神经细胞的功能

神经细胞的主要功能是信息处理，即接受、整合、传导和传递信息，具有可兴奋特性的耳蜗毛细胞也有接受、初级处理和传递信息的功能。信息在神经细胞的表达方式主要为电信号或化学信号两种。

（一）神经细胞的电现象

早在公元前300多年，Aristohe发现了电龟的放电现象（一种“震击”作用）。解剖学证明，电龟的“震击”是由肌电板单位组成的如同蓄电池的电板电震所致，每个肌电板可产生0.14V电压。18世纪，伽尔佛尼研究了神经－肌肉放电现象。（图3－7）。当刺激甲标本的神经纤维时，甲标本肌肉收缩，观察通过神经与甲标本肌肉相接的乙标本，发现乙标本的肌肉同样收缩。

1830年，电流计问世，实验神经电位－电流计可显示神经冲动通过时的动作电位。1902年，Julius Bernstein（德国）根据当时关于电离和电化学的理论成果提出形成动作电位的“膜学说”。1939年，英国Hodgkin和Huxley在枪乌贼的巨大神经轴突进行电生理实验，证实了静息电位的膜学说，对动作电位的产生做了新的解释和论证。1949年，Hodgkin和B.Katz提出的“离子学说”阐明了静息电位和动作电位的最一般的原理。1976年，Ensin Neher和Bert Sak发明膜片钳技术，可直接观察和记录到细胞膜单个离子通道的活性，阐明了形成动作电位的分子生理学机制。随着分子生物学技术的发展，现可以克隆出离子通道的蛋白质结构。

图3－7　经典的神经－肌肉放电现象

（二）静息电位与膜电位

有些细胞（组织）接受相对较小的化学或电刺激后，可表现出某种形式的兴奋性反应，这种细胞（组织）称为可兴奋细胞（组织）。

在细胞处于静息状态下，细胞膜内外两侧存在着电位差，细胞膜的内侧较膜外为负，这种电位差即静息电位（resting potential）。静息电位的大小通常以膜内电位负值的绝对值大小表示。如果膜外电位设为0，则膜内电位大都在－10～－100mV之间。高等哺乳动物的神经的静息电位为－70～－90mV（图3－8左）。静息电位在大多数细胞是一种稳定的直流电位。

图3－8　动作电位的构成：上升支、锋电位、下降支、负后电位和正后电位

如前所述，细胞膜内外的离子有很大的浓度差，这是细胞膜上离子载体不断将离子由低浓度侧向高浓度侧主动转运的结果，这是一耗能过程。这种细胞膜两侧离子梯度形成了离子跨膜流动的驱动力，但因为细胞膜的特殊脂质双分子层结构，使得通常情况下离子难以顺梯度流动，只有在细胞膜上该离子通道开放时，离子才能在这种驱动力下由高浓度侧向低浓度侧流动。

离子通道（ion channels）是膜内具有中央孔结构的跨膜蛋白，其“孔”有一个“门”（gate）装置，此“门”可因受特异性刺激而开或关，从而表达不同的信息。根据离子通道有无门控，将离子通道分为非门控的离子通道，即“门”总是处于开放状态的离子通道，和门控离子通道，即通道具有开和关转换的“门”控制行为。根据引起“门”开放的刺激特点的不同，又分电压门控离子通道和递质门控离子通道。在耳蜗毛细胞纤毛上还有机－电换能通道，在传入突触后膜上还有代谢型离子通道（详见本章第二节中“耳蜗内毛细胞与传入通路”）。电压门控离子通道主要参与产生动作电位；递质门控离子通道主要参与产生突触电位，而非门控离子通道的作用主要参与形成静息电位。

Ca2＋作为生命元素，在细胞内必须处于平衡状态（图3－9）。各种类型的Ca2＋通道开启，Ca2＋库对Ca2＋摄入和释放，以及Ca2＋泵等，均需要相互协调，方能维持细胞的生命。神经细胞也不例外，然而神经细胞的膜内、外总是存在离子浓度差。细胞膜内、外的离子浓度差的形成是离子从低浓度向高浓度主动转运的结果，这种转运依靠类似于泵的细胞膜上的特定蛋白质完成，如Ca2＋－ATP酶、Na＋－K＋－ATP酶等，此为一耗能过程。离子载体借助于离子浓度差所带的能量帮助离子进行跨膜转运。胞膜上的Na＋－K＋－ATP酶不断将钠离子泵出细胞膜，同时将钾离子泵入，由此产生了细胞内高钾细胞外低钾的内外浓度差（图3－9右所示）。静息时胞膜上的非门控离子通道仅对K＋有较强的通透性，因为细胞内K＋浓度高于胞外，在浓度差的驱动下K＋由细胞内移向细胞外，细胞内、外液中正、负离子原是呈电中性的，此时正离子的外移产生了细胞内负外正的电位差，即膜外为正，膜内为负。当浓度差所致的驱动力和电位差所致的反驱动力相平衡时，即形成了内负外正的静息电位，因此静息电位即钾平衡电位（图3－9右中所示）。神经细胞在静息时，其胞膜的非门控钾离子通道除对K＋有较强的通透性外，还对Na＋和Cl－具有一定的通透性。因此神经细胞静息电位形成主要是由于K＋跨膜流动形成，同时还有部分Na＋和很少部分Cl－参与。在病理因素损伤或外界因素的刺激下，神经细胞膜电位可发生去极化或超极化变化，使其细胞功能受到影响。

图3－9　细胞内Ca2＋平衡系统及静息电位的K＋跨膜流动

VDC：电压依赖性Ca2＋通道；NSC：非选择性阳离子通道；ECB：内源性Ca2＋结合蛋白；IP3－CS：三磷酸肌醇敏感Ca2＋库；RyR－CS：Ryanodine敏感Ca2＋库；Mito：线粒体；K＋：非门控K＋通道

（三）动作电位与离子通道

1.动作电位　通常神经细胞静息时处于极化状态（polarization），即膜两侧电位保持着内负外正的静息状态。当受到某种刺激使神经细胞膜去极化达到或超过阈电位时，即可在极短的时间内突然变化为膜内为正、膜外为负，然后又回到静息电位，从而出现一个陡峭的峰电位变化，即动作电位。

2.动作电位的构成　见图3－8。

（1）膜内电位在短时间内由原来的－70～－90mV变到＋20～＋40mV，由内负外正变为内正外负，构成了动作电位变化曲线的上升支。

（2）膜内电位由零值变正的数值，称为超射值。

（3）刺激所引起的内外电位倒转是暂时的（神经在0.5～2.0ms内完成），很快膜内电位下降，构成了动作电位曲线的下降支。

（4）短促而尖锐的脉冲样变化称为峰电位。

（5）峰电位下降一般要经历微小而较缓慢的波动，称为后电位，一般先持续5～30ms的负后电位，再出现一段延续较长的正后电位。

3.动作电位的产生机制 Ensin Neher等创造的膜片钳单通道记录技术，为从分子水平了解生物膜离子通道的开放与关闭、动力学、选择性和通透性等膜信息提供了直接的手段。离子通道与神经、肌肉和突触电位密切相关。通道的开关过程与产生电信号的神经系统反应相一致，这些微弱电流由神经系统和组织综合加工放大后，形成神经冲动，使生物体作出相应的反应。例如对于钠依赖性动作电位来说，单靠一个钠通道的开放还不足以产生动作电位上升相，它必须至少上千个单钠通道开放后才能产生动作电位的上升相。

（1）去极相的产生：细胞膜内、外Na＋浓度差很大，膜外Na＋浓度显著高于膜内。当神经细胞胞膜受刺激时，膜上少量Na＋通道开放，少量的Na＋将顺浓度差内流至胞内。Na＋是带正电的离子，它的内流将使得胞内电位轻度去极化。当膜电位减少到阈电位时，大量的电压门控型Na＋通道被激活而开放，Na＋内流速度急剧增大，在Na＋的化学驱动力和静息时膜内原以维持着负电场对Na＋吸引的作用，致使Na＋大量通过易化扩散跨膜进入细胞内，以至于超过了K＋外流。随着Na＋内流增加，膜进一步去极化，而去极化本身又促使更多的Na＋通道开放，膜对Na＋通透性又进一步增加，形成正反馈，膜内电位迅速由负变正，形成了动作电位的上升支。由于膜外Na＋浓度势能较高，Na＋在膜内负电位减小到零时，Na＋化学梯度可继续驱使Na＋内流，直至Na＋的平衡电位，形成动作电位中的超射。

（2）复极相的产生：细胞膜在去极化过程中，Na＋通道开放时间很短，仅万分之几秒，随后Na＋通道关闭而失活。使Na＋通道开放的膜去极化也使电压门控K＋通道延迟开放，膜对K＋的通透性增大，膜内K＋顺电化学驱动力向膜外扩散，使膜内电位又从正值向负值转变，直至原来的静息电位水平，形成了动作电位的下降支，即复极相。快速的上升支和下降支组成了动作电位中的锋电位。

（3）后电位的产生：锋电位发生后，产生了微小而持续时间较长的后电位。包括负后电位和正后电位。

负后电位紧接于锋电位下降支后，膜电位比静息电位小，持续约5～30ms，幅度约为锋电位的5%～6%。一般认为负后电位的产生是在复极时迅速外流的K＋蓄积在膜外附近，暂时阻碍K＋外流的结果。

正后电位是在负后电位后出现超极化的电位，持续50ms至数秒，幅度为锋电位的0.2%。正后电位的前半部分的形成主要由于K＋通道仍然处于一定的开放状态，对K＋的过度通透可持续数毫秒，使较多的K＋扩散到膜外，引起膜内正离子的“过多”缺失，后半部分主要由于Na＋泵作用，使Na＋过度外流的结果。神经纤维每兴奋1次，进入细胞内的Na＋浓度增加约8万～10万分之一，这种微小的变化，足以激活膜上的Na＋泵，使之加速转运，逆浓度差将细胞内多余的Na＋排到细胞外，细胞外多余的K＋摄入。

后电位完结后，电位恢复到静息状态，膜内外Na＋、K＋分布也恢复到静息状态，即是指兴奋性恢复正常，可再次接受刺激产生兴奋。

以上过程可以看出，两种离子通过膜结构中电压门控性钾离子通道和钠离子通道的异化扩散，是形成神经细胞静息电位和动作电位的直接原因。膜两侧离子浓度梯度及可调控的离子通道是动作电位产生的基础，而动作电位是各种可兴奋细胞（组织）产生兴奋的共同机制。

正因为生物电的产生是以膜两侧离子浓度梯度即膜离子通道开放和关闭改变离子的通透性为基础，所以改变膜内、外离子浓度或用人工方法调控通道的开关，都将影响生物电的质和量。

4.动作电位的分类　根据不同的神经细胞动作电位的波形和形成机制的差异，可将动作电位分为钠依赖性动作电位（Na＋－dependent action potential）、钠或钙依赖性动作电位（Na＋或Ca2＋－dependent action potential）、钙依赖性动作电位（Ca2＋－dependent action potential）。

（1）钠依赖性动作电位：动作电位的上升相主要由Na＋快速内流形成，而这是由于电压门控钠通道（voltage－gated Na＋channels）开放所致。钠依赖性动作电位的特点是：上升相幅度大，下降相速度快。发生部位在细胞体和轴突处，并沿轴突传到轴突末梢。

（2）钠或钙依赖性动作电位：此种动作电位除了钠、钾通道参与外，还有钙通道的作用。通过钙通道Ca2＋向胞内流动，部分抵消了K＋外流造成的电位快速下降，从而使动作电位下降较慢。钠－钙依赖性动作电位发生的主要部位在细胞轴突末梢处。它的功能主要是在动作电位期间使电压依赖性高阈值钙通道开放，胞外钙离子内流增加，触发轴突末梢释放神经递质。

（3）钙依赖性动作电位：该动作电位的特点是：幅度低，持续时间长，上升相是在去极化达到高阈值钙通道的激活值后钙通道开放引起Ca2＋内流所致（图3－10），下降相是延迟外向整流钾通道和钙依赖性钾通道开放引起的钾外流所致。其发生的主要部位是树突处。

图3－10　动作电位波形（A）与电压钳Ca2＋通道电流（B）之间的关系

此外，作用于动作电位下降相的还有钙依赖性钾通道。此钾通道主要依赖于细胞内Ca2＋浓度的提高，而Ca2＋增加的途径有：激活的过程使电压依赖性Ca2＋通道开放，胞外Ca2＋内流；或经受体门控通道开放内流；或经胞内钙库（如线粒体、IP3等）释放Ca2＋增加，从而进一步激活钾通道使钾外流，细胞出现超极化后电位。相当于耳蜗毛细胞受机械声波刺激后使纤毛的机－电换能通道打开，胞外K＋和Ca2＋内流，激活毛细胞侧壁上钙依赖性钾通道开放使钾外流，一方面使毛细胞复极化，另一方面形成钾电流参与耳蜗内的钾循环（图3－11）。

图3－11　耳蜗钾循环

1－内淋巴；2－外毛细胞；3－Hensen细胞等支持细胞；4－螺旋韧带；5－血管纹

5.动作电位和它在同一细胞的传导在自然条件下，神经细胞的动作电位只能由感受器细胞膜和突触后膜的去极化型局部电变化引发。

（1）实验性阈电位和锋电位的形成（图3－12）：先用一对刺激电极同直流电源相连，然后把刺入轴突膜内的一个电极同电源负极相连，该负电极的插入将引起膜不同程度的超极化，这时，即使用很强的刺激也不会引起诱发电位。当膜内的刺激同电源正极相连时，电极的刺入将引起去极化，当逐渐加大刺激强度，使膜内去极化到达某一临界值时，就可记录到一个明显的突然上升的电位，即产生了一次动作电位。将能引起动作电位的最低电位值称为阈电位（threshold membrane potential）。一般细胞阈电位大都较它们的静息电位高10～15mV。

图3－12　局部兴奋的实验布置（A）和实验结果（B）

（2）局部兴奋及其特性：阈下刺激引起钠离子通道少量开放，这时少量钠离子内流造成的去极化和电刺激造成的去极化叠加，在受刺激的局部出现一个较小的去极化，称为局部兴奋。局部兴奋的强度较弱，很快会被外流的钾离子抵消，不能引发大量钠通道开放，即不能诱发动作电位。其特点为：①无全或无现象。阈下刺激范围内，随强度的增大而增大；②电紧张性扩布。即阈下刺激产生的局部兴奋可以使邻近的膜产生类似的去极化，但随距离的增加迅速减小以至消失，不能在膜上作远距离传播。③可以相互叠加。局部兴奋可在空间上和（或）时间上进行总合。若干个局部兴奋在时间、空间上的总和可能形成阈上刺激而诱发动作电位。

（3）兴奋在同一细胞上的传导机制：可兴奋细胞任何一个部位的膜所产生的动作电位，都可沿着细胞膜向周围传播，表现为动作电位沿整个细胞膜的传导。

无髓神经纤维的某一段受到足够强的外加刺激出现动作电位，由于膜两侧的溶液都是导电的，于是在已兴奋的神经段和它相邻的未兴奋的神经段之间，产生局部电流，流动方向是：膜外的正电荷由未兴奋段移向已兴奋段，膜内的正电荷由已兴奋段移向未兴奋段，造成未兴奋段膜内电位升高而膜外电位降低，引起去极化，达阈电位时，使该段出现动作电位。

有髓神经纤维在轴突外面包有一层相当厚的髓鞘，而构成髓鞘的胶质是不导电的，只有在髓鞘暂时中断的郎飞结处，轴突膜才能和外液接触，当有髓纤维受刺激时，动作电位只能在邻近刺激点的郎飞结处产生，形成跳跃式传导。

（4）动作电位的传导速度：在不同神经纤维上动作电位的传导速度不尽相同，因为在有髓纤维动作电位只能在郎飞结处产生，呈跳跃式传导，显然有髓鞘纤维比无髓鞘纤维快。有髓鞘纤维典型的传导速度为10m/s，动作电位的持续时间大约为2ms，因此跨膜距离为2cm。在耳蜗传入神经的动作电位可以通过观察此指标的变化了解神经冲动的同步化程度，从而进一步推测传入神经及突触是否正常。

正常情况下影响动作电位传导速度的因素：①髓鞘或膜电阻，有髓鞘存在使传导速度加快；如果脱髓鞘，则传导速度减慢。②与神经纤维的束径有关　因为神经冲动传导速度与膜电阻和膜内电阻有关，膜电阻与纤维的半径成正比，而膜内组与半径的平方成反比，所以神经纤维直径越大，传导速度越快。③与膜去极化快慢有关　去极化愈快，达到阈电位所需时间愈短，引起兴奋愈快，传导速度也就愈快。