神经细胞的活动变化及机制

三、神经细胞的活动变化及机制

在体情况下不同性质的神经细胞在活动过程中，表现出兴奋和抑制两种功能状态。神经细胞离体后，其新陈代谢可在人工内环境中保持一段时间。在安静和受到刺激而兴奋时，可表现出两种不同的电活动。

（一）在体神经细胞的活动变化及机制

在体神经细胞的活动是由感受器受到刺激或由上一神经细胞的活动所引起。由于上一神经细胞释放递质的性质不同，在后一神经细胞产生的电变化存在质的差异。

在体神经细胞间的活动以及细胞间信息的加工处理，主要是通过兴奋和抑制以及二者的相互作用来实现。兴奋和抑制主要是在兴奋性突触后电位（excitatory postsynaptic potential）和抑制性突触后电位（inhibitory postsynaptic potential）的基础上产生的。

兴奋性突触后电位和抑制性突触后电位的产生机制如下。

突触前膜释放兴奋性递质，递质经突触间隙扩散→同突触后膜上的特异性受体结合→后膜对Na＋、K＋、Cl－通透性改变，Na＋内流为主→后膜去极化，产生兴奋性突触后电位，通过时间和空间总和，使膜去极达阈电位水平→在突触后神经细胞的轴丘始段产生动作电位（动作电位的产生机制见下述），冲动向远端传导，引起相应的神经或效应器官活动的变化。

突触前膜释放抑制性递质→同突触后膜上的特异性受体结合→后膜对Cl－、K＋通透透性改变，Cl－内流为主→后膜超极化，产生抑制性突触后电位，该电位亦可发生时间和空间的总和，但总和后使膜电位同阈电位的距离更加增大→导致突触后神经细胞的兴奋性更加降低，即抑制的程度增大。

（二）在体和离体细胞在安静和兴奋时的电变化及机制

对单个细胞而言，在不考虑其他因素影响的前提下，在体和离体的神经细胞处于安静和受刺激而发生兴奋时，产生的电变化及机制是相同的。

1．静息电位的概念和形成机制　安静状态下存在于神经细胞膜内外的电位差称为静息电位（resting potential）。其形成机制如下。

（1）细胞膜内外离子分布不均：正常情况下，由于细胞的代谢和Na＋－K＋泵的活动，使膜内外的带电离子，尤其是Na＋、K＋、Cl－离子分布不均。在膜内外的比例大约为：Na＋1∶13；K＋30∶1；Cl－1∶30；带负电的大分子蛋白质47∶1。

（2）细胞膜对K＋选择性通透：安静时，细胞膜上K＋通道处于开放状态，对K＋的通透性大，对其他离子的通透性极低。K＋顺浓度差由内向外流，而细胞内带负电的大分子蛋白质却不能相伴透出，使得膜内电位变负、膜外变正，这种状态称为极化（polarization）。此时，存在于膜两侧的电位差（电场力）阻碍K＋继续外流，但膜内外的K＋浓度差（化学力）则促使其外流。两种力的代数和称为电化学驱动力（electrochemical driving force）。电化学驱动力伴随K＋外流而发展并相互对抗。最后，在膜两侧的浓度差和电位差达到一个平衡点，即二者大小相等而方向相反，不再有K＋的净外流。通常情况下，神经细胞膜两侧的电位差稳定在－70mV左右，此电位差称为K＋的平衡电位（K＋equilibrium potential）。可见，静息电位主要由K＋外流引起。

（3）生电性Na＋泵和其他离子的作用：生电性Na＋泵的作用也参与了静息电位的形成和维持（本文后述）。安静时，细胞膜对Na＋的通透性为K＋的1／100～1／50，少量的Na＋内流对静息电位产生的影响很小；此时对Cl－也有一定的通透性，但由于K＋外流造成的膜内负电位阻碍和抵消了膜外的Cl－内流，故Cl－内流可忽略不计。

K＋通道可被四乙铵（tetraethylammonium）阻断，在通道阻断后，静息电位显著减小。细胞外液K＋浓度降低，外流的K＋浓度差增大，K＋外流增加，可使静息电位的负值增大，膜电位呈超极化（hyperpolarization）变化（图4－2）；反之，细胞外液K＋浓度升高，K＋外流的浓度差减小，K＋外流减少，静息电位的负值减小，膜电位呈去极变化。此外，在细胞缺血、缺O2或H＋增多（酸中毒）时，可导致细胞代谢障碍，影响细胞向Na＋泵提供能量，Na＋泵的正常运转是维持静息电位的重要因素。如果Na＋泵功能受到抑制，甚至停止活动，K＋不能泵回细胞内，细胞外液的K＋浓度增加，细胞内外K＋的浓度差逐渐减小，K＋外流减少，亦会导致静息电位的负值减小。

2．动作电位及形成机制　在体情况下，在上一神经细胞冲动的作用下或感受器受到适宜的刺激后，都可使相应的神经细胞受到刺激而产生动作电位（action potential）。离体状态下的神经细胞，在受到阈刺激或阈上刺激时，在静息电位的基础上，膜电位发生一次急剧的反转并迅速复原，该电位变化称为动作电位，包括膜的去极和复极（repolarization）过程。

（1）形成动作电位的条件：产生动作电位的条件是在静息电位的基础上，给予神经细胞一次阈刺激或阈上刺激。(https://www.daowen.com)

（2）去极和反极化电位的形成：当神经细胞受到刺激后，细胞膜对K＋通透性降低而开始对Na＋通透，细胞外的Na＋顺浓度差和静息时膜内外的电位差内流；Na＋内流使膜去极的同时，通过正反馈机制促进膜上更多的Na＋通道开放，更多的Na＋内流使膜电位上升到引起膜上Na＋通道全面开放的水平，该电位水平称为阈电位（threshold potential）。神经细胞的阈电位一般为－55mV。一旦到达阈电位，膜对Na＋的通透性突然增大，暴发性的Na＋内流导致细胞内电位急剧上升，膜电位经历了去极化和反极化的变化：膜电位迅速减小到零电位，使安静时膜外电位为正膜内为负的极化状态消除，称为去极化；此时驱动Na＋内流的电场力消失，仅由膜外的高Na＋浓度促使Na＋进一步内流，膜内电位可达20～30mV，形成极化倒转，这一过程为反极化。动作电位的上升支由去极和反极化构成。上升支中零以上的电位值为超射（overshoot）。一旦膜电位为正，膜内外的电场力和化学力相对抗，当膜内正电位足以对抗浓度差所致的Na＋内流时，Na＋内流停止，膜两侧电位达到新的平衡。故动作电位的超射值相当于Na＋的平衡电位（Na＋equilibrium potential）。

用河鲀毒素（tetrodotoxin）阻断Na＋通道后，动作电位将不能产生；用普鲁卡因处理后，细胞膜对Na＋的通透性降低，膜的去极受阻，不能产生动作电位，故该制剂具有局部麻醉的作用。细胞外液中的Na＋浓度降低，动作电位的振幅减小或超射不再出现，在此基础上逐渐增加细胞外液的Na＋浓度，动作电位的振幅亦逐渐增大。

（3）复极化的形成：伴随细胞膜对Na＋的通透性降低和Na＋内流停止，膜对K＋的通透性再次增大，K＋顺电位差和浓度差向外流，使膜内电位迅速回复到静息电位水平，形成动作电位的下降支。动作电位的上升支和快速复极的电位变化共同形成尖峰状的电位变化，称为峰电位（spike potential）。

在复极的过程中，膜电位经历了快速复极、后去极化（after depolarization）和后超极化（after hyperpolarization）的电位变化。由于复极开始时，膜内外的电位差和K＋的浓度差均有利于K＋的外流，故K＋大量外流使膜内电位迅速降低，导致快速复极；伴随K＋外流膜内电位降低，膜内外的电位差使K＋外流的速度减慢，膜内外电位变化的速率减慢，出现后去极化；随即Na＋泵活动和K＋外流共同作用以产生和维持静息电位，可能是Na＋泵（见下述）的过度活动，使膜电位经历了后超极化的电位变化。

在以上电位形成过程中，离子的越膜运动受到各离子的平衡电位的限制，每次进或出细胞的量是极微的。神经细胞每兴奋一次，进入膜内的Na＋量只能使膜内的Na＋浓度增加约八万分之一，K＋外流的量与此数相当。因此，即使连续兴奋多次，也不致明显地改变膜外高Na＋和膜内高K＋的状态。但是，Na＋泵对膜内Na＋浓度的增加和膜外K＋浓度的增加非常敏感。在每次兴奋后，Na＋泵在ATP供能的条件下，将进入的Na＋泵出，同时将外流的K＋泵入，出入的离子总数几乎相等，使膜两侧的离子浓度恢复正常。然而，在多数情况下，Na＋、K＋耦联转运为3∶2，即泵出3个Na＋和泵入2个K＋，使膜外正电荷增多，膜电位向后超极化方向发展，此时的Na＋泵称为生电性Na＋泵（electrogenic Na＋pump）。生电性Na＋泵产生的电位变化方向与K＋外流形成静息电位的方向一致，故参与了静息电位的形成和维持。如用代谢抑制剂二硝基酚减少ATP的生成或用毛花苷G抑制Na＋泵的活动，静息电位都将逐渐减小。

一旦刺激引起神经细胞产生兴奋，其兴奋性将发生一次规律性的变化，即经历绝对不应期、相对不应期、超常期和低常期。然后，兴奋性才恢复到正常。在绝对不应期（absolute refractory period），因兴奋性降低到零，任何强大的刺激都不能使细胞再次兴奋。绝对不应期持续时间的长短，决定了神经细胞在单位时间内能够产生动作电位的最多次数，如为2ms，则最多能产生500次动作电位／秒。在相对不应期（relative refractory period），因兴奋性有所恢复，阈上刺激可使细胞再次兴奋。在超常期的兴奋性稍微超过正常水平，稍低于阈值的刺激可使细胞再次兴奋。在低常期的兴奋性又低于正常水平。兴奋性变化的机制主要与Na＋通道的激活、失活和复活（由失活恢复到备用状态）有关（见心肌自律细胞和非自律细胞的电活动及生理特性）。

3．静息电位和动作电位的意义和相互转化

（1）静息电位的意义。静息电位的意义有：①同膜的兴奋性有关，因为兴奋性与静息电位和阈电位的差值有关，在一定范围内差值减小，兴奋性增高。②是一种能量贮存形式，由Na＋泵活动形成的膜两侧离子浓度差和静息时K＋外流形成的电位差，可视为一种势能贮备，作为在此基础上产生动作电位的能量来源。③维持冲动的不衰减传导，神经冲动由局部电流激发，但冲动的发生，来源于兴奋部位膜电位所贮备的能量。故只要神经细胞各部位的静息电位相等，产生的动作电位振幅就不会随传导距离增加而衰减。④维持细胞膜上的重要通道蛋白的正常结构和功能。

（2）动作电位的意义。动作电位的意义有：①作为快速而长距离传导的电信息，为体内的反射中枢提供整合的信息源或将中枢的信息向外周输送；②调节神经递质的释放；③导致神经所支配的效应器出现功能活动的变化；④是细胞兴奋的客观指标。

（3）静息电位和动作电位的相互转化。静息电位是细胞内K＋越膜运动和Na＋－K＋泵活动的结果，它是由细胞内外的物质运动所致膜功能状态变化的一种特殊表现形式，是对于膜内外的电位处于一稳定水平而言的，故是相对静止的和暂时的。静息电位为动作电位的发生奠定了基础和条件。外加适宜的刺激和膜对Na＋通透性增大是动作电位形成的条件。静息电位和动作电位是同一细胞的两种不同的功能状态，但又是相互联系和影响的。体内的神经细胞，正是通过静息电位和动作电位及其在一定条件下的转化，完成了膜对不同离子通透性的控制，实现了神经系统的信息传递和复杂的加工、整合过程，以及导致其他可兴奋细胞产生相应的功能活动变化。

（三）不同刺激强度所致神经细胞电活动的变化

离体状态下的实验研究中可观察到，当刺激的强度不同时，神经细胞的电活动变化存在质的差异。

1．阈下刺激引起的细胞电活动变化　阈下刺激作用于神经细胞后引起的膜反应包括两个阶段：①形成电紧张电位（electrotonic potential）。由于刺激电流很弱，在刺激电极的正极和负极处分别出现大小相等而方向相反的电位变化，正极下（内向刺激电流）呈超极化，负极下（外向刺激电流）呈去极电位变化，二者的变化通常小于7mV。这种电位变化称为电紧张电位。此时，膜仅作为一个具有膜电容和膜电阻的导体而起作用，所以，无论是去极化或超极化，其膜电位的变化与刺激电流的大小，都是呈等级性的，是线性的函数关系。②产生局部反应（local response）：由于刺激电流的强度已近于阈刺激，两电极处所发生的变化就不再相等。在负极下的膜进一步去极，膜电位去极范围处于大于7mV但小于15mV时（在此，把静息电位和阈电位分别定为－70mV和－55mV），膜外Na＋内流，引起的膜电位改变大于刺激电流的变化（非等级性）。而正极下则不同，膜的超极化程度始终与刺激电流的强度成正比。在负极处发生膜的去极比正极处发生的超极化大，这部分附加的特殊的电位变化称为局部反应，是可兴奋细胞的主动反应。

局部反应具有以下特征：①因去极化的幅度太小，尚未达到阈电位水平，故不是“全或无”式的，而是随刺激的强度成比例地增加；②只能在产生的部位向周围做短距离扩布，并随距离的加大而减弱直至消失；③没有不应期，所以具有总和效应。多个阈下刺激在同一部位连续给予（时间总和）或多个阈下刺激同时在相邻的部位给予（空间总和），就可使多个局部反应在时间和空间上总和起来，使膜的除极达到阈电位，从而引发动作电位。

2．阈刺激和阈上刺激引起的细胞活动变化　上已述及神经细胞受到阈刺激和阈上刺激时，膜在静息电位的基础上产生动作电位。动作电位一旦产生，其形态、振幅和时限就不再随刺激强度的增加而改变，即遵循“全或无”的定律；在同一直径和代谢水平的神经纤维的兴奋传导过程中，动作电位的振幅不会因传导距离的增加而减小，即呈不衰减性传导；刺激一旦引发神经细胞兴奋，其兴奋性就会经历绝对不应期、相对不应期、超常期和低常期的周期性变化，即具有不应期。

从上可见，刺激作为外因具有触发细胞产生电活动变化的作用，而细胞的兴奋性及其代谢水平以及Na＋、K＋的越膜运动等则是细胞电活动产生的内因。对于膜上Na＋通道而言，阈下刺激与阈上刺激的作用只存在量的差别而无质的不同，对于可扩布性兴奋而言，一次阈下刺激或阈上刺激由于刺激强度的量不同而存在质的差别，阈刺激和阈上刺激之间仅存在刺激强度的不同并无质的差别，这是神经细胞具有“全或无”的内在性质所决定的。在阈下刺激所引起的膜电位去极小于7mV时，此阶段是量变，是等级性的线性关系，当去极至膜电位大于7mV而小于15mV时，系由量变到质变的转变阶段，当阈下刺激的总和效应使除极等于或大于15mV时，则出现质的飞跃，产生可扩布性的动作电位。