神经元的信息传递.ppt

第三讲神经元的信息传递,主讲人：张隆华,突触传递,突触的类型化学突触传递的原理突触整合的原理,神经科学 Neuroscience,神经科学 Neuroscience,突触：信息从一个神经元传递到另一个神经元的特殊的接触位点。1897，Charles Sherrington 将这些位点命名为“Synapse”；1959，Edwin Furshpan,David Potter 证实了电突触的存在；1921，Otto Loewi提供了化学突触的证据；1951，John Eccles应用玻璃微电极研究中枢神经系统突触传递的生理学。,Otto Loewi,Otto Loewi和迷走物质（化学突触）电刺激迷走神经可以减慢心脏搏动。收集浸泡过心脏的溶液，将它们施加到另一个分离的蛙心，致使蛙心搏动减慢。,一、突触的类型,神经科学 Neuroscience,1，电突触缝隙连接(gap junction)，突触前后膜间距仅3nm允许临近神经元的离子和小分子通过电突触直接从一个神经元流入到另外一个神经元。,电突触，化学突触,Connexon（连接蛋白）：6个连接蛋白形成连接子，2个连接子形成缝隙连接通道（六角形的离子通道）。通道直径 1-2nm，可通透细胞离子和部分小有机分子。通过连接蛋白的旋转可关闭电突触。,一、突触的类型,神经科学 Neuroscience,1，电突触,电突触传递的特点：电突触反应幅度较小（哺乳动物）；双向传递；无潜伏期；传播速度快；,一、突触的类型,神经科学 Neuroscience,1，电突触,使相邻细胞同步放电，对内环境不敏感。无脊椎动物中普遍存在；哺乳动物早期发育过程，允许相邻细胞共享电信号和化学信号。在神经系统胶质细胞、视觉系统、Schwann Cell髓鞘每层之间存在。在上皮细胞、平滑肌、心肌、肾细胞及部分腺体细胞间也普遍存在。,电突触常用研究方法：染料耦合（dye coupling），一般常用的是荧光黄，在相互联系的一侧神经元注射，如果存在电突触，荧光染料会通过缝隙连接进入到另一侧神经元，则可以表明有电突触的存在；通过双电极细胞内记录的方法，看看是否有突触延迟，以及兴奋是否同步传播；通过冰冻蚀刻和电镜技术观察其微观结构；通过免疫细胞组织化学方法鉴定是否存在连接蛋白（connexin）。,一、突触的类型,神经科学 Neuroscience,1，电突触常用研究方法,染料耦合（dye coupling），一般常用的是荧光黄，在相互联系的一侧神经元注射，如果存在电突触，荧光染料会通过缝隙连接进入到另一侧神经元，则可以表明有电突触的存在；通过双电极细胞内记录的方法，看看是否有突触延迟，以及兴奋是否同步传播；通过冰冻蚀刻和电镜技术观察其微观结构；通过免疫细胞组织化学方法鉴定是否存在连接蛋白（connexin）。,一、突触的类型,神经科学 Neuroscience,2，化学突触,（1）化学突触的特点：a、突触前膜b、突触间隙c、突触后膜,一、突触的类型,神经科学 Neuroscience,2，化学突触,a、突触前膜 一般为轴突末梢膨大，轴膜增厚形成，突触前膜胞质内含有的突触小泡是其形态学依据；活性带(active zone)，主要是介导神经递质的释放，主要由一些蛋白复合物组成（如 SNARE，与突触囊泡的胞吐和内吞相关的RIM蛋白等）突触小泡的大小和形态不同，与所含的神经递质种类相关。清亮小泡，兴奋性非肽类递质如谷氨酸和乙酰胆碱。扁平小泡，抑制性神经递质，如GABA 小致密核心囊泡，胺类如E、NE等 大致密核心囊泡，5-羟色胺，脑啡肽等肽类。多种神经递质共存。(large dense-core vesicle)膜上具有钙通道。,一、突触的类型,神经科学 Neuroscience,2，化学突触,b、突触间隙,宽度因突触类型的不同而不同，约 20nm，中枢 1030nm,神经肌肉 接头 5060nm。突触间隙充满纤维性胞外蛋白基质，粘附突触前膜和后膜。如受体的胞外段，突触前后膜上的细胞粘附分子。粘附分子（Cadherins钙依赖性粘附分子，NCAM神经细胞粘附分子等）。临近于前后膜或膜内紧密聚集的蛋白称为膜分化物(membrane differentiation)。,Active zoneSynaptic cleft,Synaptic cleft,PRE,POST,一、突触的类型,神经科学 Neuroscience,2，化学突触,c、突触后膜 突触后膜功能是接受突触前末梢释放的神经递质信号并传递到突触后神经元。结构组分：特定受体、受体相关的信号转导蛋白、通道、细胞骨架蛋白等。突触后致密带（postsynaptic density,PSD)，不仅有受体和通道蛋白，而且有 PSD95，PSD93等骨架蛋白，可以传递胞间信号为胞内信号。,Postsynaptic Density,神经科学 Neuroscience,神经科学 Neuroscience,一、突触的类型,神经科学 Neuroscience,2，化学突触,（2）中枢神经系统化学突触分类：根据连接形式，可分为：轴树 axodendritic 轴胞 axosomatic 轴轴 axoaxonic 树树 dendrodendritic,一、突触的类型,神经科学 Neuroscience,（2）中枢神经系统化学突触分类：根据突触前后膜分化的外形，可分为：,a、不对称的Gray type I（后膜厚度大于前膜）圆形突触小泡；大的突触间隙；活性带大；一般为轴-树突触；一般是谷氨酸能的，兴奋性突触居多b、对称的Gray type II（前后膜厚度对称）扁平或卵圆形突触小泡；小的突触间隙；活性带较小；一般为轴-胞突触；一般为GABA能的，抑制性突触居多,一、突触的类型,神经科学 Neuroscience,2，化学突触,（3）神经肌肉接头：,突触并非只是脑和脊髓所具有的，在脑和脊髓以外的，受神经支配的器官如腺体、平滑肌、心脏和骨骼肌也存在突触。脊髓运动神经元与骨骼肌之间的化学突触称之为神经肌肉接头。,一、突触的类型,神经科学 Neuroscience,2，化学突触,（3）神经肌肉接头：,神经肌肉接头的特点：突触传递快而准确 突触形态较大，早期研究对象 突触前膜含有大量的活性带 突触后膜有折叠并布满神经递质受体，作用面积大 临床意义，药理学效应模型,二、化学突触传递的原理,神经科学 Neuroscience,神经递质的合成，包装进入到囊泡，AP使囊泡分泌神经递质，突触后对神经递质的反应，多余神经递质的去除等等。,二、化学突触传递的原理,神经科学 Neuroscience,1、神经递质分类 1）根据分子结构（1）氨基酸:GABA,Glu,Gly（2）胺类:Ach,DA,E,NE,5-HT由突触囊泡储存/释放；（3）多肽：Neuropeptide Y,SP,CCK,VIP，由分泌颗粒储存和释放,2）根据作用快慢：快突触传递递质：Glu，GABA，Gly，Ach 慢突触传递递质：引发G蛋白耦联受体的递质,二、化学突触传递的原理,神经科学 Neuroscience,2、神经递质合成与储存 每种神经递质的合成各不相同；Glu和Gly富集于任何细胞，GABA和单胺的合成酶通过轴浆运输到轴突末梢，进行局部合成；氨基酸和单胺递质的储存通过囊泡膜上的转运体(transporter）进入囊泡；肽类包含在分泌颗粒中形成突触小泡；,二、化学突触传递的原理,神经科学 Neuroscience,3、神经递质释放(钙依赖性量子化胞吐式释放)（1）动作电位到来（2）电压依赖性钙通道开放（3）突触前膜内钙浓度升高（4）突触小泡融合到突触前膜（5）胞吐(exocytosis)释放神经递质胞吐作用：突触囊泡膜与活性带处的突触前膜融合，将囊泡内容物释放突触间隙。释放递质后的囊泡膜从突触前膜经内吞(endocytosis)形成新的囊泡，循环使用。分泌颗粒释放肽类物质因为距离激活区较远而需要高频串状动作电位的激活，且释放过程缓慢，需要50ms甚至更长时间。,二、化学突触传递的原理,神经科学 Neuroscience,4、神经递质受体和效应器（receptors and effectors）受体分类：配体门控离子通道（ligand-gated ion channel receptor），或促离子型受体(ionotropic receptor)；G 蛋白偶联受体(G protein-linked receptor)，或促代谢型受体(metabotropic receptor)自身受体(autoreceptor)，存在于突触前膜上的对于自身释放递质敏感的受体。,二、化学突触传递的原理,神经科学 Neuroscience,与电压门控离子通道不同的是，配体门控离子通道一般没有（阳）离子选择性。,递质(配体)门控离子通道快速突触传递,乙酰胆碱受体通道开放：Na、K 通透谷氨酸受体通道：AMPA受体：Na、K通透NMDA受体：Na、K、Ca通透甘氨酸和GABA受体通道开放：Cl通透,二、化学突触传递的原理,神经科学 Neuroscience,EPSP（Glu，Ach）,IPSP（GABA,Gly）,根据其受体开放后对Na+、K+和Cl-的通透性不同，分别可以产生去极化（EPSP）和超极化（IPSP）。,二、化学突触传递的原理,神经科学 Neuroscience,因为配体门控通道不具有离子选择性，因此在膜电位去极化到不同电位时，所引起的离子流动方向不同。施加Ach时，其膜电位去极化到不同程度，所引起的电流方向会有所不同，在某个电位时电量方向会发生反转。当电流为零时的电位值称之为反转电位（reversal potential）。如膜电位小于0mv，则Ach的门控通道电流是内向的，反之，是外向的。,反转电位的概念：,二、化学突触传递的原理,神经科学 Neuroscience,(2)G蛋白耦联受体慢速突触传递 缓慢、持久、多样性，可以是兴奋性或者是抑制性的。神经递质与受体相互结合；受体激活G-蛋白，后者可以在后膜内侧自由移动；G-蛋白激活效应器引发突触后膜反应。效应器就是G蛋白门控离子通道或酶。酶催化合成第二信使，进一步调节细胞功能。,二、化学突触传递的原理,神经科学 Neuroscience,(3)自身受体一般存在于突触前膜上，对自身所在神经元释放的递质敏感。主要是调节突触前膜神经递质的释放或者合成，类似于安全阀的作用，大多为G-蛋白耦联受体。1）调节神经递质释放：如GABA作用于突触前GABAB 受体。2）多巴胺自身受体可抑制多巴胺的合成，与cAMP的下降有关。,二、化学突触传递的原理,神经科学 Neuroscience,5、神经递质的灭活（1）扩散：远离所作用的受体，大脑皮层的Glu、GABA等氨基酸、肽类依靠扩散作用配合重摄取的效果。（2）重摄取：由突触前膜的特异性神经递质转运蛋白(transporter)负责，胶质细胞的转运蛋白也参与神经递质的灭活，递质摄取后被降解或者重新进入突触小泡。（3）酶降解：一些经典的神经递质。如AchE(胆碱酯酶)，催化活性高。,二、化学突触传递的原理,神经科学 Neuroscience,6、与神经递质有关的科学神经药理学(Neuropharmacology)概念：抑制剂：inhibitor，抑制突触传递中涉及到的各种特异性蛋白的正常功能。受体拮抗剂：receptor antagonist，与受体结合并阻断递质的正常作用 受体激动剂：receptor agonist，模拟天然神经递质的作用,三、突触整合的原理,神经科学 Neuroscience,中枢神经系统中神经元常常同时接受数以千计的突触输入，突触后神经元将不同的突触输入加以整合以动作电位的形式输出的过程。兴奋性突触后电位(Excitatory PostSynaptic Potential,EPSP)抑制性突触后电位(Inhibitory Postsynaptic Potential,IPSP)IPSP可以与兴奋性活动相互协调，抑制性电位可以改变自发放神经元的发放模式。,三、突触整合的原理,神经科学 Neuroscience,1、EPSP的整合(summation)空间整合Spatial summation，树突上的不同突触处的EPSP叠加。时间整合Temporal summation,同一个突触上不同时间内的EPSP叠加。,空间整合,时间整合(115ms),三、突触整合的原理,神经科学 Neuroscience,2、树突特性对突触整合的作用在树突上的EPSP要在轴丘处产生动作电位，还取决于此突触与axon hillock之间的距离以及树突膜本身的特性。突触电流必须沿树突流经胞体，并且使轴丘去极化超过阈值才能产生动作电位。,三、突触整合的原理,神经科学 Neuroscience,树突的电缆特性突触后电位是电紧张电位，随着传播时间和距离的变化，电位会逐渐减小。,三、突触整合的原理,神经科学 Neuroscience,3、抑制作用抑制性递质：GABA，Glycine，通道开放允许通过的离子是Cl-。氯通道开放时，将会驱使膜电位朝向ECl=-65mV，Vm如果比-65mV更正，则氯离子流入胞内，会使其产生超极化，为抑制性突触后电位IPSP。若Vm等于-65mV，当抑制性递质通道开放时，兴奋性突触电流可以通过此通道而流出（或短 路），不能产生去极化效应。称之为分流抑制（shunting inhibition)。,三、突触整合的原理,神经科学 Neuroscience,4、调制作用G蛋白耦联的受体不与离子通道直接关联，而是调节与递质门控通道耦联的突触所产生的EPSP。这种作用叫做调制作用(modulation)。,如NE 受体作用，磷酸化使钾通道关闭，增加膜电阻，从而使去极化传播更远，增加了轴丘产生动作电位的可能性。,神经科学 Neuroscience,神经递质系统,神经递质系统的研究方法神经递质化学神经递质门控的通道G-蛋白耦联的受体和效应器,一、神经递质系统研究,神经科学 Neuroscience,所有与神经递质有关的，包括神经递质本身，其合成机制，小泡包装，重吸收，降解和递质所引发的突触后膜的一系列作用等。,一、神经递质系统研究,神经科学 Neuroscience,1、神经递质的特征：Present，突触前神经元合成并储存，即突触前膜中有这种物质、合成这种物质的酶、后膜上具有相应的受体；Release，此神经元受到刺激可以将其从轴突末梢释放；Action，可以将该分子外加于突触，模拟并产生相同的突触后效应；Removal，突触内有一套完整的机制使神经递质在作用后失活和移除。,一、神经递质系统研究,神经科学 Neuroscience,1）神经递质及其合成酶的定位方法（突触前合成并储存）（1）免疫细胞化学(Imunnocytochemistry):解剖学上进行特定分子在特定细胞的形态学定位方法。可检测递质分子或者其合成酶。,2、研究神经递质分子的方法：,含肽类神经递质的神经元免疫细胞化学染色,要证明某种分子为神经递质，最好将此分子及其合成相关的酶定位在同一个神经元上。,一、神经递质系统研究,神经科学 Neuroscience,1）神经递质及其合成酶的定位方法（突触前合成并储存）（2）原位杂交(in situ hybridization)确定某一细胞是否合成某种特定的蛋白质或者多肽的方法。,2、研究神经递质分子的方法：,针对特定mRNA序列，通过碱基配对原则，利用人工合成的互补链mRNA 作为探针，在两条核酸链之间形成一个稳定的杂交复合体。这一原理对于检测一个特异的mRNA在某一种生物体，或者某些组织切片、单个细胞里具体表达位置非常有用。观察：通过放射性标记探针或者荧光探针,一、神经递质系统研究,神经科学 Neuroscience,2）神经递质释放的研究方法（确认此递质是从突触前释放？）刺激某个特异性的细胞群或者轴突，引发突触前膜释放神经递质并扩散到周围的组织液中，可以从组织液中提纯这种递质并研究其分子结构。中枢神经系统比较复杂，突触之间相互具有不同的神经递质，采用刺激某一细胞群往往会诱导多种突触神经递质的释放，需要全部收集起来鉴定。,实际实验：离体脑片，高钾溶液使膜去极化，在钙离子存在的情况下使神经递质释放。但此释放仍存在是直接还是间接的刺激结果的问题。,2、研究神经递质分子的方法：,一、神经递质系统研究,神经科学 Neuroscience,3）模拟神经递质在突触的活动（施加于突触上有作用）神经递质区别于神经调质的最重要的一点：此神经递质施加到突触间隙中可以模拟其在自然释放条件下所引发的突触后膜的反应。,微电泳 microionophoresis通过以上方法，可以确定该分子的定位、合成和释放的标准，确认该分子为神经递质。,2、研究神经递质分子的方法：,一、神经递质系统研究,神经科学 Neuroscience,受体亚型：能与同一神经递质结合的不同受体一种神经递质可以与不同的受体结合(亚型)，如Ach可以与nAchR 和 mAchR 相作用。研究神经递质受体亚型的方法：神经药理学方法 配体结合方法 分子生物学方法,3、受体的研究方法：,一、神经递质系统研究,神经科学 Neuroscience,3、受体的研究方法：,神经药理学方法 区别受体的亚型(1)Ach：muscarine AchR；nicotinic AchR;(2)Glutamate：NMDAR,AMPAR,KAR,胆碱能受体亚型分类的药理学特性,骨骼肌,心肌,激动剂拮抗剂,一、神经递质系统研究,神经科学 Neuroscience,3、受体的研究方法：,配体结合方法 未知其内源性递质，应用已知配体研究受体 通过适当的配体来研究受体在神经系统的分布，可以帮助我们了解此受体在神经系统内的分布，如海洛因，吗啡，阿片类药物的受体。,阿片受体与大鼠脑片的结合,一、神经递质系统研究,神经科学 Neuroscience,3、受体的研究方法：,3)分子生物学方法 研究受体的亚基，结构等,二、神经递质化学,神经科学 Neuroscience,一般的神经递质都与氨基酸有关，或本身是氨基酸或是氨基酸衍生物，或是肽类。乙酰胆碱例外。氨基酸类和胺类神经递质一般由不同的神经元储存或者释放，可以根据所释放的神经递质将神经元分类(Dale)。戴尔原则(Dales principle)：一个神经元仅含有一种神经递质。但肽类神经递质经常与单胺类或者氨基酸类神经递质一同释放。氨基酸和单胺类物质不会同时自同一神经元释放。,二、神经递质化学,神经科学 Neuroscience,1、胆碱能神经元 Ach存在于神经肌肉接头，主要在脊髓和脑干的运动神经元中合成。,胆碱乙酰基转移酶(choline acetytransferase,ChAT)在胞体合成，转运至轴突末梢，只有胆碱能神经元含有ChAT，是标志酶。胆碱(choline)来自于胞外液，通过chonline transporter 进入胞内，使胞外胆碱浓度维持在较低的水平。Ach是在轴突末梢胞浆中合成，通过Ach transporter 转运到突触囊泡中。胆碱酯酶(Acetylcholinesterase,AchE)可以从胆碱能或非胆碱能神经元中合成，其具有非常高的催化效率。,二、神经递质化学,神经科学 Neuroscience,2、儿茶酚胺能神经元均含有邻苯二酚的结构，包括有：多巴胺(dopamine,DA)，去甲肾上腺素(norepinephrine,NE)，肾上腺素（epinephrine,E or A)。,酪氨酸羟化酶（Tyrosine hydroxylase,TH)将酪氨酸催化合成Dopa；Dopa经多巴脱羧酶形成DA；多巴胺-羟化酶(DBH)催化DA成NE；苯乙醇胺N-甲基转移酶（PNMT）催化NE成E。没有快速降解酶，主要依靠转运体重摄取入神经末梢。,二、神经递质化学,神经科学 Neuroscience,3、5-羟色胺能神经元 5-HT(serotonin)，以色氨酸为前体合成，数目相对较少，在情绪、情感和睡眠中有重要作用。,其重摄取过程类似儿茶酚胺。某些抗抑郁药可以阻断5-HT的重摄取。,色氨酸在色氨酸羟化酶作用下生成5-羟色胺酸（5-HTP）5-羟色胺酸脱羧酶催化5-HTP生成5-HT,二、神经递质化学,神经科学 Neuroscience,4、氨基酸能神经元谷氨酸Glu，甘氨酸Gly,不仅可以合成蛋白质，而且是中枢神经系统的神经递质。Glu，Gly，GABA,谷氨酸能神经元：其神经末梢内谷氨酸含量高，且存在将谷氨酸转运到囊泡的转运体。GABA能神经元：谷氨酸是合成GABA的前体，在谷氨酸脱酸酶（GAD）作用下形成GABA。GAD是GABA能神经元的标志酶。,通过转运体选择性的被转运至突触前末梢或者胶质细胞中。,二、神经递质化学,神经科学 Neuroscience,4、氨基酸能神经元离子和递质的转运：神经元膜转运体囊泡膜转运体,二、神经递质化学,神经科学 Neuroscience,5、其它递质和信使物质ATP adenosine受体NO，endocannabinoid：逆行信使抑制突触前神经递质释放（GABA，Glu）。,二、神经递质化学,神经科学 Neuroscience,三、神经递质门控的通道,神经科学 Neuroscience,1、递质门控通道的结构以乙酰胆碱受体为例，一般递质门控受体是五聚体，受体的亚基种类不同，如乙酰胆碱受体由、组成，功能通道是2。Ach必需与两个亚基结合才能打开通道。每个亚基一般都含有四个螺旋（四次跨膜）,N型Ach受体结构,三、神经递质门控的通道,神经科学 Neuroscience,AMPA门控通道NMDA门控通道KA门控通道,2、氨基酸门控通道1）谷氨酸门控通道,三、神经递质门控的通道,神经科学 Neuroscience,2）GABA，Gly门控通道,GABAR、GlyR与AchR结构类似，含有、亚基，其中alpha亚基与递质相结合。对氯离子开放。GABAAR有多个作用位点：在GABA存在的情况下，苯二氮卓benzodiazepine,可以提高通道开放频率（抗焦虑和安定）；巴比妥Barbiturate,可以提高通道开放的持续时间（麻醉）。,2、氨基酸门控通道,四、G蛋白耦联的受体和效应器,神经科学 Neuroscience,7个跨膜alpha螺旋组成的单链多肽，两个胞外环为神经递质的结合位点；两个胞内环结合以及激活G蛋白,1、G蛋白耦联受体的基本结构,四、G蛋白耦联的受体和效应器,神经科学 Neuroscience,2、G蛋白的广泛分布,G蛋白激活基本模式：1、G蛋白有三个亚基，静息状态下GDP与G结合。2、递质与受体结合，GTP取代GDP，G蛋白活化。3、活化G蛋白分解为G和G，二者可以进一步激活效应器蛋白。4、G(GTP)具有酶活性，GTP水解成GDP，G失活。5、G与G重新聚合成复合体。G蛋白分为Gs，Gi，Gq，Gt，Go,四、G蛋白耦联的受体和效应器,神经科学 Neuroscience,3、G蛋白耦联效应器系统G蛋白与两种效应器相互结合而发挥作用：G蛋白门控离子通道（shortcut pathway）-直接通路-受体，G蛋白，离子通道G蛋白活化酶-第二信使通路,30100ms,