生理学神经系统功能活动的基本原理

生理学?神经系统的功能

神经系统（nervoussystem）是人体内占有主导地位的调节系统。控制着全身其他各系统的功能活动，使机体成为一个有序的整体，以适应各种内外环境的变化。神经系统一般分为中枢神经系统（centralnervoussystem）和周围神经系统（peripheralnervoussystem）两部分，前者是指脑和脊髓，后者则为脑和脊髓以外的部分。人类在漫长的生物进化过程中，通过生产劳动和社会交流，使其神经系统的功能，尤其是大脑皮层，不仅感觉和运动功能更趋完善，而且形成了语言，因而能进行复杂的认知和抽象的思维活动，使人脑的功能远胜于其他动物。本章主要介绍中枢神经系统的生理功能。

第一节神经系统功能活动的基本原理

一、神经元和神经胶质细胞

神经系统内主要含神经细胞和神经胶质细胞两类细胞。神经细胞（neurocyte）又称神经元（neuron），是一种高度分化的细胞。根据已积累的知识，一般认为神经元是神经系统功能活动的主要承担者，是构成神经系统结构和功能的基本单位（见网络增值服务）。神经胶质细胞（neurogliocyte）简称胶质细胞（glialcell，gliocyte），主要对神经元起支持、保护和营养等辅助作用，并通过再生修复受损的神经组织。

（一）神经元

1、神经元的一般结构和功能：人类中枢神经系统内约含10^11个神经元，各类神经元的大小和形态可相差很大（图9-1），但大多数神经元的一个共同特点，就是具有突起。突起可分为树突（dendrite）和轴突（axon）两类。不同神经元的树突数目多寡不一，但通常只有一个轴突。胞体发出轴突的部位称为轴丘（axonhillock）。轴突的起始部分称为始段（initialsegment）。在轴突主干上，常可成直角地发出侧支。轴突的末端有许多分支，每个分支末梢的膨大部分称为突触小体（synapticknob），它与另一个神经元相接触而形成突触（synapse）。

神经元是一类有极性的细胞。在功能上，胞体和树突通常是接受和整合信息的部位，轴突始段是产生动作电位的部位，轴突是传导动作电位的部位，而突触末梢则是信息从一个神经元传递给另一个神经元或效应细胞的部位。

在中枢神经系统，突触大多形成于胞体和树突膜上，尤以后者为多。在大脑皮层，约98%的突触见于树突，仅约2%位于胞体。由于多数神经元的树突具有很多分支，其表面积十分巨大，因而成为神经元参与兴奋和抑制活动的一个很大的空间。而且，树突分支上存在大量多种形态的树突棘（dendriticspine），它是接受其他神经元纤维末梢投射，形成突触的重要靶点。树突棘的数量在脑发育期不断增加，可在数分钟或数小时内发生改变或消失。智障儿童脑内树突棘的数量明显减少，而且变得异常细长（图9-2）。

2、神经纤维及其功能：轴突和感觉神经元的长树突二者统称为轴索，轴索外面包有髓鞘或神经膜便成为神经纤维（nervefiber）。在周围神经系统，形成髓鞘或神经膜的细胞是施万细胞（Schwanncell），而在中枢则为少突胶质细胞。根据髓鞘的有无，神经纤维可分为有髓神经纤维（myelinatednervefiber）和无髓神经纤维（unmyelinatednervefiber）。神经纤维末端称为神经末梢（nerveterminal）。神经纤维具有兴奋传导和轴浆运输的双重功能。

（1）神经纤维的兴奋传导：神经纤维的主要功能是传导兴奋。在神经纤维上传导着的兴奋或动作电位称为神经冲动（nerveimpulse），简称冲动。

1）神经纤维传导兴奋的特征：①完整性。神经纤维只有在其结构和功能上都完整时才能传导兴奋；如果神经纤维受损或被切断，或局部应用麻醉剂，兴奋传导将受阻。②绝缘性。一根神经干内含有许多神经纤维，但神经纤维传导兴奋时基本上互不干扰，其主要原因是细胞外液对电流的短路作用，即当微弱的局部电流流入大容量的细胞外液后便迅速消失，相当于电路接地，结果使局部电流主要在一条神经纤维上构成回路。③双向性。人为刺激神经纤维上任何一点只要刺激足够强，引起的兴奋可沿纤维向两端传播。但在在体情况中，神经冲动总是由胞体传向末梢，表现为传导的单向性，这是由神经元的极性所决定的。④相对不疲劳性。连续电刺激神经数小时至十几小时，神经纤维始终能保持其传导兴奋的能力，表现为不易发生疲劳；而突触传递则容易疲劳，可能与递质耗竭有关。

2）影响神经纤维传导速度的因素：不同类型的神经纤维传导兴奋的速度有很大的差别，这与神经纤维直径的大小、有无髓鞘、髓鞘的厚度以及温度的高低等因素有关。神经纤维直径越大，传导速度越快。神经纤维直径（以μm计）与传导速度（以m/s计）的关系大致是

传导速度（m/s）≈6×直径（μm）（9-1）

式中直径是指包括轴索加上髓鞘的总直径。有髓神经纤维以跳跃式传导的方式传导兴奋，因而其传导速度远比无髓神经纤维快。有髓神经纤维的髓鞘在一定范围内增厚，传导速度将随之增快；轴索直径与神经纤维直径之比为0.6：1时，传导速度最快。温度在一定范围内升高也可加快传导速度。一些脱髓鞘疾病，如Guillain-Baré综合征、多发性硬化症等，可因神经传导速度明显降低而出现一系列症状（见网络增值服务）；在临床上，测定神经传导速度有助于诊断神经纤维的疾患和估计神经损伤的预后。

Erlanger和Gasser根据神经纤维兴奋传导速度的差异，将哺乳动物的周围神经纤维分为A、B、C三类，其中A类纤维再分为α、β、γ、δ四个亚类。Lloyd和Hunt在研究感觉神经时，又根据纤维的直径和来源将其分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类，其中Ⅰ类纤维再分为Ⅰa和Ⅰb两个亚类。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类纤维分别相当于Aα、Aβ、Aδ、C类后根纤维，但又不完全等同。目前，前一种分类法多用于传出纤维，后一种分类法则常用于传入纤维（表9-1）。

（2）神经纤维的轴浆运输：轴浆运输（axoplasmictransport）是指借助于轴突内轴浆流动而进行的物质运输。用放射性核素标记的氨基酸注射到蛛网膜下隙中，可观察到注射物质首先出现在神经元胞体中，然后依次在轴突的近胞体端和远胞体端轴浆内出现。如果结扎神经纤维，可见到结扎部位的两端都有物质堆积，且近胞体端的堆积大于远胞体端，表明轴浆运输有自胞体向轴突末梢方向的顺向运输和自末梢向胞体方向的逆向运输，以顺向运输为主。如果切断轴突，不仅轴突远端部分发生变性，而且近端部分甚至胞体也将发生变性。可见，轴浆运输对维持神经元的结构和功能的完整性具有重要意义。

轴浆运输可分为自胞体向轴突末梢的顺向轴浆运输（anterogradeaxoplasmictransport）和自末梢到胞体的逆向轴浆运输（retrogradeaxoplasmictransport）两类。

1）顺向轴浆运输：根据轴浆运输的速度，顺向轴浆运输又可分为快速和慢速轴浆运输两类。顺向快速运输主要运输具有膜结构的细胞器，如线粒体、突触囊泡和分泌颗粒等；在猴、猫等动物坐骨神经内的运输速度约为mm/d。这种运输是通过一种类似于肌球蛋白的驱动蛋白（kinesin）而实现的。驱动蛋白具有一个杆部和两个呈球状的头部。杆部尾端的轻链可连接被运输的细胞器；头部则形成横桥，具有ATP酶活性，能与微管上的微管结合蛋白（microtubule-bindingprotein）结合。当一个头部结合于微管时，ATP酶被激活，横桥分解ATP而获能，使驱动蛋白的颈部发生扭动，于是，另一个头部即与微管上的下一个位点结合，如此不停地交替进行，细胞器便沿着微管被输送到轴突末梢（图9-3）。与此同时，微管也不断由胞体向轴突末梢方向移动。这是因为微管朝向末梢的一端不断形成，而朝着胞体的一端不断分解，从而使微管不断向末梢移动。慢速轴浆运输是指轴浆内可溶性成分随微管、微丝等结构不断向前延伸而发生的移动，其速度为1～12mm/d。

2）逆向轴浆运输：一些能被轴突末梢摄取的物质，如神经营养因子、狂犬病病毒、破伤风毒素等，在入胞后可沿轴突被逆向运输到胞体，对神经元的活动和存活产生影响。逆向轴浆运输的速度约为mm/d，是由动力蛋白（dynein）来完成的。动力蛋白的结构和作用方式与驱动蛋白极为相似。神经科学中常利用辣根过氧化物酶（horseradishperoxidase，HRP）进行神经通路的逆向示踪。

3、神经的营养性作用：神经能使所支配的组织在功能上发生变化，例如，引起肌肉收缩、腺体分泌等，这一作用称为神经的功能性作用（functionalaction）。除此之外，神经末梢还经常释放某些营养性因子，持续地调整所支配组织的内在代谢活动，影响其持久性的结构、生化和生理的变化，这一作用称为神经的营养性作用（trophicaction）。用局部麻醉药阻断神经冲动的传导，一般不能使所支配的肌肉发生代谢改变，表明神经的营养性作用与神经冲动关系不大。神经的营养性作用在正常情况下不易被觉察，但当神经被切断后即可明显表现出来，它所支配的肌肉内糖原合成减慢，蛋白质分解加速，肌肉逐渐萎缩。例如，脊髓灰质炎患者一旦前角运动神经元变性死亡，它所支配的肌肉将发生萎缩。

4、神经营养因子：神经的营养性作用可使其支配组织维持正常的代谢和功能；反过来，神经元也需要其支配组织或其他组织的营养性支持。神经营养因子（neurotrophin，NT）是一类由神经所支配的组织（如肌肉）和星形胶质细胞产生的且为神经元生长与存活所必需的蛋白质分子（见网络增值服务）。神经营养因子通常在神经末梢以受体介导入胞的方式进入末梢，再经逆向轴浆运输抵达胞体，促进胞体合成有关的蛋白质，从而发挥其支持神经元生长、发育和功能完整性的作用。近年来，也发现有些NT由神经元产生，经顺向轴浆运输到达神经末梢，对突触后神经元的形态和功能完整性起支持作用。

目前已被确定的NT有神经生长因子（nervegrowthfactor，NGF）、脑源神经营养因子（brainderivedneurotrophicfactor，BDNF）、神经营养因子3（NT-3）和神经营养因子4/5（NT-4/5），可能还有神经营养因子6（NT-6）。除以上经典的神经营养因子外，能影响神经元生长的还有睫状神经营养因子、胶质细胞源神经营养因子、白血病抑制因子、胰岛素样生长因子-1、转化生长因子、表皮生长因子、成纤维细胞生长因子和血小板源生长因子等。

已发现神经末梢上有高亲和力和低亲和力两类NT受体，高亲和力受体是一组为kD的酪氨酸激酶结合型受体，包括trkA、trkB和trkC受体三种。trkA受体对NGF的亲和力较高；trkB受体对DBNF和NT-4/5的亲和力较高；而trkC受体则主要与NT-3结合。各种受体均以二聚体的形式存在，受体激动后可触发胞质内酪氨酸蛋白激酶的磷酸化。低亲和力受体是一种75kD的膜蛋白，称为p75^NTR。这种受体的数量远多于高亲和力受体，约为后者的7倍。p75^NTR与trkA单体形成的异二聚体能增强与NGF特异结合的亲和力。但由两个p75^NTR聚合而成的同二聚体与NT结合时，则可引起相反的效应，甚至导致细胞凋亡。

（二）神经胶质细胞

神经胶质细胞广泛分布于中枢和周围神经系统中。在人类的中枢神经系统中，胶质细胞主要有星形胶质细胞（astrocyte）、少突胶质细胞（oligodendrocyte）和小胶质细胞（microglia）三类，其总数达（1～5）×10^12个，为神经元的10～50倍。在周围神经系统，胶质细胞主要有形成髓鞘的施万细胞和位于神经节内的卫星细胞等。

1、胶质细胞的特征：与神经元相比，胶质细胞在形态和功能上有很大差异。胶质细胞虽也有突起，但无树突和轴突之分；细胞之间不形成化学性突触，但普遍存在缝隙连接。它们也有随细胞外K+浓度改变而改变的膜电位，但不能产生动作电位。在星形胶质细胞膜中还存在多种神经递质的受体。此外，胶质细胞终身具有分裂增殖能力。

2、胶质细胞的功能：中枢少突胶质细胞和外周施万细胞的主要功能是形成髓鞘，中枢小胶质细胞属于吞噬细胞，而中枢星形胶质细胞是数量最多，也是功能最为复杂的胶质细胞。实际上目前对胶质细胞的功能还很少了解，主要有以下几方面的推测。

（1）支持和引导神经元迁移：中枢内除神经元和血管外，其余空间主要由星形胶质细胞充填，它们以其长突起在脑和脊髓内交织成网，形成支持神经元胞体和纤维的支架。此外还观察到，在人和猴的大脑和小脑皮层发育过程中，发育中的神经元沿胶质细胞突起的方向迁移到它们最终的定居部位。

（2）隔离作用：胶质细胞具有隔离中枢神经系统内各个区域的作用。星形胶质细胞的突起可覆盖投射到同一神经元群的每一神经末梢，以免不同来源传入纤维的相互干扰；也可包裹终止于同一神经元树突干上成群的轴突末端，形成突触小球，将它们与其他神经元及其突起分隔开来，以防止对邻近神经元产生影响。

（3）修复和再生作用：当脑和脊髓受损而变性时，小胶质细胞能转变成巨噬细胞，加上来自血中的单核细胞和血管壁上的巨噬细胞，共同清除变性的神经组织碎片。碎片清除后留下的缺损，则主要依靠星形胶质细胞的增生来充填，但增生过强则可形成脑瘤。在周围神经再生过程中，轴突沿施万细胞所构成的索道生长。

（4）免疫应答作用：星形胶质细胞是中枢内的抗原提呈细胞，其质膜中存在特异性主要组织相容性复合分子Ⅱ，后者能与经处理过的外来抗原结合，将其呈递给T淋巴细胞。

（5）参与脑屏障的形成：中枢神经系统内存在血-脑屏障、血-脑脊液屏障和脑-脑脊液屏障。星形胶质细胞的血管周足是构成血-脑屏障的重要组成部分，构成血-脑脊液屏障和脑-脑脊液屏障的脉络丛上皮细胞和室管膜细胞也属于胶质细胞。

（6）物质代谢和营养作用：星形胶质细胞一方面通过血管周足和突起连接毛细血管与神经元，对神经元起运输营养物质和排除代谢产物的作用；另一方面还能产生神经营养因子，以维持神经元的生长、发育和功能的完整性。

（7）稳定细胞外的K+浓度：星形胶质细胞膜上的钠泵活动可将细胞外过多的K+泵入胞内，并通过缝隙连接将其分散到其他胶质细胞，以维持细胞外合适的K+浓度，有助于神经元电活动的正常进行。当增生的胶质细胞发生瘢痕变化时，其泵K+的能力减弱，可导致细胞外高K+，使神经元的兴奋性增高，从而形成局部癫痫病灶。

（8）参与某些活性物质的代谢：星形胶质细胞能摄取神经元释放的某些递质，如谷氨酸和γ-氨基丁酸，再转变为谷氨酰胺而转运到神经元内，从而消除这类递质对神经元的持续作用，同时也为氨基酸类递质的合成提供前体物质。此外，星形胶质细胞还能合成和分泌多种生物活性物质，如血管紧张素原、前列腺素、白细胞介素，以及多种神经营养因子等。

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