腦與認知神經(jīng)的細胞與分子基礎學生

1、腦與認知神經(jīng)的細胞與分子基礎主講人 薛天,1/60,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,神經(jīng)系統(tǒng),細胞水平神經(jīng)元、膠質(zhì)細胞、樹突、軸突、突觸鏈接…,分子水平離子通道、神經(jīng)遞質(zhì)、受體…,,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,2/60,,,,,基礎功能動作電位、突觸傳遞,一、神經(jīng)元細胞基本結構神經(jīng)細胞（neurocyte），又稱神經(jīng)元（neuron），構成神經(jīng)系統(tǒng)結構和功能的基本單位神經(jīng)膠質(zhì)細胞（neuroglia），簡稱

2、膠質(zhì)細胞（glia），支持、保護和營養(yǎng)神經(jīng)元。1、神經(jīng)元的一般結構和功能 胞體突起 （軸突 + 樹突）,3/60,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,神經(jīng)元有不同的形態(tài)和大小,錐體神經(jīng)元浦肯野細胞交感節(jié)后神經(jīng)元脊髓運動神經(jīng)元背根神經(jīng)元,Willis WD & Grossman RG: Medical Neurobiology,4/60,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,Santiago Ramón

3、 y Cajal, 1906 Nobel Prize,與神經(jīng)元相關的名詞,生理學第十章第一節(jié) 神經(jīng)系統(tǒng)功能活動的基本原理,5/60,2、神經(jīng)纖維的功能和分類有髓纖維、無髓纖維功能：傳導興奮（AP+突觸后電位）傳導速度與以下因素有關直徑：V(m/s)=6×總直徑(um) (運動型的神經(jīng)纖維傳導速度 >100m/s；一些溫度覺纖維速度<1m/s)；有無髓鞘及其厚度溫度：一定范圍內(nèi)升高可加快傳導速度測定傳導

4、速度作用：診斷神經(jīng)纖維疾患，估計神經(jīng)損傷的預后。,外周無髓鞘軸突,有髓軸突，A：CNS，B：PNS,6/60,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,生理學第十章第一節(jié) 神經(jīng)系統(tǒng)功能活動的基本原理,7/60,8/60,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,9/60,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,膜電位、動作電位細胞離子調(diào)控部件： 離子通道、離子泵,二、神經(jīng)元細胞的基本生理功能,10/60,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,膜

5、電位、動作電位膜電位的形成,11/60,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,膜電位、動作電位膜電位的形成,,Nernst equation:,Ek -85mV; ENa +50mV,Goldman equation:,12/60,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,膜電位、動作電位動作電位 （action potential) 所有神經(jīng)活動的基礎 和 神經(jīng)編碼的最基本量子單元。,13/60,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的

6、細胞與分子基礎,膜電位、動作電位動作電位形成分子基礎---離子通道的電激活和失活特征,Open--Close,inactivation,14/60,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,膜電位、動作電位動作電位 （action potential),Nernst equation:,Ek -85mV; ENa +50mV,15/60,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,膜電位、動作電位動作電位產(chǎn)生與：膜對于不同離子在不

7、同時程上通透性的變化,如果某一種離子的通透性遠遠大于其它離子，Goldman方程等同于Nernst 方程 。在靜息電位，幾種離子的通透能力 ：PK：PNa：PCl＝1.0 : 0.04 : 0.45在動作電位峰值，幾種離子的通透能力：PK：PNa：PCl＝1.0 : 20 : 0.45,16/60,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,膜電位、動作電位興趣閱讀： The Hodgkin-Huxley Model,17/

8、60,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,膜電位、動作電位為什么注射死刑時用KCl，高鉀離子是如何致死的？,Nernst equation:,Ek -85mV; ENa +50mV,18/60,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,突觸：信息從一個神經(jīng)元傳遞到另一個神經(jīng)元的特殊的接觸位點。,突觸傳遞,二、神經(jīng)元細胞的基本生理功能,突觸傳遞（一）幾類重要的突觸傳遞根據(jù)傳遞媒介物的性質(zhì)可分為化學突觸（chemical sy

9、napse）電突觸（electrical synapse）,19/60,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,1、經(jīng)典的化學突觸傳遞（1）突觸的微細結構突觸前膜突觸間隙突觸后膜,20/60,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,（2）突觸的分類軸突-樹突式；最多見軸突-胞體式軸突-軸突式；突觸前抑制和突觸前易化的重要結構基礎。,21/60,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,（3）突觸傳遞的過程：電－化學－電動作電位

10、傳遞到突觸前膜，導致神經(jīng)遞質(zhì)從前膜釋放；神經(jīng)遞質(zhì)與突觸后膜受體結合；遞質(zhì)與受體結合后，使突觸后膜電位發(fā)生變化；,22/60,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,突觸傳遞的具體過程： 突觸前膜遞質(zhì)釋放的觸發(fā)因素：突觸前膜去極化 → 電壓依賴的Ca2+通道開放 → Ca2+進入，內(nèi)鈣升高 → 觸發(fā)遞質(zhì)釋放。遞質(zhì)釋放過程：小泡與突觸前膜的結合 → 量子式釋放（exocytosis）突觸后膜完成突觸傳遞過程：釋放的神經(jīng)遞質(zhì)與突

11、觸后膜上的受體相互作用，引起突觸后膜對某些離子的通透性發(fā)生變化，使某些離子進出后膜，產(chǎn)生去極化或者超極化，形成突觸后電位（postsynaptic potential）。,23/60,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,（4）突觸后電位（postsynaptic potential）,根據(jù)去極化和超極化方向,興奮性突觸后電位,抑制性突觸后電位,根據(jù)發(fā)生快慢和持續(xù)短長,快突觸后電位,慢突觸后電位,,,24/60,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細

12、胞與分子基礎,1）興奮性突觸后電位（excitatory postsynaptic potential，EPSP）2）抑制性突觸后電位（inhibitory postsynaptic potential，IPSP）,25/60,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,（5）突觸后神經(jīng)元的興奮與抑制突觸后神經(jīng)元胞體將傳入的所有突觸后電位進行總和，決定細胞產(chǎn)生抑制或者興奮，如超過一定閾值則產(chǎn)生動作電位。動作電位產(chǎn)生于軸突始段或第一個

13、郎飛結。因為電壓門控鈉通道在此處質(zhì)膜上的密度較大，在胞體和樹突膜上則很少。AP一旦爆發(fā)向軸突末梢或者胞體傳播。,26/60,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,（6）突觸的可塑性（plasticity） 概念：突觸的形態(tài)和功能可發(fā)生較為持久的改變 普遍存在于CNS，與學習和記憶有關。長時程增強和長時程抑制長時程增強（long-term potentiation，LTP）概念：突觸前神經(jīng)元在短時間內(nèi)

14、受到快速重復的刺激后，在突觸后神經(jīng)元快速形成的持續(xù)時間較長的EPSP增強，表現(xiàn)為潛伏期縮短、幅度增高、斜率加大。長時程抑制（long-term depression，LTD）概念：突觸前神經(jīng)元在較長時間內(nèi)接受低頻刺激，突觸傳遞效率出現(xiàn)長時程降低。,27/60,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,左圖：海馬CA1突觸NMDAR依賴的LTP和LTD。（a）左：高頻強直刺激（100Hz，1s，黑色箭頭指示）引起LTP。右：低頻刺激（5H

15、z，3min，兩次，間隔3min，空心箭頭指示）引起LTD。（b）嚙齒類海馬切片，示CA1，CA3，齒狀回（DG）。 SC=Schaffer collateral; MF=mossy fiber。Stim指刺激電極， Rec指記錄電極。(c) 興奮性突觸傳遞模型。右圖：LTP和LTD過程中AMPAR轉運模型。,Neuropsychopharmacology (2008) 33, 18–41,28/60,神

16、經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,2、電突觸傳遞結構基礎：縫隙連接(gap junction)前后膜間隔較??；小離子或者小分子通過；雙向傳遞；傳遞速度快，無潛伏期，同步性較好廣泛存在于CNS和視網(wǎng)膜中,29/60,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,（二）神經(jīng)遞質(zhì)和受體1、神經(jīng)遞質(zhì)（neurotransmitter）概念：由神經(jīng)元合成，突觸前末梢釋放，能特異性作用于突觸后膜受體，并產(chǎn)生突觸后電位的信息傳遞物質(zhì)。,30

17、/60,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,2、受體概念：細胞膜上或細胞內(nèi)能與某些化學物質(zhì)特異性結合并誘發(fā)特定生物效應的特殊生物分子。激動劑（agonist）：能與受體結合并能產(chǎn)生特定效應拮抗劑（antagonist）或阻斷劑（blocker）：能與受體結合，但不產(chǎn)生效應，反因占據(jù)受體二產(chǎn)生對抗激動劑效應配體（ligand）：激動劑和拮抗劑；一般指激動劑,http://www.uic.edu,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基

18、礎,31/60,（2）突觸前受體（presynaptic receptor）位于突觸前膜的受體，又稱自身受體（autoreceptor）負反饋控制：NE釋放后作用于突觸前α2受體，抑制進一步釋放（3）受體的作用機制根據(jù)跨膜信號轉導的途徑，受體大致分為：G蛋白耦聯(lián)受體（多數(shù)）離子通道型受體,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,32/60,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,33/60,與電壓門控離子通道不同的是，配體門控離

19、子通道一般沒有（陽）離子選擇性。,遞質(zhì)(配體) 門控離子通道——快速突觸傳遞,乙酰膽堿受體通道開放：Na、K 通透谷氨酸受體通道：AMPA受體： Na、K通透NMDA受體：Na、K、Ca通透甘氨酸和GABA受體通道開放：Cl通透,2、受體分類：,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,34/60,2、受體分類：,(2) G蛋白耦聯(lián)受體——慢速突觸傳遞 緩慢、持久、多樣性，可以是興奮性或者是抑制性的。 神經(jīng)遞質(zhì)與受體相互

20、結合； 受體激活G-蛋白，后者可以在后膜內(nèi)側自由移動； G-蛋白激活效應器引發(fā)突觸后膜反應。效應器就是G蛋白門控離子通道或酶。酶催化合成第二信使，進一步調(diào)節(jié)細胞功能。,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,35/60,神經(jīng)纖維的軸漿運輸軸漿運輸?shù)男问巾樝蜉S漿運輸：胞體 → 軸突末梢快速軸漿運輸：~400mm/d慢速軸漿運輸：1~12mm/d工具：驅動蛋白（kinesin）逆向軸漿運輸：軸突末梢 → 胞體屬于快速軸漿運輸

21、，~205mm/d神經(jīng)營養(yǎng)因子、狂犬病病毒、破傷風毒素、辣根過氧化物酶（HRP）等工具：動力蛋白（dynein）,36/60,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,神經(jīng)營養(yǎng)因子（neurotrophin，NT）來源：支配的組織和星形膠質(zhì)細胞分類： NT-3、NT-4/5 、 NGF（神經(jīng)生長因子）、BDNF（腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子）等。作用方式： 經(jīng)由受體介導進入神經(jīng)元末梢受體：TrkA（NGF）、TrkB（BDNF、NT-4/

22、5）、TrkC（NT-3)；p75NTR,DOI: 10.5772/50420,37/60,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,（二）神經(jīng)膠質(zhì)細胞人類CNS內(nèi)約1011個神經(jīng)元，（1~5）╳1012個膠質(zhì)細胞，后者是前者的10~50倍。CNS膠質(zhì)細胞星形膠質(zhì)細胞（astrocyte）少突膠質(zhì)細胞（oligodendrocyte）小膠質(zhì)細胞（microglia）PNS膠質(zhì)細胞：施旺細胞（Schwann cell）衛(wèi)星細胞

23、（satellite cell）,38/60,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,1、神經(jīng)膠質(zhì)細胞的特征有突起，無樹突和軸突之分；細胞之間不形成化學性突觸，但普遍存在縫隙連接；膜電位隨胞外K+濃度改變而改變，但不能產(chǎn)生動作電位；星形膠質(zhì)細胞膜上有多種神經(jīng)遞質(zhì)的受體；終身具有分裂增殖能力。,39/60,神經(jīng)與認知---神經(jīng)的細胞與分子基礎,2、膠質(zhì)細胞的功能支持和引導神經(jīng)元遷移修復和再生作用免疫應答作用形成髓鞘和屏障的