31、神经元中的电共振与离子扩散现象解析

神经元中的电共振与离子扩散现象解析

1. 神经元的电共振现象

1.1 毛细胞的电共振特性

在两栖动物的耳蜗中，毛细胞展现出独特的电共振特性。当受到电流阶跃刺激时，细胞膜电位会产生指数衰减振荡。这种振荡频率是膜电位的非线性函数，而静息电位附近的频率代表了细胞的自然频率，也就是细胞对声音或振动最敏感的频率。例如，牛蛙的毛细胞自然频率范围在 80 - 160 Hz，海龟的则在 100 - 700 Hz。

Hudspeth 和 Lewis 运用膜片钳技术，确定了产生这种共振的生物物理机制。他们发现了两个关键电流：非失活的钙电流 (I_{Ca}) 和钙与电压依赖的钾电流 (I_{K(Ca)})。通过类似 Hodgkin - Huxley 的模型，结合电容和泄漏电流，他们表明电调谐主要是由这两种电流的相互依赖关系所解释。具体过程如下：
1. 注入阶跃电流使膜去极化，激活 (I_{Ca})。
2. 钙离子涌入，迅速开启 (I_{K(Ca)})。
3. 外向的 (I_{K(Ca)}) 使膜电位下降，同时自身关闭。
4. 如果电流阶跃持续，这个循环会再次开始。通过改变钙依赖钙通道的动力学和密度，可以控制共振频率。

毛细胞的输入来自机械敏感纤毛（毛发）的激活，这些纤毛调节膜上的电导。将这种电导纳入包含钙和钙依赖钾电流的模型中，并使用正弦变化的声学输入进行刺激，得到的调谐曲线与静息电位附近的电共振频率非常相似。这表明在两栖动物耳蜗中，毛细胞就像小型的电共振元件——带通滤波器，其调谐特性源于内向和外向电流的相互作用。

1.2 其他神经元中的共振现象

除了毛细胞，在其他神经元中也发现了类似的共振现象