1、神经元的电活动与突触传递神经元的电活动与突触传递来来 滨滨 什么是神经元电活动？如何形成的？ 什么是突触？ 为什么突触传递在神经科学研究中如此重要？脑：信息的传递和处理脑：信息的传递和处理神经元电活动的基础神经元电活动的基础 离子通道离子通道离子通道的一般特征离子通道的一般特征 物理特征物理特征 离子选择性离子选择性 通道激活模式通道激活模式 开放和关闭开放和关闭物理特性物理特性胞外胞外胞内胞内胞外胞外跨膜跨膜孔道孔道膜内和膜外侧扩大形成腔膜内和膜外侧扩大形成腔膜内段缩窄有门控结构膜内段缩窄有门控结构通道的离子选择性通道的离子选择性阳离子选择性阳离子选择性Na+ K+ Ca2+阴离子选择性阴离
2、子选择性Cl-阳离子阳离子一般一般特殊：某些通道特异性小，甚至允许小的有机物质通过。特殊：某些通道特异性小，甚至允许小的有机物质通过。细胞内环境的离细胞内环境的离子稳态子稳态细胞膜的细胞膜的隔离隔离通道的离子选择性通道的离子选择性阴离子通道的特异性较小，它们之所以称为阴离子通道的特异性较小，它们之所以称为Cl-通道是因为通道是因为Cl-是生物溶液的主要阴离子是生物溶液的主要阴离子通道的选择性是相对的，例如钠通道不但对钠离子通透，对通道的选择性是相对的，例如钠通道不但对钠离子通透，对铵（铵（NH4+）也通透；甚至对钾离子也稍有通透。）也通透；甚至对钾离子也稍有通透。胞外胞外胞内胞内60mv通道离
3、子选择性和电压感受的机制通道离子选择性和电压感受的机制 电压激活模式电压激活模式 牵张激活模式牵张激活模式 配体激活通道配体激活通道通道激活模式通道激活模式注意注意以上分类并非绝对的；以上分类并非绝对的；例如钙激活钾通道例如钙激活钾通道也对电压变化敏感，也对电压变化敏感，有些电压激活通道有些电压激活通道也对细胞内配体敏感！也对细胞内配体敏感！离子通道的分类离子通道的分类选择性阳离子通道选择性阳离子通道非选择性阳离子通道非选择性阳离子通道阴离子通道阴离子通道跨膜转运系统跨膜转运系统钠钾泵钠钾泵钙泵钙泵钠钙泵钠钙泵氯离子通道氯离子通道钾离子通道钾离子通道钠离子通道钠离子通道钙离子通道钙离子通道谷氨
4、酸受体阳离子通道谷氨酸受体阳离子通道N2型乙酰胆碱受体阳离子通道型乙酰胆碱受体阳离子通道嘌呤受体阳离子通道嘌呤受体阳离子通道5HT3受体阳离子通道受体阳离子通道门控离子通道门控离子通道化学门控离子通道化学门控离子通道钠通道钠通道钙通道钙通道钾通道钾通道递质递质离子离子代谢物代谢物非门控离子通道非门控离子通道电压门控离子通电压门控离子通道道离子通道的分类（门控方式）离子通道的分类（门控方式）跨膜转运系统跨膜转运系统 钠钾泵钠钾泵 钙泵钙泵 钠钙泵钠钙泵 ATP ATP Na+化学化学 梯度梯度 K+:Na+ Ca2+ Na+:Ca2+ 2:3 3:1 生电性生电性 生电性生电性 生电性生电性轴突
5、的终端为轴突末梢，它终止于另一神经元或效应器，与它们形成突触。 轴突末梢 (axon terminals)每个神经元每个神经元大约会有大约会有1万个突触万个突触 突触（synapse） 定义：一个神经元与另一个神经元相接触的部位叫做突触。突触是神经元之间在功能上发生联系的部位，也是信息传递的关键部位。 电突触电突触1 m化学突触化学突触化学突触的结构化学突触的结构突触传递相关受体突触传递相关受体突触后电流突触后电流: 突触前释放神经递质激活突触突触前释放神经递质激活突触后膜相应受体引起的突触后膜的电流变化。后膜相应受体引起的突触后膜的电流变化。去极化的电流变化称作兴奋性突出后电流，去极化的电流
6、变化称作兴奋性突出后电流，超极化的电流变化称作抑制性突触后电流。超极化的电流变化称作抑制性突触后电流。突触后电位参与动作电位的形成突触后电位参与动作电位的形成轴突动作电位轴突动作电位突触前囊泡释放突触前囊泡释放突触后膜受体激活突触后膜受体激活突触后电位突触后电位突触后膜受体和离子通道分布和类型突触后膜受体和离子通道分布和类型其他不同突触活动其他不同突触活动信息处理信息处理轴突局部离子通道分布，轴突局部离子通道分布，类型以及突触活动类型以及突触活动突触前膜离子通道分布和类型突触前膜离子通道分布和类型突触前膜离子通道分布和类型突触前膜离子通道分布和类型突触囊泡施放相关蛋白的功能突触囊泡施放相关蛋白
7、的功能轴突局部环境对信息的影响和调控轴突局部环境对信息的影响和调控轴突局部离子通道分布，类型轴突局部离子通道分布，类型轴突局部离子通道分布，类型对信息传递的影响轴突局部离子通道分布，类型对信息传递的影响NATURE| Vol 465|24 June 2019NATURE| Vol 465|24 June 2019膜电位超极化局部突触活动对信息传递的影响局部突触活动对信息传递的影响突触前膜离子通道分布和类型突触前膜离子通道分布和类型以及突触囊泡施放相关蛋白的功能以及突触囊泡施放相关蛋白的功能Neuron 59, September 25, 2019突触囊泡释放机制突触囊泡释放机制mEPPs pr
8、ovideevidence thatsynaptictransmission isquantal(vesicular)SnaptobrebinSNAP-25SyntaxinSynaptotagmin -SNAPSNSFSynapsin I突触后膜受体和离子通道分布和突触后膜受体和离子通道分布和类型类型Activity-dependent trafficking of K+ channels. (a) Illustration depicting the translocation of several K+ channels in response to common forms of neu
9、ronal plasticity. Extrasynaptic KV4.2 channels and KCa2.2 channels located near the postsynaptic density (PSD) are internalized during LTP, requiring Ca2+ influx and PKA activation (1); Kir3.2 channels are inserted into the synapse during depotentiation via Ca2+ influx and protein phosphatase-1 (PP1
10、) activation (2); and KV2.1 channels decluster upon glutamate stimulation, a process dependent on Ca2+ influx and protein phosphatase-2B (PP2B) activation (3). Glial glutamate transporters (GLT) also influence Kv2.1 dephosphorylation through their regulation of extrasynaptic NMDARKv2.1 channel coupl
11、ingTrends in Neurosciences Vol.33 No.7动作电位在突触后神经元产生：EPSP在轴突的始段达到-52mV左右时，就可以引发动作电位。始段爆发的动作电位向两个方向扩布。逆向扩布的动作电位将刷新神经元胞体的状态。 信息流突触传递的逆向调节突触传递的逆向调节信息流Neuron 63, July 30, 2009电突触电突触电突触的结构电突触的结构电突触的分布和功能电突触的分布和功能Electrical synapse： nervous system，cardiac muscle,smooth muscle and liver。 电镜发现：哺乳类动物的大脑皮层感觉区星
12、状电镜发现：哺乳类动物的大脑皮层感觉区星状cell,cell,小脑皮层小脑皮层蓝细胞与星状细胞，视网膜水平细胞与双极细胞，嗅球的僧帽细胞蓝细胞与星状细胞，视网膜水平细胞与双极细胞，嗅球的僧帽细胞以及神经胶质细胞均存在着电突触。以及神经胶质细胞均存在着电突触。Function： in excitable cell:电突触双向快速传递，传递空间减少，则传电突触双向快速传递，传递空间减少，则传递更有效，突触灵活性增加，有利于机能相似的细胞进行递更有效，突触灵活性增加，有利于机能相似的细胞进行同步活动同步活动。低电阻通路还可低电阻通路还可调节细胞间小分子量物质的转移调节细胞间小分子量物质的转移。而细胞
13、间的化学。而细胞间的化学突触传递易于受到代谢障碍的明显影响，而电突触具有突触传递易于受到代谢障碍的明显影响，而电突触具有较大的耐受较大的耐受力。力。 in nonexcitable cell:它是和生长代谢的控制，胚胎的发育及它是和生长代谢的控制，胚胎的发育及分化等现象有关。它可运输某些代谢产物和营养物质。分化等现象有关。它可运输某些代谢产物和营养物质。电突触突触电位电突触突触电位两个膜紧密接触，离子通道相通两个膜紧密接触，离子通道相通离子离子胶质细胞对突触传递的影响胶质细胞对突触传递的影响胶质细胞的数量是神经元的胶质细胞的数量是神经元的十倍！十倍！ 人脑中有约人脑中有约1000亿个神经元亿个
14、神经元似乎胶质细胞更为重要但是对于大脑的独特功能来说，神经元更为重似乎胶质细胞更为重要但是对于大脑的独特功能来说，神经元更为重要！要！原因：神经元能够感知环境的变化并将信息传递给其它神经元指令机原因：神经元能够感知环境的变化并将信息传递给其它神经元指令机体作出反应。体作出反应。 但是越来越多的研究正但是越来越多的研究正使我们对胶质细胞的功使我们对胶质细胞的功能发生全新的改变。能发生全新的改变。 有人研究爱因斯坦的大有人研究爱因斯坦的大脑后发现其大脑的胶质脑后发现其大脑的胶质细胞量显著高于普通人细胞量显著高于普通人70！ 新的研究已经证明胶质新的研究已经证明胶质细胞在神经元信息处理细胞在神经元信
15、息处理过程中有着有着重要作过程中有着有着重要作用。用。Mechanisms regulating glial glutamate transporter levels. Astrocytes play an active role in the removal of neurotransmitters from the synapse via transport mechanisms. Glutamate transporters in astrocytes enveloping synapses limit glutamate spillover and modulate synaptic
16、transmission and plasticity. Presynaptic terminals induce in astrocytes the transcriptional activation of GLT1, via KBBP. The EphA4/ephrinA3 neuronastrocyte communication limits glutamate transporter abundance, thereby contributing to modulation of synaptic plasticity.The tripartite synapse. When ne
17、urotransmitters are released from the presynaptic neuron (1), astrocytic metabotropic glutamate receptors (mGluRs) are activated leading to a rise in Ca2+ ions in the astrocyte (2) and the release of neuroactive substances from astrocytes. These gliotransmitters act back on the neuron and regulate p
18、resynaptic function or modulate the response of the postsynaptic neuron. (a) Glutamate released from astrocytes (3) can act postsynaptically on NMDARs thereby enhancing excitability of the neuron and synchronizing neuronal activity (4); glutamate also acts presynaptically on mGluRs or NMDARs thereby
19、 increasing transmitter release probability (Pr) (5). (b) The release of D-serine (3) acts on the glycinebinding site of NMDARs and can regulate synaptic plasticity (4). Astrocytic ATP release (5) contributes to synaptic scaling by acting on purinergic P2X receptors (6). Adenosine, a product of ATP
20、release (7), activates presynaptic A1Rs (8) and suppresses glutamate release.Interplay between astrocytes, neurons and the vasculature. (a) Astrocytes are connected via gap junctions and form networks that associate with several, possibly many synapses. Astrocytic networks are considered active elem
21、ents of neural circuits, exhibiting calcium excitability and processing information. (b) The neurovascular unit. Astrocytes, either as individuals (as shown here) or as part of a larger network, couple synapses and blood capillaries to control cognitive functions. The response characteristics of ind
22、ividual astrocytes and neurons in the visual cortex are closely coupled.沉默突触（沉默突触（Silence synapse）沉默是金！Silence is gold！whose existence has been recognized long ago (Mendell 1984）普遍认为，在神经元的发育早期，大多数突触后膜上普遍认为，在神经元的发育早期，大多数突触后膜上只含只含NMDA受体而不含受体而不含AMPA受体。随着神经系统的受体。随着神经系统的发育成熟，发育成熟，AMPA受体的转运上膜后才有大量功能性受体的转运
23、上膜后才有大量功能性突触的产生。研究者也习惯的把只含突触的产生。研究者也习惯的把只含NMDA受体的突受体的突触定义为沉默突触（触定义为沉默突触（silent synapse）。）。 概念概念暂时没有信息传递功能的突触Involvement of presynaptically or postsynaptically silent synapses in LTP maintenance. Presynaptic terminals contacting postsynapticspines are schematically represented before and after LTP. (
24、a) In presynaptically silent synapses (yellow) with low release probability (Pr) noresponses can be detected before LTP (upper trace) in spite the expression of functional AMPARs and NMDARs on the subsynaptic membrane.After LTP, the increased Pr leads to the appearance of synaptic responses (after L
25、TP, upper trace). In a synapse with low Pr (green) before LTP(lower trace), Pr can become closer to 1 as a result of LTP induction so that no failures appear after LTP (lower trace). (b) In postsynapticallysilent synapses, according to the latent AMPARs hypothesis (Malenka and Nicoll, 2019) before L
26、TP, some synapses containing only NMDARs(yellow) are not active at resting membrane potential (upper trace). Insertion of new AMPARs makes the synapse conductive (after LTP, uppertrace). Potentiation following insertion of new AMPARs may occur also in synapses previously effective (green). The hypot
27、hesis explains thedecrease in failure rate in previously effective synapses suggesting fast addition of AMPAR clusters also in cases when the number of apparentlysilent synapses is small as in the hippocampus of adult animals.沉默突触的机制假说沉默突触的机制假说突触前沉默的机制突触前沉默的机制突触后沉默的机制突触后沉默的机制突触后突触后AMPANMDAGluGluMg2+膜去极化膜去极化AMPA受体的作用机制沉默突触的功能是什么？沉默突触的功能是什么？作为脑学习记忆功能的一种能力储备谢谢大家谢谢大家谢谢！
