第二节　个体神经细胞电活动

神经元的结构

神经元是构成神经系统结构和功能的基本单位，能够感受刺激和产生电位变化，并可传导电信号。神经元由胞体（soma）和突起组成，而突起又可分为轴突（axon）和大量的树突（dendrite）。胞体的大小差异很大，小的直径仅5～6μm，大的可达100μm以上。突起的形态、数量和长短也很不相同。树突多呈树状分支，接受刺激并将冲动传向胞体，轴突呈细索状，末端常有分支，称轴突终末（axon terminal），轴突将兴奋冲动从胞体传向终末。通常一个神经元有一个至多个树突，轴突只有一条。神经元的胞体越大，其轴突越长（图2-3A）。一个神经元的轴突末梢反复分支，末端膨大呈杯状或球状的突触（synapse）小体，与突触后神经元的胞体或突起相接触。一个突触前神经元可与许多突触后神经元形成突触，一个突触后神经元也可与许多突触前神经元的轴突末梢形成突触。神经元的胞体和树突构成一个内部导电，外部相对绝缘的树样结构，被成百上千的轴突所围绕。形成突触部分的细胞膜增厚，前一神经元轴突末梢的一部分轴突膜称为突触前膜，与之相对应的后一神经元的胞体、轴突或者树突膜则称之为突触后膜。两膜之间存在的间隙称为突触间隙。神经元之间在结构上并没有原生质相连，而是通过突触进行信息传递（图2-3B）。突触小体内含有丰富的线粒体和囊泡，囊泡内含有丰富的神经递质（neurotransmitter）。细胞膜上有各种受体和离子通道，二者各由不同的膜蛋白所构成。突触传递是电-化学-电的过程。当有冲动达到突触前膜时，囊泡内的神经递质就会释放到突触间隙，并扩散到突触后膜，而突触后膜上特异性受体或化学门控式通道可与相应的化学物质神经递质结合，引起某些离子通道的通透性改变，导致某些带电离子的跨膜运动，从而突触后膜内外电位差发生一定程度的去极化或者超极化改变，产生相应的兴奋或抑制生理活动。

离子通道和神经递质

离子通道（ion channels）是产生电信号的基础，其开-关状态是产生和传导电信号的基础。离子通道广泛存在于神经细胞以及肌肉、腺体等组织细胞膜上，由多种亚基构成的跨膜蛋白构成，形成的亲水性通道使离子进行跨膜转运。生物膜对无机离子的跨膜运输是通过离子通道进行主动运输（顺离子浓度梯度）或通过离子泵进行被动运输（逆离子浓度梯度）。存在于脑部的离子通道，按照激活类型可以划分为电压门控性通道（voltagegated channels）和配体门控性通道（ligand-gated channel），前者也称为电压敏感性通道，其开-关既具有电压依赖性（由膜电位水平决定），同时也具有时间依赖性（与电位变化的时间相关），包括常见的钾、钠、氯、钙通道等。配体门控性通道的开-关取决于与钙通道相偶联的受体状态，直接受该受体的配体调控。如乙酰胆碱（Ach）激活的钾通道。

随着神经生物学的发展，人们陆续在神经系统中发现了多种在突触传递中担当信使的神经递质。例如多巴胺（DA）、去甲肾上腺素（NE）、肾上腺素（E）、5-羟色胺（5-HT）等生物原胺类；γ-氨基丁酸（gama-amino-butyric acid，GABA）、甘氨酸、谷氨酸、乙酰胆碱（Ach）等氨基酸类，以及肽类和其他类型的神经递质。脑内主要的兴奋性氨基酸为谷氨酸和天门冬氨酸，对大脑皮质神经元、海马、丘脑、小脑等结构都能产生兴奋作用，是脑内大多数兴奋性神经元的递质。兴奋性氨基酸的受体包括NMDA受体、AMDA受体和海人酸受体。中枢神经系统的抑制性氨基酸主要为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，可引起神经元超极化的抑制效应。其中GABAA是化学门控通道受体，介导突触后抑制效应；GABAB受体则主要介导突触前抑制。此外，甘氨酸也是抑制性递质，但主要分布于脊髓、脑干和后脑，在前脑分布较少。

脑内5-羟色胺（5-HT）能神经元主要分布在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，动物实验显示破坏中缝核或给予5-HT受体拮抗剂后，动物出现严重失眠，尤以慢波睡眠减少更为明显。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。其作用表现为脑电和行为两个方面。刺激去甲肾上腺素上行背束通路可引起脑电低波幅快波，并伴有觉醒；损毁该通路或给予α-受体拮抗剂则引起脑电出现高波幅慢波的睡眠状态。

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蕈碱受体（M受体）。M受体具有兴奋性和抑制性双重作用。在同一个神经元上可以既有兴奋性M受体，也有抑制性M受体。M受体的兴奋作用和K+通道关闭、K+传导降低有关；抑制性作用则是K+通道开放及细胞膜超极化的结果。

突触电位

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）所释放的神经递质功能。由于细胞膜具有绝缘性质，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极化，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）（图2-3）。兴奋性电流主要与Na+、Ca2+内流有关，从细胞外流向细胞内，而抑制性电流主要涉及Cl-、K+外流，从细胞内环境流向细胞外。电流流入和流出所经过的细胞膜分别被称为 电穴（current sink）和 电源（current source）。

从生理学角度，由于突触电活动的持续时限为数十毫秒，时间上叠加对于这样相对的慢事件来说最容易获得，从而生成一个可以记录获得的EEG信号。

钠离子介导的快速动作电位

在静息情况下，细胞内以K+和有机负离子为主，细胞外以Na+、Ca2+和Cl-为主，维持静息电位在-70～-90μV（细胞膜内为负，细胞膜外为正）。在实验室内可以通过膜片钳技术对细胞内静息电位进行测量。

动作电位遵循“全或无”的出现方式，Na+通道的激活是电压依赖性的，对Na+有选择性通透作业，同时也具有对电压依赖性失活的特征。Na+介导的快速动作电位在细胞兴奋时，Na+通道开放，Na+内流，使膜内变正，产生去极化，形成动作电位的上升支；随后K+顺浓度差外流，膜内再次变负，称为复极化，形成动作电位的下降支（图2-4）。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。由于动作电位的上升支和下降支持续时间都很短，形成尖锋样形态，在细胞内记录到的动作电位也称为锋电位，而利用微电极在细胞外也可检测到峰电位，称为单位活动。

Na+峰电位可以产生接近于体细胞的高波幅电压偏转，不过Na+峰电位对于传统电极所记录到的脑电频段作用较少，因为由Na+快速内流构成的峰电位时间非常短暂（<2ms），在这样短的时间窗里附近的神经元很少能够同步兴奋，同时由于细胞外介质具有高通滤波特性，细胞外记录的单位活动电压远较慢的突触电位衰减得更快，因而不是构成EEG电位的主要成分。但神经元的同步兴奋对近年来观察到的脑电高频成分有作用。

钙离子介导的动作电位

通过电生理学和药理学研究，电压依赖性钙离子通道可以分为T型、L型、N型、P型、Q型以及R型等多个类型，由α、β、γ、δ等亚单位组成。电压依赖性钙通道亚型的分布具有组织结构特异性。例如，L型电压依赖性钙通道在海马锥体神经元的树突和胞体中都特别集中，对于神经元的发育、记忆功能都非常重要。

钙离子介导的动作电位是一种内向性的树突电流，通过电压依赖性机制激活，主要作用为促进突触的传入作用，并且有利于突触的可塑性改变。由于持续时间较长（10～100ms），相对于快动作电位，能够对细胞外电场产生作用。同时因为树突处的钙离子峰电位较高（10～50mV），而且持续时间较长，在一定条件下，可能在参与很多细胞外事件中起到一定作用，例如在癫痫的电生理变化中的钙离子锋电位（图2-5）。但目前对活体内钙离子峰电位知之甚少。

神经元的频率共振特性

不同部位的神经元具有对某些输入刺激频率的共振特性，神经元的频率振荡特性能够对特定频段的脑电活动敏感，即在特定的共振频段，弱的刺激也能产生较强的振荡。海马锥体细胞的胞体、丘脑皮质神经元等在θ频段有很好的共振特性，而抑制性中间神经元在γ频段有更好的共振性。因为共振是电压和频率共同依赖的，所以对细胞外电场强度的影响方式复杂。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。

峰电位超极化的低兴奋状态

快速峰电位的爆发以及相关树突处钙离子介导的峰电位形成之后，由于钙离子介导的钾离子电导激活而伴随着细胞膜的超极化。超极化状态也有助于细胞外电场的形成，尤其是当邻近神经元以一种短暂的同步化方式发生爆发时。

神经胶质细胞的电活动

大脑皮质中有数量众多的神经胶质细胞，如星形胶质细胞、少突胶质细胞、小胶质细胞等。神经胶质细胞通过缝隙连接形成神经胶质合胞体，使离子能够通过缝隙连接在胶质细胞内流动。尽管由于缺少钠离子通道，各种神经胶质细胞均不能产生动作电位，但神经胶质细胞的膜电位改变也可能有助于慢电场的形成。

最近对于神经细胞以及神经胶质细胞相互作用的研究表明，神经胶质细胞的胞体可能有助于慢波和亚慢波电场模式的形成。如图2-6所示，神经元放电导致的细胞外钾离子浓度增高，能够导致星形胶质细胞缓慢去极化，从而影响细胞外电场。图2-7则显示在ECoG记录的癫痫发作起始区出现缓慢的 阵发性去极化漂移（paroxysmal depolarized shift，PDS），也称 负相直流偏移（negative DC shift）。