細胞的興奮性和生物電現象(閾刺激,靜息電位,動作電位,K平衡電位,鋒電位,Na+平衡電位,電壓鉗,膜片鉗實驗,閾電位,興奮傳導機制 )

　　一、興奮性和刺激引起興奮的條件

　�。ㄒ唬┡d奮性和興奮含義及其變遷

　　上世紀中后期的生理學家用兩棲類動物做實驗時，發(fā)現青蛙或蟾蜍的某些組織在離體的情況下，也能在一定的時間內維持和表現出某些生命現象。這些生命現象的表現之一是：當這些組織受到一些外加的刺激因素（如機械的、化學的、溫熱的或適當的電刺激）作用時，可以應答性出現一些特定的反應或暫時性的功能改變。這些活組織或細胞對外界刺激發(fā)生反應的能力，就是生理學最早對于興奮性（excitability）的定義。例如，把蟾蜍的腓腸肌和支配它的神經由體內剝離出來，制成神經-肌肉標本，這時如果在神經游離端一側輕輕地觸動神經，或通以適當的電流，那么在經過一個極短的潛伏期后，可以看到肌肉出現一次快速的縮短和舒張；如把刺激直接施加于肌肉，也會引起類似的收縮反應；而且只要刺激不造成組織的損傷，上述反應可以重復出現。這就是神經和肌肉組織具有興奮性能證明。實際上，幾乎所有活組織或細胞都具有某種程度的對外界刺激發(fā)生反應的能力，只是反應的靈敏度和反應的表現形式有所不同。在各種動物組織中，一般以神經和肌細胞，以及某些腺細胞表現出較高的興奮性；這就是說它們只需接受較小的程度的刺激，就能表現出某種形式的反應，因此稱為可興奮細胞或可興奮組織。不同組織或細胞受刺激而發(fā)生反應時，外部可見的反應形式有可能不同，如各種肌細胞表現機械收縮，腺細胞表現分泌活動等，但所有這些變化都是由刺激引起的，因此把這些反應稱之為興奮（excitation）。人和高等動物的細胞和組織一樣具有興奮性，但在離體情況下要保持它們的興奮性，需要嚴格的環(huán)境條件，因此在研究組織的興奮性時，常用較低等動物的組織作為觀察對象。

　　隨著電生理技術的發(fā)展和資料的積累，興奮性和興奮的概念有了新的含義。大量事實表明，各種可興奮細胞處于興奮狀態(tài)時，雖然可能有不同的外部表現，但它們都有一個共同的、最先出現的反應，這就是受刺激處的細胞膜兩側出現一個特殊形式的電變化（它由細胞本身所產生,不應與作為刺激使用的外加電刺激相混淆），這就是動作電位；而各種細胞所表現的其他外部反應，如機械收縮和分泌活動等，實際上都是由細胞膜的動作電位進一步觸發(fā)和引起的。在神經細胞，特別是它的延續(xù)很長、起著信息傳送作用的軸突（神經纖維），在受刺激而興奮時并無肉眼可見的外部反應，其反應只是用靈敏的電測量儀器才能測出的動作電位。在多數可興奮細胞（以神經和骨骼肌、心肌細胞為主），當動作電位在受刺激部位產生后，還可以沿著細胞膜向周圍擴布，使整個細胞膜都產生一次類似的電變化。既然動作電位是大多數可興奮細胞受刺激時共有的特征性表現，它不是細胞其他功能變化的伴隨物，而是細胞表現其他功能的前提或觸發(fā)因素，因此在近代生理學中，興奮性被理解為細胞在受刺激時產生動作電位的能力，而興奮一詞就成為產生動作電位的過程或動作電位的同義語了。只有那些在受刺激時能出現動作電位的組織，才能稱為可興奮組織；只有組織產生了動作電位時，才能說組織產生了興奮。這樣的理解顯然比原定義更嚴格些。

　　據此定義，可以對上述神經-肌標本的現象描述如下：當刺激作用于坐骨神經某一點時，由于神經纖維具有興奮性而出現興奮，即產生了動作電位，此動作電位（常稱為神經沖動）沿著神經纖維傳向它們所支配的骨骼肌纖維，通過神經-肌接頭處的興奮傳遞（即ACh參加的跨膜信號轉換），再引起骨骼肌細胞興奮而產生動作電位，以后是動作電位沿整個肌細胞膜傳遍整個肌細胞，并觸發(fā)了細胞內收縮蛋白質的相互作用，表現出肌肉一次快速的收縮和舒張。

　�。ǘ�）刺激引起興奮的條件和閾刺激

　　具有興奮性的組織和細胞，并不對任何程度的刺激都能表現興奮或出現動作電位。刺激可以泛指細胞所處環(huán)境因素的任何改變；亦即各種能量形式的理化因素的改變，都可能對細胞構成刺激。但實驗表明，刺激要引起組織細胞發(fā)生興奮，必須在以下三個參數達到某一臨界值：刺激的強度、刺激的持續(xù)時間以及刺激強度對于時間的變化率（即強度對時間的微分）；不僅如此，這三個參數對于引起某一組織和細胞的興奮并不是一個固定值，它們存在著相互影響的關系。在實驗室中，常用各種形式的電刺激作為人工刺激，用來觀察和分析神經或各種肌肉組織的興奮性，度量興奮性在不同情況下的改變。這是因為電刺激可以方便地由各種電儀器（如電脈沖和方波發(fā)生器等）獲得，它們的強度、作用時間和強度-時間變化率可以容易地控制和改變；并且在一般情況下，能夠引起組織興奮的電刺激并不造成組織損傷，因而可以重復使用。

　　為了說明刺激的各參數之間的相互關系，可以先將其中一個參數固定于某一數值，然后觀察其余兩個的相互影響。例如，當使用方波刺激時，由于不同大小和持續(xù)時間的方波上升支都以同樣極快的增加速率達到某一預定的強度值，因而可以認為上述第三個參數是固定不變的，而每一方波電刺激能否引起興奮，就只決定于它所達到的強度和持續(xù)的時間了。在神經和肌組織進行的實驗表明，在強度-時間變化率保持不變的情況下，在一定的范圍內，引起組織興奮所需的最小刺激強度，與這一刺激所持續(xù)的時間呈反變的關系；這就是說，當刺激的強度較大時，它只需持續(xù)較短的時間就足以引進組織的興奮，而當刺激的強度較弱時，這個刺激就必須持續(xù)較長的時間才能引起組織的興奮。但這個關系只是當所用強度或時間在一定限度內改變時是如此。如果將所用的刺激強度減小到某一數值時，則這個刺激不論持續(xù)多么長也不會引起組織興奮；與此相對應，如果刺激持續(xù)時間逐資助縮短時，最后也會達到一個臨界值，即在刺激持續(xù)時間小于這個值的情況下，無論使用多么大的強度，也不能引起組織的興奮。

　　上述情況給比較不同組織的興奮性高低或測量同一組織在不同生理或病理情況下的興奮性改變時造成了許多困難。如果不仔細思考，可以認為那些用較小的刺激強度就能興奮的組織具有較高的興奮性；據上述，這個強度小的程度，還要決定這個刺激的持續(xù)時間和它的強度-時間變化率。因此，簡單地用刺激強度這一個參數表示不同組織興奮性的高低或同一組織興奮性的波動，就必須使所用刺激的持續(xù)時間和強度-時間變化率固定某一（應是中等程度的）數值；這樣，才能把引起組織興奮、即產生動作電位所需的最小刺激強度，作為衡量組織興奮性高低的指標；這個刺激強度稱為閾強度或閾刺激，簡稱閾值（threshold）。強度小于閾值的刺激，稱為閾下刺激；閾下刺激不能引起興奮或動作電位，但并非對組織細胞不產生任何影響。

　�。ㄈ�）組織興奮及其恢復過程中興奮性的變化

　　體內不同組織具有不同的興奮性；而且同一組織在不同生理和病理情況下，強環(huán)境中離子成分特別是鈣離子、酸堿度、溫度的改變，以及存在著特殊毒物或藥物等情況，都可以引起興奮性的改變。但一個普遍存在于各種可興奮細胞的現象是，在細胞接受一次刺激而出現興奮的當時和以后的一個短時間內，它們的興奮性將經歷一系列有次序的變化，然后才恢復正常。這一特性說明，在細胞或組織接受連續(xù)刺激時，有可能由于它們接受前一刺激而改變了對后來刺激的反應能力，因而是一個有重要功能意義的生理現象。

　　為了示證這一特性，可以讓兩個刺激連續(xù)作用于組織，這時讓第一個刺激的強度相當于閾強度，以便使它能引起組織興奮，并以此閾強度的值作為該組織興奮性的“正�！睂φ罩�；對于第二個刺激，在實驗中要能任意地選定它們和第一刺激的間隔，并且可以按需要改變它們的強度。這樣，可以檢查組織在因第一個刺激后的不同時間內，接受新刺激的能力是否發(fā)生了改變。實驗證明，在組織接受前面一個刺激而興奮后一個較短的時間內，無論再受到多么強大的刺激，都不能再產生興奮；即在這一時期內出現的任何刺激均“無效”；這一段時期，稱為絕對不應期。在絕對不應期之后，第二個刺激有可能引起新的興奮，但使用的刺激強度必須大于該組織正常的閾強度；這個時期稱為相對不應期。上述絕對和相對不應期的存在，反映出組織在一次興奮后所經歷的興奮性改變的主要過程；即在絕對不應期內，由于閾強度成為無限大，故此時的興奮性可認為下降到零；在相對不應期內，興奮性逐漸恢復，但仍低于正常值，此時需使用超過對照閾強度的刺激強度，才能引起組織的興奮；到相對不應期結束時，興奮性才逐漸恢復到正常。用更精密的實驗發(fā)現，在相對不應期內之后，組織還經歷了一段興奮性先是輕度增高，繼而又低于正常的時期，分別稱為超常期和低常期。以上各期的長短，在不同細胞可以有很大差異；一般絕對不應期較短，相當于或略短于前一刺激在該細胞引起的動作電位主要部分的持續(xù)時間，如它在神經纖維或骨骼肌只有0.5~2.0ms左右，在心肌細胞可達200~400ms；其他各期的長短變化較大，易受代謝和溫度等因素的影響。在神經纖維，相對不應期約持續(xù)數毫秒，超常期和低常期可達30~50ms。

　　組織在每次興奮后都要發(fā)生一系列興奮性的改變，如果在這期間組織受到新的刺激，它的反應能力將異于“正�！薄＜热唤^對不應期的持續(xù)時間相當于前次刺激所引起的動作電位主要部分的持續(xù)時間，那么在已有動作電位存在的時期就不可能產生新的興奮或動作電位，亦即細胞即便受到連續(xù)的快速刺激，也不會出現兩次動作電位在同一部位重合的現象；由于同樣的理由，不論細胞受到頻率多么高的連續(xù)刺激，它在這一細胞所能引起的興奮或動作電位的次數，總不會超過某一個最大值；因為落于前一刺激所產生的絕對不應期內的后續(xù)刺激將“無效”，因此這個最大值理論上不可能超過該細胞和組織的絕對不應期的倒數。例如，蛙的有髓神經纖維的絕對不應期或動作電位的持續(xù)時間約為2ms，那么此纖維每秒鐘內所能產生的動作電位的次數不可能超過500；實際上神經纖維在體內自然情況下所能產生和傳導的神經沖動的頻率，遠遠低于它們理論上可能達到的最大值。

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