神经元间相互作用的方式

(一)突触

1.突触的概念 细胞间的兴奋传递有两种:一种是神经元之间的兴奋传递,其神经元之间的连接结构称为突触(synapse),这种传递即突触传递(synaptic transmission);另一种是神经元与效应器之间的兴奋传递,如神经-肌肉接头的兴奋传递也可视为突触传递。

2.突触的分类 根据神经元之间的接触方式、信息的传递和功能特征不同,突触分类如下。

(1)根据神经元的轴突末梢与其他神经元的胞体或突起相接触,分为3类:①轴突-胞体突触;②轴突-树突突触;③轴突-轴突突触(图10-2)。

图10-2　突触类型

A:轴突与胞体相接触;B:轴突与树突相接触;C:轴突与轴突相接触

(2)根据其功能特点的不同,可分为兴奋性突触和抑制性突触两种:兴奋性突触是指突触前膜的变化引起突触后膜去极化,继而引起突触后神经元兴奋。抑制性突触则是指突触前膜的变化引起突触后膜超极化,使突触后神经元产生抑制。

(3)根据突触传递信息物的不同,分为化学性突触(chemical synapse)和电突触(electrical synapse):化学性突触的兴奋传递,突触处释放的信息是化学物质,是神经元之间兴奋传递的主要方式。电突触的结构基础是缝隙连接(gap junction),是两个神经元膜紧密接触的部位。两层膜间的间隔只有2~3nm,连接部位的神经元膜没有增厚,其旁轴浆内无突触小泡存在(图10-3),膜阻抗较低。连接部位存在沟通两细胞胞质的通道,带电离子可通过这些通道而传递电信号。因此,这种连接部位的信息传递是一种电传递,与化学性突触的递质传递完全不同。电传递的速度快,几乎不存在潜伏期。

图10-3　电突触和化学性突触的传递方向

箭头示传递方向;A.电突触;B.电突触和化学性突触

图10-4　化学性突触结构

3.突触的超微结构 一个突触由突触前膜、突触间隙和突触后膜3部分组成(图10-4)。突触前膜是突触前神经元突触小体的膜,与突触前膜相对的是突触后神经元的胞体或突起膜,称突触后膜,两膜之间为突触间隙。突触前膜和后膜较一般的神经元膜稍增厚,约7.5nm。突触间隙15~30nm,在突触小体的轴浆内,含有较多的线粒体和大量聚集的囊泡(突触小泡,synaptic vesicle)。突触小泡的直径为20~80nm,它们含有高浓度的神经递质。不同神经元突触小体内的囊泡大小和形状不完全相同,所含的神经递质也不同。突触后膜上分布有与相应神经递质结合的受体,受体与神经递质结合后产生生理效应。

重点提示

突触传递过程及原理。

4.突触传递的过程 当神经冲动传导到突触前膜时,突触前膜去极化,引起Ca2+通道开放,Ca2+内流,使突触小体内的正电荷增加,中和前膜内的负电荷,同时降低了轴浆的黏度,致使突触小泡向前膜移位并与之融合,最后导致前膜破裂,神经递质释放到突触间隙,递质经突触间隙扩散到突触后膜,使突触后膜产生去极化或超极化电位变化。如果突触前膜释放的是兴奋性递质,该递质与突触后膜受体特异性结合后,提高了突触后膜对Na+、K+的通透性,尤其是Na+的通透性,由于Na+内流比K+外流多,从而导致突触后膜去极化(图10-5),称为兴奋性突触后电位(excitatory postsynaptic potential,EPSP)。EPSP属于局部电位,如果突触后膜去极化的幅度达到阈电位,即爆发动作电位;若未能达到阈电位水平,虽不能产生兴奋,但提高了突触后神经元的兴奋性,使之容易产生兴奋,这种现象称之为突触的易化。如果突触前膜释放的是抑制性递质,该递质与突触后膜受体特异性结合后,提高了突触后膜对K+、Cl-的通透性,主要是Cl-的通透性,由于K+外流、Cl-内流,导致突触后膜超极化(图10-6),这种电位变化称为抑制性突触后电位(inhibitory postsynaptic potential,IPSP)。IPSP也属于局部电位,突触后膜的超极化,使得突触后膜的电位变化远离阈电位,故降低了突触后神经元的兴奋性,使之不易产生动作电位,从而产生抑制效应。

图10-5　兴奋性突触后电位产生机制

A.电位变化;B.突触传递

5.突触传递的特征

(1)单向传递:冲动通过突触时,冲动只能由突触前神经元的末梢向突触后神经元传递,而不能逆向传递。因为只有突触前膜才能释放神经递质。因而保证了反射活动有规律地进行。

(2)突触延搁:突触传递需要经历递质的释放、扩散、与后膜受体结合,突触后膜对某些离子通道开放,产生突触后电位等一系列过程,相对于兴奋在神经纤维上的传导来说,耗时较长,称之为突触延搁。在反射活动中通过的突触数目愈多,反射时间就愈长。反射活动的多突触联系主要位于中枢神经系统,所以兴奋在中枢传递耗时较长而称为中枢延搁。

图10-6　抑制性突触后电位产生机制

A.电位变化;B.突触传递

(3)总和:在突触传递过程中,突触后电位属于局部电位。突触前神经元发出一次冲动所引起的兴奋性突触后电位不足以使突触后神经元发生动作电位。如果在前一次冲动引起的突触后电位消失之前,紧接着发出第二次冲动或多次冲动,则新产生的突触后电位与前者相加,使突触后膜爆发动作电位。这种由时间先后产生的电位相加的现象称为时间总和。除时间总和之外,还存在空间总和,即一个突触后神经元同时接受不同神经末梢传来的冲动,则在突触后膜上所产生的突触后电位也可以相加起来。这种由不同部位产生的突触后电位相加的现象称为空间总和。兴奋性突触后电位和抑制性突触后电位均可发生时间总和和空间总和。

(4)后发放:在反射活动中,刺激停止后,传出神经仍可在一定时间内继续发动,这种现象称为后发放。中枢内神经元的环路式联系是后发放的结构基础。

(5)兴奋节律的改变:在反射活动中,传入神经和传出神经的冲动频率往往不同。这种兴奋性节律的改变,是因为传出神经的频率不仅要受传入神经的频率影响,而且还要受中间神经元以及自身功能状态的影响。因而最后传出冲动的节律是各种因素综合的结果。

(6)对内环境变化的敏感性和易疲劳性:突触部位对内环境的变化最敏感。缺氧、CO2、p H的变化或内环境中某些离子浓度的改变以及麻醉药等均可作用于突触,改变其兴奋性,影响突触的传递活动。突触部位也容易发生疲劳。例如,用较高频率持续刺激突触前神经元后,突触后神经元的放电频率会逐渐减少。这可能与突触小体内神经递质耗竭有关。易疲劳性是防止反射活动过度的一种保护性机制。

链接　储备“突触”——脑的可塑性

人脑约有10万亿个突触,它们相当于线路上的电源开关。一个神经细胞大概有1 000~10 000个突触,能接收来自3 000~10 000个其他神经细胞的信息。若仅就其中100万个神经元而论,如果按各种可能的方式成对的连接起来,则可能出现的组合总数竟达102 783 000个,这是一个十分惊人的数字。如果把他们依一定方式组合起来,脑细胞可能容纳的信息量相当于具有1 600万册藏书量的大型图书馆的50倍。人脑可塑性的实现就是依赖于这些突触,爱用脑的人脑内突触就多,不爱用脑的人就少。爱活动的人脑内突触就多,不爱活动的人就少。脑的可塑性是指已经具有某种功能的脑细胞,再次获得其他功能的能力。有人做过一个著名实验,用电极找出支配对侧拇指运动的全部皮质代表区,然后将它全部切除,对侧拇指握力消失,经过一段时间的训练,拇指握力又恢复,再用电极刺激切除部位周围区的皮质,出现拇指运动。这说明切除部位周围区的皮质,也就是原来不具备支配拇指运动的皮质,现在获得了支配拇指运动的能力。现代医学认为:只要大脑年轻,人就能长寿。老年人大脑的可塑性是很强的,这就为长寿奠定了基础。

(二)神经递质和受体

1.神经递质 突触传递是通过突触前膜释放化学物质来完成的。某种化学物质被确认为神经递质,应符合以下条件:①在突触前神经元内具有合成递质的前体物质和酶系;②递质储存于突触小泡,当兴奋冲动抵达神经末梢时,小泡内递质能释放入突触间隙;③递质通过突触间隙作用于突触后膜的特殊受体,发挥其生理作用;④存在使这一递质失活的酶或摄取回收;⑤用递质拟制药或受体阻断药能加强或阻断这一递质的突触传递作用。目前已发现的神经递质有130多种,根据其分布的部位不同分为周围神经递质和中枢神经递质。

图10-7　周围传出神经纤维的分类及末梢释放的递质,递质作用的受体

О.乙酰胆碱;▷.去甲肾上腺素

(1)周围神经递质:由传出神经纤维末梢释放的神经递质,称为周围神经递质。主要有以下3类(图10-7)。①乙酰胆碱。交感神经与副交感神经的节前纤维,副交感神经的节后纤维,少部分交感神经节后纤维(如支配汗腺的交感神经和骨骼肌的交感舒血管神经)以及躯体运动神经,以上神经末梢均释放乙酰胆碱(acetylcholine,ACh)作为递质,这类纤维统称为胆碱能纤维(cholinergic fiber)。②去甲肾上腺素。大部分交感神经节后纤维释放去甲肾上腺素作为递质,凡能释放去甲肾上腺素(noradrenaline,NE)的这类纤维称为肾上腺素能纤维(adrenergic fiber)。③嘌呤类或肽类。分泌此类递质的纤维主要存在于胃肠道,其神经元细胞体位于壁内神经丛,能分泌腺嘌呤化合物、三磷腺苷或肽类化合物,这类纤维称嘌呤能纤维。也有学者认为这类纤维能释放肽能化合物,包括血管活性肠肽和生长抑素等,故也称这种纤维为肽能神经纤维(peptidergic fiber),其作用是抑制胃肠道的运动,使消化道平滑肌舒张。

链接　乙酰胆碱与诺贝尔奖

乙酰胆碱(ACh)在1867年被化学合成。在1914年,Dale注意到乙酰胆碱有拟副交感神经作用。Loewi于1921年、Dale于1924年分别发现刺激迷走神经抑制心搏的物质就是ACh。1936年他们获得了诺贝尔生理学和医学奖。

(2)中枢神经递质:中枢神经系统的神经纤维末梢释放的神经递质称为中枢神经递质,中枢神经递质种类很多,大致可分为4类:①乙酰胆碱。在中枢神经系统内,能够合成和释放乙酰胆碱的神经元分布广,主要是脊髓前角内的运动神经元,丘脑后部腹侧的特异感觉投射神经元,脑干网状结构上行激动系统,丘脑纹状体内以及边缘系统的梨状区、杏仁核、海马内某些神经元等处存在乙酰胆碱递质系统,其功能主要使中枢神经系统兴奋,并可被阿托品所阻断。②单胺类。单胺类递质是指多巴胺、去甲肾上腺素和5-羟色胺。多巴胺(dopamine)递质系统主要包括3部分。即黑质-纹状体部分、中脑-边缘系统部分和结节-漏斗部分。去甲肾上腺素系统比较集中,主要分布于脑干的网状结构。按其纤维投射途径的不同,可分为3部分:上行部分的纤维投射到大脑皮质,起兴奋作用,投射到边缘叶和下丘脑的纤维,对情绪活动有激发作用。下行部分的纤维下达脊髓侧角和前角,起抑制作用。5-羟色胺(5-hydroxytryptamine,5-HT)递质系统也比较集中,其神经元主要位于低位脑干近中线区的中缝核内。上行部分的神经纤维投射到纹状体、丘脑、下丘脑、边缘前脑和大脑皮质,其功能与情绪生理反应及睡眠发生等功能有关。③氨基酸类。现已明确的有谷氨酸、门冬氨酸、氨酪酸(γ-氨基丁酸,GABA)、甘氨酸等。其中,谷氨酸、门冬氨酸为兴奋性递质,广泛分布于中枢神经系统内。GABA可能是大脑皮质部分神经元和小脑皮质浦肯野细胞的抑制性递质。甘氨酸也是一种抑制性递质,如与脊髓运动神经元构成抑制性突触联系的闰绍细胞,其末梢释放的递质就是甘氨酸。④肽类。肽类递质广泛分布于中枢神经系统。脑内的肽类递质非常复杂,相应的受体系统也相当复杂,对它们的了解有待进一步深入探索。

研究表明,一氧化氮(NO)、一氧化碳(CO)等气体分子在中枢神经系统中起着信息传递的重要作用,且具有神经递质的特性。NO、CO作为新的神经递质也引起人们的关注。

(3)递质的合成、释放和失活:①递质的合成。乙酰胆碱是由胆碱和乙酰辅酶A在胆碱乙酰移位酶的催化作用下合成的,合成后由小泡摄取并储存起来。去甲肾上腺素的合成以酪氨酸为原料,首先在酪氨酸羟化酶的催化作用下合成多巴,再在多巴脱羧酶作用下合成多巴胺;然后多巴胺被摄取入小泡,在小泡中由多巴胺β羟化酶催化进一步合成去甲肾上腺素,并储存于小泡内。多巴胺合成的前两步与去甲肾上腺素完全一样,多巴胺被摄取进入小泡后不再合成去甲肾上腺素,因为储存多巴胺的小泡内不含多巴胺β羟化酶。5-羟色胺的合成以色氨酸为原料,先在色氨酸羟化酶作用下合成5-羟色氨酸,再在5-羟色胺酸脱羧酶作用下将5-羟色氨酸合成5-羟色胺,然后5-羟色胺被摄取入小泡,并储存于小泡内。氨酪酸(γ-氨基丁酸)是谷氨酸在谷氨酸脱羧催化作用下合成的。肽类递质的合成与肽类激素的合成完全一样,它是由基因调控的,并在胞质核糖体上通过翻译而合成的。②递质的释放。当神经冲动抵达末梢时,末梢产生动作电位和离子转移Ca2+由膜外进入膜内,使一定数量的小泡以出胞方式释放神经递质,其具体过程见“突触的传递过程”。③递质的失活。进入突触间隙的递质作用于突触后膜的受体发挥生理作用后,递质即被迅速降解。如乙酰胆碱被胆碱酯酶水解成胆碱和乙酸而失去作用。去甲肾上腺素发挥生理作用后,一部分被血液循环带走,再在肝中被破坏失活;另一部分在效应细胞内被甲基移位酶和单胺氧化酶作用而被破坏失活;但大部分是由突触前膜将去甲肾上腺素再摄取,回收到突触前膜处的轴浆内并重新加以利用。多巴胺与5-羟色胺的失活与去甲肾上腺素的失活相似。递质的失活对保证神经元间或神经元与效应器之间兴奋的传递有重要意义。

2.受体 神经递质的受体(receptor)(图10-7)是指存在于突触后膜或效应器细胞上的特殊结构的蛋白质。神经递质必须与相应的受体结合才能发挥其效应。凡与乙酰胆碱结合的受体称为胆碱能受体(cholinergic receptor);与去甲肾上腺素或肾上腺素结合的受体则称为肾上腺素能受体(adrenergic receptor)。如果受体已被某种药物结合,或者受体的构型、构象因药物作用而发生改变,相应的递质就无法再与受体结合而发挥作用。这种占领受体或改变其构型、构象的药物称为受体阻断药或拮抗药。受体的种类很多,以下简要介绍外周受体。

(1)胆碱能受体:根据分布和作用的不同可分为两种,一种为毒蕈碱受体(M型受体),目前M型受体有5种亚型,分布在副交感神经节后纤维和胆碱能交感节后纤维所支配的效应器的细胞膜上。乙酰胆碱与M型受体结合后所产生的效应称为毒蕈碱样作用(M样作用),表现为心脏活动受抑制;支气管、胃肠道平滑肌、膀胱逼尿肌与瞳孔括约肌收缩;消化腺、汗腺分泌;骨骼肌血管舒张等。阿托品能与M受体结合而阻断乙酰胆碱的作用。另一种为烟碱(nicotin)受体(N型受体),它又可分N1和N2两个亚型:神经节突触后膜上的受体为N1受体,骨骼肌终板膜上的受体为N2受体。ACh与N型受体结合后所产生的效应称为烟碱样作用(N样作用),表现为节后神经元兴奋和引起骨骼肌收缩。筒箭毒碱是N型受体的阻断药(表10-2)。

(2)肾上腺素能受体:肾上腺素能受体(adrenergic receptor)是指能与去甲肾上腺素和肾上腺素结合的受体,可分为α型肾上腺素能受体(α受体)和β型肾上腺素能受体(β受体)。它们主要分布在交感神经节后纤维所支配的效应器上,有些组织只有α受体或β受体,有些既有α受体又有β受体。α受体可分为α1和α2受体2个亚型,β受体又可再分为β1、β2和β3 3个亚型。α受体引起的效应以兴奋为主(小肠平滑肌例外),β受体引起的效应主要是抑制(心肌例外)。去甲肾上腺素对α受体的作用强,对β受体的作用较弱;肾上腺素对α与β受体均有作用;异丙肾上腺素主要对β受体发生作用。不同受体有不同的阻断药,α受体的阻断药为酚妥拉明,普萘洛尔为β受体的阻断药(对β1、β2受体均有阻断作用),阿替洛尔(atenolol)主要阻断β1受体,丁氧胺主要阻断β2受体(表10-2)。

表10-2　胆碱能受体、肾上腺素能受体的分布及效应

链接　有机磷农药中毒的生理学基础及其急救

在生理情况下,自主神经(尤其是副交感神经)兴奋,其末梢释放的乙酰胆碱与胆碱能受体结合,产生胆碱能神经兴奋的效应后,乙酰胆碱被胆碱酯酶水解,使胆碱能效应解除。人接触或误服有机磷农药后,体内的胆碱酯酶与有机磷结合,不能及时水解乙酰胆碱因而胆碱能受体持续兴奋,根据胆碱能受体(M、N受体)的分布情况,故可引起胆碱能受体亢奋的表现,按系统归纳可引起以下不同症状。①呼吸系统。胸有压迫感、流涕、鼻黏膜充血,呼吸困难,发绀,呼吸肌无力,肺部听诊有啰音。②消化系统。恶心、呕吐、流涎、腹胀、腹痛。③神经系统。头痛、头晕、肌肉痉挛、抽搐、牙关紧闭、语言障碍、乏力、失眠、烦躁不安、大汗等。④其他。心搏迟缓、血压下降,水疱、红斑、糜烂、面色苍白等皮肤症状,瞳孔缩小、眼球重压感。有机磷农药中毒病人抢救原则:应标本兼治。其原则是使用胆碱能受体拮抗药和胆碱酯酶复活药,具体措施如下。①脱离现场;②冲洗;③洗眼;④催吐;⑤洗胃;⑥导泻;⑦应用M受体拮抗药——阿托品和胆碱酯酶复活药——碘解磷定。