电生理学讲义.docx

1、电生理学讲义第一部分 绪 论电生理学(electro-physiology)是生理学中的一个重要内容与组成部分。我们讲生理学是以生物机体功能为研究对象，生物机体的功能就是整个生物及其各部分所表现出的各种生命现象。这些生命现象大多都伴随有生物电(bioelectricity)变化，电生理学就是以生物电为研究对象。电生理学的任务就是要研究生物电的发生机制、条件以及机体的内外环境中各种变化对这些生物电的影响，生物电与机体功能之间的内在联系，同时也研究电，磁对机体的作用及其机制。第一节 电生理学研究的内容与对象 一、生理学及电生理学 电生理学是生理学的一个重要方面，它是随着电子仪器与电生理技术的进步发

2、展而来的，是专门研究生命现象中有关生物电的内容。 生理学最初是与解剖学描述结合起来的，17世纪初生理学的实验研究主要是利用物理与化学的基本方法与技术对生物体进行观察，但又有别于物理化学等一般自然科学，它的实验方法有自己的特点。恩格斯在当时就指出生理学当然是有生命的物体的物理学，特别是它的化学，但同时它又不再是化学，因为一方面它的活动范围被限制了，另一方面它在这里又提升到了更高的阶段。 以后生理学的方法又随数、理、化等基本科学及其应用技术的发展而提高，随着电子技术的发展，特别是计算机的运用，生物电的研究越来越广泛而深入，成为生理学研究中发展最快的领域之一。 二、学习医学电生理学的主要任务 1探索

3、正常人体生物电的现象及其发生机制。 2探索疾病时的异常生物电现象及其发生机制。 3运用电生理学方法作为临床疾病诊断的基础。 4将电生理方法用于疾病的治疗与疗效评估。 三、电生理学研究的不同层次 1生物电现象的细胞和分子水平机制的研究。人体最基本的结构和功能单位是细胞。如神经纤维最主要的功能是传递信息，离开神经动作电位的传导就不可能完成。肌肉的功能是收缩，这种收缩由组成每个肌细胞的肌小节的短缩而造成的，肌小节的缩短是由肌膜上动作电位所引发的。这些电活动都与膜上通道开闭、离子的活动有关。通过微电极引导细胞内外的静息与活动时的电变化以及对单通道离子流的观察，以从微观水平了解生物电变化的规律与机制。

4、2生物电现象的组织、器官水平的机制研究。离体器官、离体组织在一定理化环境下的电活动，如心脏、子宫肌、消化道平滑肌、骨骼肌、神经、脑片。它可以减少整体以及其他器官对这些组织器官的影响与生物电干扰，排除了神经体液的影响，它反映了组织、器官本身的电活动状况，可直接观察各种因素对其的影响。3生物电现象的整体水平的观察与机制研究。机体是个具有上下、左右、前后三维的容积导体。一些组织器官的电活动可以在体表的不同部位引导出来，如脑电、心电、肌电、胃肠电等。由于受电场的影响，引导部位的不同得到的电位大小就会受影响，波形也会因位置的改变而有所不同，是机体各种生物电在某点的综合电反映。而此生物电是反映了机体在内外

5、环境影响下的通过机体调节的电变化。一般而言，引导部位离所在器官越近越能获得此器官较大的生物电反映。它可以作为无创检测，因而在临床上也广泛运用于诊断或监护与疗效观测。第二节 电生理学的发展简史 人类对于生物电现象的注意可以追溯到古埃及关于电鱼击人的记载。从历史上看，电生理学发源于科学史上著名的一场争论。1786年，意大利Bologna大学解剖学教授Galvani发现，用金属导体连接蛙腿肌肉与神经，则肌肉就会发生颤抖。他把这个现象的发生原因归之于“动物电（animal electricity）”，他的著名的文章发表之后，引起一场争论。同时代的物理学家Volta不同意Galvani的见解，两人各自埋

6、头于实验室。Volta用铜板和锌板中间隔以盐水，由于不同金属的电解质相接触因而产生了电动势，从而发明了伏特电池。Galvani为了验证自己的观点，进行了一个出色的试验，他发现在无金属参与的情况下，将一个神经-肌肉标本搭在一个肌肉标本的损伤处可引起该神经-肌肉标本的肌肉产生收缩。这个发现成了电生理学的开端。一、神经电生理的研究与发展概况 电生理学的发展，几乎完全是与电学仪器的发明分不开的。1848年德国人Reymond用电流计测量神经传导时的电变化，1850年Helmholtz测定了神经传导速度。这是神经生理发展中的一件大事。之前都认为电的传导速度等于光速，因而猜想神经传导速度也是光速。Helm

7、holty以很简单的实验测出蛙神经传导速度为20-30m/s。 电生理学的这些现象的观察为生物电现象理论的提出提供了条件。1879年Hermann提出变质学说（alteration theory）。在正常部位与损伤部位之间的电位差，称为损伤电位（injury potential），这种电流也相应地称为损伤电流（injury current）。他认为这种电流在损伤时产生的。因为组织损伤时，在生理、生化作用的影响下产生了局部变质，因而与正常部位之间产生了电位差。 1902年Bernstein提出了生物电发生的膜学说(membrane theory)，认为神经、肌肉的膜只对钾离子有特殊的通透性，而较

8、大的阳离子、阴离子则无通透性。在这种情况下，由于细胞内外钾离子分布不均匀，故在膜的两侧形成了电位差，此即为静息电位（resting Potential）。他设想当神经、肌肉发生兴奋而传导时，神经膜的选择通透性暂时消失，以此来解释动作电位的产生。按照Bernstein膜学说看来，动作电位实际上即是静息电位的暂时消失。直到1939年之前这一学说一直是电生理学的主要理论基础。 Adrian和Sherrington两位神经生理学家对神经元的机能研究以及信息由一个细胞向另一个细胞传递的机制的研究作出了重大贡献。他们俩一起获得1932年的诺贝尔医学-生理学奖。Sherrington在1906年发表了神经生

9、理学上具有划时代意义的著作神经系统的整合作用从此书可看出他的分析问题的方法及精辟的见解，成为整整半个世纪中枢神经系统生理的基本依据，也是神经系统电生理的基本出发点。 电生理学的发展有待于电子技术的发展，电子技术的兴起促使电生理学研究的更大跃进。这方面的带头人物是Erlanger与Gasser，他们合著的神经活动的电表现一书，是应用阴极射线示波器研究外周神经活动的一个总结。他们两人因此而获得1944年的诺贝尔-生理学奖。 微电极技术的应用，又促使神经系统的电生理研究前进了一大步。开始是把微滴管刺入枪乌贼的巨轴突。以Hodgkin为代表的英国剑桥大学取得了很大的成就，修正了Bernstein的膜学

10、说，成为动作电位的钠学说，当然钠学说还有赖于其他一些测试技术的发展，如放射性同位素，电压固定技术的发明。微电极在中枢神经系统的研究是由Forbes、Renshow等人于1937年开始的，Renshow用直径为10m的微电极记录脊髓的一种中间神经元的活动并做出了分析。 1939年Hodgkin、Huxleg等首次成功地进行了乌贼巨轴突内记录揭开了细胞内记录的新篇章。1940年21岁的研究生Graham在Gerard实验室用微电极细胞内穿刺并于第二年记录到细胞内的“真正电位”（电极直径10m记录到RP平均为41mv），1946年，她离开Gerard实验室后，来了一位中国的研究生Ling（凌宁）于1

11、947年使微电极的尖端小到1m阻抗高到100m，所记录到的蛙肌纤维的RP达78mv。可惜的是当时Gerard的重要兴趣是研究静息电位，只限于观察K+、Ca2+、pH、药物以及代谢毒物等对静息电位的影响，从而失去了发展动作电位记录技术和理论的时机。 1948年Adrian的得意门生Hodgkin在Gerard实验室向Ling学习控制和充灌微电极的技术。他只在那里呆了几天即领悟到该项技术的窍门。同时他同Nastak一起改用了3mol/L KCl充灌微电极，借以降低电极电阻和液体接头电位，并在微电极与放大器之间加了一个阴极跟随器，借以减少栅极电流，同年底，即清楚记录到超射达30-40mv的动作电位。

12、并证明细胞外钠的缺如可降低动作电位幅值。在同一时期Falt和Katz应用该技术首先记录到终板电位、微终板电位，Eccles应用该技术在不到两年期间内，即从猫脊髓运动神经元记录到漂亮的EPSP和IPSP。曾向Ling学习过微电极技术的Walter也记录到单个心肌细胞的AP。基于他们应用微电极技术，对于神经系统两大基本理论问题神经冲动的传导及中枢突触的传递的重要贡献，Eccles、Hodgkin和Huxley三位生理学家联合获得了1963年度的诺贝尔医学-生理学奖。之后Katz等人也获得了这一荣誉。 在细胞内记录技术的基础上发展起来的电压钳技术进一步将细胞内记录技术推进到一个更新的水平。配合应用离

13、子通道选择性阻断剂，放射性同位素以及离子取代方法来研究各种离子流特征。Hodgkin、Katz等人提出了离子通道与离子学说（ionic theory）。1970年前后神经元间通信的主要信号机制已经确立，然而其分子机制仍未解决。Hodgkin和Huxley用电压门控通道的概念来描述电导的变化尽管当时生物标本上没有直接的证据，但人们已经常用Na+通道、K+通道等术语。 1976年Neher和Sakmann首次报告了用膜片钳方法改革了离子通道研究，记录到单通道离子流。这一技术在二十世纪八十年代得到了飞速的发展，从最早的Ach单通道到K+、Na+、Ca2+、Cl-单通道，Glutamate单通道。这种

14、技术高精度、低噪声（精度可达10s时间分辨率，1PA电流分辨率，1m空间分辨率），由于Neher和Sakmann真正解决了阐明生物电产生的分子机制，他们的贡献对细胞生物学领域的发展以及阐明各种疾病的机制均具有革命性意义，为此两人分享了在1991年诺贝尔医学-生理学奖。二、心脏电生理的研究与发展概况 1842年Mattenchi发现鸽的心脏可产生电流，1856年Kolliker及Muller制做了蛙坐骨腓肠肌标本，并将坐骨神经切断的一端放到蛙跳动的心脏上，结果心脏每次跳动时，腓肠肌都随之抽动一次，每次抽动都能记录到相应的心电活动。1876年物理学家Lippmann与内科医师Marey合作发明了毛

15、细管电流计，用其记录自主性电活动，包括心脏产生的电活动，毛细管电流计开创了心电图记录的先河。1887年Waller在人体记录到心脏周期产生的电活动。1890年起，心电图的创始者Einthoven对心脏电活动发生了浓厚兴趣。1901年他发明了心电电流计，更真实地记录了心脏电活动的电流，开始了人体心电图的记录。此后Einthoven提出了导联选择规律，记录了运动后的心电图，1905年其正式将心电图用于临床，引起了巨大的反响。鉴于他的工作重要性及价值，1924年Einthoven获得了诺贝尔医学奖。Lewis是心电图创始时代的又一位大师，自1906年他就开始研究期外收缩，心房扑动、心房颤动、房室传导

16、阻滞等，他的开掘性研究为心电图的临床应用起到巨大作用。美国密西根大学执教的Wilson提出了胸前6导联系统，使体表心电图标准化为12导联。 1906年Cremer应用食道电极测到心房电活动，开创了食道心电图的研究与应用。但因食道电极导管太粗（1.5厘米），不便吞咽，记录基线漂移很大，因而没有引起重视。直到1912年Barold采用改进的双极导管，并对记录的信号加滤波处理使基线更为稳定，进而使食道心电图的应用得以推广。 20世纪30年代心电向量图的记录开始用于临床，最初的导联系统以Einthoven等边三角形学说为理论基础，分别与X轴（左右水平）、Y轴（上下垂直方向）、Z轴（前后水平方向）相平行

17、。1946年Burger提出了修定的导联体系，此后Frank做了大量的向量心电图的研究，提出了Frank矫正导联体系。目前这个导联体系仍在临床较多地使用。 动态心电图（Holter Test）是体表心电图范围内的一大飞跃。1949年Holter用远距离遥测的方法记录到青蛙的心电图，1956年发展成磁带连续记录24小时动态心电图，并以发明者Holter命名了这项技术。1960年以后逐步改善着心电图阅读方法，1970年之后将计算机引进资料评价及处理系统，使24小时的心电图能在8分钟内处理并打印报告。1979年威斯康辛大学应用4K内存的微机进行监护，使监护时间可达36个月。除记录时间的延长外，还增加

18、了固态记录系统，最初的单通道的监护记录系统已被2个或3个通道同时监护记录的系统所代替，这些都提高了该技术的临床应用价值。 虽然体表心电图发展的历史可迟溯到上个世纪，但心腔内电图的检查却只能在心导管术发明之后才得以实现。1929年Forssmann在自己身体上证实了应用一根导管很容易进入到心脏而没有任何的致病作用，这一创举打开了心导管临床应用的大门，Forssmann因此也获得了日后的诺贝尔医学奖。1945年Lenegre及Maurice在做心导管检查时首次记录到心房及心室的电活动，引起各家注意，从此开始了心内电图及心内电生理的检查。1950年Kossmann报道了心内电记录在心律失常诊断中的价

19、值。同年，Levine及Goodale首次记录了冠状窦电图。1958年Alnis在动物离体灌注的心脏首次记录了希氏束电图（HBE）。1959年Stuckey和Hoffman在人体心脏的直视术中记录到HBE，1960年Giraud等创用导管法记录HBE，他们应用的方法日后得到广泛证实。1968年Scherlag、Helfand及Damato三氏将血管切开改为经皮穿刺，使心导管法记录HBE的技术更加规范化，更易实施。此后心内电图的记录迅速推广应用。可以这样说，Scher1ag等人的1968年之举是心电生理学发展史上的一个重要的里程碑。 程序性电刺激虽然很早就已开始了实验研究，但上世纪60年代后才应

20、用于临床。1971年Wellens改进了程序性心脏电刺激方法，并结合心内心电图的记录研究房室传导的功能，研究和治疗心动过速。Wellens提出的规范化的程序性心脏刺激法大大提高了传导系统疾病与功能的研究水平，使心律失常的研究从心电图时代进入到心脏电生理时代，程序刺激法成为了心脏电生理检查的核心部分。Scherlag及Wellens成为现代心脏电生理检查术的奠基者。 心内电图记录及心脏电生理技术在20世纪7080年代取得了大量的重要进展。1971年Mandel发明了应用右房超速抑制测定SNRT（窦房结恢复时间），1973年Strauss提出了应用程序右房刺激测定SACT（窦房传导时间）的方法，同

21、年Josephson在研究室速记录心内心电图时，记录和发现了心室晚电位，在1973年Cranefield提出触发激动，触发性心律失常的概念。1978年，Narula提出应用连续右房刺激的方法测定SACT，同年Cramer应用杰出的方法证实了他记录到P前电位就是窦房结电图，Harimann又将这一记录技术应用到临床，开始了窦房结电图的记录时代。近20年来，心脏电生理的研究又从诊断转向了治疗。电外科学（electrosurgery）的发展使显性或隐匿性预激综合证都能得到根治，同时室速及室上速都开始了外科治疗。心律失常的内科介入性治疗的进展更令人瞩目，1982年Gal1agher及Scheinman

22、分别在美国的公爵大学及加州大学报道了直流电消融术治疗心动过速，1986年Huang首先用射频电能进行房室结消融治疗室上速，这一新方法疗效好，合并症少，临床实用价值高。同时，新型起搏器（抗心动过速起搏器、各种生理性起搏器）及AICD（植入性心脏自动除颤器）更为广泛地应用，并取得显著的临床疗效。化学消融、冷冻消融治疗心律失常也开始了实验研究及临床尝试。这些新的十分有效的治疗方法给心脏电生理的检查带来了新的生机，大大刺激并推动了心脏电生理的发展。三、平滑肌电生理的研究与发展概况与神经、肌肉及心肌电生理研究的历史比较，平滑肌电生理的研究起步比较晚，其研究的深度和广度也逊色于前者。平滑肌电生理研究是从胃

23、电图的发现开始的，由此对胃平滑肌的电学研究报告也多于对其他部位平滑肌。1921年10月W.Alvarez用弦线电流计在一位患癌症的妇女体外第一次记录到胃电图，因为当时患者羸瘦，以致于用肉眼就能观察到3cpm的胃收缩波与其相对应的胃电图慢正弦波。但是，受到当时的电流记录装置等技术上的限制，该研究没有继续下去。1926年Tumpeer用心电图机，以标准肢体导联的左臂和右腿部位从一位幽门梗阻的老年妇女体表再一次记录到了胃电图。随后他又用同样的方法在患幽门麻痹的儿童体表也描记到了胃电图。根据记载，当时描记的胃电图与现在临床所记录的图形差异很大，因为心电图机刚使用不久，仅在基线上的慢波变化负载有心电信号

24、，这种基线上的慢变化为3cpm，他认为这3cpm就是胃运动的频率变化。 对于胃电图进行的系列性探索研究约在20世纪50年代中期。由于稳定地记录较缓慢、低幅值的胃电图信号，在当时是相当困难的。美国生理心理学家R.C.Davis首先对放大器和记录装置进行了改进，并在1957年率先用皮肤表面电极直接从腹部表面记录到了胃电图，并且在记录胃电图的同时用小气囊记录胃的运动，以探讨胃运动与胃电图之间的关系。对于身体其他部位发生的电信号，如呼吸、心脏、皮肤、骨骼肌等电反应的影响予以排除。明确地提出：胃肠以及其他内脏器官的活动都可以在体表记录到相应的电信号。在确立胃电图的记录方法基础上，进一步探索了食物、休息、

25、视觉等因素对胃电图的影响。并于上世纪五十年代末将研究结果进行了系列报道，由此大大激发了学者们对胃肠电图研究的兴趣。在同时期进行胃电图研究工作的Tiemann和Reichertz两位学者在其发表的论文中也明确提出：正常人在安静状态下记录到的胃电图频率约3cpm，与早期学者的研究结果是一致的。前苏联的学者在胃电图临床研究方面起步较早，在1958年初Sobakin和Mishin就观察了正常人和胃肠疾患患者的胃电图特征。并报告了61例健康人和64例患有各种胃疾患病人的胃电图改变。指出：患有溃疡患者胃电图的3cpm节律没有变化；幽门麻痹患者的胃电图幅值可显著增高；而胃癌患者的3cpm节律则破坏明显。 在

26、体动物胃电图的研究工作是在20世纪60年代中期出现的，1965年到1974年历时近10年的时间里，Stevems和Worrall等在实验室里以猫为对象，在其胃壁上埋植压力应变片与皮肤表面同步记录胃电图，研究胃电图与胃运动之间的关系。结果发现有很强的相关性，认为用胃电图作为评价胃运动是具有一定的可靠性。并且，将此前用肉眼判读方法对胃电图幅值和频率进行分析，改用计算机傅立叶（Fourier）频谱分析，提高了对胃电图结果分析的可靠性和分析速度。至此研究者们基本上确认，即从皮肤表面上记录到的胃电图是由于胃平滑肌收缩引起的电位变化，胃电图与胃平滑肌收缩之间呈1：1的关系。其后对于胃电图的起源的研究，19

27、68年Nelsen和Kohatsu的实验认为，胃电图就是胃的慢波活动或起步电位（Pacemaker Potential），又称电控制活动（Electrical control activity）。认为体表记录的胃电图反映了胃电位的大小，但是并非反映胃收缩，而收缩是被固定在慢波内。简言之，胃电图可以用来确定已经发生的胃收缩频率，即亦胃电图所表现的持续不断的慢波频率，但是胃电图不能检出所发生的胃收缩活动。这一结果在Brown（1975年）等研究中也得到了证明：即在绝大多数受试者中，当胃收缩发生时，胃电图显示3cpm的频率同时，而胃内压却并非如此。进入20世纪80年代，关于胃电图与胃平滑肌收缩关系的

28、研究取得了进一步的进展，由Smout等人所进行的胃电图分析和解释其成因研究结果表明：胃收缩发生时其胃电图幅值增加，而电控制活动和电反应活动均可在胃电图中得到反应。然而，在早期工作中没有阐明胃电图幅值和胃收缩活动相关性的重要原因之一，乃是胃内压力记录技术不敏感之故，而非胃电图本身的问题。相对地讲，胃电图的研究历史比其它电生理学检测方法的历史要短，所以关于胃电图的识别、分析及意义、可靠性等研究工作一直在进行，在完善。第二部分 神经电生理学第一章 神经电生理的一般原理第一节 神经纤维的电学性质 神经纤维的电缆特性主要表现在膜电阻、膜电容、膜电位三个方面。这些电学性质静息状态和活动状态有所不同，特别是

29、膜电阻和膜电位在活动状态时发生很大的变化。我们先讨论静息状态下神经纤维的电学性质。 一、膜电阻 神经膜虽然很薄，但电阻很高，由于膜具有电容特性、离子的通透性及整流特性，因而测量膜电阻不能用直流电去直接测量，而是用交流电桥测阻抗。电阻值表示膜对电流的通导能力。由于测量上的缘故，细胞膜电阻的表示往往用单位面积膜电阻乘以膜面积（即RmS）来表示，单位为cm2。膜电阻的倒数称膜电导（g） g=1/R 。 二、膜电容 任何两个导体中间以绝缘体隔开的装置称为电容器。两块金属平行板之间以绝缘介质隔开，再加上电位差V，则CQ/V。式中：Q为导体上总电荷，C为电容。 动物细胞内液与外液相当于两块金属板（导体），

30、而细胞膜是一个较好的绝缘体。如70mV的静息电位在7nm厚的类脂蛋白膜产生大约有105 V/cm的电压梯度，所以可以说是一个较好的电容器，但细胞膜上有孔洞，或者叫做离子通道，离子可以通透，因此被隔离的电荷会慢慢漏掉，因此它又是一个不完善的电容器。 由于细胞膜所隔离的电荷是离子，电荷量Q往往用每平方厘米的克分子数来表示。膜电容基本上不受膜内外离子浓度的影响，在相当大的范围内，都能保持恒定。 三、等效电路以上两个特点神经膜可以用以下的等效电路来说明（图2-1-1）。图中：（1）电容Cm表示膜的绝缘及储存电荷方面；（2）Rm代表辐向的电阻，是单位长度轴突的膜电阻；(3）Ro表示细胞外液的纵向电阻；（

31、4）Ri代表轴浆的纵向电阻。Ro及Ri均为单位长度的电阻。一条神经轴突的膜可以认为是由无数个这样短段（x）的膜连接起来而成的。 膜的总电阻是由膜外电阻ro、膜上电阻rm和膜内电阻ri三部分组成的。即：R=ro+ri+rm。这里可忽略膜外电阻ro及电容（ro为膜外溶液的电阻，一般很小，可忽略）。式中：ri 为每单位长度（1cm）细胞内液的纵向电阻；rm为每单位面积（1cm2 ）或单位长度（1cm）膜上的横向电阻。 如给这种等效电路通以一恒定电流，则电位的变化将与从实验中测得的非常接近。因此这种等放电路是反映了膜的电学特征的。 在低于阈值下，通过膜的电流-电压遵循欧姆定律。膜电阻rm主要是用在静息

32、电位附近对K+，Cl-的电导来表示。如果接近阈值，则由于膜对Na+、K+的通透性大大增加而使得rm大大减小。不同动物、不同细胞的膜电阻是不同的。 神经纤维中细胞浆电阻ri，膜电阻rm和膜电容Cm的组合对于膜电流和膜电位的影响，起着依距离而衰减以及在时间上延缓的作用，这种特性称为神经纤维的电缆性质。在一定条件下，如在阈下刺激，这种性质遵循欧姆定律。神经膜的这种电缆特性用时间常数和空间常数两个特征量来表征。 四、时间常数（） 所谓时间常数，是指膜电压随时间而改变的过程，用一常数来表示之，它的大小等于R、C的乘积。 神经纤维膜具有电阻、电容的电学性质。给轴突膜一个突然增加的电压E（如加上一方波），而从另一个电极记录电位变化E。可见E不是突然变大的，而是逐渐上升。当原先加在膜上的方波突然撤去时，E也是逐渐减小的。这种膜电压随时间而改变的过程，可用一常数来表示，即时间常数（）。加一电压时，膜电压逐渐上升至原电压的63所需要的时间即为；或撤去电压时膜电压逐渐下降至原电压的37%所需的时间也就是；的长短与膜的电阻电容大小密切相关，电阻R及电容C大则亦大（=RC）。记录到的电位E又与记录电极与电源的距离有关。是以时间为单位的，常以