢突触的传递的重要贡献，Eccles、Hodgkin和Huxley三位生理学家联合获得了1963年度的诺贝尔医学-生理学奖。之后Katz等人也获得了这一荣誉。 Hodgkin、Katz等人提出了离子通道与离子学说(ionic theory)。1970年前后神经元间通信的主要信号机制已经确立，然而其分子机制仍未解决。Hodgkin和Huxley用电压门控通道的概念来描述电导的变化尽管当时生物标本上没有直接的证据，但人们已经常用Na+通道、K+通道等术语。,1976年Neher和Sakmann首次报告了用膜片钳方法改革了的离子通道研究，记录到单通道离子流。这一技术在二十世纪八十年代得到了飞
6、速的发展，从最早的ACh单通道到K+、Na+、Ca2+、Cl-单通道，Glutamate单通道。这种技术高精度、低噪声（精度可达10s时间分辨率，1PA电流分辨率，1m空间分辨率）。由于Neher和Sakmann真正解决了阐明生物电产生的分子机制，他们的贡献对细胞生物学领域的发展以及阐明各种疾病的机制均具有革命性意义，为此两人在1991年分享了诺贝尔医学-生理学奖。,二、心脏电生理的研究与发展概况 1842年Mattenchi发现鸽的心脏可产生电流， 1876年物理学家Lippmann与内科医师Marey合作发明了毛细管电流计，用其记录包括心脏产生的电活动，开创了心电图记录的先河。 1887年
7、Waller在人体记录到心脏周期产生的电活动。 1890年起，心电图的创始者Einthoven对心脏电活动发生了浓厚兴趣。1901年他发明了心电电流计，更真实地记录了心脏电活动的电流，开始了人体心电图的记录。此后Einthoven提出了导联选择规律，记录了运动后的心电图，1905年其正式将心电图用于临床，引起了巨大的反响。鉴于他的工作重要性及价值，1924年Einthoven获得了诺贝尔医学奖-生理学奖。,Lewis是心电图创始时代的又一位大师，自1906年他就开始研究期外收缩，心房扑动、心房颤动、房室传导阻滞等，他的开掘性研究为心电图的临床应用起到巨大作用。美国密西根大学执教的Wilson提
8、出了胸前6导联系统，使体表心电图标准化为12导联。 1906年Cremer应用食道电极测到心房电活动，开创了食道心电图的研究与应用。但因食道电极导管太粗（1.5厘米），不便吞咽，记录基线漂移很大，因而没有引起重视。直到1912年Barold采用改进的双极导管，并对记录的信号加滤波处理使基线更为稳定，进而使食道心电图的应用得以推广。,20世纪30年代心电向量图的记录开始用于临床，最初的导联系统以Einthoven等边三角形学说为理论基础，分别与X轴（左右水平）、Y轴（上下垂直方向）、Z轴（前后水平方向）相平行。1946年Burger提出了修定的导联体系，此后Frank做了大量的向量心电图的研究，
9、提出了Frank矫正导联体系。目前这个导联体系仍在临床较多地使用。 动态心电图（Holter Test）是体表心电图范围内的一大飞跃。1949年Holter用远距离遥测的方法记录到青蛙的心电图，1956年发展成磁带连续记录24小时动态心电图，并以发明者Holter命名了这项技术。1960年以后逐步改善着心电图阅读方法，1970年之后将计算机引进资料评价及处理系统，使24小时的心电图能在8分钟内处理并扫印报告。1979年威斯康辛大学应用4K内存的微机进行监护，使监护时间可达3-6个月。除记录时间的延长外，还增加了固态记录系统，最初的单通道的监护记录系统已被2个或3个通道同时监护记录的系统所代替，
10、这些都提高了该技术的临床应用价值。,心腔内电图的检查是在心导管术发明之后才得以实现。1929年Forssmann在自己身体上证实了应用一根导管很容易进入到心脏而没有任何的致病作用，这一创举打开了心导管临床应用的大门，他因此也获得了日后的诺贝尔医学奖。 1945年Lenegre及Maurice在做心导管检查时首次记录到心房及心室的电活动，引起各家注意，从此开始了心内电图及心内电生理的检查。1950年Kossmann报道了心内电记录在心律失常诊断中的价值。同年，Levine及Goodale首次记录了冠状窦电图。1958年Alnis在动物离体灌注的心脏首次记录了希氏束电图（HBE）。1959年Stu
11、ckey和Hoffman在人体心脏的直视术中记录到HBE，1960年Giraud等创用导管法记录HBE，他们应用的方法日后得到广泛证实。1968年Scherlag、Helfand及Damato三氏将血管切开改为经皮穿刺，使心导管法记录HBE的技术更加规范化，更易实施。此后心内电图的记录迅速推广应用。可以这样说，Scher1ag等人的1968年之举是心电生理学发展史上的一个重要的里程碑。,程序性电刺激虽然很早就已开始了实验研究，但60年代后才应用于临床。1971年Wellens改进了程序性心脏电刺激方法，并结合心内心电图的记录研究房室传导的功能，研究和治疗心动过速。 Welleus 提出的规范化
12、的程序性心脏刺激法大大提高了传导系统疾病与功能的研究水平，使心律失常的研究从心电图时代进入到心脏电生理时代，程序刺激法成为了心脏电生理检查的核心部分。Scherlag及Wellens成为现代心脏电生理检查术的奠基者。 近20年来，心脏电生理的研究又从诊断转向了治疗。电外科学（electrosurgery）的发展使显性或隐匿性预激综合证都能得到根治，同时室速及室上速都开始了外科治疗。心律失常的内科介入性治疗的进展更令人瞩目，1982年Gal1agher及Scheinman分别在美国的公爵大学及加州大学报道了直流电消融术治疗心动过速，1986年Huang首先用射频电能进行房室结消融治疗室上速，这一
13、新方法疗效好，合并症少，临床实用价值高。,同时，新型起搏器（抗心动过速起搏器、各种生理性起搏器）及AICD（植入性心脏自动除颤器）更为广泛地应用，并取得显著的临床疗效。化学消融、冷冻消融治疗心律失常也开始了实验研究及临床尝试。这些新的十分有效的治疗方法给心脏电生理的检查带来了新的生机，大大刺激并推动了心脏电生理的发展。 心内电图记录及心脏电生理技术在20世纪70-80年代取得了大量的重要进展。1971年Mandel发明了应用右房超速抑制测定SNRT（窦房结恢复时间），1973年Strauss提出了应用程序右房刺激测定SACT（窦房传导时间）的方法，同年Josephson在研究室速记录心内心电图
14、时，记录和发现了心室晚电位，在1973年Cranefield提出触发激动，触发性心律失常的概念。1978年，Narula提出应用连续右房刺激的方法测定SACT，同年Cramer应用杰出的方法证实了他记录到P前电位就是窦房结电图，Harimann又将这一记录技术应用到临床，开始了窦房结电图的记录时代。,三、平滑肌电生理的研究与发展概况 与神经、肌肉及心肌电生理研究的历史比较，平滑肌电生理的研究起步比较晚，其研究的深度和广度也逊色于前者。平滑肌电生理研究是从胃电图的发现开始的，由此对胃平滑肌的电学研究报告也多于对其他部位平滑肌。 1921年10月W.Alvarez用弦线电流计在一位患癌症的妇女体外
15、第一次记录到胃电图，因为当时患者羸瘦，以致于用肉眼就能观察到3cpm的胃收缩波与其相对应的胃电图慢正弦波。但是，受到当时的电流记录装置等技术上的限制，该研究没有继续下去。1926年Tumpeer用心电图机，以标准肢体导联的左臂和右腿部位从一位幽门梗阻的老年妇女体表再一次记录到了胃电图。随后他又用同样的方法在患幽门麻痹的儿童体表也描记到了胃电图。根据记载，当时描记的胃电图与现在临床所记录的图形差异很大，因为心电图机刚使用不久，仅在基线上的慢波变化负载有心电信号，这种基线上的慢变化为3cpm，他认为这3cpm就是胃运动的频率变化。,对于胃电图进行的系列性探索研究约在20世纪50年代中期。由于稳定地
16、记录较缓慢、低幅值的胃电图信号，在当时是相当困难的。美国生理心理学家R.C.Davis首先对放大器和记录装置进行了改进，并在1957年率先用皮肤表面电极直接从腹部表面记录到了胃电图，并且在记录胃电图的同时用小气囊记录胃的运动，以探讨胃运动与胃电图之间的关系。对于身体其他部位发生的电信号，如呼吸、心脏、皮肤、骨骼肌等电反应的影响予以排除。明确地提出：胃肠以及其他内脏器官的活动都可以在体表记录到相应的电信号。在确立胃电图的记录方法基础上，进一步探索了食物、休息、视觉等因素对胃电图的影响。并于上世纪五十年代末将研究结果进行了系列报道，由此大大激发了学者们对胃肠电图研究的兴趣。在同时期进行胃电图研究工
17、作的Tiemann和Reichertz两位学者在其发表的论文中也明确提出：正常人在安静状态下记录到的胃电图频率约3cpm，与早期学者的研究结果是一致的。前苏联的学者在胃电图临床研究方面起步较早，在1958年初Sobakin和Mishin就观察了正常人和胃肠疾患患者的胃电图特征。并报告了61例健康人和64例患有各种胃疾患病人的胃电图改变。指出：患有溃疡患者胃电图的3cpm节律没有变化；幽门麻痹患者的胃电图幅值可显著增高；而胃癌患者的3cpm节律则破坏明显。,在体动物胃电图的研究工作是在20世纪60年代中期出现的，1965年到1974年历时近10年的时间里，Stevems和Worrall等在实验室
18、里以猫为对象，在其胃壁上埋植压力应变片与皮肤表面同步记录胃电图，研究胃电图与胃运动之间的关系。结果发现有很强的相关性，认为用胃电图作为评价胃运动是具有一定的可靠性。并且，将此前用肉眼判读方法对胃电图幅值和频率进行分析，改用计算机傅立叶（Fourier）频谱分析，提高了对胃电图结果分析的可靠性和分析速度。至此研究者们基本上确认，即从皮肤表面上记录到的胃电图是由于胃平滑肌收缩引起的电位变化，胃电图与胃平滑肌收缩之间呈1：1的关系。 其后对于胃电图的起源的研究，1968年Nelsen和Kohatsu的实验认为，胃电图就是胃的慢波活动或起步电位（Pacemaker Potential），又称电控制活动
19、（Electrical control activity）。认为体表记录的胃电图反映了胃电位的大小，但是并非反映胃收缩，而收缩是被固定在慢波内。简言之，胃电图可以用来确定已经发生的胃收缩频率，即亦胃电图所表现的持续不断的慢波频率，但是胃电图不能检出所发生的胃收缩活动。这一结果在Brown（1975年）等研究中也得到了证明：即在绝大多数受试者中，当胃收缩发生时，胃电图显示3cpm的频率同时，而胃内压却并非如此。,进入20世纪80年代，关于胃电图与胃平滑肌收缩关系的研究取得了进一步的进展，由Smout等人所进行的胃电图分析和解释其成因研究结果表明：胃收缩发生时其胃电图幅值增加，而电控制活动和电反应
20、活动均可在胃电图中得到反应。然而，在早期工作中没有阐明胃电图幅值和胃收缩活动相关性的重要原因之一，乃是胃内压力记录技术不敏感之故，而非胃电图本身的问题。 相对地讲，胃电图的研究历史比其它电生理学检测方法的历史要短，所以关于胃电图的识别、分析及意义、可靠性等研究工作一直在进行，在完善。,第三节 电生理学与医学 电生理学的发生与发展与医学及医学研究的发展有着密切的联系，而且这种联系直接影响着医学科学的发展。 1用于诊断、治疗以及评估 心脑疾病：冠心病及心肌梗塞、心律失常、神经性疾病、癫痫、糖尿病神经周围炎、老年性痴呆、脑器质性病变、肝性脑病等临床疾病的诊断、预后及治疗的观察。 2医学（包括中医药）
21、的研究手段 针刺、气功、中医中药的临床、基础研究。电生理学理论指导着医学的发展，医学的发展又对电生理学提出更高的要求。,第二部分 神经电生理学,第一章 神经电生理的一般原理 第一节 神经纤维的电学性质 神经纤维的电缆特性主要表现在膜电阻、膜电容、膜电位三个方面。这些电学性质静息状态和活动状态有所不同，特别是膜电阻和膜电位在活动状态时发生很大的变化。我们先讨论静息状态下神经纤维的电学性质。 一、膜电阻 神经膜虽然很薄，但电阻很高。电阻值表示膜对电流的通导能力。由于测量上的缘故，细胞膜电阻的表示往往用单位面积膜电阻乘以膜面积（即RmS）来表示，单位为cm2。膜电阻的倒数称膜电导（g） g=1/R；
22、单位为姆欧cm2。,二、膜电容 任何两个导体中间以绝缘体隔开的装置称为电容器。两块金属平行板之间以绝缘介质隔开，再加上电位差V，则CQ/V。式中：Q为导体上总电荷，C为电容。 动物细胞内液与外液相当于两块金属板（导体），而细胞膜是一个较好的绝缘体。如70mV的静息电位在7nm厚的类脂蛋白膜产生大约有105 V/cm的电压梯度，所以可以说是一个较好的电容器，但细胞膜上有孔洞，或者叫做离子通道，离子可以通透，因此被隔离的电荷会慢慢漏掉，因此它又是一个不完善的电容器。 由于细胞膜所隔离的电荷是离子，电荷量Q往往用每平方厘米的克分子数来表示。膜电容基本上不受膜内外离子浓度的影响，在相当大的范围内，都能
23、保持恒定。,三、等效电路 以上两个特点神经膜可以用以下的等效电路来说明（图2-1-1）。图中：（1）电容Cm表示膜的绝缘及储存电荷方面；（2）Rm代表辐向的电阻，是单位长度轴突的膜电阻；(3）Ro表示细胞外液的纵向电阻；（4）Ri代表轴浆的纵向电阻。Ro及Ri均为单位长度的电阻。一条神经轴突的膜可以认为是由无数个这样短段（x）的膜连接起来而成的。,图2-11 圆形细胞膜的阻容特性A:测量方法示意图；B:等效电路,膜的总电阻是由膜外电阻ro、膜上电阻rm和膜内电阻ri三部分组成的。即：R=ro+ri+rm。这里可忽略膜外电阻ro及电容。式中：ri 为每单位长度（1cm）细胞内液的纵向电阻；rm为
24、每单位面积（1cm2 ）或单位长度（1cm）膜上的横向电阻。 如给这种等效电路通以一恒定电流，则电位的变化将与从实验中测得的非常接近。因此这种等效电路是反映了膜的电学特征的。 在低于阈值下，通过膜的电流-电压遵循欧姆定律。膜电阻rm主要是用在静息电位附近对K+，Cl-的电导来表示。如果接近阈值，则由于膜对Na+、 K+的通透性大大增加而使得rm大大减小。不同动物、不同细胞的膜电阻是不同的。 神经纤维中细胞浆电阻ri、膜电阻rm和膜电容Cm的组合对于膜电流和膜电位的影响，起着依距离而衰减及在时间上延缓的作用，这种特性称为神经纤维的电缆性质。在一定条件下，如在阈下刺激，这种性质遵循欧姆定律。神经膜
25、的这种电缆特性用时间常数和空间常数两个特征量来表征。,四、时间常数（） 所谓时间常数，是指膜电压随时间而改变的过程，用一常数来表示之，它的大小等于R、C的乘积。 神经纤维膜具有电阻、电容的电学性质。给轴突膜一个突然增加的电压E（如加上一方波），而从另一个电极记录电位变化E。可见E不是突然变大的，而是逐渐上升。当原先加在膜上的方波突然撤去时，E也是逐渐减小的。这种膜电压随时间而改变的过程，可用一常数来表示，即时间常数（）,加一电压时，膜电压逐渐上升至原电压的63所需要的时间即为；或撤去电压时膜电压逐渐下降至原电压的37%所需的时间也就是；的长短与膜的电阻电容大小密切相关，电阻R及电容C大则亦大（
26、=RC）。记录到的电位E又与记录电极与电源的距离有关。 膜电阻与膜电容的大小与膜的面积有关。但只要是同一性质的膜，时间常数与膜的面积（或长度）无关，但膜电容与膜面积成正比。时间常数决定于膜的性质，而与细胞的大小形状无关。,五、空间常数（） 所谓空间常数，是度量电压的空间衰减，即标志电压依距离而衰减的程度。 如图所示，在阈下电流刺激时，则记录到的局部电位大小随距离的增大而衰减。衰减程度取决于rm，ri，由于神经膜上横向电阻rmri，这种情况大大有利于信号的传导。稳态下，局部电位Vx的衰减与距离x呈指数关系：Vx/Vo=e-x/。 Vo为膜电位的最大值或初值。如果在某一点上，它的电位变化的高度Vx
27、，正好等于外加电压点（0点）上的电压Vo的1/e倍（约等于0.37），即：Vx/Vo=1/e，那么该点离0点的距离就称为空间常数；= rm / ri+ro 。所以空间常数的大小与膜电阻rm是同方向的变化，而与轴浆电阻及膜外电阻呈反方向的变化。但膜外电阻ro相对来说是很小的，可忽略不计，所以rm/ri。,是以长度为单位，常用mm为单位。与神经纤维的直径和纤维的性质有关。哺乳动物在1-3mm。 上述这些常数的意义是，在神经纤维传导中，小则由局部电流所引起的去极化容易达到阈值，神经纤维易被兴奋。大则局部电流能有效地扩布范围大，故粗纤维比细纤维传导冲动要快。 因此，跟据电缆特性，决定扩散范围是，决定扩
28、散速度为。,第二节 静息电位 在静息状态下，细胞膜内外之间的电位差叫膜的静息电位。一、产主膜电位的离子基础 为什么会产生膜电位呢？这是由细胞膜本身的特性所决走的。 1细胞膜两边（内外）离子分布的不均匀。膜两边存在很高的浓度梯度，在浓度梯度作用下K+由膜内向膜外扩散，Na+ 由膜外向膜内扩散。但是神经膜并不是对各种离子的通透性是一样的，静息状态下的神经膜对K+的通透性是Na+的50倍（兴奋状态则完全不同），因此静息时K+很容易通过扩散而达到平衡。由于膜两边离子浓度差而产生电位差，同时浓度梯度引起的扩散又缩小了电位差。 2在神经细胞内液中含有大量的根本不能或很难通过神经膜进行扩散的阴离子A-，主要
29、是蛋白离子、有机磷酸根离子、有机硫酸根离子等。这种阴离子的存在也是造成静息电位的一个因素。 3神经膜上Na-K-ATPase（钠泵）的存在，它逆浓度梯度进行排Na+摄K+，使离子主动转运。维持膜内的高K+，膜外高Na+的离子浓度差，从而维持静息电位。（排出3个Na+摄入2个K+，因此钠泵也称为生电泵）,二、离子学说及其实验证据 (一)膜学说 1902年，Bernstein根据当时观察到的生物电现象，发展了他的导师，著名的德国生理学家Du Bois-Reymond的一个概念，即沿神经或肌肉的表面，有秩序地排列着一层“电动粒子”。他认为神经或肌肉组织，不受刺激和没有兴奋时，本身就有生物电存在，故又
30、称先存学说。他认为胞膜，对钾离子有特殊的通透性，而对较大的阳，阴离子均无通透性。因此，由于膜内外K+浓度不同，膜内K+浓度大，所以膜内电位负，膜外为正，膜电位在数值本等于K+的平衡电位。当电刺激时，神经或肌肉细胞膜兴奋，膜的选择性通透暂时消失，而变为没有选择性通透的膜，此时膜两边的电位差消失，所以冲动到达处的电位较正常部位为负，所以他认为动作电位是膜电位消失的结果。也就是说动作电位达到顶峰时膜的电位应接近于零。,但是在1939年，Cole，Hodgkin和Huxley首次成功地将玻璃微电极插到枪乌贼巨大纤维内，记录到的动作电位有正40-50mV，发现了膜兴奋时的动作电位发生“超射”、显然Ber
31、nstein的膜学说解释不了这种“超射”现象，必须对这种学说加以改进，于是1949-1952年Hodgkin，Katz，Huxley等提出了新的膜兴奋理论，即离子学说。 (二）离子学说 1949年在巴黎召开的可兴奋膜的讨论会上，Hodgkin，Huxley，Katz根据电压钳技术分析枪乌贼巨大纤维的初步实验，提出了轴突兴奋的双通道模型，到1952年他们连续发表了五篇完整系列文章，系统地阐述了轴突兴奋的离子理论，这一学说立即得到神经生物学界的公认，至今起着统治的地位。,Hodgkin等的离子学说的主要观点是： 1生物电发生在细胞膜的内外两边，即称之为膜电位。 2膜电位的数值是由膜两边离子的运动所
32、决定的，即膜两边离子分布不均匀，膜外Na+浓度约为膜内Na+浓度的10倍，膜内K+浓度是膜外K+浓度的30倍，A-主要在膜内。 离子运动驱动力有两个：一是浓度梯度造成的扩散作用和电场梯度造成的电泳作用；二是Na泵的逆浓度梯度的作用，由于这两种力决定离子运动的方向，从而决定电位的大小。 3在不同生理状态下，透过膜的各种离子数量不同，所以产生不同的电位值，即静息电位和动作电位。静息时膜对K+通透性很大。,根据Nernst公式，K+平衡电位（EK）的数值可由膜两侧原有的K+浓度算出，即： 式中EK是K+的平衡电位，R是气体常数，T为绝对温度；Z是离子价数：F是法拉第常数（相当于96500C）；式中只
33、有K。和Ki是变数，分别代表膜外和膜内的K+浓度。 通常静息电位的绝对值要比K+平衡电位的理论值要小一些。,图图：改变细胞外液K+的浓度对蛙缝匠肌静息电位的影响,考虑到膜两侧是K+，Na+，Cl-的混合离子溶液，而且膜对这些离子都有不同程度的通透性（分别以PK、PNa、PCl表示:PK：PNa：PCl=1：0.04：0.45)。那么膜两侧所造成的平衡电位（E）可由下式算出，即： 对于静息电位形成的机制，还应考虑细胞膜上钠泵对Na+，K+不等比例的转运以及其他离子转运机制的作用。,第三节 动作电位产生的离子基础 一、几个基本概念 1兴奋和兴奋性 兴奋（excitation）是指神经（或其它能兴奋
34、的组织）活动的基本形式之一，而“兴奋性”（excitability）是指某种组织被刺激后能够引起兴奋的一种能力。随着电生理技术的发展和应用，以及研究资料的积累，人们对兴奋性和兴奋的概念又有了进一步的理解。三种可兴奋细胞虽然在兴奋时有不同的外部表现，但在受刺激处的细胞膜有一个共同的、最先出现的、可传导的跨膜电位变化。既然动作电位是可兴奋细胞受刺激而产生兴奋时共有的特征性表现，它不是细胞其他功能变化时产生的伴随现象，而是细胞表现其功能的触发因素，因而在近代生理学术语中，兴奋性被理解为细胞在受刺激时产生动作电位的能力，而兴奋就是指产生动作电位的过程或产生动作电位。,2电紧张电位 当直流电流或去极化方
35、波作用于神经纤维时，在电流刺激强度小于阈强度时，即阈下刺激，则电流的分布如图2-1-3所示。电流从膜外穿过介质经阳极流向阴极。在阳极，电流从膜外流向膜内，在阴极处则电流是从膜内流向膜外。这样在 阳极和阴极附近有一个被动的电流分布，引起膜电流的流动造成膜电位的改变，这种膜电位的变化称电紧张电位。由于膜本身的整流特性，使得阴极底下的电流密度要比阳极大20多倍。,图：电紧张、局部反应与动作电位 强度分别为1、2、3、4、5的电脉冲（持续4ms）在超极化方向（阳极）引起有规律地憎大的电紧张电位。在去极化方向（阴极）电紧张电位1和2的过程和超极化方向相应的电位适呈镜象；强度为3和4的电脉冲在引起的阴极电
36、紧张电位超过-70mV以后便超过相应的阳极电紧张，其超出的大小见曲线下的阴影面积，这一部分即为局部反应，强度为5的电脉冲引起的去极化（阴极电紧张十局部反应）超过了阈电位，并引起动作电位。,电紧张电位有以下特点： （1）阴极和阳极呈对称的分布（阈下刺激）。 （2）阳极附近引起膜电位升高，产生超极化；阴极附近引起膜电位降低，产生去极化。 （3）电紧张电位上升和下降均按指数规律衰减，也就是在电流作用点变化最大，离作用点愈远，变化逐渐变小，时间也越长，这就是神经的电缆性质。当然，电紧张电位是属于局部电位性质。一般说，电紧张电位有以下特点：时间常数=RmCm和空间常数=rm/ri来表征。 （4）由于电紧
37、张电位是外加电场在神经纤维膜上被动的分布，其幅度大小跟外加电场大小成正比，有时间和空间总合，通电时，兴奋发生在阴极，断电时，兴奋发生在阳极，通电作用大于断电等极性法则。,3局部电位 在阈下刺激时，当刺激强度逐渐增强，在阴极处产生一个不对称的电位，称为局部电位。局部电位有下列特点： （1）只有阴极去极化方波才能产生局部电位，阳极超极化方波则不会产生局部电位。 （2）局部电位是局部的、衰减的、随距离按指数规律衰减。分布是被动的扩布。 （3）有时间和空间总合，幅度随刺激强度增加而增加。 当刺激强度增强到刚达到阀值时，局部电位增强而产主动作电位，动作电位只发生在阴极，它的大小不随刺激强度而变化，遵循“
38、全或无”定津，动作电位可无衰减地传布。,二、动作电位产生的离子机制 根据Hodgkin，Huxley，Katz的离子学说，对动作电位产生的离子机制可概括为下面几个要点： 1静息时，由于细胞膜内外液存在着各种离子（Na+，K+，Cl-，A-等）的浓度差，Na+o Na+i ，K+iK+o，膜对这些离子通透性的不同，PKPNa，PKPCl ，PA-0，使得轴突膜内外维持着-70mV左右的静息电位。 2当轴突膜受到电刺激时，膜发生去极化，膜对Na+，K+通透性发生变化；首先是Na+的电控门通道活化，PNa+PK+，PNa+PCl-(PK：PNa：PCl=1:20:0.45)，允许Na+大量涌进，使膜
39、内电位变正，这更加速了膜的去极化，这种再生式的正反馈，产生很大的内向Na+电流INa+，使膜爆发式的去极化，出现了超射，这便构成了动作电位的上升相。 3紧接着Na+通道失活化，使内向Na+电流（INa）下降。 4Na+通道失活化的同时，K+通道活化，钾电导大量增加，PK+PNa+，PK+PCL-，K+外流形成很大的外向电流（IK），这就构成动作电位的下降相。由于K+的电导变化没有失活化现象，只是在膜电位逐步恢复的过程中逐渐降低，因此延时较长，产生了正后电位。 5依靠膜上的钠泵（Na-K-ATPase）来完成驱Na+吸K+的任务，维持膜内外离子浓度差，从而恢复静息水平。,第四节 可兴奋膜的通透性
40、机制,一、离子通道 离子通道是细胞膜的结构之一，它的活动是神经、肌肉和其它组织细胞膜兴奋性的基础。离子通道的最基本功能是产生生物电，在此基础上才进一步派生出递质释放、信息传递、腺体分泌、肌肉舒缩、细胞分裂、生殖，甚至学习和记忆等重要生理功能。一些离子通道（如氯离子通道）本身还能完成对某些无机离子的运输，这对维持细胞体积恒定和内环境稳定也有着重要的作用。由此可见离子通道具有广泛的生理功能。 人们对离子通道经历了一个逐步认识过程，离子通道的研究最初是从膜通透性的研究开始的，最早可追溯到100年前Bernstein (1902年)提出的细胞生物电产生的膜学说(membrane theory)。 此学
41、说认为，活组织细胞在静息状态下细胞膜只对钾有特殊的通透性，而动作电位的出现则是由于膜的这种选择通透性消失所致。,1939年Hodgkin和Huxley用细胞内微电极的记录方法首次记录到枪乌贼巨轴膜两侧的静息电位，从而有力地支持了Bernstein关于静息状态下细胞膜选择性对钾离子有通透性的膜学说。但是，当记录动作电位时使人们感到意外的是动作电位的幅度大大超过了零电位，出现了膜电位的倒转（超射），这是用膜对钾离子通透性突然消失的膜学说理论所无法解释的。直到1949年Hodgkin和Katz等根据较新的实验事实提出动作电位期间膜对钠通透性瞬间增大并远远超过了对钾的通透性的双离子假说来说明生物电的发
42、生机制。之后离子替换法、药理学实验等，大量实验证实他们的观点是正确的，故被称之为离子学说(Ion theory)。细胞内电位记录技术为不同状态下膜对离子通透性的变化提供了证据，即安静时选择性地对钾通透，而兴奋时对钠的通透性瞬间增大，但是，它不能直接测定膜对离子的通透性，细胞膜对离子通透性（膜电导）的直接测定是从应用电压钳技术以后开始的。膜电导的变化是离子通道的活动的结果，Hodgkin等人在用电压钳记录，观测离子电流时提出了离子通道的概念。,电压钳技术是1949年由Cole及Marmonnt发明的，后经Hodgkin、Huxley和Katz等加以改进，并成功地应用于枪乌贼巨轴突动作电位期间离子
43、电流的研究。他们直接测定了膜电流并分析了电流的离子成分，推算出动作电位期间钠电导和钾电导的变化，并提出一系列描述钠电导和钾电导随去极化电位和时间而变化的方程式，用来预测动作电位的形状，他们提出了描述电压门控通道门控动力学过程的Hodgkin-Huxley模型（简称H-H模型），极大地推动了离子通道的研究工作，其中的基本概念至今仍被沿用。Hodgkin和Huxley的离子学说解释了生物电的起源。 离子通道的概念和特性被描述之后，生理学家一直想在细胞膜上直接记录单个离子通道的活动，以证实离子通道的存在和它们活动的特征。人们曾想象离子通道可能是膜上存在的一种载体系统，需要特殊酶参与其活动。后经大量实
44、验显示，离子通道很可能是一种受控的孔道。以后对闸门电流与膜噪声进行了研究，希望从中获得离子选择性和开关动力学的有关信息。这一工作最终是由Neher和Sakmann于1976年创建的膜片钳技术完成的。,膜片钳工作的基本原理与电压钳相似，不同之处在于它钳制和记录的仅仅是微吸管电极尖端所限定的一小片膜。1981年，Hamill等人在此基础上改进了10G的高阻抗封接（giga-seals）技术，大大提高了膜片钳技术的可靠性和灵敏度，并在实现giga-seal的基础上建立了多种膜片钳记录的模式，为从分子水平了解生物膜离子通道的开启和关闭，动力学、选择性和通透性等膜信息，提供了直接手段。 随着电压钳方法的
45、广泛应用及膜片钳单通道技术的发展和其它非电生理技术（如重组DNA、单克隆、点突变、基因嵌合等分子生物学技术）的引入，结合通道蛋白结构与机能关系的研究，人们对离子通道的认识有了飞跃的发展。,离子通道的基本特性: 1. 离子通道的门控特性 离子通道必须能够开放和关闭，才能实现其产生和传导电信号的生理功能。根据通道开、关的调控机制(又称门控机制)的不同，离子通道可分为三大类： 一类是电压门控通道（Voltage gated channel）它们在膜去极化或极化到一定电位时开放，因此也称为电压依从性通道，如神经元上的Na+通道。 另一类是配体门控通道（Ligand gated channel），受膜环
46、境中某些化学物质的影响而开放，因而也称之为化学门控通道(chemically-gated channel)。一般说配基来自细胞外液，如激素、递质、细胞因子等。 还有一类称之机械门控通道（mechanically gated channel），当膜的局部受牵拉变形时被激活，如触觉的神经末梢，听觉的毛细胞、血管壁上的内皮细胞以及骨骼肌细胞等都存在这类通道。,除上述门控离子通道外还有一类被称为非门控“通道”。非门控“通道”总是处于开放状态，外在因素对之无明显影响。这类通道在维持静息膜电位上起重要作用。 电压依赖性或电压门控性通道，其开、关一方面是由膜电位所决定(电压依赖性)；另一方面与电位变化的时间
47、有关(时间依赖性)。这类通道在维持可兴奋细胞的动作电位方面起着相当重要的作用。 1) 通道的门控机制的“H-H模型” 离子通道的开启和关闭过程称门控，通道的门控特性主要是指电压门控通道的激活与失活对电压和时间的依赖性。为了解释这种通道开、关的调节机制，半个世纪以前Hodgkin和Huxley在应用电压钳技术测量膜电位的基础上，提出了所谓门控机制的“H-H模型”。,根据H-H模型，通道内存在着两个独立的闸门，即激活闸门m和失活闸门h它们在通道内串联排列。根据两个闸门的开闭状态，可将Na+通道区分为三种功能状态： 静息(备用)状态，激活门m关闭和失活门h开放； 激活状态，两个闸门都开放； 失活状态
48、，激活门m开放和失活门h关闭的。,在整个动作电位过程中上述的三种不同状态循环转换。在静息状态和失活状态通道都是不导通的，只有激活状态才是导通的。两个闸门的开闭状态都是依赖于电压和时间的。它们对电压的依赖性可用Na+通道的稳态激活和失活曲线（见图2-29）加以说明。,H-H模型说明了细胞膜去极化时Na+电导的增加为什么是一过性的。Na+电导开始的迅速增大是Na+通道激活过程的反映，而随后相对较慢的减小是Na+通道失活的结果。 不是所有的通道都有两个闸门，如有些K+电流是由只有一个激活闸门的K+通道形成的。闸门的开、闭也是电位和时间依赖性的。去极化使闸门开放，通道被激活。由于闸门开放的速度较慢，所以K+电流的增大发生在Na+电流出现之后。而且只要去极化电位持续存在，K+通道就持续开放，直至复极时才逐渐关闭。由于这种通道关闭的机制是激活门而不是失活门的关闭，因而这一过程称为去激活（deactivation）。,
