《神经系统的电生理特性》课件

神经系统的电生理特性欢迎来到《神经系统的电生理特性》专题讲座本课程将深入探讨神经系统如何通过电信号进行信息处理和传递，从基本的神经元结构到复杂的神经网络运作我们将系统学习神经细胞的膜电位变化规律，动作电位的产生与传导，以及突触传递的机制通过这门课程，你将了解神经系统这个精密电子设备的工作原理，以及现代电生理技术如何帮助我们揭示大脑的奥秘这些知识不仅是理解神经科学的基础，也是现代医学诊断和治疗神经疾病的重要依据目录基础知识电生理基础神经系统概述细胞膜与离子通道••神经细胞结构静息膜电位••神经元类型动作电位产生••神经胶质细胞信号传导机制••实验与应用电生理记录技术•膜片钳技术•临床应用案例•前沿研究进展•本课程共分为三大部分首先介绍神经系统的基本组成和神经元结构；其次详细讲解神经系统的电生理特性及信号传导机制；最后展示电生理实验技术及其在临床和科研中的应用课程设计由浅入深，帮助学生全面理解神经系统的电信号处理原理学习目标与重要性掌握神经系统电活动熟悉电生理研究的实的基本原理验方法理解静息膜电位和动作电位了解细胞内外记录、膜片钳的产生机制，掌握电信号在等电生理研究技术的原理和神经元内传导和神经元间传应用，为今后可能的实验操递的基本规律作打下基础认识电生理在临床医学中的应用了解电生理检查在神经系统疾病诊断和治疗中的重要作用，建立基础与临床的联系神经系统的电生理特性是神经科学的核心内容，是理解认知、行为和意识等高级脑功能的基础掌握这些知识对于从事神经科学研究、神经系统疾病诊疗以及开发脑机接口等前沿技术都具有重要意义神经系统概述中枢神经系统外周神经系统中枢神经系统由脑和脊髓组成，是神经信息处理和整合的中外周神经系统包括脑神经、脊神经以及周围神经节，负责将感心大脑是人类最复杂的器官，约有亿个神经元和相当数觉信息从外周传导至中枢，以及将运动指令从中枢传导至效应860量的神经胶质细胞，负责高级认知功能器脊髓则连接大脑与外周神经系统，是反射活动的中枢，也是神根据功能可分为体神经系统（负责骨骼肌的随意运动）和自主经信息传递的重要通路神经系统（控制内脏平滑肌、心肌和腺体的不随意活动）神经系统的基本功能可概括为三方面感觉功能（接收外界和体内的刺激）、整合功能（处理和分析信息）和运动功能（对信息做出反应）这些功能的实现都依赖于神经细胞间复杂而精确的电信号传递神经细胞的基本结构细胞体树突轴突包含细胞核和大部分细胞器，是神经元的代谢中从细胞体伸出的分支结构，是接收其他神经元信细长的突起，通常只有一条，可延伸很长距离心直径约为20微米，负责合成蛋白质等物息的主要部位树突表面有大量棘突，能增加接（最长可达1米）负责将动作电位从细胞体传质细胞体整合来自树突的信息，决定是否产生触面积一个神经元可有成百上千个树突分支导至轴突末梢，然后释放神经递质影响其他细动作电位胞许多轴突外包裹有髓鞘，由许旺细胞或少突胶质细胞形成髓鞘呈节段性排列，节段之间的裸露部分称为兰氏结（郎飞结）髓鞘不仅起到绝缘保护作用，还能显著提高神经冲动传导速度，采用跳跃式传导（盐跃传导）机制神经元类型及其功能根据形态特征，神经元可分为单极神经元（只有一个突起从细胞体伸出）、双极神经元（有两个突起从细胞体相对方向伸出）、多极神经元（有多个树突和一个轴突）和假单极神经元（胚胎期为双极，成熟后两突起融合）按功能可分为感觉神经元（将感觉信息从外周传至中枢）、运动神经元（将指令从中枢传至效应器）和中间神经元（连接其他神经元，参与信息处理）不同类型的神经元在形态、电生理特性和功能上各有特点，共同构成复杂的神经网络神经胶质细胞作用清除代谢废物髓鞘形成清除神经元活动产生的代谢废物和死少突胶质细胞和许旺细胞形成髓鞘，亡细胞残骸提高传导速度•吞噬功能•电信号绝缘支持与保护营养支持•维持微环境清洁•促进盐跃传导为神经元提供物理支持和结构保护，为神经元提供营养物质和生长因子，维持神经组织完整性促进突触形成•形成血脑屏障•代谢支持•缓冲外力冲击•释放神经营养因子神经胶质细胞数量远超神经元，约占神经系统细胞总数的90%近年研究发现，胶质细胞不仅提供支持作用，还参与神经信息传递调节、突触形成和神经元可塑性某些胶质细胞甚至能够产生类似动作电位的电活动，直接参与信息处理细胞膜结构与离子通道磷脂双分子层形成选择性通透屏障膜蛋白执行特定功能的结构蛋白和功能蛋白离子通道允许特定离子穿过细胞膜的蛋白质结构神经元细胞膜由磷脂双分子层构成，厚度约为纳米磷脂分子亲水的头部朝向膜的两侧，疏水的尾部朝向膜的内部这种结构使细胞膜7-8对大多数水溶性物质不通透，但允许小分子如氧气、二氧化碳和水自由通过嵌入膜中的离子通道是关键的膜蛋白，它们形成穿过膜的水性通道，允许特定离子选择性地通过根据调控机制，离子通道可分为电压门控通道（如钠通道、钾通道）、配体门控通道（如乙酰胆碱受体）和机械敏感通道等这些通道的开闭是神经电活动的物质基础神经元膜两侧的离子分布细胞外浓度mM细胞内浓度mM离子泵与主动转运提供能量ATP钠钾泵（酶）水解一个分子，释放能量驱动离子转运，同Na⁺-K⁺ATP ATP时酶蛋白发生磷酸化这一步是整个过程的能量来源，确保离子可以逆浓度梯度方向移动钠离子外排磷酸化后的钠钾泵构象改变，亲和力降低，将个钠离子从细胞内释放到3细胞外这一步骤有助于维持细胞内相对较低的钠离子浓度，是形成静息膜电位的重要因素钾离子内转钠离子释放后，泵的构象再次改变，增加对钾离子的亲和力，将个2钾离子从细胞外转运到细胞内然后酶去磷酸化，恢复初始状态，准备下一轮转运循环钠钾泵是神经元中最重要的主动转运系统，每个细胞约有数百万个钠钾泵分子它们不断工作，消耗细胞约的能量，以维持离子浓度梯度此外，神经元还30%有钙泵、氢离子泵和各种离子交换器，共同调节细胞内离子环境和膜电位静息膜电位的概念稳定的电位差静息膜电位是指神经元处于静息状态（未被刺激）时，细胞膜内外两侧存在的相对稳定的电位差这种电位差形成了神经元的电力储备，为后续的电信号活动做准备内负外正正常情况下，神经元的静息膜电位在至毫伏之间，细胞内相对于细胞外呈-60-90现负电位这种极化状态是神经元的基本特征，反映了离子分布的不平衡生物电池静息膜电位使神经元像一个充电的电池这种电位差储存的能量可以在神经元被刺激时迅速释放，产生电信号神经系统的所有电活动都基于这一基本电位的存在静息膜电位是神经元功能的基础，它为神经元提供了电化学预备状态通过主动和被动离子转运机制，静息膜电位可以在外部条件变化时保持相对稳定只有当神经元保持适当的静息膜电位时，才能正常响应刺激并产生和传导电信号静息膜电位的形成机制离子浓度梯度钾通道的高通透性12由钠钾泵产生并维持的离子浓度静息状态下，细胞膜对的通透K⁺差，特别是细胞内高、细胞性远高于其他离子（约为的K⁺Na⁺Na⁺25外高的分布，为静息膜电位的形成倍）这使沿浓度梯度从细胞K⁺提供了物质基础这种梯度产生了内向外扩散，带出正电荷，使膜内离子扩散的驱动力侧相对带负电电化学平衡3随着外流，膜内侧逐渐带负电，形成的电场使有向内流动的趋势，与浓度K⁺K⁺梯度扩散作用相抗衡，最终达到平衡状态，形成相对稳定的静息膜电位方程描述了各种离子对静息膜电位的贡献Goldman-Hodgkin-Katz Em=RT/Fln[PK[K⁺]o+PNa[Na⁺]o+PCl[Cl⁻]i/PK[K⁺]i+PNa[Na⁺]i+，其中代表膜对各离子的通透系数，方括号内表示离子浓度，下标和分PCl[Cl⁻]o]P oi别表示细胞外和细胞内静息膜电位的测量方法玻璃微电极法最传统也最直接的测量方法膜片钳技术可同时测量电位和电流电压敏感染料非侵入性光学测量方法玻璃微电极法是最经典的静息膜电位测量方法将直径仅为微米的玻璃微电极充满电解质溶液（通常是），插入细胞内，

0.1-

0.53M KCl与细胞外参考电极构成电路，通过高阻抗放大器测量电位差这种方法由和在世纪年代首次应用于鱿鱼巨轴突Hodgkin Huxley2040现代膜片钳技术（）能更精确地控制膜电位并同时记录离子电流而电压敏感染料如可在膜电位变化时改变荧光patch-clamp DiBAC43强度，适用于同时观察多个细胞的膜电位变化，特别是在神经网络活动研究中非常有用静息电位的典型数值和意义动作电位基本概念定义特征功能意义动作电位是神经元膜电位的快速、短暂而显著的变化过程，表动作电位是神经系统信息传递的基本单位，类似于电子系统中现为膜内电位由负转正再恢复为负的完整过程它是神经元产的比特神经系统通过动作电位的频率和时间模式编码信生和传导信息的基本单位，也是神经系统编码信息的基础息，而不是单个动作电位的幅度（遵循全或无规律）在长距离传导中，动作电位能保持波形不变、振幅不衰减，确标准动作电位从静息状态（约）开始，迅速去极化至保信息在传递过程中不失真，这是神经系统高效传递信息的关-70mV左右，然后再极化恢复，甚至短暂超极化，整个过程键机制+30mV约持续毫秒1-2动作电位是神经元的语言，神经系统的所有功能（从简单反射到复杂认知）都建立在动作电位的产生、传导和整合基础上理解动作电位机制是掌握神经系统工作原理的关键一步动作电位产生的条件阈值去极化电压门控离子通道静息状态的神经元必须受到足够强度的刺动作电位的产生依赖于电压门控型离子通激，使膜电位从静息值去极化到阈值水平道，尤其是钠通道和钾通道这些通道的开（通常约为-55mV至-50mV）在阈值电闭状态受膜电位变化控制，它们在不同膜电位处，钠离子通道开始大量激活，触发正反位下表现出不同的激活和失活特性馈过程•钠通道负责去极化相•阈下刺激不足以引发动作电位•钾通道负责再极化相•阈值是动作电位产生的临界点能量供应动作电位的产生需要足够的能量支持，以维持离子梯度ATP供能的钠钾泵在静息期间建立和维持离子浓度梯度，为动作电位的反复产生提供能量储备•高频刺激会消耗更多能量•缺氧可影响动作电位产生动作电位的产生过程是神经元对刺激的决策点——只有当刺激足够强，使膜电位达到阈值时，神经元才会产生动作电位响应这种阈值行为使神经系统能够过滤掉微弱的背景噪声，只对有意义的信号做出反应动作电位的阶段划分去极化期膜电位从静息状态迅速上升至正值（约+30mV）的过程，主要由钠离子内流引起这一阶段动作电位上升最快，约持续

0.5-1毫秒再极化期膜电位从峰值快速回落接近静息电位的过程，主要由钾离子外流和钠通道失活共同导致此阶段通常持续1-2毫秒超极化期膜电位暂时降至比静息电位更负的水平，主要因钾通道依然开放而钠通道已关闭这一时期神经元暂时不敏感或敏感性降低，是相对不应期的一部分恢复期膜电位逐渐回到静息水平，钠钾泵开始恢复离子分布此阶段完成后，神经元能够对新的刺激产生完全正常的反应动作电位的产生是一个高度协调的时序过程，不同类型的离子通道在不同时间点开放和关闭整个周期从开始到完全恢复通常需要几毫秒时间，这决定了神经元能产生动作电位的最高频率（通常不超过1000Hz）钠离子通道与动作电位上升期静息状态激活状态静息膜电位下，大多数钠通道处于关闭状膜电位达到阈值时，钠通道构象改变，通态，只有极少数自发开放道开放，钠离子迅速内流复位状态失活状态膜电位回到静息水平附近时，通道从失活通道开放约毫秒后自动进入失活状

0.5-1状态恢复，准备下一次激活态，停止钠离子内流电压门控钠通道是动作电位产生的关键它由亚基（形成通道孔）和亚基（调节功能）组成，具有选择性过滤器，使通过率比高αβNa⁺K⁺12倍钠通道的快速激活是动作电位上升期的主要原因当膜电位达到阈值时，钠通道开放导致钠离子内流，进一步去极化膜电位，使更多钠通道开放这种正反馈过程使膜电位迅速上升至约，产生动作电位的尖峰某些神经毒素如河豚毒素和石房蛤毒素可特异性作用于钠通道，影响动作电位的产生+30mV钾离子通道与动作电位下降期电压感应随着膜电位去极化，钾通道的电压传感器发生构象变化，准备激活通道与钠通道不同，钾通道的激活速度较慢，通常在钠通道激活后1-2毫秒才达到峰值通道开放当膜电位去极化到一定程度，电压门控钾通道大量开放，允许钾离子沿其浓度梯度从细胞内流向细胞外，带出正电荷这是再极化过程的主要驱动力超极化产生由于钾通道的开放相对持久，在钠通道已经失活后钾离子仍在外流，导致膜电位暂时超过静息电位，形成超极化这种超极化有助于防止动作电位的反向传播缓慢失活随着膜电位逐渐恢复，钾通道逐渐关闭，但速度比钠通道慢得多有些钾通道甚至不具备快速失活机制，需要膜电位恢复到静息水平才会关闭电压门控钾通道的种类比钠通道更加多样，在不同类型的神经元中表达不同亚型这些钾通道的激活和失活动力学特性影响着动作电位的形状、持续时间和神经元的放电模式某些药物如4-氨基吡啶可特异性阻断钾通道，延长动作电位持续时间动作电位的全或无法则时间ms阈下刺激阈值刺激强刺激动作电位的绝对和相对不应期绝对不应期1从动作电位开始到钠通道从失活状态恢复的时期，约

0.5-1毫秒，此期间无论刺激多强都不能激发新的动作电位这保证了动作电位的单向传播相对不应期2钠通道开始恢复但尚未完全恢复，且钾通道仍部分开放的时期，约1-3毫秒，此时需要比平时更强的刺激才能引发动作电位产生的动作电位幅度可能较小，传导速度较慢超常期3在某些神经元中，不应期后有一短暂时期，此时神经元兴奋性略高于正常水平，较弱刺激也能引发动作电位这可能与某些神经元的节律性放电有关不应期是神经系统信息编码的重要基础它限制了神经元产生动作电位的最高频率（通常不超过1000Hz），确保信息以离散的脉冲形式传递不应期也防止兴奋在已经传导过的区域反向传播，保证了信号的单向传递不同类型神经元的不应期持续时间有显著差异，这直接影响其最大放电频率和功能特性例如，感觉神经元的不应期较短，可以高频率传递信息；而中枢神经元不应期较长，有助于信息整合动作电位的局部电流环局部电流流动相邻区域去极化单向传播当轴突一个点产生动作电位时，该区域内侧局部电流使相邻未激活区域的膜电位去极动作电位传播是单向的，因为刚产生过动作变为正电位，与周围仍保持静息状态（负电化当去极化达到阈值时，这些区域的电压电位的区域处于不应期，其钠通道暂时无法位）的区域形成电位差这导致局部电流从门控钠通道被激活，产生新的动作电位如被激活这确保了信号只能向前传播，不会去极化区域流向相邻未激活区域，形成闭合此循环往复，动作电位沿轴突传播反向回传，保证信息传递的方向性回路局部电流环是动作电位沿轴突传播的关键机制这种物理电流流动比离子通过通道的速度快得多，使信号能够相对快速地传导在无髓鞘轴突中，动作电位通过连续的局部电流环传导，速度约为米秒；而有髓鞘轴突利用跳跃式传导，速度可达米秒

0.5-2/120/动作电位传播的基本原理阈值刺激电流扩散轴突初段通常是动作电位发起的位点，当动作电位区域与相邻静息区域之间的电位此处膜电位达到阈值时，电压门控钠通道1差驱动局部电流流动，促使相邻区域去极开放，产生动作电位化连续触发不应期保障当相邻区域去极化达到阈值，其钠通道被已产生动作电位的区域进入不应期，防止43激活，产生新的动作电位，如此往复，形信号反向传播，确保传导的单向性成传播动作电位的传播不同于电线中的电流传导电线中的电流几乎以光速传播，而动作电位的传播速度要慢得多（最快约米秒），这是因120/为它依赖于离子通道的激活和去活化这些生物学过程动作电位传播过程中振幅不会衰减，这是神经信号传导的重要特性，确保信息在长距离传输中不会失真这种无衰减传播类似于数字信号，每次到达新区域都重新生成完整的动作电位，与模拟信号的衰减传输不同动作电位的反向传播与单向性12起始点前向传播轴突初段axon hillock产生动作电位，准备向动作电位成功向轴突远端传播，传递信号至终末两个方向传播3反向阻断向细胞体方向的反向传播受到阻碍，确保信号单向流动动作电位具有明显的单向传播特性，通常从轴突初段开始，向轴突末梢方向传播这种单向性主要由不应期机制保障已产生动作电位的区域暂时无法再次兴奋，阻止了信号的反向传播此外，轴突分叉处的几何结构也会影响传播方向，通常粗的分支比细的分支更容易传导尽管如此，在某些情况下，动作电位也可以反向传播至树突，这种反向传播在神经可塑性中可能发挥重要作用研究表明，反向传播的动作电位可能参与突触前和突触后神经元之间的信息调节，尤其是在长时程增强LTP和长时程抑制LTD过程中无髓鞘与有髓鞘神经纤维的电信号传导无髓鞘神经纤维有髓鞘神经纤维无髓鞘神经纤维膜表面直接暴露于细胞外液中，动作电位沿着有髓鞘神经纤维被许旺细胞或少突胶质细胞形成的髓鞘包裹，整个轴突表面连续传播局部电流环激活相邻区域的钠通道，髓鞘之间的间隙是兰氏结髓鞘层作为绝缘体，阻止离子流使动作电位沿轴突逐点传播，类似于多米诺骨牌效应通，电压门控通道几乎仅集中在兰氏结处动作电位通过跳跃式传导（盐跃传导），从一个兰氏结跳无髓鞘传导速度较慢，约米秒，与纤维直径成正比这跃到下一个兰氏结，传导速度可达米秒这种传导方式

0.5-2/120/种传导方式能量消耗高，因为整个轴突表面都需产生动作电不仅速度快，还显著节约能量，因为只有兰氏结处需要产生动位，离子泵需要更多将离子梯度恢复作电位ATP髓鞘是神经系统进化的重要创新，使脊椎动物能够发展更复杂的神经系统多发性硬化症等疾病导致髓鞘损伤，会严重影响神经信号传导，引起多种神经系统症状盐跃传导机制结构基础髓鞘包裹的轴突上每隔1-2毫米有一个兰氏结（郎飞结），这是髓鞘间的小间隙，约1-2微米宽在兰氏结处，轴突膜与细胞外液直接接触，并且这里聚集了高密度的电压门控钠通道相比之下，被髓鞘覆盖的区域钠通道密度很低电信号跳跃当一个兰氏结产生动作电位时，局部电流不能通过高电阻的髓鞘，而是沿轴突内部流向下一个兰氏结，使其去极化由于兰氏结处钠通道密集，即使较弱的电流也能使其膜电位达到阈值，触发新的动作电位高效传导这种传导方式使动作电位似乎从一个兰氏结跳跃到下一个兰氏结，故称盐跃传导由于动作电位只在兰氏结处产生，而不是沿整个轴突表面，传导速度大幅提高，能量消耗显著减少盐跃传导的效率取决于髓鞘的完整性和兰氏结的结构髓鞘的厚度增加其电阻，减少电流泄漏；而兰氏结处钠通道的高密度确保动作电位能可靠触发实际上，同等直径的有髓鞘纤维传导速度约为无髓鞘纤维的10倍传导速度的影响因素神经纤维直径μm无髓鞘传导速度m/s有髓鞘传导速度m/s神经信号的空间与时间总和空间总和时间总和空间总和指来自神经元不同部位的多个同时输入信号的累加效时间总和是指在短时间内连续到达的突触信号的累加效应当应当多个突触同时被激活时，它们产生的局部电位变化可以相同突触快速连续释放神经递质时，如果第二个信号在第一个相互叠加如果所有输入都是兴奋性的，它们的总和可能足以信号的效应尚未完全消退前到达，两者的效应会叠加使细胞体膜电位达到阈值，产生动作电位膜具有电容特性，使电位变化需要时间才能衰减这种特性允例如，如果单个突触输入只能产生的微弱去极化，那么需许神经元对输入频率敏感，高频输入更容易通过时间总和达到1mV要个这样的突触同时活动才能使膜电位达到阈值空间阈值，这是神经系统感知刺激强度的重要机制10-20总和使神经元能够整合来自多个来源的信息空间和时间总和共同作用，决定了神经元是否产生动作电位神经元可以被视为复杂的积分器，不断计算所有输入的总和不同类型的神经元对这两种总和的依赖程度不同，这反映了它们在神经网络中的不同功能和计算特性突触的结构与分类化学突触电突触化学突触是神经系统中最常见的突触类型，由前电突触通过间隙连接（缝隙连接）直接连接两个突触终末、突触间隙和后突触膜三部分组成信神经元的细胞质这些间隙连接由连接蛋白形成号传递通过神经递质完成动作电位到达前突触的通道组成，允许离子和小分子直接从一个细胞终末，触发钙离子内流，引起突触小泡与细胞膜流向另一个细胞电突触传递极快约

0.1ms，几融合，释放神经递质；神经递质扩散穿过20-乎没有延迟，通常是双向的它们在需要快速同40nm宽的突触间隙，与后突触膜上的受体结合，步活动的神经网络中尤为重要引起后细胞膜电位变化•传递极快无延迟•传递有一定延迟

0.5-5ms•通常为双向传递•可产生兴奋或抑制效应•不易被药物调节•信号可被各种因素调节混合突触一些突触同时具有化学和电传递功能，称为混合突触它们兼具化学突触的可塑性和电突触的速度优势此类突触在某些特定神经环路中发挥重要作用，如负责协调运动的神经元之间•结合两种突触优势•功能更加灵活多样•在特定神经回路中常见神经系统中绝大多数突触是化学突触，它们提供了信号整合和神经可塑性的基础电突触则在需要精确时间同步的环路中发挥关键作用，如心脏传导系统和某些感觉系统突触类型的多样性反映了神经系统信息处理的复杂需求突触前与突触后机制动作电位到达突触前终末当动作电位传播至轴突末梢时，膜去极化激活电压门控钙通道，导致钙离子内流轴突末梢钙离子浓度升高是启动神经递质释放的关键信号突触小泡释放神经递质细胞内钙离子浓度升高触发突触小泡与细胞膜融合的一系列蛋白质相互作用突触小泡膜与细胞膜融合，通过胞吐作用将内含物释放到突触间隙神经递质与突触后受体结合释放的神经递质分子扩散穿过突触间隙，与突触后膜上的特异性受体结合根据受体类型，可激活离子通道型受体或代谢型受体，产生不同的突触后效应神经递质清除和循环为终止信号传递，神经递质被突触间隙中的酶降解或被突触前神经元和胶质细胞重吸收突触小泡膜被内吞回收，重新填充神经递质，为下一次释放做准备突触传递过程中还存在多种调节机制，如突触前自身受体可感知释放的神经递质浓度，形成反馈调节；神经元和胶质细胞释放的神经调质可影响突触传递效率；突触前末梢的钙离子动力学可影响神经递质释放概率和数量，这是突触可塑性的基础之一突触电位产生过程神经递质释放与结合1突触前神经元释放的神经递质分子与突触后膜上的受体特异性结合根据神经递质和受体类型，可产生兴奋性或抑制性效应离子通道开放2受体激活后可直接开放离子通道（离子型受体）或通过G蛋白激活第二信使系统开放离子通道（代谢型受体）不同受体控制不同类型的离子通道突触后电流产生离子通道开放导致特定离子流动，产生突触后电流例如，Na⁺和Ca²⁺内流产生去极化（兴奋性），而Cl⁻内流或K⁺外流产生超极化（抑制性）突触后电位形成4电流引起的膜电位变化形成突触后电位，可分为兴奋性突触后电位EPSP和抑制性突触后电位IPSP这些电位变化通过电紧张传导至细胞体和轴突初段与动作电位不同，突触电位是局部电位，大小可变，会随距离衰减单个突触引起的电位变化通常很小（

0.5-1mV），需要多个突触的空间和时间总和才能使膜电位达到阈值产生动作电位突触电位的幅度、时程和空间分布受多种因素影响，包括突触位置、树突膜电特性和受体类型等兴奋性与抑制性突触兴奋性突触抑制性突触兴奋性突触产生兴奋性突触后电位，使突触后神经元抑制性突触产生抑制性突触后电位，使突触后神经元膜EPSP IPSP膜电位去极化，增加产生动作电位的可能性常见兴奋性神经电位超极化或稳定在静息电位附近，降低产生动作电位的可能递质包括谷氨酸（中枢神经系统主要兴奋性递质）和乙酰胆碱性主要抑制性神经递质包括氨基丁酸和甘氨酸γ-GABA（神经肌肉接头）兴奋性受体主要包括受体和受体（谷氨酸受体）抑制性受体主要包括受体和甘氨酸受体激活这些受AMPA NMDAGABA-A以及烟碱型乙酰胆碱受体激活这些受体通常导致钠离子和钙体通常导致氯离子通道开放（使氯离子内流）或钾离子通道开离子通道开放，产生内向电流和膜去极化放（使钾离子外流），产生外向电流和膜超极化抑制作用可分为两类超极化抑制（使膜电位远离阈值）和分流抑制（膜电位可能不变，但膜电导增加，降低兴奋性输入的有效性）抑制性突触在神经回路中具有关键作用，不仅可以抑制过度兴奋，还参与塑造神经元响应特性、协调网络活动和产生复杂的时间模式突触可塑性简介长时程增强长时程抑制LTP LTD高频刺激后突触传递效率持久增强低频刺激后突触传递效率持久减弱2结构可塑性短时程可塑性突触形态和数量的物理改变3突触传递效率短暂改变，如易化和抑制突触可塑性是神经系统能够根据活动模式改变突触传递效率的能力，被认为是学习和记忆的细胞基础海马体的长时程增强LTP是研究最广泛的突触可塑性形式，通常通过NMDA受体介导高频刺激导致大量谷氨酸释放，同时后膜去极化，解除NMDA受体镁离子阻断，允许钙离子内流，触发一系列信号级联反应突触可塑性可发生在突触前和突触后部位突触前可塑性主要涉及神经递质释放概率的改变，而突触后可塑性则与受体数量、敏感性或离子通道特性的变化有关神经可塑性的海布理论Hebbs rule认为同时激活的神经元会增强它们之间的连接强度，这一原则指导了许多突触可塑性研究神经网络的信息整合输出整合神经元动作电位发放模式编码信息计算处理2突触输入的时空整合与阈值判决网络结构神经元连接模式决定信息流动路径信息输入感觉刺激转换为神经电信号神经网络信息整合是多层次的复杂过程在单个神经元水平，树突上接收的数百或数千个突触输入进行时空总和，经过复杂的非线性处理后决定是否产生动作电位这可以视为一种基本的计算单元，执行类似阈值判决的操作在网络水平，神经元之间形成各种连接模式，包括前馈、反馈和侧抑制等结构这些连接模式产生特定的功能电路，如感觉滤波器、振荡器和模式识别器等神经网络的连接强度通过突触可塑性机制不断调整，实现学习和适应功能大脑通过这些机制将简单的电化学信号转换为复杂的认知功能电生理基础实验技术简介电生理技术是研究神经细胞和神经系统电活动的实验方法总称它们可以从单通道离子流动到整个脑区活动等不同尺度记录和分析神经电信号关键技术包括细胞外记录（使用微电极记录神经元周围的电场变化）、细胞内记录（将电极直接插入细胞内部测量膜电位）、膜片钳（与细胞膜形成高阻封接，精确控制膜电位和测量离子电流）现代电生理技术结合了光遗传学、钙成像和计算机模拟等方法，大大拓展了研究能力这些技术从微观到宏观不同层次揭示神经系统的工作机制，为神经科学研究提供了强大工具接下来几节将详细介绍各种电生理技术的原理、应用和优缺点细胞外记录法记录原理设备与技术优缺点分析细胞外记录通过在神经元附近放置微电典型设备包括金属微电极（如钨或不锈优势创伤小，可长时间记录，可同时记极，记录局部细胞外电场的变化当神经钢）、玻璃微电极或商业化多通道电极录多个神经元，适合体内实验缺点信元产生动作电位时，跨膜离子流动在细胞记录信号通过前置放大器、主放大器和过号分辨率较低，难以记录亚阈值活动，需外空间产生电流，这些电流在组织中流动滤器处理后，由模数转换器转换为数字信要信号分选技术区分不同神经元的活动并在电极位置产生可测量的电压波动号进行计算机分析细胞外记录主要捕获的是神经元群体活动，通常表现为两种形式单位（）放电（反映单个神经元的动作电位）和局部场电位（，反映神经元群unit LFP体的突触活动和树突整合）现代细胞外记录技术如多通道电极阵列（）可同时记录数十至数百个神经元的活动，适合研究神经网络的时间动态和MEA空间分布细胞内记录法尖端电极法双电极电压钳使用尖端直径小于1微米的玻璃微电极，充满高浓度使用两个微电极同时插入同一细胞，一个用于测量电解质溶液（如3M KCl），直接刺入细胞内部电膜电位，另一个用于注入电流这种配置允许精确极与参考电极之间的电位差直接反映细胞膜电位控制膜电位（电压钳定）并研究离子通道特性该这种方法由Hodgkin和Huxley在研究鱿鱼巨轴突时技术主要用于较大细胞如卵母细胞或巨型神经元首创，是最传统的细胞内记录技术•适合较大细胞•电压控制更精确•记录精度高但稳定性较差•减少串联电阻问题•记录时间通常较短（分钟至小时）•创伤较大，技术要求高锐利电极记录使用锐利的金属电极（如铂铱合金）直接穿刺细胞膜这种电极机械强度高，适合体内记录与玻璃电极相比，金属电极具有更低的电阻，但可能造成更大细胞损伤•机械稳定性好•适合体内长时间记录•电气特性不如玻璃电极细胞内记录的主要优势是可以直接测量亚阈值电位变化，包括兴奋性和抑制性突触后电位这使研究者能够研究突触传递、树突整合和其他无法通过细胞外记录观察到的现象此外，细胞内电极还可用于细胞内注射示踪物质或药物，方便后续形态学分析或药理学研究全细胞膜片钳技术电压钳或电流钳记录破膜进入全细胞模式在全细胞模式下，可以选择电压钳模式（控制膜电形成高阻封接形成高阻封接后，再施加短暂强负压或电脉冲，破位，测量电流）或电流钳模式（控制电流，测量电将充满电解质溶液的玻璃微电极轻轻压向细胞膜表坏电极尖端下方的小片细胞膜，使电极内溶液与细位）电压钳模式常用于研究离子通道特性，而电面，通过轻微负压使电极与细胞膜形成紧密接触胞内液相通此时电极可直接测量整个细胞的膜电流钳模式适合研究动作电位和膜电位变化（称为gigaseal，电阻可达10⁹欧姆以上）这位，并向细胞内注入物质种高阻封接极大减少了背景噪声，提高了信号质量全细胞膜片钳技术相比传统细胞内记录有显著优势创伤更小，记录更稳定；可测量更小细胞（如中枢神经元）；可控制细胞内外离子环境；可同时记录电活动和注入荧光染料观察形态这种技术的开发者Erwin Neher和Bert Sakmann因此获得1991年诺贝尔生理学或医学奖单通道膜片钳技术记录配置技术特点单通道膜片钳是膜片钳技术的一种特殊配置，主要用于研究单单通道记录的主要特点是极高的分辨率，可检测单个通道开关个离子通道的特性根据膜片与电极的关系，可分为四种配状态引起的电流变化（通常为级别）记录到的单通道电pA置细胞贴附（）、内向撕脱（流呈现明显的量子化特征通道要么完全开放，要么完全关cell-attached inside-——）、全细胞（）和外向撕脱（闭，没有中间状态out whole-cell outside-）out单通道记录最常用的是细胞贴附和内向撕脱配置细胞贴附配通过分析单通道开放概率、开放时间、电导大小和对配体或电置下，电极与细胞膜形成高阻封接但不破膜，只记录电极下方压响应特性，研究者可以深入了解通道门控机制、药物作用位小膜片上的通道活动；内向撕脱配置则是将这片膜从细胞上撕点和通道亚型差异单通道膜片钳记录需要极高的信噪比和机下，使膜内侧暴露于实验溶液中械稳定性，通常使用减振台和法拉第笼来屏蔽干扰单通道膜片钳技术是研究离子通道最直接的方法，它揭示了许多宏观电流记录无法获取的细节例如，通过这项技术人们发现，通道蛋白构象变化是随机过程，遵循统计学规律；药物可以改变通道开放概率而非单通道电导；某些疾病与通道开关动力学异常有关等重要发现光遗传学与电生理结合应用基因工具光刺激控制电生理记录光遗传学技术利用光敏感蛋使用特定波长的光（如通道同时使用电生理记录技术白（如通道视紫蛋白2和细菌视紫蛋白2对蓝光敏感）照射（如膜片钳或细胞外记录）视紫蛋白）来控制特定神经表达光敏蛋白的神经元，可监测神经元的电活动变化元的活动通过基因工程方以精确地激活（通道视紫蛋这种结合允许研究者在精确法，将这些光敏蛋白的基因白2）或抑制（细菌视紫蛋控制特定神经元群体活动的选择性地表达在目标神经元白）这些神经元的活动光同时，记录这些活动对神经中，使其对特定波长的光产刺激可通过光纤或LED阵列环路功能的影响生反应传递，实现毫秒级时间精度和细胞类型特异性控制光遗传学与电生理结合应用的优势在于兼具高时间分辨率和高细胞特异性传统电刺激无法区分不同类型的神经元，而光遗传学可以靶向特定神经元亚群这种组合技术已广泛应用于神经环路功能研究、行为调控和疾病模型研究等领域例如，通过光激活特定神经元并记录其下游靶细胞的反应，可以绘制神经环路连接图谱；通过在特定时间点抑制某类神经元活动并观察行为变化，可以研究这些神经元在特定行为中的作用；通过在疾病模型中调节关键神经元的活动，可以探索新的治疗策略动作电位采集与分析实例1信号采集使用电生理放大器记录神经元电活动，信号经放大、滤波后转换为数字信号2波形识别通过波形特征（幅度、持续时间、上升/下降斜率）识别并分离动作电位3时序分析计算发放频率、间隔分布和时间模式，研究神经元编码特性4相关性研究分析多个神经元之间的时间关系，揭示功能连接和网络动态动作电位分析的关键步骤包括信号预处理（如带通滤波以去除噪声和慢波动）、峰值检测（通常使用阈值法或模板匹配法）和分类（将不同神经元的动作电位区分开）现代软件通常使用主成分分析PCA、独立成分分析ICA或聚类算法进行动作电位分类动作电位时间序列的分析方法包括瞬时发放率计算、区间直方图ISI分析、自相关和互相关分析、功率谱分析等通过这些分析可以研究神经元的编码特性（如速率编码或时间编码）、自发活动模式和对刺激的反应特性例如，某些神经元呈现节律性放电，某些神经元以簇发方式放电，这些模式反映了不同类型神经元的内在电生理特性脑电图（）的基本原理EEG信号来源信号采集主要是皮层锥体神经元树突的突触后电位产生的头皮电极记录大量神经元同步活动产生的电位波细胞外电流动节律分析信号处理根据频率划分为不同脑电节律，反映不同大脑状微弱信号经放大、滤波和数字化处理后进行分析态脑电图EEG是最常用的无创脑功能检测技术，通过头皮电极记录大脑皮层的电活动EEG主要反映的是大量神经元（至少数万个）同步活动产生的场电位，而非单个神经元的动作电位信号主要来源于皮层锥体神经元树突上的突触后电位，这些电位产生的细胞外电流在组织中流动，最终在头皮表面形成可测量的电位差EEG信号通常根据频率分为几种基本节律δ波

0.5-4Hz，深睡眠、θ波4-8Hz，嗜睡或冥想、α波8-13Hz，清醒放松、β波13-30Hz，警觉或焦虑和γ波30Hz，高度认知处理不同脑区和不同状态下这些节律的分布和强度有明显差异EEG具有极高的时间分辨率（毫秒级），但空间分辨率较低，难以精确定位信号源多通道同步记录与神经元群放电多通道同步记录技术允许研究者同时监测多个神经元或多个脑区的活动，为理解神经网络动态提供了强大工具常用技术包括多电极阵列、多束微驱动器和高密度电极现代系统可同时记录数十至数百个通道，捕获大量神经元的活动模式MEA ECoG神经元群放电分析的核心是研究神经元之间的功能关系和集体行为模式常用分析方法包括跨相关分析（研究神经元对之间的时间关系）、主成分分析（降维并提取主要变异模式）、集合解码（从群体活动中提取信息）和功能连接分析（构建神经元活动关系网络）这些分析帮助揭示神经编码的分布式特性，例如某些信息不是由单个神经元而是由神经元群的协同活动模式编码的经典电生理实验阑尾鞭毛神经纤维——年实验准备1939霍奇金和赫胥黎选择阑尾鞭毛鱿鱼巨轴突作为研究对象，这种轴突直径可达1毫米，便于操作和记录他们开发了轴内电极技术，能够直接测量轴突内外的电位差年突破性发现1945-1949他们首次直接记录到动作电位的完整过程，证实膜电位确实从负值快速变为正值再恢复的全过程通过电压钳技术，他们将膜电位固定在不同水平，测量相应的膜电流，首次分离出钠电流和钾电流两个组分年理论建立1952发表里程碑式论文，提出动作电位的离子理论，证明动作电位是由钠离子内流和钾离子外流依次发生引起的他们建立了描述动作电位产生和传播的数学模型（HH方程），该模型至今仍是神经电生理研究的基础年获得诺贝尔奖1963霍奇金和赫胥黎与埃克尔斯共同获得诺贝尔生理学或医学奖，以表彰他们在神经细胞膜离子机制研究中的开创性贡献这一工作奠定了现代神经电生理学的基础霍奇金-赫胥黎实验是神经科学史上的转折点，它不仅揭示了动作电位的基本机制，还建立了研究方法学的典范——将精确测量与定量数学模型相结合他们的工作展示了生物学研究中物理学和数学方法的强大力量，开创了计算神经科学的先河电生理在脑科学研究的前沿应用多模态整合研究微尺度神经环路绘制闭环神经调控现代神经科学研究越来越多地结合电生理、光学成通过组合使用通路示踪、单细胞电生理和电子显微镜最新研究开发了能够实时分析神经活动并做出反应的像、光遗传学和行为学等多种技术例如，同时进行技术，研究者能够在突触水平精确绘制神经元之间的闭环系统例如，当检测到特定神经活动模式（如癫钙成像和多通道电生理记录，可以将细胞活动与网络连接关系这些连接组学研究揭示了不同脑区内神痫发作先兆）时，系统可以自动启动光遗传或电刺激动态关联起来；将光遗传调控与电生理记录结合，可经元的连接规律，帮助理解信息处理的基本单元干预，调节异常活动这种技术为开发智能神经调控以研究特定神经元对整体网络功能的贡献设备奠定了基础•提供互补信息•突触级连接图谱•实时分析处理•验证不同层次结果•功能连接验证•条件触发干预•建立更完整理解•特异性连接模式•个性化治疗潜力电生理技术与大数据分析、人工智能和纳米技术的结合正在推动神经科学研究向更精细和系统的方向发展例如，新型柔性电极阵列可以长期稳定记录脑活动；高通量记录系统可以同时监测数千个神经元；先进的数据分析算法能够从复杂数据中提取有意义的模式和因果关系神经疾病的电生理诊断疾病类型电生理检查方法主要电生理特征癫痫脑电图EEG棘波、尖波、棘慢复合波；发作期高振幅同步放电帕金森病单神经元记录、局部场电位基底节异常同步振荡；黑质致密部多巴胺神经元活动减少肌萎缩侧索硬化症肌电图EMG、神经传导运动单位电位改变；传导速度减慢；纤颤电位多发性硬化诱发电位视觉、听觉、躯体感觉诱发电位潜伏期延长阿尔茨海默病EEG、诱发电位背景α波减少；P300波幅降低和潜伏期延长电生理检查在神经系统疾病诊断中具有不可替代的作用，它能提供神经系统功能状态的客观指标脑电图EEG是最常用的电生理诊断工具，广泛应用于癫痫、睡眠障碍和意识障碍的诊断肌电图EMG和神经传导检查则主要用于周围神经和肌肉疾病的评估近年来，定量脑电图QEEG、脑磁图MEG和高密度EEG等先进技术进一步提高了电生理诊断的精确性这些技术不仅用于疾病诊断，还可以监测疾病进展和治疗效果，甚至预测某些疾病的发生（如癫痫发作预警）此外，长时程视频脑电图监测技术可以连续记录患者数天的脑电活动，特别适用于发作性疾病的诊断电刺激神经调控新进展精准靶向自适应刺激无线技术微型化设计现代神经调控技术能够精确靶向特定最新的闭环神经调控系统能够实时监无线充电和远程调控技术减少了对植电极和刺激器的小型化使手术更加微脑区或神经环路先进的立体定向手测大脑活动，并根据检测到的模式自入硬件的依赖患者可通过智能设备创，减少并发症风险可完全植入的术规划和术中神经元记录技术确保电动调整刺激参数例如，只在检测到调整刺激参数，医生可远程监控系统系统提高了患者生活质量，新型柔性极放置精度新型定向刺激电极可产异常神经活动时才启动刺激，可减少性能和治疗效果，实现个性化精准治电极材料减少了脑组织反应，延长了生方向性电场，减少对周围组织的影副作用并节省电池寿命疗设备使用寿命响深部脑刺激DBS是目前应用最广泛的神经电刺激技术，已成功用于帕金森病、肌张力障碍、强迫症和难治性抑郁症等疾病的治疗除DBS外，其他电刺激方式如迷走神经刺激VNS、经颅磁刺激TMS、经颅直流电刺激tDCS等也在临床上广泛应用人工神经网络与生物电生理启示结构与功能类比互相启发的研究进展人工神经网络的基本构思来源于对生物神经系统的模拟人工深度学习的成功反过来也启发了神经科学研究例如，通过分神经元模拟了生物神经元整合输入并产生输出的基本功能，激析人工神经网络中信息表征的方式，研究者提出了新的假设来活函数类似于神经元的阈值发放特性，而权重调整则模拟了突解释生物神经系统的工作原理对深度学习模型的计算特性分触可塑性机制析帮助提出了可在实验中验证的大脑计算模型卷积神经网络的分层结构受到视觉皮层分级处理的启最新的神经形态计算芯片直接在硬件层面模拟神经元和突触的CNN发；循环神经网络的反馈连接模拟了大脑中的回路结特性，实现能效更高、更类似生物的计算这些芯片有助于开RNN构；而尖峰神经网络则直接模拟神经元的动作电位发放规律，发更高效的智能设备，同时也为理解大脑提供了新视角，形成更接近生物神经系统的工作方式了计算神经科学与人工智能研究的良性循环尽管人工神经网络取得了巨大成功，但与生物神经系统相比仍有显著差距生物神经元具有极其复杂的形态和电生理特性，单个神经元就是复杂的计算单元；神经系统利用时空编码传递信息，能效远高于当前人工系统；大脑具有自我组织和自适应能力，无需外部监督即可学习这些差异提示人工智能研究还有很大的进步空间课后思考题与拓展动作电位产生机制的再思考1若细胞外液中的钠离子浓度降低到接近细胞内浓度，动作电位的产生会受到什么影响？为什么某些神经毒素（如河豚毒素）阻断钠通道就能有效抑制神经系统功能？突触传递的复杂性2同一个神经递质（如谷氨酸）为什么能在不同突触产生不同效应？突触可塑性的分子机制与学习记忆的关系是什么？神经调质如何调节突触传递效率？实验设计挑战3如何设计实验验证特定类型神经元在某一认知功能中的作用？电生理技术、光遗传学和功能成像技术各有什么优缺点？如何结合这些技术获得更全面的神经系统功能信息？前沿研究方向探讨4未来的神经电生理研究可能向哪些方向发展？新型材料、纳米技术和人工智能将如何推动电生理技术进步？电生理研究对治疗神经精神疾病有哪些潜在应用？拓展阅读资料1《离子通道与疾病》，了解离子通道功能异常与多种疾病的关系；2《突触可塑性与学习记忆》，深入探讨突触变化与高级认知功能的联系；3《计算神经科学导论》，学习如何建立神经系统的数学模型；4《神经调控技术与应用》，了解电生理原理在临床治疗中的应用总结与答疑神经细胞基础结构与分类是理解功能的基础电信号产生与传导离子通道动力学决定信号特性突触传递与整合3信息编码和处理的关键环节实验技术与应用从基础研究到临床治疗本课程系统介绍了神经系统电生理特性的基本原理，从微观的离子通道到宏观的神经网络，揭示了神经系统如何通过电信号传递和处理信息我们学习了静息膜电位和动作电位的产生机制、神经信号的传导原理、突触传递的过程以及各种电生理研究技术理解神经系统的电生理特性对于神经科学研究和神经疾病的诊治具有重要意义电生理学不仅是神经科学的基础，也是连接分子生物学与认知科学的桥梁，帮助我们从多个层次理解大脑的工作原理期待同学们能将这些基础知识应用到未来的学习和研究中，探索神经系统更多的奥秘。