跳跃式传导

跳跃式传导（Saltatory Conduction）是指动作电位（Action Potential）在有髓鞘轴突（Myelinated Axon）上传播的一种方式。其核心特征是神经冲动并非沿轴突膜连续、均匀地传导，而是从一个郎飞结（Node of Ranvier）“跳跃”至下一个郎飞结。这一机制极大地提高了神经传导速度，并降低了能量消耗。

词源与概念

术语“Saltatory”源自拉丁语 "saltare"，意为“跳跃”。这一名称形象地描述了神经冲动在有髓纤维上的表现：看起来像是跳过被髓鞘包裹的节段，仅在裸露的结区进行信号再生。

该理论最早由日本生理学家田崎一二（Ichiji Tasaki）以及英国诺贝尔奖得主安德鲁·赫胥黎（Andrew Huxley）等人在20世纪40年代通过实验证实。

结构基础

跳跃式传导的实现依赖于有髓轴突的特化区域结构：

1. 郎飞结

• 定义：髓鞘节段之间的裸露区域，轴膜直接与细胞外液接触。

• 分子特征：轴膜上高密度聚集电压门控钠通道（Voltage-Gated Sodium Channels, Nav）。这些通道负责动作电位的去极化相（上升支）。

• 功能：此处是动作电位再生的位点。

2. 结间区

• 定义：被髓鞘紧密包裹的轴突节段，长度介于0.2至1.5毫米之间（依轴突直径而异）。

• 分子特征：髓鞘作为高阻抗、低电容的绝缘层，使膜几乎不具有兴奋性。轴膜上几乎不含电压门控钠通道。

• 功能：作为被动电缆传导区域，将电流从上一个郎飞结快速引导至下一个郎飞结。

3. 结旁区

• 定义：郎飞结两侧的髓鞘末端区域，旁结节襻（Paranodal Loops）在此与轴膜形成轴突-胶质细胞连接。

• 分子特征：轴膜上分布电压门控钾通道（Kv1.1/Kv1.2），但在正常情况下被轴突-胶质细胞连接物理屏障隔离在结外区域。

• 功能：提供髓鞘-轴突锚定，并形成离子扩散屏障。

传导机制与原理

跳跃式传导的机制可以分解为以下步骤：

1. 局部电流的形成

当动作电位在某一个郎飞结（结A）发生时，钠离子内流导致该处膜电位由静息电位（约-70 mV）迅速反转为正电位（约+30 mV）。

• 结A与相邻的结间区（静息电位）之间形成电位差。

• 这种电位差驱动局部电流：正电荷从去极化的结A沿着轴突内部向结间区流动，并穿过髓鞘（因髓鞘绝缘，电流主要沿轴浆流动），最终在下一个郎飞结（结B）处流出，形成局部回路。

2. 结间区的被动传导

由于髓鞘的绝缘作用，电流在结间区的流动几乎是无损的。结间区轴膜本身不产生动作电位，而是作为高效的电缆，将电信号快速传递给结B。

3. 郎飞结的再生性去极化

局部电流到达结B时，使结B的膜电位发生去极化。当去极化达到阈值，结B处的电压门控钠通道迅速开放，钠离子内流，引发新的动作电位。

4. 周期性再生

这一过程在每一对相邻的郎飞结之间重复，使动作电位像“跳跃”一样沿着轴突向前传播。

生理学优势

跳跃式传导相比无髓纤维的连续传导（Continuous Conduction）具有显著优势：

1. 高速传导

• 有髓纤维：传导速度可达 5-120 米/秒。

• 无髓纤维：传导速度通常低于 1 米/秒。

• 原理：髓鞘使去极化过程仅发生在郎飞结这一小段膜上，省去了连续兴奋整个轴突膜所需的时间。此外，轴突直径越大，结间距离越长（在一定范围内），传导速度越快。

2. 能量经济性

• 离子泵的工作量减少：动作电位仅限于郎飞结处产生，因此只有结区的少量膜面积发生钠离子内流和钾离子外流。结间区的轴膜几乎不参与离子交换。

• Na⁺/K⁺-ATP酶（钠钾泵）只需将结区流入的少量钠离子泵出即可恢复离子平衡，能量消耗（ATP）远低于需要兴奋整条轴膜的无髓纤维。

3. 空间高效性

通过跳跃式传导，生物体可以使用较细的轴突实现较快的传导速度。若没有髓鞘，要达到同样的速度，轴突直径需要显著增大（如枪乌贼的巨大轴突），这在空间有限的中枢神经系统中是不可行的。

病理生理学意义

当髓鞘结构受损时，跳跃式传导的功能将受到严重影响。

1. 传导阻滞

在脱髓鞘疾病（如多发性硬化症，Multiple Sclerosis, MS）中，髓鞘被破坏，导致：

• 电流泄漏：髓鞘绝缘功能丧失，局部电流在结间区泄漏，无法有效到达下一个郎飞结。

• 传导失败：去极化强度不足以激活下一个结的钠通道，导致神经冲动传导中断，临床表现为感觉或运动功能障碍。

2. 传导减慢与离子通道错配

• 脱髓鞘区域的轴膜可能获得异常表达的钠通道，但分布稀疏，导致动作电位形成缓慢。

• 原本被隔离在结旁区的电压门控钾通道因连接破坏而暴露。当局部电流到达时，钾通道开放导致钾离子外流，抵消钠离子的去极化效应，进一步阻碍传导。

3. 间歇性传导与温度效应

• 在部分脱髓鞘轴突中，传导可能是间歇性的。

• 温度敏感性：体温轻微升高（如发热）可能进一步降低钠通道活性，使原本处于临界状态的传导完全阻滞。这是MS患者出现热敏感现象（Uhthoff现象）的原因。

研究历史

• 1939年：田崎一二首次提出髓鞘具有绝缘功能，冲动可能以跳跃方式传导。

• 1949年：赫胥黎和斯坦普夫利用细胞外电极记录，直接证明了跳跃式传导的存在。

• 后续研究：电压钳和免疫细胞化学技术揭示了离子通道在郎飞结处的选择性分布，完善了分子机制的理解。

参考文献

1. Tasaki, I. (1939). The electro-saltatory transmission of the nerve impulse and the effect of narcosis upon the nerve fiber. American Journal of Physiology, 127, 211-227.

2. Huxley, A. F., & Stämpfli, R. (1949). Evidence for saltatory conduction in peripheral myelinated nerve fibres. Journal of Physiology, 108(3), 315-339.

3. Ritchie, J. M., & Rogart, R. B. (1977). Density of sodium channels in mammalian myelinated nerve fibers and nature of the axonal membrane under the myelin sheath. Proceedings of the National Academy of Sciences, 74(1), 211-215.

4. Waxman, S. G. (1977). Conduction in myelinated, unmyelinated, and demyelinated fibers. Archives of Neurology, 34(10), 585-589.

5. Waxman, S. G. (2006). Axonal conduction and injury in multiple sclerosis: the role of sodium channels. Nature Reviews Neuroscience, 7(12), 932-941.

6. Poliak, S., & Peles, E. (2003). The local differentiation of myelinated axons at nodes of Ranvier. Nature Reviews Neuroscience, 4(12), 968-980.

7. Rasband, M. N., & Peles, E. (2021). Mechanisms of node of Ranvier assembly. Nature Reviews Neuroscience, 22(1), 7-20.

8. Kandel, E. R., Schwartz, J. H., Jessell, T. M., Siegelbaum, S. A., & Hudspeth, A. J. (2013). Principles of Neural Science (5th ed.). McGraw-Hill. (Chapter 7: The Action Potential and Conduction)