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2023.10.24-神经科学(孙坚原)

Jun 02, 202416 min read

神经细胞

  1. 神经的电特性 ^ba12e0
    1. 历史脉络：（1）Galvani通过蛙的坐骨神经发现生物电 （2）通过万用表可验证神经细胞的电势差
    2. 静息电位的机制：细胞膜类似半透膜(Berstein)，使得离子浓度处于动态平衡的状态（离子通道的存在?A.H—膜片钳的发现验证了A.H.的理论）注：电环路机制如下(解释看下文)
      • 离子通道(电学角度：楞次电压【电压参考细胞外相对于细胞内的电压】串联电阻)：
          1. 四大特点：pores、passive、selective (如Na离子结合水之后无法通过通道、离子通道里专门有识别的位点)、open【gating】 (能控—受体配体结合门控、磷酸化门控、电压门控、机械张力门控) /close—超过阈值只是打开或者关闭的可能性提高 (all or none——非绝对打开)；不需ATP
          1. Rectifying(整形) Channel: gating时，其不完全符合欧姆定律，如NMDAR受体受Mg离子阻断的影响
          1. All or none—probability
        • 离子运动：受电场力(Potential)和diffusion force(高浓度向低浓度的运动)的影响——产生micro/macro force的平衡(动态平衡 Ix=0 【but:电位高于平衡电位，为正，正为外向电流，即胞内向胞外，反之。But电流不等于离子流，外向电流是阳离子的离子流，内向电流是阴离子的离子流 (阴离子内流，其介导的电流是往外流，反之) 】—楞次定律)—E：某种离子的平衡电位(Z带±)注：电场力和扩散力的离子流平衡如下，Ex见静息电位机制：
          • 离子平衡电位例题：注：在发育的不同阶段，平衡电位可能会逆转(细胞内外离子浓度的变化导致)——抑制性神经元可能向兴奋性神经元转化。
        • 离子通道简化的电环路：E（单个离子通道便是类似于一个电池）注：平衡电位又叫做翻转电位(Reversal potential)，高于或者低于平衡电位的影响具体见离子运动这一部分
        • 静息电位：INa+IK+ICl=0，即所有离子浓度处于动态平衡的状态(Na/K/Cl)——受不同离子通道的个数的影响(通透性—Probability的加权！)；平衡电位导致的极化（内负外正）
      • 离子泵：需要能量的逆流而上(防止离子一直流动的耗竭)
        • Na/K泵：逆离子浓度、需ATP、可驱动其他泵(其他泵作为顺风车不一定需要ATP)
      • 细胞电阻：受离子通道密度（越大，电阻越小）和细胞大小(越大，越小)影响
      • 膜电容：此外细胞膜还是一个电容(单位面积的膜电容与膜面积一起可起算总的膜电容)，细胞膜越大，膜电容越大——充电时短路，充满电断路
    3. 动作电位(firing)：不符合欧姆定律的一个主动的过程（电导急剧上升，Na离子通道打开的很多），这是神经细胞的兴奋性特征(神经细胞为什么那么”神”？)
      1. 膜片钳：稳定电压(补偿电流)，记录电流的变化——发现动作电位
      2. Na离子假说：A.H.—海水浓度的不同看动作电位的变化；钳住电压稳定在Na离子的平衡电位，此时I=0——A.H.提出离子通道存在的可能性
      3. 动作电位的产生：Na、K离子(通道是电压门控的)通透性的变化——可以通过阻断钾离子通道(4-AP)使得动作电位变宽、加河豚毒素抑制动作电位的产生
        1. 绝对不应期：Na离子通道失活，不能打开更多的Na离子通道
        2. 相对不应期：K离子通道需要打开(比静息状态打开的更多——所以要低于静息电位)，K离子外流，电压下降(最后接近K离子平衡电位)，需要更多的正电荷刺激才能开启动作电位。
        3. 注：胶质细胞、一些外周sensor不产生动作电位，但是产生去极化
        4. 产生过程：产生的地点究竟是什么？(追究方法：记录单位面积Na离子通道的密度+记录胞体轴突电信号产生的快慢)
          • 轴突起始端产生(离开胞体50-70um)——阈值低、Na离子密度高
          • 兴奋传导：沿轴突(长：存在轴向电阻、细胞膜：纵向电阻)传导；电压传导的过程中呈现指数型向刺激两端下降(decay)
            • 髓鞘：长度常数越大，电压衰减越慢，髓鞘导致长度常数变大(decay变慢)；rising(charging)更快(time constent)！
            • 郎飞氏结：跳跃式传导(髓鞘存在的结果)
          • 输入：其他神经细胞通过突触兴奋下游神经元
    4. 突触(神经信息处理的最小单位)：
      1. 突触的重要性在哪？：例：NR2B过表达——老鼠变聪明
      2. Concept(几百nm级别):
        1. 化学突触（卡哈尔）：分离的状态(迷走神经刺激心脏的过程)，存在delay——中枢神经系统90%为化学突触
          • 含轴突-轴突、轴突-胞体、轴突-树突的连接方式注：非对称的前膜和后膜介导兴奋，对称介导抑制
          • 神经肌肉接头NMJ也是化学突触
        2. 电突触(Golgi)：传导速度非常快，小于1ms——需要同步活动的神经细胞存在（gap junction）——上游或者下游的细胞死亡后一定一直关闭，PH过高也会导致关闭。
          1. coupling coefficient:下游的反应/上游的反应(K ratio-谁大谁当分子，即为上游)
          2. 树突不是绝对的输入点(树突对树突)
          3. connexons为六聚体，六个connexin组成
      3. 突触传递：
        1. 神经肌肉接头上的发现：Katz——钙离子依赖的mEPP的发现(自发的noise)，即神经信号的最小单位(quanter)——囊泡和量子化神经递质释放导致的结果(囊泡释放的独立性—满足二项分布)
        2. 传递过程(动作电位来时，囊泡以一定可能性释放)：
          • 膜电容的突然变大(囊泡的融合的过程，即神经递质的释放导致细胞膜表面积变大)
            • 神经递质的释放就是膜融合的过程吗？——4AP导致神经递质释放的更多，同时膜电容也变的越大，因此是同时的
            • Ca离子通道与囊泡耦合吗？——（1）囊泡(synaptotagmin)和钙离子通道的蛋白分别标记荧光，看看是否Merge （2）氯化镉阻断钙离子通道——膜电容不变 （3）BAPTA：钙离子缓冲剂(半道拦截钙离子)，钙离子内流，但膜电容几乎不变——非钙离子通道打开才导致囊泡释放 （4）钙离子螯合剂(DM)——紫外线导致uncage，所有钙离子都释放出，突触末端所有位置钙离子浓度都一致，控制了单一变量——记录光活化后膜电容的变化情况
          • 囊泡结合到active zone后发生内吞——膜电容的drop
          • RRP(readily releasable pool of vesicles)：随着刺激的增加，囊泡释放的数量增加，然后数目增加不动，膜电容最后不变注：其中最大的一群由synapsin维持在突触前膜远端，叫做储备池（Reserve Pool），它们只有被定位到活性区成为即刻可释放池（Readily Releasable Pool, RRP）才有机会被释放，另有一小亚群在两者之间穿梭，又称循环池（Recycling Pool）
            • 有多少囊泡释放呢？——EPSC见上图
          • priming(囊泡的预备和成熟):填充囊泡的过程——可记录零点即开始时有多少囊泡(黑线是replenishment——预测曲线，预测RRP，红线是囊泡释放数量(囊泡融合的过程)，零点时，R-P代表的就是RRP)注：随着刺激的增加，EPSP降低然后保持不变——RRP数量有限，Reserve pool释放需要时间且缓慢(释放和回收的过程需要一定的时间，在下一次刺激的适合仅有少量囊泡可供释放，因为有一部分局限在在回收的过程中。然后随着刺激的增加，这个时间差会达到一个阈值(随着刺激增加，囊泡释放保持不变时)，EPSP也保持不变了。)
          • 囊泡回收的酸化过程？(刺激的时候PH中性化)——利用PH-senstive的荧光标记囊泡蛋白(回收时酸化导致荧光变亮？)。若要避免漂白(NH4Cl的加入导致荧光上升，则不是Bleaching)
          • 囊泡的循环：FM-dye（刺激变亮(吸收dye)，wash再刺激变暗说明循环）
      • 囊泡融合和释放的机制(脂质体的融合)
        • 1.发现：Randy——酵母突变体的筛选(fusion难以work)；James——尝试再两个囊泡表达不同蛋白(带不同颜色)，融合即变色——融合说明两蛋白存在融合机制
          1. 融合机制：SNARE-complex发挥的功能（诺奖），这是充分必要条件
        • 3.融合时间慢，但突触传递快？
          • 快释放；Thomas——钙离子传感蛋白(囊泡上，有五个钙离子结合位点，可以与snare结合)，有助于快速的突触传递(囊泡释放前)。证明——没这个蛋白，突触传递就不会很快；敲掉之后再overexpress,又可以rescue；在钙离子结合位点做Mutation,突触传递对钙离子的敏感度变弱；把affinity增加，突触传递对钙离子的敏感性增加
          • 慢/异步释放(停止刺激，突触后膜还有动作电位)——也存在传感蛋白？
            • Calyx of held synapse:syt1（囊泡上）/9没有，syt2有(对快速传递有作用)
            • slope~2:两个钙离子bindsite的发现
            • 两个传感系统是否存在竞争？互相做stabililty的抑制，是否出现此消彼长的过程；
            • 谁是slow sense?——syt7（nerve teminal细胞膜上），slow sense的存在导致囊泡的非同步释放
      • 囊泡的内吞：Clathrin的组装（有助于内吞体形成新的囊泡）、Dynamin(actin)的作用（GTP的水解提供能量）
    5. 神经递质(调质)：
      1. 判断条件:在突触前合成、Ga离子驱动释放的、突触后需要受体
      2. Pathways:可见弥散神经系统
        1. Cholinergic(胆碱能):由丘脑的胞体投射
        2. 多巴胺能：黑质
        3. 去甲肾上腺素：蓝斑、外侧被盖区
        4. 5-HT：中缝核
          • VTA-NAc:奖赏环路
      3. 神经递质受体(配体耦合)：
        1. 离子通道型受体
          • 如何检测离子通道通过的离子？——改变细胞外特定离子的浓度，看电流的变化情况
          • 兴奋or抑制？：与reversal potential（平衡电位）决定(Nernst方程)——发育的早期，Cl离子细胞内浓度有所不同，这时候它的平衡电位不同（起兴奋性作用）
        2. G蛋白偶联受体(代谢性受体)
      4. 神经递质的循环：Ach（小分子才循环，神经肽不循环）
    6. EPSC的叠加效应：时间和空间的整合

突触可塑性：Fire together, wire together

  1. 海马内的LTP：突触前的强刺激，直接刺激突触后神经元（皆产生LTP）；突触前持续的弱刺激(LTD)
    • ——大部分的LTP产生在突触后神经元(原理：AMPA受体的上膜、NMDA也在LTP中起关键作用，无NMDA则无法产生LTP——NMDA受体影响了AMPA的上膜——钙离子低于平衡电位内流导致的结果)注：LTP诱导先激活突触后NMDA受体，造成NMDA受体开放，胞外钙通过该通道进入胞内，相继激活下游的CaMKII、Ras、PI3K，进而磷酸化AMPA受体的GluA1亚单位，造成其活动依赖性的转运上膜。
  2. Spike timing:Pre和post动作电位时间很近，且符合先来后到的原则，则是LTP
  3. LTP包含蛋白质的合成
  4. LTP与学习记忆相关：NR2B的突变导致小鼠变聪明(LTP的延长)、条件化记忆的实验(小鼠的电刺激)、小鼠的空间记忆(NMDAS受体的突变)

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