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细胞学基础

第二章 细胞学基础

本章的学习内容主要以神经细胞也就是神经元为主，其次为神经胶质细胞和神经突触。

神经元是中枢神经系统基本的结构和功能单位，人脑内的神经元总数估计有1010×1012个，胶质细胞比神经元多出10—15倍。

神经元最主要的功能是传递信息，包括生物电和化学信息。

突触是神经元间或神经元与效应器间实现信息传递的特殊部位。

虽然高等动物和低等动物神经系统的复杂程度相差很大，相同的脑中各区功能也不尽相同，但它们的结构、功能单位神经元的基本特性却十分相似。

这为我们利用动物模型研究神经药理学提供了有利的条件。

第一节 神经元

一、神经元

神经元的突起有轴突和树突，胞体内含有细胞核和各种各样的合成细胞生命活动物质所需要的细胞器如粗面内质网（roughendoplasmicreticulum）、高尔基氏器（Golgiapparatus）、线粒体（mitochondria）、溶酶体等。

这些细胞器的功能与其它组织细胞的细胞器相同。

所不同的是，神经元胞浆中尚含有内涵物，包括一些致密小体和色素颗粒如脂褐素。

内涵物出现于成年期，随年龄增长而增加。

神经元的细胞骨架同其它细胞一样，是由丝状结构组成，包括微管（microtubles）、微丝（microfilaments）和神经细丝（neurofilaments）（图1）。

根据突起的多少，神经元可分为单极、双极和多极细胞（图2a，2b）。

图2a神经元的类型

图2b各种形态的神经元

单极细胞只有一根轴索，但它很快一分为二，如背根神经节细胞，它作为一级感觉神经元任务是忠实地把外周传入冲动传向中枢。

双极细胞有一根树突和一根轴索。

如嗅觉神经元。

绝大多数神经元属于多极细胞，即它有一个以上的树突和一根轴索。

轴索又可以分成许多分支。

典型的神经元有树突、胞体和轴索三部分（图3）。

神经的兴奋原则：

方向是：

树状突起—>细胞体—>轴索—>轴索末端

典型的神经元

图3 神经元的胞体，树突，和轴索

（1）胞体

神经元的细胞核在胞体中显得特别大，但神经元有很长的突起，细胞核和胞浆的比例仍与一般细胞相近。

细胞核中有一个或更多的核仁，DNA转录为RNA在核仁中进行，细胞核表面的核膜上有小孔，是核内外物质交换的通道。

细胞核以外的胞体部分称为核周体（perikaryon）。

细胞核

核仁

图4神经元的胞体

（2）粗面内质网（roughendoplasmicreticulum）在核周体中有粗面内质网和游离的核糖体（freeribosome）,它们是合成蛋白质的地方。

粗面内质网由规则且平行排列的扁平小池（cisternae）构成，小池膜外侧附着许多多核糖体（polyribosome）颗粒，这些固定的多核糖体及游离的核糖体在光学显微镜下表现为尼氏小体（Nissl’sbodies）。

（3）高尔基氏器（Golgiapparatus）它也是由规则而平行排列的扁平小池构成，因小池膜上不附着核糖体颗粒又称为无颗粒网质。

它们是新合成的蛋白质装入囊泡或分泌颗粒的地方。

图5神经元的高尔基体

（4）线粒体（mitochondria） 神经元的胞体、树突、轴索及末梢都有线粒体，它是氧化磷酸化产生能量的细胞器,其数量多少代表代谢旺盛的程度。

（5）神经微管（microtubule）和神经细丝（neurofilament） 这些结构伸展到树突和轴索中，起到维持神经元形态和转运物质的作用。

神经微管是外径为24±2nm、内径为14±2nm的一种中空的管状结构，由13根直径为5nm的纤维丝螺旋状排列而成。

每根纤维丝又由球状微管蛋白（tubulin）亚基聚合而成。

神经微管在胞体中较少，树突中较多。

在轴索中的多少视有髓鞘或无髓鞘而定，前者较少后者较多。

神经细丝是直径9~10nm的纤维状结构，通常以束状分布，胞体中较多而树突中较少。

还有一种更细的纤维状结构，直径为5nm，称为微丝（microfilament）,只在神经元发育和再生的过程中出现。

二、轴浆转运

神经元有很长的突起，它的代谢非常旺盛，因此需要不断地合成蛋白质，而合成蛋白质的粗面内质网位于胞体，新合成的蛋白质要运输到神经元的各部分。

最简单的研究轴浆转运（axoplasmictransport）的方法是用线勒紧一段神经干，过一定时间后发现束紧处两侧都有细胞器如囊泡和线粒体等堆积，以近端更明显，说明轴浆流的方向主要是由胞体走向末梢，但也有逆行的。

注射氚标记亮氨酸或脯氨酸于胞体附近，如注入背根神经节或眼球，这两种氨基酸即渗入背根神经节神经元或视网膜神经元的胞体粗面内质网新合成的蛋白质中，这样就可以研究蛋白质的轴浆转运速度。

结果测得轴浆转运有两种速度，快速100~500mm/d，慢速1~10mm/d。

氚标记脯氨酸主要显示快转运而亮氨酸显示慢转运。

快转运的物质有线粒体、光面内质网、蛋白质、多肽、糖类、脂类和递质。

慢转运的物质主要是微管蛋白、肌动蛋白、肌球蛋白、快转运的脯氨酸主要标记出突触部位，而慢转运的亮氨酸主要标记轴索。

秋水仙碱（colchicine）和长春碱（vinblastine）可以阻断快转运，它们与微管蛋白相结合并使之解聚从而破坏了微管，表明神经微管与快转运有关。

在组织化学研究中常用秋水仙碱阻断囊泡的轴浆转运使它在胞体堆积起来，从而使免疫组织化学更容易显示胞体含有哪一种递质。

逆行转运是从末梢将物质运输到胞体。

一些毒素如破伤风毒（tetamustoxin）以及辣根过氧化物酶（horseradishperoxidase,HRP）可以逆行运输到胞体，后者被用来跟踪末梢的神经元起源。

神经递质也可以特异性地被释放这种递质的末梢所摄取，然后逆行转运到胞体。

这种技术不仅可以显示神经元的起源，而且能告诉我们该神经元利用何种递质。

逆行转运的药理性质与快顺行转运相似，都可被秋水仙碱所阻断。

第二节        神经胶质细胞

一、神经胶质细胞

神经胶质细胞（neuroglia）按形态可分为星状（astrocyte）、少突（oligodendrocyte）和小胶质（microglia）细胞（图1），它们起源于中胚层。

中枢神经系统内神经元之间的空隙几乎被胶质细胞所填满，因此基本上不存在细胞间隙（图2）。

包围在脑毛细血管周围的细胞以及室管膜（ependymal）细胞也是胶质细胞。

髓鞘由Schwann氏细胞周围裹叠而成，它是一种少突胶质细胞。

胶质细胞起支持和绝缘作用并维持神经组织的内环境，在中枢神经系统发育过程中起引导神经元走向的作用。

突触周围的胶质细胞能摄取递质而参与了递质的灭活（inactivition）过程，并防止递质弥散（diffusion）。

胶质细胞还参与修补过程。

图1各种胶质细胞

图2各种胶质细胞填满神经元之间的空隙

二、血脑屏障

脑血流速度最快，然而许多药物全身给药后进入脑组织的速度比进入其他组织慢得多，因此形成了血脑屏障（blood-brainbarrier）的概念。

脑内毛细血管内皮细胞之间没有空隙，物质必须经过内皮细胞的两层细胞膜才能进入脑组织（图3）。

毛细血管周围又包裹着胶质细胞。

再加上脑组织基本不存在细胞间隙，这些因素均不利于血液和脑组织之间的物质交换。

但脑必需的物质，如葡萄糖、某些必需氨基酸则有特殊的转运系统，能有效而迅速地把它们转运到脑内。

脑内有些部位缺乏血脑屏障，物质可以自由交换，这些部位是松果体、垂体后叶、后极区以及第三脑室前端的血管器官（organumvasculosum）,统称为室周器官（circumventricularorgans）。

图3血脑屏障模式图

决定药物进入脑组织的速度取决于3种因素：

1药物与血浆蛋白结合的比率，结合多则进入脑组织的药物分子数越少；2药物在体内pH值时的解离度，解离度越大则带电荷的药物分子越多，而细胞膜对带电荷的分子通透性很小，药物进入脑组织的量也减少；3药物的脂溶性，细胞膜中的磷脂蛋白成分容易让脂溶性物质透入，因此脂溶性大的药物容易透入脑组织内。

药物的理化性质和透过血脑屏障能力的相关性见（表1）。

表1决定药物通过血脑屏障的因素

药物

与血浆蛋白结合的比率

未解离的比率

未解离型的n-庚烷/水分配系数

脑脊液通透

硫喷妥钠

苯胺

戊巴比妥

巴比妥

美加明

水杨酸

0.75

0.15

0.40

0.02

0.20

0.40

0.61

0.99

0.83

0.56

0.02

0.004

3.30

1.10

0.05

0.002

400.0

0.12

1.4

1.7

4.0

27.0

32.0

115.0

注：

脑脊液通透代表CSF（脑脊液）浓度与血浆浓度达到平衡所需时间的1/2。

（仿Goldsteinetal.1974）

神经递质如乙酰胆碱、单胺类、γ氨基丁酸（GABA）、谷氨酸、天冬氨酸、甘氨酸等在体液pH时几乎完全处于解离状态，因此不易透过血脑屏障，而它们的前体则易透过（表2）。

表2血脑屏障通透率高、中、低的化合物

血脑屏障通透率高中中等的化合物

血脑屏障通透率低的化合物

水

酪氨酸

色氨酸

L-多巴

DL-5-羟色氨酸

苯丙氨酸

100

50

36

20

7.4

5.5

去甲肾上腺素

乙酰胆碱

多巴胺

脯氨酸

谷氨酸

天冬氨酸

5-羟色胺

肾上腺素

GABA

组胺

4.5

4.5

3.8

3.3

3.2

2.8

2.6

2.4

2.2

1.6

注：

以水作100，其他化合物与水作比较。

（仿lversenSDandlversenLL1981）

为了克服或绕过血脑屏障，人们设计脑室给药、脑组织内注射、微电泳技术、或者利用幼年血脑屏障未完善的动物以及给予能透过血脑屏障的单胺类递质的前体氨基酸。

另一方面，为了排除药物的中枢作用，可以将药物季铵化使之带电荷而不能进入中枢。

第三节突触与突触传递

突触（synapse）一词是由谢灵顿（Sherrington）（1897）首先提出来的。

突触是指一个神经元的突起与另一个神经元发生接触，并进行兴奋或抑制的传递部位。

突触是神经元间相互连接中的基本单位．广言之，突触还包括神经元与肌肉细胞或腺体细胞之间紧密接触的区域。

近年来，人们从形态学，生理学、药理学以及生物化学等方面，对突触的结构与功能，特别是突触的超微结构和神经递质释放的分子水平，进行了广泛而深入的研究，并取得了很大的进展，由此而产生了新的学科—突触学。

一、突触的分类

神经元之间的突触是多种多样的，根据其接触的部位，形式和功能特性，大致可以归纳为以下几种：

（一）根据突触接触部位（图1）

   1、轴突—树突型突触

一个神经元的轴突末梢与下一个神经元树突发生的功能接触，又称为轴树型突触（图1）。

   2、轴突—胞体型突触

—个神经元的轴突末梢与下一个神经元的胞体发生功能接触，又称为轴体型突触（图1）。

   以上两种突触是最基本、最常见的形式，这两种突触前成分是轴突。

  ]

3、轴突—轴突型突触

   —个神经元的轴突末梢与下一个神经元的轴丘，轴突干或轴突末梢发生的功能接触。

又称为轴轴突型突触。

   4、树突—树突型突触

   两种神经元的树突之间发生的功能接触，又称为树树突型突触。

   5、胞体—胞体型突触

   相邻两个神经元的细胞体之间发生的功能接触，又称为胞胞体型突触。

   6、树突—胞体型突触

   一个神经元的树突与下一个神经元的细胞体相联发生的功能接触。

   7、胞体—树突型突触

   一个神经元的胞体为突触前成分，它与另一个神经元的树突发生的功能接触。

近年来的研究表明，神经元之间任何一部分基本上都可以彼此发生突触联系。

图1根据突触接触部位分类的各种突触

（二）根据突触对下一个神经元的功能活动的影响

图2根据突触对神经元功能影响的各种分类

1、兴奋性突触

   它具有圆形小囊泡和连续致密加厚的突触后膜，能使突触后成分去极化，产生兴奋性

突触后电位（excitatorypostsynapticpotential，EPSP），引起下一个神经元兴奋（图2A）。

   2、抑制性突触

它具有扁平型小囊泡和非连续的突触后致密物，能使突触后成分超极化，产生抑制性突触后电位（inhibitorypostsynapticpotential，IPSP），使下一个神经元抑制（图2B），澳大利亚的艾格尔（Eccles）等认为，兴奋性突触相当于GrayI型，而抑制性突触相当于GrayⅡ型（表1）。

表3 两类突触的比较

GrayI型（非对称型）

GrayII型（对称型）

突触囊泡

球形囊泡（S型囊泡）

扁平囊泡（F型囊泡）

activezone

显著

不显著

突触后膜肥厚

显著

不显著

间隙

宽（30nm）

窄（20nm）

突触的类型

兴奋性突触？

抑制性突触？

（三）根据突触传递的性质

1、化学传递突触

   是指突触上传递神经冲动是通过释放神经递质来实现的。

当神经冲动到来时，贮存于突触囊泡（synapticvesicle）内的神经递质便进行排放，通过突触间隙扩散到突触后膜，引起突触后成分去极化或超极化。

因此，有兴奋性突触和抑制性突触之称。

神经冲动通过化学突触时有明显的突触延搁（synapticdelay）（约0.5—2ms）。

   2、电传递突触

   电突触的结构特点是突触前，后成分之间的间隙很小（10—15nm），是不连续的，称为间隙接头（gapjunction），这里的电阻较低，其神经冲动的传递是电耦合（electricalcoupling）即允许电讯号从一个神经元向另一个神经元直接传过去（图2D）。

突触延搁是极短的，从前峰开始到兴奋性突触后电位间隔只有0.lms。

它是神经元之间信息传递的最简单的方式。

对多数电突触来说，电讯号是双向传递，信息可以由突触前成分向突触后成分传递，同样也可以由突触后成分向突触前成分传递。

   3、混合突触

   这类突触兼有电传递与化学传递的特性（图2E）。

在同一个突触连接部位既有突触囊泡，又有间隙接头的界面，如鸟类的睫状神经节等。

二、突触的结构

突触是信息传递的转换点，它包含有一个轴突末端的球状突起和另一神经元表面的受体区。

在电子显微镜下可以观察到突触是原生质的“接触”，而不是连续的区域，共间有隔膜隔开。

轴突末端的轴膜称为突触前膜，与突触前膜相对的胞体膜或树突膜称为突艇后膜，两膜之间有一个均匀一致的裂隙（宽约20～50nm）分隔，称为突触间隙（synapticcleft）。

简单地说，一个突触至少包括突触前膜，突触间隙和突触后膜3部分（图3）。

突触的前膜和后膜较一般神经元膜略为增厚（约6nm），在前、后两膜的界面上，有着不对称的高电子密度的区域。

突触前膜有一片间断性的、呈栅状的致密性突起（其底为50—60nm,高约60nm，呈六角状排列，突起的中心间距为80—90nm）伸入细胞浆内，在突触小体的轴浆内，含有较多的线粒体和大量聚集的小泡，后者称为突触囊泡，其直径为20～80nm，它们含有高浓度的递质。

不同突触内所含的突触囊泡其形状和大小不完全相同。

例如，兴奋性突触内含有球状突触囊泡；而抑制性突触内含有扁平形突触囊泡，前者称为S（sphoriod）型，后者称为F（flattened）型。

图3 突触前膜，突触间隙和突触后膜

据估计，—个神经元的膜梢都可具有2一3万个突触小体，与其后的神经元的树突或胞体构成突触。

据Gray（1974）估计：

一个脊髓腹角运动神经元的胞体上可有2,000个突触（突触较大，约2—3μm,甚至超过4μm），大脑皮层的神经元则约有30,000个突触（其突触较小，一般很少超过1μm），这样的结构就构成了一个神经元可以通过突触传递，对许多其他神经元产生影响。

同样，一个神经元又可以接受许多不同种类的突触和不同种类的神经元的影响。

因此，—个神经元的活动究竟是产生兴奋还是抑制，是由许多突触共同活动和相互制约所决定的。

突触形态的多样性是其功能复杂性的反应。

三、突触传递的一般特性

中枢突触传递和其他部位的化学突触传递一样，与神经纤维上的冲动传导相比，有以下一些特性：

（一）突触的单向传递原则

   突触间的传递，只允许兴奋冲动从突触前的神经末梢传向突触后成分，不允许逆向传递。

（二）突触延搁

   这是由于突触的传递要以递质为媒介。

因此神经冲动由突触前末梢传至突触后神经元，需要经历递质的释放、扩散以及作用于受体而引起的局部电位变化等一系列过程，所以要耗费一定的时间，这种在突触间延搁的时间称为突触延搁。

突触延搁的长短可以通过在突触后记录动作电位的方法精确地测定出来，一般为0.5—0.9ms。

   （三）突触传递的易疲劳性

   疲劳是突触功能的一个非常重要的特性。

因为当神经系统的某些部位发生兴奋过度时，疲劳可使它们不久即失去过度的兴奋性。

例如反射弧活动中，突触是最易疲劳的一环，重复活动，也可使突触产生疲劳，突触为什么容易发生疲劳?

推测这可能是与递质的供应赶不上消耗的速度有关。

据计算，兴奋性突触小体所能贮存的兴奋性递质只能供10,000次正常的突触传递之用，而这个数量仅在几秒或几分钟内即可被耗竭。

  （四）空间和时间的总和

   突触末梢传来的一次冲动及其引起的递质释放的量，常常不足以引起突触后神经元产生扩布性兴奋，如果，同一突触前末梢连续传来一系列冲动，它们单个刺激间隔不大于EFSP的衰弱过程，就可以发生时间上的总和，如果由许多突触前末梢同时传来一排冲动，使EFSP加大，从而达到突触后神经元发放冲动的水平，这就是空间上的总和。

时间总和与空间总和在自然刺激中经常是结合在一起的。

   （五）对内环境变化的敏感性

突触是具有低安全系数的区域，传递容易受到阻滞．如神经纤维在心跳停止后许多分钟，仍能继续传导冲动，但突触的传递作用早就消失了，所以当缺氧，CO2增加或使用麻醉药物都能影响突触的传递功能。

例如，病人脑循环暂时阻断3～5s后，人即可失去意识。

但是，据报道，交感神经节的突触例外，它可以耐受缺O2，而不致影响其传递功能。

   （六）对某些药物的敏感性

突触后膜的受体对递质有高度的选择性。

因此，可以应用特异性的药物，阻碍或加强突触的传递功能，例如苦味碱可增高突触后膜对兴奋递质的敏感性，而马钱子素则阻碍某些抑制性递质对突触后膜作用，可导致神经元过度兴奋而惊厥。

思考题：

1、什么叫神经元？

神经元的最主要的功能是什么？

2、神经元细胞器有哪些？

它们的主要功能是什么？

3、神经胶质细胞按形态分类有哪几种？

神经胶质细胞的功能是什么？

4、决定药物进入脑组织的速度的三种因素是什么？

5、神经递质如乙酰胆碱、单胺类等在体液pH值时不易透过血脑屏障，而他们的前体则易通过，为什么？

6、什么叫突触？

突触至少由哪三部分组成？

突触传递的一般特性有哪些？