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在这里,我们考虑神经元的被动电特性和几何结构(相对恒定)如何影响细胞的电信号。在下一章中,我们将考虑产生活性离子电流的离子通道的特性如何有助于确定膜电位的变化。

神经元具有三种对电信号重要的被动电特性:静息膜电阻、膜电容和沿轴突和树突的细胞内轴向电阻。由于这些元件提供了当活动电流流入或流出细胞时完成电路的返回路径,因此它们决定了由突触电流产生的突触电位变化的时间历程和幅度。它们还确定树突中产生的突触电位是否会导致轴突丘触发区的阈上去极化。更进一步说,被动特性影响动作电位的传导速度。

输入电阻决定膜电位被动变化的大小

神经元的被动和主动特性的影响之间的差异可以通过向细胞体内注入电流脉冲来证明。通过电极注入负电荷会增加跨膜的电荷分离,使膜电位变得更负或超极化。负电流越大,超极化越大。在大多数神经元中,负电流的大小与稳态超极化之间存在线性关系(图8-1)。电流和电压之间的关系定义了一个电阻,Rin,神经元的输入电阻。

通过将阈下、梯度、内向和外向的电流脉冲送入细胞,可以确定注入细胞的电流与由此引起的膜电位Vm的变化之间的关系。
A.向外或向内的电流脉冲(A1)的增加在Vm(A2)中产生比例和对称的变化。注意,电位变化比阶跃电流脉冲慢。
B.通过绘制稳态电压与注入电流的关系曲线,得到I-V曲线。I-V曲线的斜率定义了神经元的输入电阻。这里所示的I-V曲线是线性的;V M每改变1na电流变化10mv,电阻为10mv/1na或10×106Ω(10mΩ)。

同样,当正电荷注入细胞,产生去极化时,神经元表现为一个简单的电阻,但只在有限的电压范围内。一个足够大的正电流将产生超过阈值的去极化,此时神经元产生一个动作电位。当这种情况发生时,神经元不再表现为一个简单的电阻,因为它的电压门控通道的特殊性质在第9章中被考虑。尽管如此,神经元在电压的超极化和亚阈值去极化范围内的许多行为可以用电阻、电容和电池组成的简单等效电路来解释。

电池的输入电阻决定了电池对稳定电流的去极化程度。去极化的大小δV由欧姆定律给出:

因此,在接受相同突触电流输入的两个神经元中,具有较高输入电阻的细胞将显示出膜电压的较大变化。对于一个没有突起的理想球形神经元,输入电阻既取决于膜中静息离子通道的密度(即每单位膜面积的通道数)又取决于细胞的大小。神经元越大,其膜表面积越大,输入电阻越低,因为将有更多的静息通道来传导离子。

为了比较不同大小神经元的膜特性,电生理学家经常使用单位面积的膜电阻,即以ωcm~2为单位测量的特定膜电阻Rm。比膜电阻仅取决于静息离子通道的密度(每平方厘米的通道数)及其电导。

为了获得细胞的总输入电阻,我们将比膜电阻除以细胞的膜面积,因为细胞面积越大,其电阻越低。对于球形神经元

其中a是神经元的半径。因此,对于球形单元,输入电阻与半径的平方成反比。对于一个具有广泛树突和轴突的神经元,输入电阻还取决于其过程的膜电阻以及细胞体和这些过程之间的胞内胞质电阻(讨论如下)。

膜电容延长电信号的时间历程

在图8-1中,电池电压对阈下电流的稳态变化幅度类似于一个简单电阻的行为,但变化的时间过程并不如此。一个真正的电阻对电流的阶跃变化的响应与电压的阶跃变化相似,但图8-1中的单元显示的电压响应比电流的阶跃变化上升和下降得慢。这种膜的特性是由于它的电容。为了了解电容是如何减缓电压响应的,我们需要记住,电容器上的电压与电容器上存储的电荷成正比:

其中Q是库仑电荷,C是法拉电容。要改变电压,必须从电容器中添加或移除电荷:

电荷的变化(δQ)是电流流过电容器(Ic)的结果。由于电流是单位时间的电荷流(Ic=δQ/δt),我们可以计算电容器上电压的变化,作为电流和电流流动时间(δt)的函数:

电容器对电流脉冲的电压变化幅度取决于电流的持续时间,因为在电容器的极板上沉积和去除电荷需要时间。

电容与电容器板的面积成正比。电容器的面积越大,在给定的电位差下,它储存的电荷就越多。电容值还取决于绝缘介质和电容器两个板之间的距离。由于所有生物膜由具有类似的绝缘特性的脂质双层组成,其提供了两个板(4 nm)之间的类似分离,所有生物膜的单位面积的比电容CM都具有相同的值,约为1μf/cm的膜。因此,球形电池的总输入电容Cin由单位面积的电容乘以电池面积得出:

因为电容随着细胞的大小而增加,所以在一个较大的神经元中产生的膜电位变化比在较小的神经元中产生的膜电位变化需要更多的电荷和电流。

根据方程8-1,只要施加电流脉冲,电容器上的电压就会随着时间的推移而不断增加。但在神经元中,电压水平在一段时间后会降低(图8-1),因为神经元的膜起着电阻(由于其离子传导通道)和电容(由于磷脂双层)的作用。

fig 8-2 使用简化的等效电路来检查膜电容(Cin)对膜电位随电流变化率的影响。
所有的静息离子通道都集中在一个单一的元素(Rin)中。不包括代表离子扩散产生的电动势的电池,因为它们只影响膜电位的绝对值,而不影响变化率。该等效电路代表方框7-1(图7-2C)中所示的实验装置,其中成对电极连接至电流发生器和膜电位监测器。

在第7章开发的神经元电流模型的等效电路中,我们将电阻和电容并联起来,因为穿过膜的电流可以流过离子通道(电阻通道)或电容器(图8-2)。离子通过离子通道穿过膜所携带的电阻电流,例如,Na+离子从细胞外到细胞内穿过Na+通道,称为离子膜电流。离子携带的电流改变了储存在膜上的净电荷,称为电容性膜电流。例如,向外的电容电流会在膜的内部增加正电荷,并从膜的外部移除等量的正电荷。穿过膜的总电流Im由离子电流(Ii)和电容电流之和给出:

膜电容的作用是降低膜电位随电流脉冲变化的速率。如果膜只有电阻性质,则通过膜的向外电流的阶跃脉冲会瞬间改变膜电位。另一方面,如果膜只有电容特性,则膜电位随时间呈线性变化,响应于相同的阶跃电流脉冲。由于膜同时具有电容性和电阻性,因此膜电位的实际变化结合了这两种纯响应的特点。Vm与时间关系的初始斜率反映了纯电容元件,而最终斜率和振幅反映了纯电阻元件(图8-3)。

fig 8-3 膜电容减缓了膜电位的变化速度。
膜电位(δVm)对阶跃电流脉冲的响应如上图所示。响应的实际形状(红线c)结合了纯电阻元件(虚线a)和纯电容元件(虚线b)的特性。下图显示了总膜电流(Im)及其离子(Ii)和电容(Ic)成分(Im=Ii=Ic)与电流脉冲的关系。达到最终电压63%所需的时间定义了膜时间常数τ。不同神经元的时间常数一般在20-50ms之间。

现在很容易解释为什么电流的阶跃变化会产生如图8-3所示的缓慢上升的电压波形。由于膜的电阻和电容是平行的,所以每个元件上的电压必须始终相同并等于膜电位。假设膜电位从0 mV开始,在t=0时,从具有Im量级的电流发生器施加去极化电流阶跃。最初,电阻和电容的电压都等于0毫伏。由于通过电阻器的离子电流是由欧姆定律(Ii=V/R in)给出的,最初不会有电流流过电阻器

mV开始)所有的电流都会流过电容器(即,Ic=Im)。由于初始电容电流较大,电容器上的电位,以及膜电位,将迅速变得更为正值。随着Vm的增加,跨膜电压差开始驱动电流通过膜电阻。当跨膜的电压变得更正时,更多的电流流过电阻器,更少的电流流过电容器,因为Ic+Ii是恒定的(等于Im)。结果,膜电位开始缓慢上升。最终,膜电位达到所有膜电流流过电阻器的值(Ii=Im)。根据欧姆定律,电压由Vm=Im·Rin给出。此时电容电流为零,根据方程式8-1,膜电位不再变化。一旦电流阶跃被关闭,总膜电流Im等于零,因此流过电阻器的正离子电流必须作为相等和相反的电容电流流回电池,即Ii=-Ic。在没有外加电流的情况下,电容器上的电荷通过电阻通路在电路周围的环路中流动而消散,膜电位返回到零。

电位变化的上升阶段可以用以下方程式描述:

式中,e(其值约为2.72)是自然对数系的基,τ是膜时间常数,是膜的输入电阻和电容(Rin-Cin)的乘积。时间常数可以通过实验测量(图8-3)。这是膜电位上升到(1-1/e)所需的时间,约为其稳态值的63%。

膜和轴浆阻力影响信号传导效率

到目前为止,我们已经考虑了神经元的被动特性仅对细胞内信号的影响。因为神经元的胞体可以近似为一个简单的球体,距离对信号传播的影响并不重要。然而,在沿着树突、轴突和肌肉纤维的电信号中,阈下电压信号的振幅随着距离起始点的距离而减小。为了理解这种衰减是如何发生的,我们将再次需要一个等效电路,它显示了神经元的几何结构如何影响电流的分布。

起源于树突的突触电位沿树突向细胞体和触发区传导。枝晶的胞质核对电流的纵向流动有很大的阻力,因为它的横截面积相对较小,沿着枝晶向下流动的离子与其他分子碰撞。细胞质核的长度越长,电阻就越大,因为离子碰撞的次数越多,它们走得越远。相反,胞质核的直径越大,在给定长度内的电阻就越低,因为任何截面上的电荷载流子数量都随着核的直径而增加。 为了表示沿树状芯长度的电阻的递增增加,枝晶可以被划分为单位长度,每个单元都是具有其自身可测量膜电阻和电容的电路,以及胞质核心内的轴向电阻。由于其体积大,细胞外液的阻力可以忽略不计。该简化模型的等效电路如图8-4所示。

fig 8-4 神经元过程可以用等效电路来表示。
该过程分为单位长度。每一个单位长度的过程是一个电路,有自己的膜电阻(rm)和电容(cm)。所有的电路都由电阻(RA)连接,它代表细胞质的轴向阻力和代表细胞外液的短路。

如果电流在某一点注入到枝晶中,膜电位将如何随沿枝晶的距离而变化?为简单起见,考虑恒幅电流脉冲开启一段时间后膜电位随距离的变化(t>>>τ)。在这些条件下,膜电位将达到一个稳定值,因此电容电流将为零。当Ic=0时,所有膜电流均为离子电流(Im=Ii)。因此,电位与距离的变化仅仅取决于膜电阻的相对值、ωcm的单位(Rm)和单位长度枝晶的轴向电阻Ra(ω/cm单位)。

fig 8-5 由于电子传导,被动神经元过程中的电压响应随距离衰减。
由微电极注入神经元过程的电流遵循对细胞外液(a)中的返回电极最小电阻的路径。箭头的厚度表示过程中任意点的膜电流密度。在这些条件下,Vm的变化随距离电流注入点(B)的距离呈指数衰减。δVm在电流注入点衰减到其值的37%的距离定义了长度常数λ。

注入电流沿着过程的长度通过几个平行的通道流过连续的膜柱(图8-5)。这些电流路径中的每一个由串联的两个电阻元件构成:单元膜柱的总轴向阻力、Rx和膜电阻Rm。对于每个流出路径,总轴向阻力是在电流注入部位和流出路径的位置之间的电阻。由于串联电阻被添加,rx=rax,其中x是从电流注入点沿枝晶的距离。膜阻力rm在细胞过程中的每个流出途径上都有相同的值。

更多的电流流过注射部位附近的膜筒而不是在较远的区域,因为电流总是倾向于跟随最小阻力的路径,并且总轴向阻力Rx随着距注射部位的距离而增加(图8至5)。由于Vm=Imrm,电流在x,δVm(x)位置通过膜柱所产生的膜电位变化随着枝晶离电极的距离的减小而变小。这种衰减与距离呈指数关系(图8-5),用

式中,λ是膜长度常数,x是距电流注入点的距离,δV0是电流在注入点产生的膜电位变化(x=0)。长度常数λ定义为沿枝晶到δVm衰减到1/e或其初始值37%的位置的距离(图8-5),其确定如下:

膜的绝缘性越好(即rm越大),内芯的导电性能越好(ra越低),枝晶的长度常数越大。也就是说,电流能够在漏过薄膜之前沿着枝晶的内部导电核心传播得更远。

要考虑神经元几何结构如何影响信号传导,首先考虑一个过程的直径如何影响rm和ra将是有帮助的。rm和ra都是电阻的测量方法,适用于具有一定半径α的单个神经元过程的1cm段。神经元过程的轴向电阻取决于细胞质的固有电阻特性,以1立方厘米的细胞质立方体(以ωcm为单位)的比电阻R表示,该过程的横截面积决定了单位长度的总体积和电荷载流子的数量。因此,ra由

ra的单位是ω/cm。由于单位长度膜中的通道总数与通道密度(单位面积的通道数)和膜面积成正比,因此过程的直径也会影响rm。由于rm与膜单位长度上的通道总数成反比,而圆筒单位长度上的面积取决于周长,因此rm由

式中,Rm是膜单位面积的比电阻(单位为ωcm~2),Rm的单位为ωcm。

神经元突起的直径变化很大,从乌贼巨大轴突的1毫米到哺乳动物大脑细小树突分支的1微米不等。直径的这些变化控制了神经元信号传导的效率,因为直径决定了长度常数。对于具有相似内在特性(即Rm和ρ值相似)的过程,过程的直径(树突或轴突)越大,长度常数越长,因为Rm/ra与半径直接相关(方程式8-4和8-5)。因此,长度常数用内在(尺寸不变)性质Rm和ρ表示如下:

也就是说,长度常数与过程半径(或直径)的平方根成正比。因此,较厚的轴突和树突比较窄的轴突和树突具有更长的长度常数,因此将在更长的距离内传输电信号。神经元长度常数的典型值范围为0.1至1.0 mm。

长度常数是测量电压变化沿神经元或电传导的被动传播效率的指标。电传导效率对神经元功能有两个重要影响。首先,它影响空间总和,即神经元不同区域产生的突触电位在触发区(即神经元的决策部分)叠加在一起的过程(见第12章)。

其次,电传导是动作电位传播的一个因素。一旦轴突上任何一点的膜去极化超过阈值,该区域就会产生一个动作电位,以响应电压门控Na+通道的打开(见第9章)。这种局部去极化沿着轴突电性扩散,导致膜的邻近区域达到产生动作电位的阈值(图8-6)。因此,由于轴突膜的活性区和非活性区之间的电位差,去极化通过“局部回路”电流沿轴突长度传播。在具有较长长度常数的电池中,本地电路电流具有更大的扩展,因此动作电位传播更快。

fig 8-6 轴突去极化的被动传导有助于动作电位的传播。
A.动作电位从右向左传播的波形。沿轴突长度的电位差产生一个局部电路电流流,使去极化从激活区(2)被动地扩散到动作电位(1)前面的非激活区,以及动作电位(3)后面的区域。然而,由于动作电位后gK也有增加(见第9章),3区膜内侧正电荷的积累被K+的局部流出所平衡,从而使该区膜复极。
B.不久之后,电压波形和电流分布沿轴突下移,这一过程被重复。

大轴突比小轴突更容易受到细胞外电流的刺激

在神经病人检查周围神经疾病时神经通常是通过放置在神经上的一对细胞外电极之间的电流来刺激的,由第二对电压记录电极沿神经进一步记录所产生的动作电位(复合动作电位)的总体。在这种情况下,产生动作电位的轴突总数随电流脉冲的幅度而变化。为了使细胞达到阈值,电流必须通过细胞膜。在正极附近,电流通过膜流入轴突。然后它沿着轴浆核心流动,最终通过轴突膜的较远区域流向胞外液中的第二个(负)电极。对于任何给定的轴突,大部分的刺激电流绕过纤维,而通过其他轴突或通过细胞外液提供的低阻力途径。电流最容易进入的轴突是最易兴奋的。一般来说,直径最大的轴突细胞外电流阈值最低。轴突直径越大,纵向电流的轴向阻力越低,因为轴突每单位长度的胞内电荷载流子(离子)的数目越多。因此,总电流的很大一部分进入较大的轴突,因此它比较小的轴突更有效地去极化。由于这些原因,较大的轴突在低电流值下被招募;较小直径的轴突只在相对较大的电流强度下被招募。

被动膜性质和轴突直径对动作电位传播速度的影响

fig 8-7 轴向阻力和膜电容限制了动作电位下去极化的传播速率。
A.电等效电路表示轴突静止膜的两个相邻段,由一段轴突浆(ra)连接。
B.动作电位从左侧膜段向右侧膜段扩散。紫色线表示电流的路径。

动作电位传导过程中去极化的被动扩散不是瞬间的。实际上,在动作电位的传播中,电传导是一个速率限制因素。我们可以通过考虑由一段轴浆连接的两个相邻膜段的简化等效电路来理解这一局限性(图8-7)。如上所述,在膜的一段中产生的动作电位向相邻的膜提供去极化电流,使其逐渐向阈值去极化。根据欧姆定律,轴浆电阻越大,电流在回路中的流动越小(I=V/R),改变相邻节段膜上的电荷所需的时间越长。

回想一下,由于δV=δQ/C,如果电流很小,膜电位变化很慢,因为δQ变化很慢。同样,膜电容越大,膜上沉积的电荷就越多,从而改变膜上的电位,因此电流必须流动更长的时间才能产生给定的去极化。因此,去极化沿轴突传播所需的时间由轴向电阻、RA和单位长度的轴突CM的电容(单位f/cm)决定。被动传播速率与racm乘积成反比。如果这个乘积减小,被动传播的速率增加,动作电位传播的速度加快。

动作电位的快速传播在功能上很重要,并且已经进化出两种不同的机制来增加动作电位。一种适应性策略是通过增加轴突核的直径来增加传导速度。由于ra与轴突直径的平方成正比,而cm与轴突直径成正比,因此直径增加的净效应是racm的减少。这种适应在鱿鱼的巨大轴突中达到了极致,轴突的直径可以达到1毫米。没有更大的轴突进化,大概是因为相反的需要保持神经元的尺寸小,以便许多细胞可以被塞进一个有限的空间。

提高传导速度的第二个机制是轴突髓鞘化,即神经胶质细胞膜包裹轴突(见第4章)。这个过程在功能上相当于轴突膜厚度增加100倍。由于平行板电容器(如膜)的电容与绝缘材料的厚度成反比,髓鞘形成减少cm,从而减少racm。髓鞘形成导致racm的减少比轴突核直径的增加要大得多。因此,有髓轴突的传导速度通常比相同直径的无髓轴突快。

fig 8-8 有髓神经的动作电位在Ranvier结节处再生。
A.在轴突中,Ranvier节点处的电容性和离子膜电流密度(膜单位面积的膜电流)远高于节间。沿轴突任何一点的膜电流密度由箭头的厚度表示。由于轴突膜在无髓鞘的节点上具有较高的电容,当轴突膜接近每个节点时,其动作电位减慢,因此在节点间迅速跳跃。
B.在轴突失去髓鞘的区域,动作电位的传播减慢或受阻。局部电路电流必须对较大的膜电容充电,并且由于rm较低,它们不会沿着轴突很好地扩散。

在有髓鞘轴突的神经元中,动作电位是在轴突丘的膜的非髓鞘部分触发的。然后,通过膜的这一区域的内向电流就可以释放前面有髓鞘轴突的电容。尽管髓鞘的厚度使轴突的电容很小,但从触发区沿轴突核心向下流动的电流量不足以使电容沿有髓鞘轴突的整个长度放电。

为了防止动作电位消失,髓鞘每隔1-2毫米就被约2微米长的轴突膜(Ranvier的节点)所阻断(见第4章)。尽管每个节点处的膜面积很小,但节点膜富含电压门控的Na+通道,因此可以产生强烈的内向去极化Na+电流,以响应去极化沿轴突的被动扩散。这些规则分布的节点因此周期性地提高动作电位的幅度,防止动作电位消失。

由于髓鞘的低电容,动作电位沿节间迅速扩散,当它穿过每个裸露节点的高电容区域时,动作电位减慢。因此,当动作电位沿轴突向下移动时,它从一个节点迅速跳到另一个节点(图8-8A)。因此,有髓轴突的动作电位据说是通过跳跃传导(从拉丁语的saltare,跳跃)来移动的。由于离子膜电流只在有髓纤维的节点处流动,从代谢的角度来看,跳跃传导也是有利的。Na+-K+泵在恢复Na+和K+浓度梯度时必须消耗较少的能量,这两种浓度梯度往往由于动作电位活动而降低。

神经系统的各种疾病,如多发性硬化和格林-巴利综合征,会导致脱髓鞘(见方框4-1)。由于缺乏髓鞘会减缓动作电位的传导,这些疾病会对行为产生毁灭性的影响(第35章)。当一个动作电位从有髓鞘的区域转移到一个裸露的轴突时,它会遇到一个相对高cm和低rm的区域。在脱髓鞘节段之前的节点处产生的内向电流可能太小,无法提供使脱髓鞘膜去极化至阈值所需的电容电流。此外,这种局部电路电流不会像正常情况下那样扩散,因为它流入轴突的一段,因为它的rm很低,具有短的长度常数(图8-8B)。这两个因素可以联合起来减缓,在某些情况下,实际上可以阻断动作电位的传导。

两个相互竞争的需求决定了神经元的功能设计。首先,为了最大限度地提高神经系统的计算能力,神经元必须是小的,使得大量的神经元能够适应大脑和脊髓。第二,为了最大限度地提高动物对环境变化的反应能力,神经元必须快速地传导信号。这两个设计目标受到制造神经元的材料的限制。

因为神经细胞膜很薄,被导电介质包围,所以它有很高的电容,这会减慢电压信号的传导速度。此外,改变膜电容电荷的电流必须流过一个相对较差的导体——一个很薄的细胞质柱。产生静息电位的离子通道也会降低神经元的信号功能。它们使电池泄漏,加上高膜电容,它们限制了信号被动传播的距离。

正如我们将在下一章中看到的,神经元在产生全部或无动作电位时,使用电压门控通道来补偿这些物理限制,这些动作电位是在不衰减的情况下不断再生和传导的。对于快速信号传导特别重要的通路,动作电位的传导速度要么通过髓鞘形成,要么通过轴突直径的增加,要么两者兼而有之。

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人类从达尔文进化论讲是必然的,从小行星撞地球说是偶然的,可以不用意外,这是偶然中的必然!




我把地球比作一个母亲你说人类是什么,你说地球喜欢人类吗?如果回答了这个提问也就知道人类存在是不是意外了。因为只有地球知道是不是意外。




人类的产生是必然的,意识的产生带点意外。




人类的存在是意外吗?呵呵

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