认知科学与类脑计算 第二章 神经系统的生理学基础 考点压缩

第二章：神经系统的生理学基础 — 知识点笔记

综合来源：课件2（PDF）、课堂笔记（CSDN）、期末复习课录音

占位图

超级压缩

第二章

神经元 后勤(营养 结构) 胶质细胞(处理 传递)
神经元性质：兴奋性 动态极化(单向传播) 连接特异性(特定接触点连接)
神经元结构 轴树胞体
突触传递：动作电位传递到轴突末梢 转为化学信号(神经递质)，在另一神经元突触后膜转为电信号
神经元类别：单(1分2)双多/感觉单中间运动多
膜：磷脂双分子层
离子通道/离子泵：跨膜蛋白质
类型：受控 被动 性质：离子选择性 门控(响应信号) 跨膜传导(开放传导离子)

膜电位：内-外电位差
(静息)极化-(上升 并发放电位)去极化-(下降)复极化-(更负值)超极化
静息电位：无刺激下产生的跨膜电位差
影响因素：离子通道开放性 选择性 浓度差
静息电位形成：Na外K内扩散流 K走多内负外正 负电位 浓度梯度=电荷梯度 静息形成。

2.1 神经系统基本组成

两类细胞

神经系统（Neural system）由两类细胞构成：

二者以错综复杂的方式相互联系，共同维持神经系统的整体功能。

神经元的核心性质

• 神经系统中最基本的信息处理单元
• 接受输入→整合判断→调整活动水平→输出传递
• 兴奋性：能够被激活并以脉冲形式将信息传播至神经系统的其他部分
• 动态极化（卡哈尔提出）：神经元内电信号仅沿单一方向传播——从树突/胞体→轴突触发区→轴突末梢
• 连接特异性（卡哈尔提出）：神经元在特定接触点与特定突触后细胞建立突触联系，非随机连接

【图片：神经元与神经胶质细胞示意图 — 课件2第4页】

2.2 神经元结构

三大组成部分

树突(Dendrites) 胞体(Soma) 轴突(Axon) ┌─────────────────┐ ┌──────────────┐ ┌─────────────────┐ │ 输入单元 │ → │ 处理单元 │ → │ 输出单元 │ │ 接收其他神经元 │ │ 整合输入信号 │ │ 传递动作电位 │ │ 信号传入胞体 │ │ 超过阈值则发放 │ │ 至其他神经元 │ └─────────────────┘ └──────────────┘ └─────────────────┘

卡哈尔（Cajal）与现代神经科学

• 西班牙神经科学家，现代神经科学开创者，1906年诺贝尔生理医学奖
• 高尔基 vs 卡哈尔之争：
  • 高尔基"网状理论"：神经系统是连续的网状结构
  • 卡哈尔"神经元学说"：神经元是独立单位，通过特殊结构（突触）传递信号
  • 电子显微镜发明后，神经元学说获得证实

卡哈尔两大原则

1. 动态极化：电信号仅沿单一方向传播（树突/胞体→轴突→末梢）
2. 连接特异性：神经元非随机连接，仅在特定接触点与特定目标细胞建立突触

【图片：卡哈尔手绘神经元图 — 课件2第11页】

突触（Synapse）结构

• 定义：一个神经元的轴突末梢与另一个神经元的胞体或树突接触形成
• 化学突触结构：

突触前膜 ─┬─ 突触间隙 ─┬─ 突触后膜 (轴突末梢) (~20-40nm) (胞体/树突) │ │ 突触囊泡(含神经递质) 受体蛋白

• 信号转换过程：电信号 → 化学信号 → 电信号
  1. 动作电位沿轴突传导至末梢
  2. 末梢处转换为化学信号（神经递质释放）
  3. 跨越突触间隙
  4. 突触后膜再次转化为电信号

【图片：突触结构示意图 — 课件2第14页】

2.3 神经元类型

分类一：基于结构（胞体突起数量）

【图片：三种结构类型神经元形态图 — 课件2第18-19页】

分类二：基于功能（信号传播方向）

信息通路：感觉神经元 → 中间神经元 → 运动神经元

【图片：功能分类与信号流向图 — 课件2第20-22页】

2.4 神经元的细胞膜与离子通道

细胞膜结构

• 双层磷脂分子层构成，绝缘良好
• 是水溶性分子的屏障

【图片：细胞膜双层磷脂结构图 — 课件2第24页】

离子通道（Ion Channels）

• 由跨膜蛋白质分子构成
• 神经元快速信号传导依赖于离子通道

三大核心特性：

离子通道类型：

• 被动型（无闸门）：始终开放，仅对特定离子通透
• 受控型（有闸门）：受电/化学/物理刺激调控开关

膜片钳技术

• 内尔（Neher）和萨克曼（Sakmann）于1970s末-80s初开发
• 空间分辨率达1微米，首次测量单一离子通道电流
• 1991年诺贝尔生理医学奖

【图片：膜片钳技术示意图 — 课件2第27页】

2.5 离子泵与膜电位

Na⁺-K⁺离子泵

• 由跨膜蛋白质组成
• 水解1个ATP→泵出3个Na⁺+泵入2个K⁺
• 重复活动改变膜内外离子浓度 → 产生离子浓度梯度

【图片：Na-K泵工作原理图 — 课件2第28页】

膜电位（Membrane Potential）

Vm=Vin−VoutV_m = V_{in} - V_{out}Vm​=Vin​−Vout​

• 平衡状态下通常维持在-40mV 至 -90mV（胞内相对胞外为负）

膜电位变化对应神经元状态

【图片：动作电位各阶段膜电位变化图 — 课件2第30页】

2.6 静息电位的形成 ⭐

定义

在没有任何外界刺激的情况下，细胞膜对离子的选择性通透性以及离子泵建立的浓度梯度共同作用，产生的跨膜电位差即静息膜电位（静息电位）。

形成过程（5步）

1. Na⁺/K⁺泵建立浓度梯度：胞外Na⁺浓度高，胞内K⁺浓度高
2. 扩散趋势：Na⁺倾向于内流，K⁺倾向于外流
3. K⁺选择性外流：膜对K⁺通透性远高于Na⁺ → 更多K⁺离开细胞 → 胞内负电荷过量
4. 电场力阻碍：K⁺外流使胞内积累负电荷 → 产生阻碍K⁺继续外流的电场力
5. 电化学平衡：浓度梯度驱动力 = 电荷梯度驱动力 → 平衡 → 形成静息电位

核心结论：静息电位主要取决于K⁺的平衡电位（通透性最高）

能斯特方程（Nernst Equation）⭐ 计算考点

单个离子的平衡电位（电化学平衡时）：

Eion=RTzFln⁡[X]out[X]inE_{ion} = \frac{RT}{zF} \ln\frac{[X]_{out}}{[X]_{in}}Eion​=zFRT​ln[X]in​[X]out​​

其中：

• R = 气体常数（8.314 J/(mol·K)）
• T = 热力学温度（体温 ~310K，即37°C）
• z = 离子电荷数（K⁺: +1, Na⁺: +1, Cl⁻: -1, Ca²⁺: +2）
• F = 法拉第常数（96485 C/mol）
• [X]out / [X]in = 胞外/胞内离子浓度

常用简化形式（室温~25°C时）：
Eion≈58mVzlog⁡10[X]out[X]inE_{ion} \approx \frac{58mV}{z} \log_{10}\frac{[X]_{out}}{[X]_{in}}Eion​≈z58mV​log10​[X]in​[X]out​​

河豚毒素（TTX）

• 钠离子通道阻滞剂，阻止Na⁺进入神经细胞
• 无足够Na⁺进入 → 无法产生去极化过程 → 破坏神经细胞正常功能
• 📖 苏轼《惠崇春江晚景》“正是河豚欲上时”

笔记中的图片索引

笔记整理时间：2026年6月25日