腦與認(rèn)知神經(jīng)的細(xì)胞與分子基礎(chǔ)學(xué)生

1、腦與認(rèn)知神經(jīng)的細(xì)胞與分子基礎(chǔ)主講人 薛天,1/60,神經(jīng)與認(rèn)知---神經(jīng)的細(xì)胞與分子基礎(chǔ),神經(jīng)系統(tǒng),細(xì)胞水平神經(jīng)元、膠質(zhì)細(xì)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(rèn)知---神經(jīng)的細(xì)胞與分子基礎(chǔ),2/60,,,,,基礎(chǔ)功能動(dòng)作電位、突觸傳遞,一、神經(jīng)元細(xì)胞基本結(jié)構(gòu)神經(jīng)細(xì)胞（neurocyte），又稱神經(jīng)元（neuron），構(gòu)成神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的基本單位神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞（neuroglia），簡(jiǎn)稱

2、膠質(zhì)細(xì)胞（glia），支持、保護(hù)和營(yíng)養(yǎng)神經(jīng)元。1、神經(jīng)元的一般結(jié)構(gòu)和功能 胞體突起 （軸突 + 樹突）,3/60,神經(jīng)與認(rèn)知---神經(jīng)的細(xì)胞與分子基礎(chǔ),神經(jīng)元有不同的形態(tài)和大小,錐體神經(jīng)元浦肯野細(xì)胞交感節(jié)后神經(jīng)元脊髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元背根神經(jīng)元,Willis WD & Grossman RG: Medical Neurobiology,4/60,神經(jīng)與認(rèn)知---神經(jīng)的細(xì)胞與分子基礎(chǔ),Santiago Ramón

3、 y Cajal, 1906 Nobel Prize,與神經(jīng)元相關(guān)的名詞,生理學(xué)第十章第一節(jié) 神經(jīng)系統(tǒng)功能活動(dòng)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(dǎo)興奮（AP+突觸后電位）傳導(dǎo)速度與以下因素有關(guān)直徑：V(m/s)=6×總直徑(um) (運(yùn)動(dòng)型的神經(jīng)纖維傳導(dǎo)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(dǎo)速度測(cè)定傳導(dǎo)

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

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

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

7、同時(shí)程上通透性的變化,如果某一種離子的通透性遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dòng)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(rèn)知---神經(jīng)的細(xì)胞與分子基礎(chǔ),膜電位、動(dòng)作電位興趣閱讀： The Hodgkin-Huxley Model,17/

8、60,神經(jīng)與認(rèn)知---神經(jīng)的細(xì)胞與分子基礎(chǔ),膜電位、動(dòng)作電位為什么注射死刑時(shí)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(rèn)知---神經(jīng)的細(xì)胞與分子基礎(chǔ),突觸：信息從一個(gè)神經(jīng)元傳遞到另一個(gè)神經(jīng)元的特殊的接觸位點(diǎn)。,突觸傳遞,二、神經(jīng)元細(xì)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(xué)突觸（chemical sy

9、napse）電突觸（electrical synapse）,19/60,神經(jīng)與認(rèn)知---神經(jīng)的細(xì)胞與分子基礎(chǔ),1、經(jīng)典的化學(xué)突觸傳遞（1）突觸的微細(xì)結(jié)構(gòu)突觸前膜突觸間隙突觸后膜,20/60,神經(jīng)與認(rèn)知---神經(jīng)的細(xì)胞與分子基礎(chǔ),（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(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。,21/60,神經(jīng)與認(rèn)知---神經(jīng)的細(xì)胞與分子基礎(chǔ),（3）突觸傳遞的過程：電－化學(xué)－電動(dòng)作電位

10、傳遞到突觸前膜，導(dǎo)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(jié)合；遞質(zhì)與受體結(jié)合后，使突觸后膜電位發(fā)生變化；,22/60,神經(jīng)與認(rèn)知---神經(jīng)的細(xì)胞與分子基礎(chǔ),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(jìn)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(jié)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(duì)某些離子的通透性發(fā)生變化，使某些離子進(jìn)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(rèn)知---神經(jīng)的細(xì)胞與分子基礎(chǔ),（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(zhǎng),快突觸后電位,慢突觸后電位,,,24/60,神經(jīng)與認(rèn)知---神經(jīng)的細(xì)

12、胞與分子基礎(chǔ),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(rèn)知---神經(jīng)的細(xì)胞與分子基礎(chǔ),（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(jìn)行總和，決定細(xì)胞產(chǎn)生抑制或者興奮，如超過一定閾值則產(chǎn)生動(dòng)作電位。動(dòng)作電位產(chǎn)生于軸突始段或第一個(gè)

13、郎飛結(jié)。因?yàn)殡妷洪T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(rèn)知---神經(jīng)的細(xì)胞與分子基礎(chǔ),（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(xué)習(xí)和記憶有關(guān)。長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)和長(zhǎng)時(shí)程抑制長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)（long-term potentiation，LTP）概念：突觸前神經(jīng)元在短時(shí)間內(nèi)

14、受到快速重復(fù)的刺激后，在突觸后神經(jīng)元快速形成的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的EPSP增強(qiáng)，表現(xiàn)為潛伏期縮短、幅度增高、斜率加大。長(zhǎng)時(shí)程抑制（long-term depression，LTD）概念：突觸前神經(jīng)元在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)接受低頻刺激，突觸傳遞效率出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)程降低。,27/60,神經(jīng)與認(rèn)知---神經(jīng)的細(xì)胞與分子基礎(chǔ),左圖：海馬CA1突觸NMDAR依賴的LTP和LTD。（a）左：高頻強(qiáng)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(zhuǎn)運(yùn)模型。,Neuropsychopharmacology (2008) 33, 18–41,28/60,神

16、經(jīng)與認(rèn)知---神經(jīng)的細(xì)胞與分子基礎(chǔ),2、電突觸傳遞結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)：縫隙連接(gap junction)前后膜間隔較?。恍‰x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(rèn)知---神經(jīng)的細(xì)胞與分子基礎(chǔ),（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(rèn)知---神經(jīng)的細(xì)胞與分子基礎(chǔ),2、受體概念：細(xì)胞膜上或細(xì)胞內(nèi)能與某些化學(xué)物質(zhì)特異性結(jié)合并誘發(fā)特定生物效應(yīng)的特殊生物分子。激動(dòng)劑（agonist）：能與受體結(jié)合并能產(chǎn)生特定效應(yīng)拮抗劑（antagonist）或阻斷劑（blocker）：能與受體結(jié)合，但不產(chǎn)生效應(yīng)，反因占據(jù)受體二產(chǎn)生對(duì)抗激動(dòng)劑效應(yīng)配體（ligand）：激動(dòng)劑和拮抗劑；一般指激動(dòng)劑,http://www.uic.edu,神經(jīng)與認(rèn)知---神經(jīng)的細(xì)胞與分子基

18、礎(chǔ),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(fù)反饋控制：NE釋放后作用于突觸前α2受體，抑制進(jìn)一步釋放（3）受體的作用機(jī)制根據(jù)跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)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(rèn)知---神經(jīng)的細(xì)胞與分子基礎(chǔ),32/60,神經(jīng)與認(rèn)知---神經(jīng)的細(xì)胞與分子基礎(chǔ),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(yáng)）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(rèn)知---神經(jīng)的細(xì)胞與分子基礎(chǔ),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(jié)合； 受體激活G-蛋白，后者可以在后膜內(nèi)側(cè)自由移動(dòng)； G-蛋白激活效應(yīng)器引發(fā)突觸后膜反應(yīng)。效應(yīng)器就是G蛋白門控離子通道或酶。酶催化合成第二信使，進(jìn)一步調(diào)節(jié)細(xì)胞功能。,神經(jīng)與認(rèn)知---神經(jīng)的細(xì)胞與分子基礎(chǔ),35/60,神經(jīng)纖維的軸漿運(yùn)輸軸漿運(yùn)輸?shù)男问巾樝蜉S漿運(yùn)輸：胞體 → 軸突末梢快速軸漿運(yùn)輸：~400mm/d慢速軸漿運(yùn)輸：1~12mm/d工具：驅(qū)動(dòng)蛋白（kinesin）逆向軸漿運(yùn)輸：軸突末梢 → 胞體屬于快速軸漿運(yùn)輸

21、，~205mm/d神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子、狂犬病病毒、破傷風(fēng)毒素、辣根過氧化物酶（HRP）等工具：動(dòng)力蛋白（dynein）,36/60,神經(jīng)與認(rèn)知---神經(jīng)的細(xì)胞與分子基礎(chǔ),神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子（neurotrophin，NT）來源：支配的組織和星形膠質(zhì)細(xì)胞分類： NT-3、NT-4/5 、 NGF（神經(jīng)生長(zhǎng)因子）、BDNF（腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子）等。作用方式： 經(jīng)由受體介導(dǎo)進(jìn)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(rèn)知---神經(jīng)的細(xì)胞與分子基礎(chǔ),（二）神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞人類CNS內(nèi)約1011個(gè)神經(jīng)元，（1~5）╳1012個(gè)膠質(zhì)細(xì)胞，后者是前者的10~50倍。CNS膠質(zhì)細(xì)胞星形膠質(zhì)細(xì)胞（astrocyte）少突膠質(zhì)細(xì)胞（oligodendrocyte）小膠質(zhì)細(xì)胞（microglia）PNS膠質(zhì)細(xì)胞：施旺細(xì)胞（Schwann cell）衛(wèi)星細(xì)胞

23、（satellite cell）,38/60,神經(jīng)與認(rèn)知---神經(jīng)的細(xì)胞與分子基礎(chǔ),1、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的特征有突起，無樹突和軸突之分；細(xì)胞之間不形成化學(xué)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(dòng)作電位；星形膠質(zhì)細(xì)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(rèn)知---神經(jīng)的細(xì)胞與分子基礎(chǔ),2、膠質(zhì)細(xì)胞的功能支持和引導(dǎo)神經(jīng)元遷移修復(fù)和再生作用免疫應(yīng)答作用形成髓鞘和屏障的