电紧张电位

电紧张电位（Electrotonic Potential） 是神经元膜电位在无动作电位参与下的被动变化，由局部电流引发，其传播遵循电缆学说（Cable Theory）。这类电位是神经元信息整合与传导的基础，尤其对树突信号处理至关重要。以下是深度解析：

一、核心特征与分类

二、生物物理学基础

1. 被动电学特性

   • 膜电阻（$R_m$）：限制跨膜电流，决定电位衰减速度

   • 轴向电阻（$R_a$）：阻碍轴向电流扩散，与纤维直径成反比

   • 膜电容（$C_m$）：延缓电位变化，导致时间延迟（时间常数 $\tau = R_m C_m$）

2. 传播方程
   稳态下膜电位 $V$ 随距离 $x$ 衰减：
   $V(x) = V_0 e^{-x/\lambda} \quad (\lambda = \sqrt{R_m / R_a} \text{：长度常数})$
   

   • 示例：直径 $1 \mu m$ 树突 $\lambda \approx 200 \mu m$（信号传播 $200 \mu m$ 后衰减至 $37%$）

三、生理功能与机制

1. 树突信号整合

• 空间总和：多个突触输入的电紧张电位在胞体叠加，触发动作电位

• 分支点衰减：树突分叉处阻抗失配导致信号衰减（$>50%$）

2. 轴突初始段（AIS）调控

• 电紧张电位传播至AIS（动作电位触发区），其幅度决定是否达到阈值

• AIS位置可塑性：神经元通过调整AIS距离胞体位置改变输入灵敏度

3. 突触效能调节

• 抑制性突触（IPSP）：位于胞体附近时，通过电紧张效应强效阻断EPSP

四、与动作电位的本质区别

五、病理意义与疾病关联

1. 脱髓鞘疾病

   • 多发性硬化：髓鞘丢失 → $R_m \downarrow \rightarrow \lambda \downarrow$ → 电紧张电位衰减加速 → 传导阻滞

2. 神经退行性疾病

   • 阿尔茨海默病：树突萎缩 → $R_a \uparrow \rightarrow \lambda \downarrow$ → 突触整合效率下降

3. 癫痫灶形成

   • 神经元簇状放电后胞内K⁺积累 → 膜去极化 → 电紧张电位幅度增大 → 兴奋性升高

六、实验研究与技术

1. 经典验证方法

• 双电极电压钳（乌贼巨轴突）：直接测量 $\lambda$ 和 $\tau$

• 树突膜片钳：记录远端突触输入的电紧张衰减（Stuart & Spruston, 1998）

2. 现代成像技术

七、计算神经科学应用

1. 神经元建模

   • NEURON/Genesis仿真：模拟复杂树突树的电紧张电位整合

   • 多房室模型：将神经元分割为微小电缆单元（房室），精确计算电位传播

2. 类脑芯片设计

   • 神经形态计算：利用电紧张特性模拟突触整合（如IBM TrueNorth芯片）

总结

电紧张电位是神经元被动电学特性的直接体现：

• 功能层面：实现树突时空整合、调节兴奋性、介导抑制效应；

• 临床层面：其异常是脱髓鞘病、神经退行病变的关键机制；

• 技术层面：结合电压成像与计算模型，推动神经解码与脑机接口发展。

权威文献：

• Rall, W. (1962) Theory of physiological properties of dendrites

• Stuart & Spruston (1998) Determinants of voltage attenuation in neocortical pyramidal neuron dendrites

• 2025 Cell: Electrotonic coupling via gap junctions amplifies subthreshold potentials in astrocyte networks