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1 突触传递 浙江大学医学院罗建红 Main Reference: Neuroscience Exploring the Brain, 3 rd Ed. By M.F. Bear, B.W. Connors, and M.A. Paradiso

2 概论 突触类型 ( 电突触 化学突触 ) (Electrical synapses/chemical synapses) 化学突触传递的原理 - 神经递质 Neurotransmitters (NT) - 合成与储存 Synthesis and storage - 释放 Release - 受体与效应器 Receptors and effectors - 复原与降解 Recovery and degradation - 神经药理学 Neuropharmacology 突触整合的原理兴奋性突触后电位 (EPSPs) 的整合树突特征的贡献抑制 (Inhibition) 调制 (Modulation)

3 导 论 十九世纪末, 人们已认识到信息从一个神经元到另一个神经元的传递发生在神经元间特殊的位点 ( 例 : 疼痛的反应 )

4 Introduction 导论 突触 Synapse (1897 Charles Sherrington) 突触传递 two hypothesis Argued for a century on its physical nature. 电突触 - Electrical synapse (Proven in 1959 by E. Furshpan and D. Potter in crayfish) 化学突触 - Chemical synapse 年 Otto Loewi 获得可靠证据 ; 2. B. Katz 等证明神经肌接头的快速传递是化学介导的 年 John Eccles 用玻璃电极研究了哺乳动物中枢神经系统 (CNS) 的突触传递 4. 过去十年, 研究分子的新技术显示突触是很复杂的装置 是一项重要的研究主题

5 导 论 Otto Loewi ( ), 德国出生的药理学家, 乙酰胆碱 (acetylcholine) 发现者,1936 年医学生理学诺贝尔奖获得者 来自 1921 年复活节周日的梦中灵感的著名实验 : 发现 迷走物质 vagusstoff, 后来被证明是乙酰胆碱 (acetylcholine), 显示突触传递采用化学信号物质

6 突触类型 突触是神经元特化的连接, 是一个神经元与另一个神经元或其他细胞 ( 如肌肉或腺体细胞 ) 接触和交换信息的部位 神经元间信息单向流动, 或从神经元流向其靶细胞 前者为突触前 ( presynaptic) 后者接受信息的靶细胞称之为突触后 ( postsynaptic ) 电突触 (Electrical synapses) 六个 connexins 形成一个通道, 称之为 connexon, 两个 connexon ( 各来自一个细胞 ) 形成一个 gap junction 通道 通道的孔相对较大, 直径 1 2 nm, 足以允许细胞内离子及许多小分子有机分子透过其直接从一个细胞到另一个细胞

7 突触类型 一个 gap junction 将两个细胞的神经突起连接在一起 六个 connexin 亚基构成一个 connexon, 两个 connexon 形成 gap junction 通道, 许多这样的通道构成了一个 gap junction

8 突触类型 电突触的功能特征 : 双向等效通过 电耦合 快速, 如是大的电突触则从不出错 (fail-safe), 因此, 一个突触前神经元的动作电位几乎同时会产生一个突触后神经元的动作电位 在无脊椎动物, 如小龙虾, 在介导逃跑反应的神经通路中的感觉和运动神经元之间常常会看到有电突触

9 突触类型 电突触也存在于脊椎动物的神经系统 中枢神经系统各部分均有 在电耦合的神经元间, 突触前的动作电位可以引起一个小的离子流, 跨过 gap junction channels 流入另一个神经元, 产生突出后电位 (postsynaptic potential, PSP) 哺乳动物脑由单个电突触产生的 PSP 通常很小 其峰值约 1 mv 或更小 这样, 仅凭该电位是不足以触发突触后细胞的动作电位的 哺乳动物电突触具体的作用因脑区不同而不同 ( 如 : 同步化 synchronize; 发育协调 developmental coordination;). 见教科书,Box 5-2 by Michael V. L. Bennett

10 突触类型 电突触 : (a) 缝隙连接 (gap junction) 偶联了二个神经元构成一个电突触 ;(b) 一个神经产生一个动作电位导致一个小的离子流通过缝隙连接通道进入另一个神经元, 诱导一个突触后电位 (PSP)

11 突触类型 化学突触 (Chemical synapses) 一般概念 : 突触间隙 (synaptic cleft) (20 50 nm ), 充满纤维状细胞外蛋白质混合物, 这种细胞间基质的功能之一就是使突触前后细胞膜相互粘附在一起 突触前组分 (presynaptic element), 通常是轴突末梢突触囊泡 (synaptic vesicles) ( 直径 50 nm), 储存神经递质 (neurotransmitter) 用于与突触后神经元通讯分泌颗粒 (secretory granules )( 直径约 100 nm 的囊泡 ) 含有可溶性蛋白 ( 电镜下呈暗色, 也称大致密核心囊泡 large dense-core vesicles) 膜特化区 (Membrane differentiations) 突触两侧膜结构活化区 (Active zone) 椎体状, 神经递质释放位点突触后致密区 ( postsynaptic density) 含有受体使得细胞间信号转换成细胞内信号

12 突触类型 化学突触的组分

13 突触类型 中枢神经系统突触的类型 : 结构多样 : 轴突 - 树突 轴突 - 胞体 轴突 - 轴突 树突 - 树突 (Axodendritic, Axosomatic, axoaxonic, dendrodendritic) 大小 形态差异也很大 突触前 Presynaptic 突触后 Postsynaptic 线粒体 Mt 活性区 AZ V 囊泡 DCV 致密核心囊泡 化学突触 ( 电镜照片 ) ( 左 ) 中枢化学突触 ( 右 ) 具有致密核心囊泡的周围神经突触

14 突触类型 CNS 突触结构模式 :a. 轴突 - 树突 ; b. 轴突 - 胞体 ; c. 轴突 - 轴突

15 突触类型 CNS 突触的大小差异 注意 : 大突触有更多的活性区

16 突触类型 CNSap 突触膜分化的两种类型 : (a) Gray I 型, 突触前后不对称, 通常是兴奋性的 (b) Gray II 型, 突触前后对称, 通常是抑制性的

17 突触类型 CNS 外也存在突触联系 : 自主神经系统投射至腺体 平滑肌和心脏的突触 脊髓运动神经元与骨骼肌之间的神经肌接头 (NMJ, Neuromuscular junction), 其突触结构与 CNS 突触差异大 NMJ 的突触传递快速而可靠, 运动神经元的一个动作电位总会导致一个其投射的肌细胞的动作电位 ( 决定这种可靠性的突触特征是什么?) 许多有关突触传递的知识来源于 NMJ 的研究

18 突触类型 神经 - 肌接头, 其突触后膜 ( 也成为运动终板, motor endplate) 含有许多连续的皱褶和突触后受体 )

19 化学突触传递的原理 化学突触传递的基本要求 : 神经递质的合成及囊泡内包装 ; 作为对突触前动作电位的响应, 囊泡内神经递质释放进入突触间隙 ; 引起突触后神经元的电或生化改变 ; 突触间隙内递质的清除 突触传递过程快速, 因此能介导感觉 感知及运动控制 (sensation, perception, and the control of movement)

20 神经递质 ( 三类化学递质 ) 化学突触传递的原理 g- 氨基丁酸 乙酰胆碱 胆囊收缩素 谷氨酸 多巴胺 强腓肽 甘氨酸 肾上腺素 脑啡肽 组胺 N- 乙酰门冬氨酰谷氨酸 去甲肾上腺素 神经肽 Y 5- 羟色胺 生长抑素 P 物质促甲状腺素释放激素血管活性肠肽

21 化学突触传递的原理 神经递质 三类 : 胺类 氨基酸类 神经肽类 分泌颗粒和突触囊泡 (Secretory granules and synaptic vesicles) 同一轴突末梢常有共存 : 胺类 + 神经肽氨基酸 + 神经肽 不同的神经元释放不同的神经递质快传递 ; 神经肌接头 ; 慢传递

22 化学突触传递的原理 (a) 神经递质结构图示 谷氨酸, g- 氨基丁酸 (GABA) 甘氨酸 (b) 乙酰胆碱, 去甲肾上腺素 (c) P 物质

23 化学突触传递的原理 神经递质合成与储存 胺类与氨基酸类神经 : ➀ 合成相关的酶转运至轴突末梢, 在末梢胞质内将前体分子转化为神经递质 ; ➁ 递质转运体 (transporters) 就地将神经递质装载入突触囊泡内, 并储存于末梢 ; Glu, Gly 与 GABA, the amines 递质的异同 神经肽 : ➀ 前体肽 ( 长肽 ) 合成于神经元胞体内的粗面内质网 ; ➁ 在高尔基体被酶切产生具有活性的神经肽 ; ➂ 由高尔基体出芽产生含有神经肽的囊泡 ; ➃ 该分泌颗粒通过轴桨运输 (axoplasmic) 运往神经末梢并储存于此

24 化学突触传递的原理 转运体, 囊泡膜上的蛋白质, 摄取氨基酸及胺类神经递质并将其浓缩储存于囊泡内

25 化学突触传递的原理 神经递质的释放 动作电位传至轴突末梢 末梢细胞膜去极化 位于活性区的电压门控钙离子通道开发 ([Ca 2+ ]i mm 0.1 mm) 囊泡释放 ( 除胞,exocytosis) 递质内容进入突触间隙 ; 出胞过程很快,Ca 2+ 进入后约 0.2 msec 内完成 ( 为什么?)? 细胞内钙 [Ca 2+ ] i 刺激出胞过程的机制 : 囊泡储存库绑定在细胞骨架上囊泡锚定于活性区 SNARE 蛋白质复合物, 因 [Ca 2+ ]i 上升会改变构象出胞过程囊泡回收和递质重新填充

26 化学突触传递的原理 出胞介导的神经递质的释放

27 化学突触传递的原理 从突触后受体侧看神经递质的释放 (a) 蛙神经肌接头活性区细胞外表面照片 钙通道 calcium channels (b) 刺激突触前末梢释放递质后照片 出胞后的融合孔 (fusion pores) 即突触囊泡与突触前膜融合并释出内容物后而成

28 化学突触传递的原理 SNARE 蛋白复合体与囊泡融合 (Box 5.3) SNARE: SNAP Receptor SNAP: Soluble NSF Attach Protein NSF: N-ethylmaleimide-sensitive factor (N- 乙基马来酰亚胺敏感的融合因子 )

29 化学突触传递的原理 分泌颗粒释放神经肽也是出胞过程 : 钙依赖性没有典型的活性区 需要高频率成串的动作电位及更多的钙内流 相对较缓慢的过程, 约需 50 msec 或更多的

30 化学突触传递的原理 神经递质受体和效应器 神经递质与突触后致密区上特异的受体结合 ; 就像钥匙开锁, 诱导了受体的构象改变并导致不同的细胞功能 ; 已知有 100 多种受体, 可以分成二大类 : 递质门控离子通道和 G- 蛋白偶联受体

31 Principles of chemical synaptic transmisson 化学突触传递的原理 受体受体通道离子通道 G- 蛋白偶联受体 ( 代谢型受体 ) 酪氨酸激酶受体核受体 配体门控通道 ( 递质门控通道 ) ( 离子型受体 ) 电压门控通道机械门控通道其他

32 化学突触传递的原理 递质门控离子通道 由 4-5 个亚基组成的跨膜离子孔道 关闭状态到开放状态 : 神经递质为内源性配体, 结合于特殊的位点, 导致构象变化 不同离子通透性具有不同的功能后果 乙酰胆碱门控离子通道的结构

33 化学突触传递的原理

34 化学突触传递的原理 递质门控离子通道的离子选择性及突触后电位 对 Na + 通透, 去极化, 兴奋性 ( 乙酰胆碱受体 谷氨酸受体 ) 兴奋性突触后电位 (Excitatory postsynaptic potential,epsp)

35 化学突触传递的原理 对 Cl - 通透, 超极化, 抑制性 (GABA 受体 甘氨酸受体 ) 抑制性突触后电位 (Inhibitory postsynaptic potential,ipsp)

36 化学突触传递的原理 G- 蛋白偶联受体 (GPCR) 快速化学突触传递是由氨基酸和胺类神经递质作用于递质门控离子通道介导的 然而, 三类神经递质也都能作用于 GPCR, 起到缓慢而持久 且更为多样的突触后作用 这种形式的突触传递作用有以下三步 : 1 递质结合于突触后膜的受体上 ; 2 受体激活 G- 蛋白, 后者沿突触后膜内侧面自由移动 ; 3 活化的 G- 蛋白激活 效应器 (effector) 蛋白

37 化学突触传递的原理 效应器蛋白 Effector proteins 细胞膜上的 G- 蛋白偶联受体 ( 左 ) 合成第二信使的酶 ( 右 ) 第二信使可以进一步激活细胞质内其它能调控离子通道和改变细胞代谢的酶 因此 GPCR often 常被称为代谢性受体 ( metabotropic receptors)

38 化学突触传递的原理 同样的神经递质与不同的提出后受体结合就可以产生不同的突触后作用 如在心脏, 有种代谢性 Ach 受体通过 G- 蛋白偶联至钾通道, 具有减缓心率的作用, 其机制是延缓心肌细胞的超极化 又如在骨骼肌,Ach 门控受体是离子通道, 对 Na + 通透, Ach 通过肌纤维细胞的快速去极化诱导肌肉收缩

39 化学突触传递的原理 自身受体 (Autoreceptors) 神经递质受体也常存在于突触前轴突末梢的细胞膜上, 因对末梢自身释放的递质敏感, 称为自身受体, 经典的都是 GPCR 激活自身受体共同后果是抑制神经递质的释放 这种一种突触前末梢自身调节的负反馈机制

40 化学突触传递的原理 神经递质恢复和降解 释放于突触间隙的神经递质必须清除后才能开始下一轮的突触传递 简单扩散 (Simple diffusion ) 大多氨基酸和胺类神经递质 重摄取 (Reuptake) 由位于突触前膜特异的转运体 (transporter) 蛋白完成 神经递质一旦重新进入末梢细胞质后, 或被酶解或被重新装载进囊泡里 递质转运体也存在于突触周边胶质细胞的胞膜上, 也参与间隙递质的清除 酶降解 : Ach 在 NMJ 是由存在于突触间隙的乙酰胆碱酯酶 (acetylcholinesterase) 降解的

41 化学突触传递的原理 神经药理学 (Neuropharmacology) 突触传递的每一步都是化学的过程, 因此, 可以受药物或者毒素的影响 抑制剂 (Inhibitors): 如神经毒气抑制胆碱酯酶 (AChE), 递质受体的抑制剂称为受体拮抗剂 (receptor antagonists ( 如筒箭毒碱 (Curare) 可以与 Ach 受体紧密结合 受体激动剂 (Receptor agonists) 如尼古丁 (nicotine) 在骨骼肌和中枢可以与 Ach 结合并激活之, 故也称尼古丁型 Ach 受体 (nachr). 突触传递障碍是许多神经精神疾病的原因 有关突触传递药理学的知识有助于新的有效的药物研发

42 突触整合原理 突触整合 (synaptic integration) 的原理 EPSP 的整合树突特征的影响抑制调制

43 突触整合原理 突触后神经元整合成千上万的输入 (inputs, 复杂的离子和化学信号 ), 且产生一种简单的输出 (output): 即动作电位 这种从输入到输出的转型包含了神经计算 大脑每秒钟都要完成数十亿次的神经计算 所以突触整合是将多个突触电位汇合于一个突触后神经元的过程

44 突触整合原理 EPSPs 的整合 当单个递质门控离子通道开放时 : 递质门控离子通道的膜片钳记录当通道开放时离子流通过通道. 在神经递质存在时, 通道在开放状态和关闭状态之间快速切换

45 突触整合原理 不同的膜片钳检测方式 膜片钳 (Patch Clamp) 膜片钳技术不仅可以检测单个细胞的电流, 还可以测量单个离子通道的离子流

46 突触整合原理 EPSP 的量子分析 (Quantal Analysis): 一种比较微小 (miniature) 和激发 (evoked) 突触后电位的方法. 单个突触囊泡的神经递质含量. 在没有动作电位时, 单个囊泡的自动释放 微小 EPSP (miniepsp, mepsp) 由动作电位激发的 (evoked) 多个囊泡的同时释放 EPSP (mepsp 的乘积 ) 即特定突触突触后 EPSPs 是量子化的, 他们是一个不可分单位 ( 量子 ) 的乘积, 后者反映的是单个囊泡内神经递质的量和该突触突触后受体的数量

47 突触整合原理 单个突触囊泡自动释放 mini-epsp 突触后记录到的微小电位大小差异很大

48 突触整合原理 NMJ 和 CNS 突触的兴奋性突触传递差异很大 绝大多数中枢神经元能完成更复杂的计算, 这就需要许多 EPSP 加在一起以产生一个显著的突触后去极化. EPSPs 整合指的就是这个意思 EPSP 相加是一种最简单形式的突触整合. 空间相加 : 树突上许多不同突触同时产生的 EPSPs 的相加 时间相加 : 同一突触快速连续产生的 EPSPs, 前后两个 EPSP 在 1 15 msec 之内

49 突触整合原理 (a) 一个动作电位触发突触后神经元一个小的 EPSP (b) 空间整合 : 当两个及以上突触前输入同时产生时, 他们产生的 EPSPs 会叠加在一起. (c) 时间整合 : 当同一神经纤维快速连续发放动作电位, 每个 EPSPs 也叠加在一起.

50 突触整合原理 树突特征对突触整合的贡献 : 突触后突触电流必须向神经元树突和胞体传导, 只有当引起放电起始区 (spike-initiation zone) 去极化程度超过阈值, 才产生动作电位 兴奋性突触在触发动作电位的有效性因此也就依赖于该突触与放电起始区的距离及突触膜的特征

51 突触整合原理 树突的电缆特征 : 为简化问题, 假设树突的作用像圆柱状电缆 因为树突缺乏电压依赖的离子通道, 所以是电被动性的 ( 轴突正相反 ) 想象突触后进入电流好似打开了水龙头接着漏水的浇花园的水管 ( 类比树突 ). 相似的, 突触电流可以循二个路径 : 一是沿树突内走, 二是跨树突膜走. 从电流产生点的一定距离内, 因耗损和跨膜流失,EPSP 的幅度可能降至零

52 突触整合原理 为简化计算, 假设树突无限长 无分支 管径一样. 则, 去极化的程度随距离增加呈指数下降 : V x =V 0 /e x/λ 当 x=λ, 则 V x =V 0 /e. 也即, V λ =0.37 (V 0 ). 在距离 λ, 去极化程度相当于起始点电流幅度的 37%, 称为树突长度系数 (Dendritic length constant) ( 请记住, 这是一个过度简单化的表述 ).

53 突触整合原理 去极化程度下降是电流沿树突长轴传导距离的函数 (a) 在离电流注射点一定距离所测得的去极化小于注射点直接测得的去极化 (b) 膜去极化作为沿树突长轴距离函数的作图

54 突触整合原理 树突长度系数是一个去极化在树突或轴突能扩散多远距离的指数 长度系数越大, 远距离突触产生的 EPSPs 就更可能使轴丘 (axon hillock, 即放电起始区 ) 的细胞膜去极化. λ 依赖于两个因素 : 内电阻 (r i ); 和 (2) 膜电阻 (r m ): r i 完全由树突直径和细胞质的电特征决定, 后者在成熟神经元相对恒定 r m, 决定于开放离子通道的数量, 这又随着其他突触的活化情况动态变化中. 因此, 所谓的树突长度系数根本就不会是个常数!

55 突触整合原理 可兴奋性树突 树突膜是电被动性的假设也并非适合所有的情况. 脊髓运动神经元的树突非常近似于电被动性 然而, 其它许多神经元树突就决不是电被动性的 树突上的电压门控通道对那些产生于树突远端较小的 EPSPs 起着重要放大器的作用. 看似矛盾的, 某些细胞树突上的钠离子通道可能起到将电信号反向传导的作用 从胞体向树突方法的传导.

56 突触整合原理 具有长表面树突的皮层椎体神经元, 树突上表达有电压门控的离子通道

57 突触整合原理 抑制 (Inhibition) EPSP 动作电位产生依赖于 : 共同活动的兴奋性突触的数量 ; 这些突触与放电起始区的距离 ; 树突膜特征 加上 : 抑制性突触,at 可使膜电位远离产生动作电位的阈值, 对神经元的输出产生强有力的控制

58 突触整合原理 抑制性突触后电流 (IPSP) 和分流抑制 (Shunting Inhibition ) 突触后抑制性受体为 GABA 和甘氨酸门控的离子通道, 这些通道开发时允许 Cl - 通透. 氯离子通道开放使得膜电位向氯平衡电位 ECl - 靠近, 约 - 65 mv. 因此, 氯通道激活是否能引起超极化的取决于静息膜电位. 氯离子通道开放, 但没有可见的 IPSP, 神经元也会受到抑制吗? 是的! 分流抑制. 其物理学基础是负电荷的氯离子内流正好相当于正电荷的外向电流. 因此, 抑制性的突触也对突触整合有贡献

59 突触整合原理 分流抑制 (a) 兴奋性输入的刺激引起内向突触后电流并向神经元胞体扩散, 可记录到 EPSP. (b) 当抑制性和兴奋性输入同时发生时, 去极化电流到达胞体前漏出

60 突触整合原理 兴奋性和抑制性突触的 地理学 分布 抑制性突触 (GABA 或甘氨酸 ), Gray II 型. 兴奋性突触 ( 谷氨酸 ), Gray I 型 在许多神经元抑制性突触以成簇的方式存在于胞体和轴丘部位 ( 为什么?)

61 突触整合原理 调制 (Modulation) 除了递质门控离子通道外, 许多突触还存在 GPCR, 后者并不会直接产生 EPSPs 和 IPSPs, 但是能修饰 (modifies) 其他突触产生 EPSP 的效能. 该过程称为调制 如, 去甲肾上腺素 β 受体. 与其受体结合能触发细胞内生化级联反应产生 camp

62 突触整合原理 去甲肾上腺素受体的调制作用. ➀ 与受体结合激活位于细胞膜的 G 蛋白. ➁ G 蛋白激活腺苷酸环化酶. ➂ 腺苷酸环化酶将 ATP 转为第二信使 camp. ➃ camp 激活蛋白激酶. ➄ 蛋白激酶磷酸化钾通道并使其关闭.

63 突触整合原理 降低 K + 电导可增加树突的膜电阻, 因此也就增加了程度系数 λ. 这样, 距离远的或弱的兴奋性突触在去极化放电起始区使之超越阈值会变得更有效, 也就是说, 该细胞变得更兴奋. 这也就是为什么突触前释放去甲肾上腺素神经元兴奋性会增加的原因 请好好思考讨论教材上的复习思考题!

64 谢谢!

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