实验六-七神经干动作电位的探究
介绍
一、背景信息
神经是由神经纤维聚集成束的构造，而神经纤维本身是由神经元的轴突（神经元的细长突出，负责传出神经讯号）外被神经胶质细胞所形成的髓鞘包覆而构成。每一条神经的外部
都被一层致密的结缔组织所包覆，称为神经外膜，其内亦包埋了提供营养的血管。神经内的
神经纤维被神经束膜分隔为数个神经纤维束。每个神经纤维周围亦有神经内膜包覆。神经外
膜内包埋的血管分支通过神经束膜，在神经内膜形成血管网。神经内膜亦具有淋巴管。[1] 神经干在受到有效刺激后，可以产生动作电位，标志着神经发生兴奋。[2]
神经在一次兴奋的过程中，其兴奋性也发生一个周期性的变化，而后才恢复正常。兴奋性的周期变化，依次包括绝对不应期、相对不应期、超常期和低常期4个时期。[2]不应期的长短对生物体有着重要的意义，不同的可兴奋组织（细胞）的不应期长短是不尽相同的。神经细胞的不应期一般较短，这是为了能较快地接受外界刺激信号和传导信息，
以使机体及时做出反应；而心肌细胞的不应期较长，这是为了使心肌在每一次收缩后有足够
的舒张休息的时间，防止心肌过度紧张疲劳甚至出现强直收缩现象而危及机体。[2]神经干受到有效刺激兴奋以后，产生的动作电位以脉冲的形式按一定的速度向远处扩布传导。不同类型的神经纤维，其传导速度(V)不同，并取决于神经纤维的直径、内阻、有无髓
鞘、温度等因素。[2]
二、观测项目
1.神经干动作电位
在神经干刺激位置的另一端引导传来的兴奋冲动，可以引导出双相的动作电位（如图5-1），
如果在两个引导电极之间将神经麻醉或损坏，则引导出的动作电位即为单相动作电位。
神经细胞的动作电位是以“全或无"方式产生的。[2]
图5-1 神经干双向电位记录法
神经干的双向动作电位有波幅、波宽等参数，神经对刺激的反应具有兴奋阈值、最适刺
激和潜伏期等参数。其中，波幅指动作电位的最大值；波宽指动作电位延续的时间；兴
奋阈值为能够使神经干产生兴奋的最低刺激强度；最适刺激是能够使神经干产生最大刺
激的最小刺激强度；潜伏期指发出刺激到开始产生动作电位的时间。
2.神经兴奋的不应期
为测定神经兴奋后兴奋性的变化，采用双脉冲刺激。可预先给神经施加一个最适刺激，
引起神经兴奋，然后按不同时间间隔给予第二个刺激。检查神经对检验性刺激是否反应
和所引起的动作电位幅度变化，来判定神经组织兴奋后的兴奋性变化。以两个刺激间隔
测出神经干的不应期。[2]
当第二个刺激引起的动作电位幅度开始降低时，说明第二个刺激开始落入第一次兴奋的
相对不应期内。当第二个动作电位完全消失，表明此时第二个刺激开始落入第一次兴奋
后的绝对不应期。[2]
3.神经冲动的传导速率
测定神经纤维上兴奋的传导速度V (m/s)时，在远离刺激点的不同距离处分别引导其动作
电位，测得两个引导点之间的距离s (m)，测量出引导出的两次动作电位的时差t (s)，则
神经冲动的传导速度由计算可得：V = s/t。[2]
三、实验目的
1.学习电生理实验方法。
2.观察并记录蛙类坐骨神经干复合动作电位的波形与参数，并了解其产生的机制。
3.了解蛙类坐骨神经干兴奋性的规律性变化。
4.学习神经干绝对不应期与相对不应期的测定方法。
5.学习测定蛙类离体神经干上神经冲动的传导速度的方法。
实验材料和方法
一、实验材料与器械
青蛙、常用手术器械、多通道生物信号计算机采集系统、神经屏蔽盒、固定针、铜锌弓、蜡盘、培养皿、污物缸、棉线、纱布、滴管、任氏液。
二、实验步骤与方法
1.蛙类坐骨神经干动作电位的记录与观察
1)制备青蛙坐骨神经干标本
a)毁脑毁脊髓，去除皮肤（以免分泌物破坏组织），制备下肢标本，用任氏液冲洗
一下即可。
b)用粗剪刀纵向剪开脊柱盒与两后肢相连的肌肉，再用粗剪刀剪开趾骨联合（避免
剪刀偏向一侧，保证两侧坐骨神经完整）。全过程不可用金属器械或手触及神经干。
c)标本仰卧置于蛙板上，用玻璃分针分离脊柱两侧的坐骨神经，棉线先用任氏液湿
润，然后穿线，紧靠脊柱根部结扎，近中枢端剪断神经干，用尖头镊子夹结扎线将神
经干从骶部剪口处穿出，暴露出来的神经不时用任氏液润湿，切勿用力牵拉神经。
d)标本俯卧位置于蛙板上。然后再用玻璃分针循股二头肌和半膜肌之间的坐骨神经
沟，纵向分离暴露坐骨神经大腿部分，直至分离至腘窝胫腓神经分叉处，用玻璃分针
将腓浅神经、胫神经与腓肠肌和胫骨前肌分离，将腓肠肌剪除。分离神经时，要把周
围的结缔组织剥离干净。
e)用手轻提一侧结扎神经的线头，辨清坐骨神经走向，置剪刀于神经与组织之间，
剪刀与下肢成30°角，紧贴股骨，腘窝，顺神经走向剪切直至跟腱，并剪断跟腱和
神经。
f)用手捏住结扎神经的线头，用镊子剥离附着在神经干的组织，将剥离出来的坐骨
神经干标本浸入盛有任氏液培养皿中待用。
2)连接装置
连接生物信号采集处理系统与标本盒（如图5-2）。S1接刺激器输出正端（红），S2
接刺激器输出负端（黑）；r3接地电极（黑色），接入屏蔽盒；r1(-)接放大器负输入
端（绿），r1(+)接放大器正输入端（红），作为引导电极，接入信号采集系统通道1。
图5-2 神经屏蔽盒电极结构示意图
3)参数设置
启动RM6240系统软件，点击“实验”菜单，选择“生理科学实验”菜单中的“神经干动作电位”项目。系统进入该实验信号记录状态，仪器参数：1、2通道时间常数
0.02～0.002s、滤波频率1KHz、灵敏度5mV，采样频率40KHz，扫描速度0.5ms/div。
单刺激激模式，刺激幅度0.1～3V，刺激波宽0.1ms，延迟5ms，同步触发。
4)检测神经干标本兴奋性
用镊子夹持神经干扎线,将神经干移入神经屏蔽盒内，中枢端置于刺激电极处，从末梢端引导动作电位。使神经干与刺激电极、接地电极、引导电极均接触良好。盖上屏蔽盒盖子。启动刺激图标，观察是否有动作地位。如果没有动作电位，且神经干与电极接触良好，可能是神经干标本无兴奋性，应更换神经干。
5)测定神经干兴奋阈值
刺激强度从0.1V开始，逐渐增加刺激强度，当刚刚出现动作电位时的刺激强度，即为神经干的兴奋阈值。
6)记录双相动作电位
在刺激阈值的基础上逐渐加大刺激强度,可见动作电位的图形为又相,而且其幅值随刺激强度增大而加大。当刺激增加到一定强度时，可见动作电位的幅值不再增大。
7)测量动作电位参数
对记录的双相动作电位进行测量，得出双相动作电位的波幅、波宽、潜伏期。
2.坐骨神经不应期的测定
1)继续使用上述测定动作电位的装置进行实验。
2)参数调节
点击“实验”菜单，选择“肌肉神经”菜单中的“神经干兴奋不应期的测定”项目，系统进入该实验信号记录状态。
采用双刺激模式，选用最适刺激强度，刺激波宽0.1 ms，起始波间隔20 ms，延时1 ms，同步触发。
3)实验记录
开始刺激，最初可见到相距20ms(首间隔)的两个动作电位图形，而且两个图形的幅值是同样大小的。此后用鼠标再次点击“刺激”，每刺激一次，第二个刺激即按照“间隔”所设定的时间向第一个刺激靠近一次，从而使第二个动作电位图形向第一个动作电位相应靠近。当发现第二个动作电位的图形幅值刚开始比第一个减小时，说明第二个刺激落入到第一次兴奋后的相对不应期。第二个刺激越是靠近第一个刺激，其动作电位的幅值就越小。当第二个刺激距离第一个刺激大约为1.5-2 ms左右时，第二个动作电位则完全消失，表明第二个刺激落人到第一次兴奋后的绝对不应期。
3.神经冲动传导速度的测定
1)实验装置的连接
在之前实验装置的基础之上，增加一对引导电极，近刺激端的一对(r1负和r1正)输入
计算机的通道1，远离刺激端的一对(r2负和r2正)输入计算机的通道2通道1、2的
地线均连接r3。
2)仪器的操作和实验参数的设置
点击“实验”菜单，悬着“生理科学实验”菜单中的“神经干冲动传导速度的测定”
项目。
测定两对记录引导电极的动作电位时差
3)开始刺激，采取单刺激模式，刺激强度0.1—3 V，刺激波宽0.1 ms，延时5 ms。同步
触发。
4)用鼠标点击“快捷工具栏”的“观察”，拖动鼠标分别测出通道1和通道2两个动作
电位的峰值时间点，即可算出两个动作电位的时间差(ms)。
5)测量两对引导电极神经干的长度使用mm刻度尺准确量出两对引导电极的距离，即为
神经干的长度(mm)。
6)按照实验原理中的计算公式，计算出蛙坐骨神经干的兴奋传导速度(m/s)。
结果
一、实验测绘图像
见本实验附录
二、实验结果
1.动作电位的测量
兴奋阈值：0.12 V 波幅：1.70 mV
波宽：3.45 ms 潜伏期：950 μs
动作电位阈值：0.1 mV
2.不应期的测量
进入相对不应期：9.8ms
进入绝对不应期：4.5 ms
另外，进行多次实验，逐步减小波间隔，且定义电位的离差率为：
×100%，
离差率=第一次最大电位?第二次最大电位
第一次最大电位
得到如下关系图：
3.传导速度的测量
测得电极间距s = 1.95 cm
测得峰值时间间隔t = 575μs
计算的传导速度V = s/t =33.91 m/s
另外多次测量得到一组速度值如下：
33.91 ，33.91 ，33.91 ，33.91 ，32.5 ，32.5 ，32.5 ，33.91 ，33.91 ，33.91 ，33.91 ，
35.45
此组速度平均值V = 33.68 m/s
讨论和结论
一、实验讨论
1.在测量神经干的动作电位时，发现随着引导电极与刺激电极距离的增加，神经干的双相
动作电位逐渐分离，表现出部分单相动作电位的特征，例如附录中图1可见，在动作电
位去极化的过程中，可看到有明显的一个转角，可以看成单相动作电位时可观测到的动
作电位阈值[3]在膜外的表现，且测得为0.1 mV，远小于膜内约为15 mV的阈值，可能是
因为膜外离子浓度高于膜内而造成。
2.实验中发现，测定神经干动作电位时，刺激伪迹的情况，与神经的兴奋性有关。当神经
兴奋性良好时，此时实验所需的刺激强度也相对较小，通过接地，可以几乎完全消除伪
迹，即使有较小伪迹，因为神经冲动潜伏期短，也会和神经电位融合；当时神经兴奋性
较差时，所需刺激强度增大，伪迹也增大，可以清晰看到，且神经兴奋的潜伏期增长，
伪迹与动作电位明显分开。
3.由图5-3可以计算得到，神经的相对不应期范围为
4.5—9.8 ms，绝对不应期为小于4.5 ms。
且由大量实验获得的数据看到，电位离差率与刺激波间隔呈相关线性关系，且随波间隔
减小而离差率增大。由线线方程计算，得到相对不应期在9.8 ms时进入，与测量结果相
一致，说明这种数据处理方法具有可行性。在波间隔较大时，测量结果在一定范围内波
动，当波间隔减小到一定程度，波动明显减少，说明电位离差率趋向稳定减小。
4.本实验以动作电位消失作为进入绝对不应期的标志，而不是以第二次完全没有电位变化
为标志。因为，刺激伪迹是因为刺激电压而产生，与神经纤维的兴奋无关。错误地把伪
迹消失当作绝对不应期时，是刺激伪迹进入了上一个神经电位中融合而消失，并非伪迹
不存在。
5.测量冲动传导速度时，看到刺激伪迹在两个通道中都是与刺激同时出现，没有像动作电
位一样出现时间差，进一步证明刺激伪迹与神经纤维兴奋无关。
6.测量神经冲动的传导速度时，由于坐骨神经是混合神经，由多种神经纤维组成，每种神
经纤维的传导速度不同，因而随着传导距离的增加，各类神经纤维传导的冲动的波峰逐
渐分离，叠加作用减弱，因而测量到的整体的动作电位幅值减小。这个可以由实验中观
察到双向动作电位有三个峰得到证实：由于单相动作电位分离出A、B、C三种波[3]，在
叠加时，两组第二个单相动作电位的传导得慢的波未与第一个单相动作电位叠加而显现
出来。如图5-4。
图5-4 三峰双相动作电位
二、思考题
1.神经干动作电位的上、下相图形的幅值和波形宽度为什么不对称？
答：这是因为正负导电极距离太近，在第一个引导电极处发生兴奋后还没有恢复到初始状态时，第二个引导电极处就发生兴奋。导致正相波的复极化受到负波去极化的影响，相互叠加，波形上看上去，正相波波宽变窄，波幅较长，而负相波则正好相反。这就造成了上下相图形的幅值和波形宽度的不对称。同时，若是伪迹比较大，第一个引导电极波形也可能与伪迹相互叠加，也会走样，与下相图形不对称。
2.测量出的神经干动作电位幅值和图形为什么与细胞内记录的不一样？
答：因为坐骨神经干是由许多不同类型的神经纤维组成的，所以神经干动作电位是复合动作电位，是很多神经细胞动作电位的综合表现，因此与细胞内记录不一样。另外，本实验采用的是双相动作电位记录，是膜外两个电位的叠加，而胞内记录是记录的膜内外的电位差。
3.为何双相动作电位的幅值比较小?
答：这是因为负相波的存在，使双相动作电位正相波的时程和振幅减小。移动正引导电极，增加两电极距离，在一定范围内双相动作电位的正相波的振幅和时程均增大。由此可以推测，正相波与负相波在时间轴上重叠，正相波和负相波叠加。正是由于这种波的相互叠加（可以理解为波峰和波谷的部分叠加）导致了双相动作电位振幅较单相的动作电位小。
4.在刺激电极与引导电极间接入地电极，对动作电位和实验记录有无影响?
答：在刺激电极与引导电极间接入地电极可使伪迹减少。因为伪迹是通过神经外的离子进行传导的，加入接地电极可有效分流伪迹电流，且接地距离引导电极越近，分流效果越好。
而对于动作电位的记录，由于其“全或无”的性质，其强度不会因为在引导电极前被分流而减弱。接地因此对实验结果的影响仅在于减少伪迹。除去了地线，伪迹则会加大，干扰动作电位的观察。
5.刺激伪迹是如何产生的？有何意义？如何鉴别刺激伪迹与神经干动作电位？
答：刺激伪迹是刺激电流经组织器官或机体内外的电解质溶液扩散到记录电极下而被引导、放大的电信号。伪迹几乎与刺激信号同时出现，伪迹可以作为刺激的标志，用来观察潜伏期的长短。在观察电刺激引起的诱发电位时，常看到刺激伪迹过大以致影响诱发电位的波形。刺激伪迹主要由于刺激电极与引导电极之间的电阻性与电容性成分的联系而形成。若刺激伪迹过大，则会影响动作电位的观察，故较理想的伪迹应小而清晰，不影响动作电位的观察。
6.
试解释原因。
答：动作电位幅值的变小并不是因为兴奋传导的衰减。动作电位在神经上的传递并不衰减。而是因为，坐骨神经是混合神经，由多种神经纤维组成，每种神经纤维的传导速度不同，因而随着传导距离的增加，各类神经纤维传导的冲动逐渐分离，叠加作用减弱，因而测量到的整体的动作电位幅值减小。
7.刺激落到相对不应期内时，其动作电位的幅值为什么会减小？
答：在相对不应期内，有部分钠离子通道处于关闭状态，也有部分钠离子通道处于失活状态。由于膜上仍有相当数量的钠通道没有“复活”，加之钾离子不断外流使膜内外电压恢
复到静息电位状态，在此时给予刺激，钠离子的去极化作用被钾离子的复极化作用抵消了一部分，因此其动作电位的幅值低于正常值。
8.为什么在绝对不应期内，神经对任何强度的刺激都不再发生反应？
答：绝对不应期对应动作电位的峰电位。此时所有的通道都打开，无法再被活化。在复极化的过程中，几乎所有的通道都处于失活状态，同样对刺激没有反应。故此时的阈刺激无限大，所以任何强度的刺激都不再发生反应
9.绝对不应期的长短有什么生理学意义？
答：绝对不应期的存在，使得不论细胞受到多么高频率的连续刺激，峰电位永远也不会发生波形叠加融合，这对于保证其信息传导的准确性是极为重要的。
而心肌兴奋后的有效不应期特别长，一直延长到心肌机械收缩的舒张开始以后。也就是说，在整个心脏收缩期内，任何强度的刺激都不能使心肌产生扩布性兴奋。心肌的这一特性具有重要意义，它使心肌不能产生象骨骼肌那样的强直收缩，始终保持着收缩与舒张交替的节律性活动，这样心脏的充盈和射血才可能进行。
10.这样测定出来的神经传导速度是神经干中哪类纤维的兴奋传导速度？为什么？
答：Aα类神经纤维。蛙类坐骨神经干是一种混合神经，其中Aα类神经纤维是有髓鞘的神经纤维中传播速度最快的，动作电位幅度最大的，因此测量的速度是此类神经的传导速度。
11.测定神经干冲动传导速度时，为何要求两对引导电极间距离越远越好？
答：(1)神经冲动有一定的长度，在神经冲动所在部位的前、后缘都将产生局部电流，若两对引导电极距离太近，第二对引导电极所引导的动作电位尚在第一个动作电位的时程内，两个动作电位波形将会发生部分重叠，影响测量精度。
(2)蛙类坐骨神经为混合神经，包含的纤维有粗有细，传导速度也各不相同。若两队引导
电极过近，则各纤维间传导速度的差别不能被明显地显示出来，若两对引导电极的距离有足够长，则传导速度的不同便可通过动作电位的下降相所出现的波形凸起（相当于后电位的部分）标新出来，否则第二个动作电位将会与第一个动作电位的波形凸起（传导速度较快的纤维的动作电位）重叠，从而影响测量精度。所以，如用两对引导电极测量其传导速度时，两对引导电极间的距离应尽量远些。
参考文献
1.维基百科编者. 神经[G/OL]. 维基百科, 2011(2011-02-20)[2011-04-18].
https://www.doczj.com/doc/559454843.html,/w/index.php?title=%E7%A5%9E%E7%BB%8F&oldid=15800271.
2.项辉,龙天澄,周文良等.生理学实验指南[M].北京：科学出版社,2008.
3.王庭槐,韩太真,王子栋等.生理学（第2版）[M].北京：高等教育出版社,2008.
4.
附录
实验参数记录
实验测绘结果
图1神经干动作电位的测量
图2神经干兴奋阈值的测量
图3独立的动作电位
图4相对不应期的动作电位
图5绝对不应期的动作电位
图6神经干冲动传导速度的测定