吴 琼, 朱 亮
(大连医科大学 生理学教研室,辽宁 大连 116044)
蟾蜍坐骨神经干双相动作电位产生机制的探讨
吴 琼, 朱 亮
(大连医科大学 生理学教研室,辽宁 大连 116044)
通过在蟾蜍坐骨神经干外表面放置2个引导电极,给予最大刺激引发动作电位(Action Potential, AP)产生,AP产生后经神经干传导而先后通过2个引导电极,记录坐骨神经干双相动作电位(Biphasic Action Potential, BAP)。然后不断增大2个外置引导电极之间的距离,分别记录BAP,观察BAP波形的改变。结果表明:BAP的前相总是高于后相;随电极距离的增大,引导出的BAP前相与后相之间出现切迹,且切迹随电极距离的增大逐渐明显。提示膜电位的空间和时间时效性决定了距离变化引起的BAP的不同波形,并阐述了BAP变化产生的机制,加深对神经生物电活动的理解。
双相动作电位; 坐骨神经干; 电生理
生物电现象中动作电位的产生机制一直是生理学教学中的难点。生理学实验是生理教学的重要组成部分[1],蟾蜍神经干动作电位的引导是机能实验学中比较经典的一个[2]。蟾蜍坐骨神经干动作电位的引导实验可以通过不同条件下对比细胞内记录和细胞外记录,加深学生对动作电位产生机制及其传播特点的理解,深入了解生物电现象[3-4]。实验中采用细胞外放置电极的方法[5],在神经干一端给予一个足够大的电刺激,引发细胞膜上动作电位的产生。动作电位向神经干两端传导,先后经过2个放置在神经干表面的引导电极,两电极之间连接的示波器记录到2个相反方向的电位偏转波形,称为双相动作电位(Biphasic Action Potential, BAP)。但目前对BAP[6]产生和波形变化的解释各有不同[7],对此本实验予以验证。
1.1 仪器、试剂和实验动物
SBR-1型双线示波器(汕头超声电子仪器厂);FZG- 1A 型直流前置放大器(南京电生理仪器厂);神经标本盒;BL-420生物实验系统。试剂:任氏液(SOP标准)。实验动物:清洁健康蟾蜍,由大连医科大学实验动物中心提供。
1.2 方 法
1.2.1 蟾蜍坐骨神经标本的制备
按照邹原等[8]介绍方法制备蟾蜍坐骨神经标本。神经干应尽可能分离得长(上起脊椎处的主干,下沿腓总神经与胫神经一直分离至踝关节),腓总神经和胫神经保留其一。在制备标本过程中应尽量减少神经损伤,确保神经标本的兴奋性。将分离好的标本放置任氏液中静置3~5 min后使用。
1.2.2 实验过程
将神经标本盒与刺激电极、引导电极及地线连接。将坐骨神经干标本放置在神经标本盒内,标本脊柱段(粗端)放置在刺激电极端(见图1)。
S1S2为一对刺激电极,L1L2为一对引导电极,S与L之间标记为地线
图1 连接示意图
选择最大刺激进行实验,最大刺激为高于使全部神经纤维均发生兴奋的刺激强度的刺激。本实验刺激强度、刺激频率等刺激参数均固定,以排除刺激强度增加使动作电位幅度增加所产生的影响[9];在实验中两刺激电极S1S1之间的距离不变以排除刺激电极对实验结果的影响[10]。调节两引导电极L1L2之间的距离,引导双相动作电位波。
1.3 统计学处理
实验数据采用x2±s表示,数据分析采用SPSS 统计软件。单因素方差分析,组间两两比较采用t检验。P<0.05 表示差异有显著性。
(1) 在刺激电极处给予最大刺激(最大刺激为大于使全部神经纤维均发生兴奋的刺激强度的刺激,以排除动作电位波形改变产生的影响)后,可引导出BAP(见图2(a))。调整波形,使前相波向上,后相波向下。随着L1和L2两个引导电极之间距离的增加,前相波与后相波之间出现切迹(见图2(c));L1L2之间距离的增大,切迹逐渐明显(见图2(c),(d),(e))。
(2) 刺激强度不变,L1L2间的距离改变,BAP幅度发生变化。距离增加,BAP的幅度增大(见图3)。
(3) L1L2的距离不变,刺激强度不变,将神经干粗的一端放置在刺激电极处产生的动作电位前相幅度高于将神经干细的一端放置在刺激电极处产生的动作电位的前相。但无论是粗的一端还是细端放置在刺激电极处,产生的双相动作电位的前相总是高于后相。
图2 引导电极之间的距离和双相动作电位的切迹
(图(a)~(e)中L1L2距离分别为3.2, 4.2, 5.2, 6.2和7.2 cm)
从图2可以看出,当两电极之间距离为3.2 cm时,双相动作电位的两个波之间无切迹(图2(a))。随着两电极之间距离的增加,切迹出现且随着距离增加更加明显。随着L1L2距离的改变,BAP产生的机制有着不同的解释[11]。
我们认为,当切迹未出现时(图2(a),(b)),BAP的产生机制如图3[12-13]所示。图中,A:L1和L2两点的细胞膜均处于静息水平,均为内负外正。此时L1L2两点的细胞膜之间无电位差,无BAP波出现。B:神经细胞的去极化传导至引导电极L1处,L1处膜电位翻转成内正外负;但此时L2细胞膜尚处在静息水平, L1和L2之间出现电位差(如B右侧曲线所示)。C:随着动作电位的传导,L1和L2所在细胞膜均发生去极化,L1和L2之间的电位差消失,两点之间的电位差回到零电位水平。D:L1处细胞膜复极化但L2处仍处于去极化水平,此时两点间电位差再次出现,但方向与L1去极化而L2尚未去极化时(B)方向相反。E:动作电位传向远端,L1和L2均处在复极化后的静息水平,此时两点间电位差再次消失,曲线回到零电位水平。
图3 引导电极之间的距离和双相动作电位的幅度
(图(a)~(b)的刺激强度一致,L1L2间距离分别为3.01, 6.99, 8.20, 7.61,对应的BAP幅度为:(a) 3.01/-2.05 mV; (b) 6.99/-6.13 mV; (c) 8.20/-4.95 mV; (d) 7.61/-4.53 mV)
表1 BAP幅度随L1L2之间距离的改变
图3 正常的BAP产生机制示意图
(左图A, B, C, D和E均为神经干及受到电刺激后细胞内外电荷变化的示意图,右图为BAP波示意图)
当切迹出现时(图2(c),(d),(e)),BAP的产生机制则有所不同,如图4所示。图中,L1和L2是放置在神经干表面的两个引导电极。F:L1和L2均处于静息水平,此时动作电位尚未传到L1处的细胞膜,则距离刺激电极更远的L2也处在内负外正的静息水平,无BAP波出现。G:神经细胞的去极化传导至L1处,膜电位翻转成内正外负;但此时L2尚处在静息水平, L1和L2之间出现电位差(如G右侧曲线所示)。到此,曲线上升支的出现与前一种解释一致。H:动作电位刚刚传出L1,L1处恢复到静息水平,出现曲线的下降支。I:动作电位传导至L1与L2的中间处细胞膜,此时L1去极化完毕处于复极化的水平,而L2处的细胞膜还处在静息水平,L1和L2两点之间的电位差消失,曲线回到零电位水平。由此才会有前相波后的切迹出现,且两引导电极之间的距离越远,动作电位在两引导电极之间的传导费时越久[14],切迹也就越明显,图2中我们的实验结果也证明了这一点,L1L2距离分别为5.2, 6.2和7.2 cm时,随着距离的增加,切迹在变长。
图4 BAP产生切迹的机制示意图
(左图F, G, H, I, J和K均为神经干及受到电刺激后细胞内外电荷变化的示意图,右图为BAP波示意图)
J:随着动作电位的传导,L2产生去极化,与处在已经复极化完毕的L1相比,此时两点间电位差再次出现,但方向与L1去极化而L2尚未去极化时方向相反(G)。K:动作电位传向远端,L1和L2均处于复极化水平,此时两点间电位差再次消失,曲线回到零电位水平。
通过以上实验,观察到双相复合动作电位产生的原理,由于两个引导电极之间的距离不同可以有两种实验结果,原理也不尽相同(见图3、4)。对于不同长度的具有不同传导速度的蟾蜍坐骨神经,L1L2要增加多少才是本文阐述的第二种原理(图4),还需要进一步的实验证明[15]。但就本实验室平时所用蟾蜍坐骨神经和神经标本盒的长度而言,所引导出BAP的机制均为第一种原理形成的(图3)。
另一方面,实验结果中L1L2之间的距离也能够影响BAP波的幅度,有如下说明。实验中测得的动作电位实际上是组成神经干中的每根神经纤维兴奋后的超射值在神经干表面的叠加。即此动作电位是一复合波,其上升相、下降相及峰值不是相应的单一动作电位波形的去极化相、复极化相及峰电位。在双极记录时,测得的波形实际上是两个记录电极的电位差。某处膜产生动作电位时,对于膜的周边的电荷会有影响,这也是动作电位借助局部电流传导的原因。因此L1L2之间的距离越近,也就意味着L2处的膜受L1处膜的动作电位影响越大。这种影响可能导致差值的变小,如图5所示。
图5 L1L2之间的距离越近,彼此的电荷影响也越大
坐骨神经干是由不同种类神经纤维组成,故复合动作电位记录的是复合波。在相同的刺激强度下,粗的一端放置在靠近刺激一侧产生的动作电位幅度要高于细的一端放置在刺激电极一侧。这是由于粗的一端神经纤维的数量较多,而在刺激强度足够大的情况下,较多的神经纤维兴奋可以记录到较大的复合波。但无论是粗的一端还是细端放置在刺激电极处,产生的双相动作电位的前相总是高于后相。对这一结果的解释如下,组成神经干的各类神经纤维具有不同的生理特性,每种纤维兴奋后传导速度各不一样、波长也各不相等[13]。在动作电位的形成是以第一种(图3)原理的情况下,即双相动作电位第二相的形成是由于L1的复极化,而L2仍处于动作电位的去极化时,这时由于传导速度的不同可能出现L1处的神经纤维并没有全部复极化,或L2处的神经纤维没有完全去极化。这就导致无论是粗的在刺激电极一侧还是细端在刺激电极一侧,双相动作电位的前后相在幅度上的差别是由传导速度造成的,由于L1距离刺激电极较近,因此传导速度对L1影响没有L2大。
如果L1L2之间的距离较大,BAP的产生就是本文所阐述的第二种原理,即使如此,双相动作电位的幅度仍是前相大于后相,这一点则更容易用传导速度解释。以细端靠近刺激电极为例,动作电位传至L1处产生一复合波上升支,动作电位传离L1处产生复合波下降支,由于L1距离刺激电极较近,各纤维传导速度虽有差别但影响有限。也正由于传导速度的差别,及至动作电位传至L2处时,在L2处产生兴奋的神经纤维数量要少于L1处。因此在L1靠近刺激电极时,L2的距离越远,传导速度对L2处参与兴奋的神经纤维的数量影响越大,动作电位前后相的差值也会越大[15],如表2所示。
表2 L1L2之间的距离影响BAP前后相波的幅度差
综上所述,采用坐骨神经干上放置2个引导电极的细胞外记录方法,利用动作电位在神经干上的传导引导双相动作电位的产生,2个引导电极之间距离的不同使得所产生的双相复合动作电位的机制不尽相同。通过本文的探讨,增加对双相动作电位产生机制的理解,但具体的膜通道变化还需要电生理学的证据,同时不同神经纤维的不同的传导速度对细胞外记录引导双相动作电位的影响也需进一步的实验证实。
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Mechanism of Biphasic Action Potential on Toad’s Sciatic Nerve
WUQiong,ZHULiang
(Department of Physiology, Dalian Medical University, Dalian 116044, China)
Two recording electrodes were put on the outside of the toad’s sciatic nerve, the action potential (AP) on it was generated through a given maximum stimulus, and then the biphasic action potential (BAP) was recorded after the AP propagated along the sciatic nerve and passing through the two electrodes. The waves of BAP were observed when the distance between the two electrodes was increasing. The results showed that the former phase of BAP was always higher than the latter phase. The incisures appeared when the distance between the two electrodes increased. These results demonstrated that the space and time quality of BAP caused the wave change which explained the mechanism of BAP and got to know the bioelectricity of nerve more deeply.
biphasic action potential(BAP); sciatic nerve; electrophysiology
2015-01-22
国家自然科学基金项目(81370583;30801127);辽宁省卫生发展研究中心课题(LPRCHDC7);中华医学会医学教育分会医学教育研究课题(2012-KY-3);辽宁省教育科学“十二五”规划课题(JG13DB230);辽宁省普通高等教育本科教学改革研究课题(UPRP20140824)
吴 琼(1979-),女,辽宁抚顺人,博士,讲师,现主要从事阿尔茨海默病的发病机制及电生理的研究。
Tel.:0411-86110288;E-mail:wqdlmedu@126.com
朱 亮(1974-),男,辽宁鞍山人,教授,现从事移植与功能重建的研究。Tel.:0411-86110287;E-mail:zhuliang0210@sina.com
R 338.8
A
1006-7167(2015)11-0018-04