第二節　個體神經細胞電活動

神經元的結構

神經元是構成神經系統結構和功能的基本單位，能夠感受刺激和產生電位變化，并可傳導電信號。神經元由胞體（soma）和突起組成，而突起又可分為軸突（axon）和大量的樹突（dendrite）。胞體的大小差異很大，小的直徑僅5～6μm，大的可達100μm以上。突起的形態、數量和長短也很不相同。樹突多呈樹狀分支，接受刺激并將沖動傳向胞體，軸突呈細索狀，末端常有分支，稱軸突終末（axon terminal），軸突將興奮沖動從胞體傳向終末。通常一個神經元有一個至多個樹突，軸突只有一條。神經元的胞體越大，其軸突越長（圖2-3A）。一個神經元的軸突末梢反復分支，末端膨大呈杯狀或球狀的突觸（synapse）小體，與突觸后神經元的胞體或突起相接觸。一個突觸前神經元可與許多突觸后神經元形成突觸，一個突觸后神經元也可與許多突觸前神經元的軸突末梢形成突觸。神經元的胞體和樹突構成一個內部導電，外部相對絕緣的樹樣結構，被成百上千的軸突所圍繞。形成突觸部分的細胞膜增厚，前一神經元軸突末梢的一部分軸突膜稱為突觸前膜，與之相對應的后一神經元的胞體、軸突或者樹突膜則稱之為突觸后膜。兩膜之間存在的間隙稱為突觸間隙。神經元之間在結構上并沒有原生質相連，而是通過突觸進行信息傳遞（圖2-3B）。突觸小體內含有豐富的線粒體和囊泡，囊泡內含有豐富的神經遞質（neurotransmitter）。細胞膜上有各種受體和離子通道，二者各由不同的膜蛋白所構成。突觸傳遞是電-化學-電的過程。當有沖動達到突觸前膜時，囊泡內的神經遞質就會釋放到突觸間隙，并擴散到突觸后膜，而突觸后膜上特異性受體或化學門控式通道可與相應的化學物質神經遞質結合，引起某些離子通道的通透性改變，導致某些帶電離子的跨膜運動，從而突觸后膜內外電位差發生一定程度的去極化或者超極化改變，產生相應的興奮或抑制生理活動。

離子通道和神經遞質

離子通道（ion channels）是產生電信號的基礎，其開-關狀態是產生和傳導電信號的基礎。離子通道廣泛存在于神經細胞以及肌肉、腺體等組織細胞膜上，由多種亞基構成的跨膜蛋白構成，形成的親水性通道使離子進行跨膜轉運。生物膜對無機離子的跨膜運輸是通過離子通道進行主動運輸（順離子濃度梯度）或通過離子泵進行被動運輸（逆離子濃度梯度）。存在于腦部的離子通道，按照激活類型可以劃分為電壓門控性通道（voltagegated channels）和配體門控性通道（ligand-gated channel），前者也稱為電壓敏感性通道，其開-關既具有電壓依賴性（由膜電位水平決定），同時也具有時間依賴性（與電位變化的時間相關），包括常見的鉀、鈉、氯、鈣通道等。配體門控性通道的開-關取決于與鈣通道相偶聯的受體狀態，直接受該受體的配體調控。如乙酰膽堿（Ach）激活的鉀通道。

隨著神經生物學的發展，人們陸續在神經系統中發現了多種在突觸傳遞中擔當信使的神經遞質。例如多巴胺（DA）、去甲腎上腺素（NE）、腎上腺素（E）、5-羥色胺（5-HT）等生物原胺類；γ-氨基丁酸（gama-amino-butyric acid，GABA）、甘氨酸、谷氨酸、乙酰膽堿（Ach）等氨基酸類，以及肽類和其他類型的神經遞質。腦內主要的興奮性氨基酸為谷氨酸和天門冬氨酸，對大腦皮質神經元、海馬、丘腦、小腦等結構都能產生興奮作用，是腦內大多數興奮性神經元的遞質。興奮性氨基酸的受體包括NMDA受體、AMDA受體和海人酸受體。中樞神經系統的抑制性氨基酸主要為GABA，相應的受體為GABAA受體和GABAB受體。GABA及其受體廣泛存在于腦組織中，可引起神經元超極化的抑制效應。其中GABAA是化學門控通道受體，介導突觸后抑制效應；GABAB受體則主要介導突觸前抑制。此外，甘氨酸也是抑制性遞質，但主要分布于脊髓、腦干和后腦，在前腦分布較少。

腦內5-羥色胺（5-HT）能神經元主要分布在腦干的中縫核群及藍斑、腳間核等部位。5-HT神經元的特點是放電緩慢而規律，其放電頻率為0.5～3Hz，困倦時放電減慢。中樞5-HT的活動與睡眠，特別是慢波睡眠有密切關系，動物實驗顯示破壞中縫核或給予5-HT受體拮抗劑后，動物出現嚴重失眠，尤以慢波睡眠減少更為明顯。中樞兒茶酚胺（CA）類物質包括腎上腺素和去甲腎上腺素。CA對中樞的作用以興奮為主，有助于維持中樞神經系統的覺醒狀態。其作用表現為腦電和行為兩個方面。刺激去甲腎上腺素上行背束通路可引起腦電低波幅快波，并伴有覺醒；損毀該通路或給予α-受體拮抗劑則引起腦電出現高波幅慢波的睡眠狀態。

乙酰膽堿是重要的神經遞質，其在中樞神經系統的主要受體為毒蕈堿受體（M受體）。M受體具有興奮性和抑制性雙重作用。在同一個神經元上可以既有興奮性M受體，也有抑制性M受體。M受體的興奮作用和K+通道關閉、K+傳導降低有關；抑制性作用則是K+通道開放及細胞膜超極化的結果。

突觸電位

一個神經元興奮后對下一級神經元的作用取決于神經末梢（突觸前膜）所釋放的神經遞質功能。由于細胞膜具有絕緣性質，興奮性神經遞質使突觸后膜去極化，導致靜息電位升高，神經元興奮性增加，引起興奮性突觸后電位（EPSP），而抑制性神經遞質則使突觸后膜超極化，靜息電位降低，神經元興奮性降低，引起抑制性突觸后電位（IPSP）（圖2-3）。興奮性電流主要與Na+、Ca2+內流有關，從細胞外流向細胞內，而抑制性電流主要涉及Cl-、K+外流，從細胞內環境流向細胞外。電流流入和流出所經過的細胞膜分別被稱為 電穴（current sink）和 電源（current source）。

從生理學角度，由于突觸電活動的持續時限為數十毫秒，時間上疊加對于這樣相對的慢事件來說最容易獲得，從而生成一個可以記錄獲得的EEG信號。

鈉離子介導的快速動作電位

在靜息情況下，細胞內以K+和有機負離子為主，細胞外以Na+、Ca2+和Cl-為主，維持靜息電位在-70～-90μV（細胞膜內為負，細胞膜外為正）。在實驗室內可以通過膜片鉗技術對細胞內靜息電位進行測量。

動作電位遵循“全或無”的出現方式，Na+通道的激活是電壓依賴性的，對Na+有選擇性通透作業，同時也具有對電壓依賴性失活的特征。Na+介導的快速動作電位在細胞興奮時，Na+通道開放，Na+內流，使膜內變正，產生去極化，形成動作電位的上升支；隨后K+順濃度差外流，膜內再次變負，稱為復極化，形成動作電位的下降支（圖2-4）。最后通過Na+-K+-ATP泵逆濃度差將細胞內多余的Na+運送到細胞外，同時將細胞外多余的K+運送到細胞內。由于動作電位的上升支和下降支持續時間都很短，形成尖鋒樣形態，在細胞內記錄到的動作電位也稱為鋒電位，而利用微電極在細胞外也可檢測到峰電位，稱為單位活動。

Na+峰電位可以產生接近于體細胞的高波幅電壓偏轉，不過Na+峰電位對于傳統電極所記錄到的腦電頻段作用較少，因為由Na+快速內流構成的峰電位時間非常短暫（<2ms），在這樣短的時間窗里附近的神經元很少能夠同步興奮，同時由于細胞外介質具有高通濾波特性，細胞外記錄的單位活動電壓遠較慢的突觸電位衰減得更快，因而不是構成EEG電位的主要成分。但神經元的同步興奮對近年來觀察到的腦電高頻成分有作用。

鈣離子介導的動作電位

通過電生理學和藥理學研究，電壓依賴性鈣離子通道可以分為T型、L型、N型、P型、Q型以及R型等多個類型，由α、β、γ、δ等亞單位組成。電壓依賴性鈣通道亞型的分布具有組織結構特異性。例如，L型電壓依賴性鈣通道在海馬錐體神經元的樹突和胞體中都特別集中，對于神經元的發育、記憶功能都非常重要。

鈣離子介導的動作電位是一種內向性的樹突電流，通過電壓依賴性機制激活，主要作用為促進突觸的傳入作用，并且有利于突觸的可塑性改變。由于持續時間較長（10～100ms），相對于快動作電位，能夠對細胞外電場產生作用。同時因為樹突處的鈣離子峰電位較高（10～50mV），而且持續時間較長，在一定條件下，可能在參與很多細胞外事件中起到一定作用，例如在癲癇的電生理變化中的鈣離子鋒電位（圖2-5）。但目前對活體內鈣離子峰電位知之甚少。

神經元的頻率共振特性

不同部位的神經元具有對某些輸入刺激頻率的共振特性，神經元的頻率振蕩特性能夠對特定頻段的腦電活動敏感，即在特定的共振頻段，弱的刺激也能產生較強的振蕩。海馬錐體細胞的胞體、丘腦皮質神經元等在θ頻段有很好的共振特性，而抑制性中間神經元在γ頻段有更好的共振性。因為共振是電壓和頻率共同依賴的，所以對細胞外電場強度的影響方式復雜。神經元的這些內在性質和突觸的性質共同決定了腦電活動的基本方式。

峰電位超極化的低興奮狀態

快速峰電位的爆發以及相關樹突處鈣離子介導的峰電位形成之后，由于鈣離子介導的鉀離子電導激活而伴隨著細胞膜的超極化。超極化狀態也有助于細胞外電場的形成，尤其是當鄰近神經元以一種短暫的同步化方式發生爆發時。

神經膠質細胞的電活動

大腦皮質中有數量眾多的神經膠質細胞，如星形膠質細胞、少突膠質細胞、小膠質細胞等。神經膠質細胞通過縫隙連接形成神經膠質合胞體，使離子能夠通過縫隙連接在膠質細胞內流動。盡管由于缺少鈉離子通道，各種神經膠質細胞均不能產生動作電位，但神經膠質細胞的膜電位改變也可能有助于慢電場的形成。

最近對于神經細胞以及神經膠質細胞相互作用的研究表明，神經膠質細胞的胞體可能有助于慢波和亞慢波電場模式的形成。如圖2-6所示，神經元放電導致的細胞外鉀離子濃度增高，能夠導致星形膠質細胞緩慢去極化，從而影響細胞外電場。圖2-7則顯示在ECoG記錄的癲癇發作起始區出現緩慢的 陣發性去極化漂移（paroxysmal depolarized shift，PDS），也稱 負相直流偏移（negative DC shift）。