《神经元的电活动》PPT课件

第一章脑电图的电生理基础 脑电图的电生理基础 脑电图是从颅外头皮或颅内记录到的局部神经元电活动的总和。本章主要对产生脑电信号的神经电生理基础做一简单介绍。 脑电图的电生理基础 1、神经元和神经环路 2、新皮层和半球面脑电活动的起源 3、丘脑皮质系统和脑电节律的产生 4、边缘系统 5、脑干网状结构对脑电活动的影响 第一节 神经元和神经环路 一、神经元的电活动 1、静息电位和动作电位：神经元由胞体、轴突和树突组成。在静息状况下，细胞内以K+和有机负离子为主，细胞外以Na+、 Ca+ 和Cl-为主，维持静息电位在-70mV至-90mV（细胞膜内为负，膜外为正）。细胞兴奋时，Na+通道开放， Na+内流，使膜内变正，产生去极化，形成动作电位上升支，随后K+顺浓度差外流，膜内再次变负，为复极化，形成动作电位下降支。最后通过Na+ -K+-ATP泵逆浓度差将细胞内多余的Na+ 运送到细胞外，同时将细胞外多余的K+运送到细胞内。 动作电位特性 神经科学 Neuroscience 动作电位的上升相和下降相 示波器记录及动作电位的上升和下降相 上升相 rising phase 超射 overshoot 下降相 falling phase 回射 undershoot Na+内流引起去极化 K+外流引起复极化 动作电位特性 动作电位特征的形成原因： 神经科学 Neuroscience 阈值(threshold): 足够多的钠通道的开放使钠离子通透性大于钾离子 上升相（rising phase)：钠通道完全开放，钠离子迅速进入胞内 超射（Overshoot）：趋向于钠平衡电位 下降相(falling phase)：钠通道失活，钾通道开放增加 回射（后超级化，undershoot)：接近于钾平衡电位 由Na+快速内流构成的峰电位时间非常短暂，并在细胞外衰减，因而不是构成皮层脑电图电位的主要成分。除Na+电位外，在细胞膜兴奋时，还存在另一个重要的非突触电位，它由缓慢内流的Ca2 +内流引起，可产生20-50mV的高电压，并可在一群神经元中形成同步化锋电位，在癫痫样放电中具有重要作用。 动作电位沿轴突（神经纤维）的传导是双向的，以局部电流的形式传向远端，但在到达突触时，动作电位只能从突触前膜向另一神经元的突触后膜单向传导。 2、突触结构和神经递质 两个神经元之间的接触点称为突触（synapse），由突触前膜、突触间隙和突触后膜构成。神经元之间可通过轴突-树突、轴突-胞体、轴突-轴突等多种方式实现突触连接。一个神经元兴奋后对下一级神经元的作用取决于神经末梢（突触前膜）所释放的神经递质或调质的功能。 兴奋性神经递质使突触后膜去极化，导致静息电位升高，，神经元兴奋性增加，引起兴奋性突触后电位（EPSP），而抑制性神经递质则使突触后膜超级化，静息电位降低，神经元兴奋性降低，引起抑制性突触后电位（IPSP）。兴奋性电流主要与Na+、Ca2+内流有关，而抑制性电流主要涉及Cl-、K+外流。在大多数生理情况下，突触活动是构成脑电图电位的最主要成分。 脑内主要的兴奋性氨基酸为谷氨酸和天冬氨酸，兴奋性氨基酸的受体包括NMDA(N-甲基-D-天冬氨酸)受体、AMDA受体和海人酸受体。抑制性氨基酸主要为γ-氨基丁酸（GABA），相应的受体为GABAA 受体和GABAB受体。GABA及其受体广泛存在于脑组织中，可引起神经元的超极化抑制效应。 脑内5-羟色胺（5-HT）能神经元主要分布于脑干的中缝核群及蓝斑、脚间核等部位。5-HT神经元的特点是放电缓慢而规律，其放电频率为0.5-3Hz，困倦时放电减慢。中枢5-HT的活动与睡眠，特别是慢波睡眠有密切关系。中枢儿茶酚胺（CA）类物质包括肾上腺素和去甲肾上腺素。CA对中枢的作用以兴奋为主，有助于维持中枢神经系统的觉醒状态。 乙酰胆碱是重要的神经递质，其在中枢神经系统的主要受体为毒菌碱受体（M受体）。M受体具有兴奋和抑制双重作用。在同一个神经元上可以既有兴奋性M受体，又有抑制性M受体。 3、神经元的内在性质 单个兴奋性神经元有两种活动模式： 1、持续点燃：在接受刺激后产生持续而稳定的高频放电，以实现快速信息传递，主要由钠通道开放引起。清醒时多以持续点燃方式活动， 2、暴发性点燃：在受刺激时产生不规则或节律性的爆发，是在钠内流导致细胞膜去极化后，触发电压依赖性钙通道开放引起钙内流所致。是丘脑、海马和新皮层神经元的内在特性，对细胞间信息的传递、脑电节律的形成、睡眠活动及癫痫性放电的形成非常重要。 此外，神经元具有内源性的电压依赖性震荡性质，即在神经元去极化达到一定强度时，可产生一种自我维持的θ频段的电压震荡。神经元的这些内在性质和突触的性质共同决定了脑电活动的基本方式。 二、神经环路 脑内不同性质和功能的神经元通过各种形式的复杂连接，在不同水平构成神经环路和神经网络，以类似串联、并联、前馈、反馈、正反馈、负反馈等多种形式活动。其中最简单的神经环路是三突触结构。 主神经元 ﹢ ﹣ ﹢ 抑制性中间神经元 三突触环路示意图 某些神经环路是产生癫痫的重要基础，如海马内环路、边缘系统环路、丘脑-皮层环路等。在这些环路中，某一环节的兴奋阈值降低可使微小刺激引起强烈暴发，如此循环使环路对异常放电产生放大效应，进而引起异常放电的扩散和发作。在病理条件下，脑内可形成异常的神经环路，成为异常放电形成和扩散的基础，并可干扰正常神经活动。 第二节 新皮层和半球表面脑电活动的起源 一、新皮层的结构 1、皮层的垂直结构：大量研究发现，垂直于皮层表面的柱状结构是皮层的基本功能单位。一个柱状单位的表面积在1mm2左右，有神经元包胞体、树突、轴突和跨层连接的突触构成，在一个垂直柱内，丘脑中继核团的输入 经由Ⅳ层的某些颗粒细胞向下传导至Ⅴ和Ⅵ层的传出神经成分，同时Ⅳ层向上到达Ⅱ层及Ⅲ层的锥体细胞，再回返向下兴奋Ⅴ层的大锥体细胞，构成基本的垂直环路。 大脑半球皮层的分层结构 分层 名称 主要细胞构成 Ⅰ层 分子层 顶树突末梢分支，构 成平行的神经纤维 Ⅱ层 外颗粒层 小锥体细胞 Ⅲ层 锥体细胞层 大、中型锥体细胞 Ⅳ层 内颗粒层 小星形细胞 Ⅴ层 大锥体细胞层 大锥体细胞 Ⅵ层 多形细胞层 各种大小、形态不 等的神经元 2、皮层的平行结构 皮层神经元的轴突可在同一层或跨层平行连接，包括连接邻近的垂直柱、连接同侧半球内相邻的两个区域或连接对侧半球的相应区域。在皮层的第Ⅰ层中，有大量并列分布的锥体细胞顶树突，头皮脑电图所记录到的主要是这一层的电位变化。平行连接可使更大范围的脑区参与到某项活动中，同时也是癫痫活动扩散的基础。 二、皮层锥体细胞的的特性 锥体细胞是皮层最主要的兴奋性神经元，其含有大量树突，特别是顶树突。位于Ⅲ、Ⅳ层的锥体细胞多数为持续点燃神经元。而Ⅴ层的大锥体细胞多为暴发性点燃神经元，具有内源性暴发的特性。大锥体细胞的树突具有很高的电兴奋性，可对微小的刺激产生长时间的爆发反应，与产生癫痫样放电有密切关系。这种具有内源性爆发能力的锥体细胞在感觉运动皮层区分布最多。 三、脑电活动的起源 脑电活动的产生主要来自突触后电位。此外某些神经元的内源性暴发电位和神经元之间的缝隙连接（电突触）也构成脑电活动中的某些成分。但动作电位在轴突中的传到对皮层表面记录到的脑电活动可能不起什么作用。目前认为皮层或头皮表面记录到的脑电活动主要来自皮层锥体细胞顶树突的突触后电位。 突触后电位对皮层表面记录的影响取决于它的极性、方向、部位和强度。从某一皮层或头皮表面电极记录到的脑电波形、频率和位相，反映的是记录电极下面许多神经元突触后电位的净得效应。 产生同步脑电活动的神经元数量、电压和频率也是决定头皮脑电活动的重要因素。由于颅骨和头皮对皮层脑电活动具有电压衰减和高频滤波作用，只有足够数量的神经元同步活动，产生足够强的电压，才能被头皮电极记录到。 第三节 丘脑皮层系统和脑电节律的产生 一、丘脑是感觉刺激传入大脑皮层最重要的中继站，也是产生低频脑电活动的主要起步点。丘脑核团分为特异性和非特异性核团，特异性核团传递各种感觉冲动，与特定的大脑皮层区域有点对点的投射关系。非特异性投射核团指中线核团和内板核团等，主要接受脑干网状结构传入的兴奋，引起大脑皮层广泛区域电活动的变化。皮层活动的信息又反馈至丘脑，形成丘脑皮层环路，调节皮层神经元的兴奋水平。丘脑网状核在这一环路中也发挥着重要调节作用 。丘脑非特异性的投射系统是脑电活动形成的基础。 丘脑神经元具有低阈值的T型Ca+通道。一般神经元在-60mV左右被激活，但丘脑神经元的T型Ca+通道必须超极化低于-60mV并持续足够长的时间才能开放，并由Ca+内流产生高波幅的去极化电位。在觉醒状态下，丘脑神经元接受感觉性输入和脑干上行激活系 统的输入，膜电位维持在-50~-60mV，T型Ca+通道不开放，丘脑能向皮层可靠传递所有类型的感觉信息。在传入性刺激减少时（睡眠状态），神经元处于超极化状态，T型Ca+通道被激活，此时丘脑神经元转而以暴发点燃的模式活动。丘脑神经元的这一特性与睡眠期的慢波活动和全身性癫痫的棘慢复合波发放有密切关系 。 二、脑电节律的产生 低频刺激通过非特异性丘脑核团引起神经元爆发性点燃，产生短暂的EPSP。由于丘脑内广泛存在的抑制性中间神经元，在EPSP之后紧跟着一个大而长的IPSP，其足以阻断进一步的传入性刺激，并使丘脑神经元广泛同步化，直至出现下一群EPSP-IPSP, 如此反复，使丘脑成为节律性脑电活动的起步点，如α节律、睡眠纺锤或广泛性3Hz棘慢复合波节律。在意识减低或睡眠时，传入性刺激减少，则丘脑产生节律更慢的低频振荡，即慢波睡眠期的δ节律。丘脑皮层系统的兴奋在皮层产生广泛的募集反应，使皮层广泛区域加入到这种同步化的节律性振荡中。通常以6~12Hz的频率刺激最容易诱发丘脑皮层的节律性活动；而高频刺激则引起觉醒的去同步化反应。 综上所述，可以认为新皮层主要产生脑电活动的电压和电场，而丘脑则是产生脑电活动节律的主要部位。 第四节 边缘系统 一、边缘系统的结构和功能 边缘系统主要由围绕侧脑室周围的结构组成，包括扣带回、海马旁回、海马结构、隔区和梨状区。扩大的边缘系统还包括与上述部位在功能和结构上密切相关的皮层和皮层下结构，如眶额回后部、岛叶前部、颞极、杏仁核、隔核、下丘脑、丘脑前核及中脑背盖内侧等 。 边缘系统的结构 边缘系统的结构和功能非常复杂，其相互之间存在丰富的纤维联系，并与皮层和脑干等结构有着广泛的结构和功能联系，从而形成不同水平的环路系统。边缘系统在功能上主要与内脏功能调节、情绪行为反应及记忆功能有关。其对内脏活动的影响主要是通过下丘脑来实现的。在病理情况下，这些环路系统在异常电活动的形成、放大和扩散中起重要作用。 1、海马 海马（hippocampus）的结构见图。锥体细胞是海马内的主要神经元，决定了整个海马的结构模式和功能。根据细胞构筑的不同，分为CA1（Sommer段）、CA2、CA3和CA4区.其中CA1和CA3区对缺氧最为敏感，为易损区；CA2和CA4区为相对耐受区。CA3区的锥体细胞具有内源性点燃性质和高兴奋性的旁路连接（轴突Schaffer旁路），尽管有抑制性的中间神经元调节，但抑制性的轻度减低即可导致CA3区明显的同步化暴发，并通过Schaffer旁路传至CA1区。CA3区的这种性质与癫痫有密切关系。CA1区的锥体细胞无内源性暴发特性，但容易被区的点燃暴发募集，加入到癫痫样活动中。 海马的主要传入纤维来自内嗅皮层（也称内鼻区），通过前穿支（perforate paths）到达齿状回。齿状回是皮层兴奋进入海马的重要通路。齿状回颗粒细胞具有非常负的静息电位，因而兴奋阈值很高，对点燃具有很强的适应性，对发作引起的损伤也具有较强的耐受性，起到过滤信息的作用。 颗粒细胞的另一特性是其轴突苔状纤维具有很强的可塑性。正常情况下苔状纤维与CA3区锥体细胞的树突形成联系，突触电流和电压依赖性离子通道的改变可诱导苔状纤维发芽并进入含有颗粒细胞树突的分子层，形成局部异常神经环路，对癫痫样放电起到放大作用。 门区中包含苔藓样细胞和蓝细胞等。苔藓样细胞是海马中最易受到损伤的细胞，其与齿状回分子层颗粒细胞的树突构成兴奋性连接，苔藓样细胞的放电阈值很低，容易产生暴发性点燃。苔藓样细胞死亡可触发齿状回颗粒细胞的轴突发芽。蓝细胞是GABA能的抑制性中央神经元，对Ca+介导的兴奋毒敏感，容易受到损伤。其丢失使得暴露在高水平长时间刺激中的齿状回颗粒细胞兴奋性增加。 内嗅皮层 新皮层的信息主要通过内嗅皮层（entorhinal cortex）进入海马。内嗅皮层的锥体细胞具有持续点燃和暴发性点燃的特性，其传入纤维前穿支与齿状回颗粒细胞形成连接。当内嗅皮层-海马环路改变时，齿状回丧失某些过滤信息的功能，并开始放大同步化放电，加强而不是减弱内嗅皮层-海马环路的异常活动。 梨状区 梨状区（piriform）或称嗅皮层（olfactory cortex），与内嗅皮层有丰富的联系，其锥体细胞点燃的速度比边缘系统其他结构都快，可快速引起临床发作，是一个敏感性极高的致痫区，常常成为癫痫事件的触发器和放大器。 杏仁核 杏仁核(amygdala)接受来自嗅球和梨状皮层的传入，并有来自丘脑及脑干的广泛传入纤维。其传入纤维可到达前额叶皮层、隔区、扣带回前部、颞叶外侧、岛叶等部位。电刺激杏仁核可产生一系列行为改变和自主神经症状。 扣带回 扣带回（gyrus cingulatus）是额叶的一部分，也参与边缘系统的组成。扣带回接受半球新皮层广泛区域的传入，并通过海马-扣带回通路接受海马的传入。传入纤维可投射至海马、杏仁核、隔核、丘脑前核及额、顶叶皮层等。电刺激扣带回可引起各种自主神经反应，如血管舒缩变化引起病人潮红或苍白，呼吸频率改变，消化道症状等。 二、边缘系统的电活动 由于边缘系统主要位于大脑半球的内侧面和底面，头皮电极很难直接记录到其电位活动，常需借助接近颅底的蝶骨电极、卵圆孔电极等特殊部位记录，或进行颅内深部电极记录。 海马的固有节律为4~7hz的 活动。早期研究认为，海马 活动主要源自隔区和内嗅皮层，通过前穿支激活齿状回颗粒细胞和CA1锥体细胞神经元产生EPSP，而后激活局部环路的抑制性神经元，如此反复，从而产生 θ频率的膜电位震荡。以后的研究显示，在边缘系统节律性慢波活动的产生中，CA1锥体细胞的IPSP占优势。胆碱能系统也可能介导海马 节律的产生。目前究竟那一种突触后电位在海马 θ节律的产生中占主导依然没有一致的节论。 新皮层的电活动可通过内嗅皮层传入海马，在此经过整合后，输出到边缘系统其他结构、大脑皮层及脑干下行通路。前述的海马特殊环路结构使之具有“放大器”的效应，微小的异常电活动在此环路内被逐渐放大，经传出通路抵达效应器后引起脑电活动的异常同步化放电。因而海马常常成为癫痫发作的起源地。 第五节、脑干网状结构对脑电活动的影响 位于脑桥中部与延髓尾侧之间的中缝核、孤束核、蓝斑等结构与睡眠-觉醒周期及脑电活动的同步化或去同步化波形有密切关系。动物实验证实，脑干网状结构的头端含有维持觉醒所必需的神经元，而脑干尾端则包含能诱发睡眠的特定区域。在脑桥中部靠后横断或麻醉时，能使猫产生失眠和持续的去同步化脑电图形；相反当脑干头端被麻醉时，则脑电图出现同步化波形且动物进入睡眠状态。 脑干结构的这些功能与神经递质有关，中缝核群的5-羟色胺（5-HT）能神经元是维持睡眠的重要神经递质。完全损毁中缝核可导致动物失眠达数日之久，脑电图的慢波睡眠和快波睡眠都明显减少，其中单纯损毁中缝核头部主要影响慢波睡眠，而损毁尾部则主要抑制快波睡眠。孤束核接受来自迷走神经的内脏感觉传入，由乙酰胆碱（Ach）介导。电刺激孤束核或迷走神经中枢端具有使脑电活动同步化的效应，但损毁孤束核并不引起明显的失眠，其可能是通过影响脑干网状结构上行激活系统的唤醒作用来控制睡眠的。目前认为中缝核头部、孤束核及其邻近的网状神经元构成了脑干上行抑制系统（ascending medullo-inhibitory system），是产生慢波睡眠的特定脑区。 蓝斑位于脑桥背内侧背盖部，分为头部、中部和后部3部分，均富含去甲肾上腺素（NA）能神经元，具有维持脑电活动去同步化的作用。蓝斑头部是维持觉醒的重要部位，损毁该部位可使同步化脑电活动明显延长，但对快波睡眠没有影响。蓝斑的中部、后部及其邻近神经元是控制快波睡眠的结构，其内部存在引起快速眼动等位相性现象的神经元，损毁蓝斑中、后部可造成快波睡眠明显减少甚至完全消失，但不影响慢波睡眠。 脑干结构对脑电图和行为的影响 神经结构 神经递质 脑电图 行为 中缝核群头部 5-HT 同步化慢波 非快速眼动睡眠 中缝核群尾部 5-HT 去同步化快波 快速眼动睡眠 孤束核 Ach 同步化慢波 非快速眼动睡眠 蓝斑头部 NA 去同步化快波 觉醒 蓝斑中后部 NA 去同步化快波 快速眼动睡眠