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神经信号的秘密(下) 精选

已有 18900 次阅读 2013-5-24 23:43 |系统分类:科普集锦| 秘密, 神经

想把上篇博文的图和省略的字贴贴全, 可是贴了一半字数就超过科学网的字数容许量, 只好把下半贴在这里. 纸媒本要7月号才出版, 是给非生物系理科工科的科普.

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静息电位和动作电位

  谈到这里大家也许会好奇这静息电位和动作电位究竟是怎样产生, 又是怎样用来传导神经信号的? 说起来并不难懂,也不需要完全理解图4中描述的Hodgkin-Huxley方程. 如果您对此细节不感兴趣, 尽管一目十行地跳过这一节,后面还有精采压轴故事.

我想本文的读者多半有点物理学或电子线路的基础, 咱们就用点电路的概念, 如导体,绝缘体,电阻(或者电导), 电容,电压,电流,等等, 并把这些概念带进生物学的肉汤里. 生物学的汤, 就是盐溶液啦. 盐在溶液中是完全电离的, 所以就有带正电荷离子(,, 钙等)和带负电的离子(,碳酸根等). 溶液中的电流就是离子的流动.

细胞膜和跨膜通道 世上的动植物都是由千百万细胞组装成的,每个细胞都被自己的细胞膜严实包裹. 细胞膜是由双层脂肪酸分子构成的二维液晶(图5左), 像肥皂泡一样没有一点缝隙(小洞自愈大洞崩溃). 这脂肪酸膜基本不容许溶在水里的分子通过, 这样把膜内外分成两个世界, 膜里叫生命, 外面叫世界. 但是细胞膜内外是有非常繁忙的物质交流的.这些物质交流各有专职的分子机器来完成. 这些分子机器由横跨细胞膜两端的蛋白分子构建(5). 控制离子通过细胞膜的分子机器也叫 离子通道”(5 ).离子通道可以有很强的选择性, 比如 钠通道”, 只容许钠离子通过, 不容许其他离子如钾,钙或氯等通过. 同样钾通道”,“氯通道等也是只选择性地容许钾或氯通过. 离子通道的一个共性是它们只是构建在细胞膜上的城门, 只容许特定的离子通过而不控制离子的流向. 离子流的方向由其他因素决定的, 比如膜内钾离子浓度高, 钾离子就会通过钾通道由膜内流向膜外. 从这个意义上来讲离子通道是一种被动的运输工具, 辅助离子的跨膜化学扩散.



图5  细胞膜和离子通道的示意图,说明见正文




细胞膜上还有另一种主动运输的分子机器, 它们可以逆浓度差把离子转运过膜. 这种逆扩散浓度差的转运机器也叫做离子”, 其运转是要消耗化学能量的. 在所有神经和肌肉细胞膜上都有一种钠钾泵”, 每运转一次消耗一个ATP 分子上的高能磷酸键, 同时把三个钠离子泵出细胞膜外,并把两个钾离子泵进细胞. 高能磷酸键的水解使钠钾泵不停地运转, 使细胞内的钾浓度远远高出细胞外;同理细胞内钠离子浓度也远远低于细胞外.

跨膜电位 好了, 我们现在知道, 由于钠钾泵的运转, 细胞内的钾离子浓度很高. 我们还知道, 横跨细胞膜的钾离子通道可以自由地让钾离子流出细胞(6左上). 我讲课时讲到这里时往往会停下来问学生: 如果细胞内的钾离子浓度永远,而且钾通道永远开放,那么钾离子会永远不停地流出细胞吗?99%的学生的回答是肯定的(你的答案是什么?). 但是实际上这种钾离子流会在很短的一瞬间停下来, 为什么呢? 原因很简单: 因为每个钾离子携带一个正电荷. 当钾离子通过通道离开细胞时,同时带出了正电荷,把与其配对的负电荷留在膜内. 正负电荷在空间上分离, 不就会产生电场吗?电荷是同性相斥, 异性相吸. 这个横跨细胞膜的电场会形成一种阻止钾离子外流的力场. 随着钾离子不断流出,电荷在细胞膜两侧不断积累. 阻止钾离子外流的力场也不断增加,很快达到与驱动离子外流的扩散力势均力敌, 钾离子外流就会停止. 由钾离子外流产生不断把正电荷带出膜外, 就是神经细胞产生静息电位的主要原因(6左下).

这一段知识是我当年在图书馆里自学的, 记得读到此处不禁喜不自胜, 欣然忘记去食堂打饭, 抓耳挠腮地惊叹自然的格物致知之妙. 这横跨细胞膜的电位, 不是跟半导体PN结的势垒很相似吗? 是的, 物理, 化学的定律就那么几条, 可是世间万物精密运转都要受这些定律的支配.

上面所述跨膜电位的形成是一个电与化学扩散力的平衡.可以由一个叫 能斯特方程的公式来定量地描述 (6右下).

 

6 钾离子产生静息电位的原理

左上: 由于细胞内钾浓度很高,钾离子通过化学扩散流出细胞(黑色箭头), 并带出正电荷. 左下:正电荷在细胞膜两边积累,形成膜电位. 膜电位在膜两边形成强大电场,把钾离子推回膜内(红色箭头). 当钾离子扩散势能和膜电位的电势能达到平衡时,钾离子净通量为零. 右下:能斯特方程, 给出当钾离子净通量为零时的跨膜电位Ek



这能斯特同学(Walther H. Nernst, 6右上) 大家可能知道, 由于阐述热力学第三定律获1920年诺贝尔奖. 那年头得诺贝尔的也不全是那种bigwigs(带假发穿燕尾服的院士). 能斯特就是个爱动手的工匠, 发明过电灯,电吉他和远红外源. 能斯特方程也是关于平衡的, 阐述当分子热运动和电场力平衡时所需的电压. 因此,温度越高分子热运动的势能越大, 膜两边浓度差别越大则所需的平衡电位越高. 把温度T写进公式就需要气体常数R . 同样, 把浓度(单位是克分子)和电压(单位是伏)放在等式两边需要引人法拉第常数F. 当然你也可以从微观考虑, 把能斯特方程用波尔兹曼常数, 电子电荷和阿伏加德罗常数来表述,就像考虑半导体PN结的电位那样.

从能斯特方程可知,如果知道了一种离子在细胞膜两边的浓度差,就可以计算出使这种离子流量等于零的跨膜电压. 前面讲过由于钠钾泵的存在,细胞里面钾浓度很高,钠浓度很低. 照此算来钾和钠的平衡电位分别在-90 mV60 mV左右, 而测出来的细胞静息膜电位则在-60mV左右, 即不是钾也不是钠的平衡电位. 这是为什么呢? 听我课的护士班妹妹们经常会搞糊涂的. 但我想您老是有深厚的物理学基础的, 心有灵犀, 一看图7的等效电路肯定会一下就明白了.

二十世纪的科学家常喜欢把生物物理事件用等效电路来描述. 比如细胞膜上的电荷积累可以用一个电容来描述, 跨膜的离子通道可以用一个电导(电阻)来代表.而驱动离子跨膜的化学势能则可以通过能斯特方程转换成一个电池 (图7). 这样,细胞膜静息电位就有两个电池, 一个是钾的平衡电位, -90mV(7, Ek); 另一个是钠的平衡电位, +60mV(7 ENa). 这两个电池分别通过自己的离子通道接在膜电容上. 先考虑一种简单情况即细胞膜上只有钾通道,没有钠通道(7 蓝色线路). 当电路接上时钾电池就会通过钾电导向膜电容充电. 当达到平衡时膜电容的电压就会和钾电池电压相等, 通过电阻的电流趋近零. 这就是前面说的钾离子跨膜的净通量等于零的平衡状态. 现在再考虑加上一个很小的跨膜钠通道(图7红色实线的线路),这时电容两端的电压就要考虑两个电池和两个电导了(您可以根据图7的下面的公式自己算算). 有了这个钠电导, 静息膜电位就会停在-90+60之间. 一般静息的钠电导很小, 所以静息膜电位在-60mV左右.

神经系统可以用调整静息时钠钾通量的办法调节静息膜电位, 进而调整其兴奋性. 越接近-40mV则兴奋性越高. 比如你清醒的候脑细胞的静息电位就能升到-50mV; 而深睡时则在-70-40mV之间缓慢地振荡,这样脑子就不能思考了. 有一种常用局部麻醉药可以把钠通道阻断.当涂到皮肤上时就阻断了感觉神经的钠通道, 这时其静息电位降到-90mV, 这样即使受到刀切那样的强刺激也不会兴奋, 也就使人没有痛感了.  

 

图7静息电位的等效电路, 说明见正文


 动作电位的雪崩  前面讲过,动作电位的时间非常短, 膜电位会在不到1毫秒的时间内达到+30mV左右, 然后又很快回到静息水平.这么快的突变看似很难用热力学平衡这样的概念来解释, 但如果用图7的等效电路来理解是很容易明白的. 因为只要在使图7电路中增加一个瞬时的额外钠电导(红色虚线电路), 膜电位就会向钠的平衡电位偏移, 并超射达到+30mV. 这个瞬时的额外钠电导来自另一种钠离子通道,“电控钠通道”(voltage gated sodiumchannel). 电控钠通道平时是关闭的, 对膜电位没有影响(8中的A). 当膜电位达到电控钠通道的点火阈值时(-40mV左右, 图8中的红色虚线), 就会有一部分电控钠通道打开, 使跨膜钠电导增加. 钠电导增加会使膜电位进一步升高,使更多的电控钠通道打开,导致膜电位进一步升高. 如此正反馈,像雪崩一样在很短的时间内细胞膜上钠电导急剧增加(8 B区中的红色曲线).所有电控钠通道都会打开,产生一个尖尖的峰电位 (8B区中的黑色曲线), 就是动作电位. 动作电位被神经细胞用来传输信号. 为了经济和快速,动作电位要非常快地回复到静息的水平. 这个快速的复极化”(repolarization)是由两个因素来决定的.一个是电控钠通道在打开后会立刻自动关闭. 另一个是细胞膜上还有一种电控钾通道”.它也在膜电位上升时打开.但是会比电控钠通道慢一些.这样,当电控钠通道自行关闭时电控钾通道正好全开, 这个超大的钾电导会把膜电位很快拉回静息水平(8 C区中的篮色曲线).

 任何细胞有了电控钠通道,就会变得像一个鞭炮一样, 平常安静地蓄而不发. 但当膜电位达到点火阈值时,电位就出现瞬间突跳.这类膜上含有电控钠通道的细胞又叫可兴奋细胞”(excitablecells). 在身体中的可兴奋细胞还有心肌, 骨骼肌细胞等, 它们利用动作电位来实现大批细胞的同步收缩.

前面提到用电压钳实验解释清两种互相缠绕的分子开关,就是指电控钠通道和电控钾通道. 这两种电控离子通道的开关与膜电位的动态关系见图8.讲到这里我经常会提醒学生: 我们讲了四种离子通道, 静息电位是靠两种常开不关的钠和钾通道产生. 动作电位则靠两种电控通道产生快开快关的钠通道决定了动作电位的上升相, 慢开慢关的钾通道则决定了动作电位的复原.

           

图8动作电位产生机理, 说明见正文


 

题外话: 浪花淘尽英雄

这里我讲的几个故事实际是从研究生课程中改编来的. 我教了十几年课, 研究生, 医学生, 护士生, 每每讲完鱿鱼大神经和电压钳实验,总要停顿, 任由课堂里大把大把的帅哥美女在幽暗中忽闪忽闪着眼睛盯着我. 而我也总是像唱京剧老生那样卖足了关子, 然后摇头晃脑地感叹到: 科学发展几百年的伟大成果,到课堂上却只要几学时. 讲课就是发现过程的山寨版 (reverse engineering). 多少英雄事迹可以一句带过, 而又有多少豪杰最后变得默默无闻.

前面提到的凌宁, 于抗战最艰苦的1943年在重庆的西南联大毕业后留美. 发明玻璃微电极的时候(1948)不过是芝加哥大学的博士研究生(图9). 但如此才华横溢的他并没有像他的振宁同学那样获得萝卜儿, 而只是默默无闻地成了一名普通教授(University ofIllinois School of Medicine). 为什么呢? 据说主要的原因是他不相信霍奇金-赫胥黎理论.

图9玻璃微电极

 左上: 玻璃微电极尖端的扫描电镜照片. 其尖端开口约1.5微米. 里面的盐溶液作为电极导体,外面的玻璃管为电极绝缘. 背景: 一个在体外培养的神经细胞和纪录其膜电位的微电极. 右上: 凌宁和他的导师Ralph Gerard(1900-1974).

 


证实钠钾泵和离子通道的存在是1970年代后的事, 所以在当时不信离子通道学说也情由可原. 凌宁提出另外一套 分子吸附 理论, 也能完美地解释静息电位和动作电位. 学物理的同学都知道, 究竟是地球围太阳转还是太阳围地球转,只不过是个简单和美的问题, 理论上都是能自圆其说的. 科学上从来是对者王侯错者寇,  凌宁与主流科学叫板, 最后落得个无声无息. 我刚出道的时候,还真听过凌宁学派的一次发言, 地点就在鱿鱼大神经和电压钳实验的发祥地, 美国麻省乌尓霍兹(Woods Hole)海洋生物研究所. 当时报告人一开讲幻灯机就坏了, 十五分钟的报告耽误了一大半, 修好后时间只剩了两三分钟时间. 本来遇到这种事故会议主席会酌情推迟会议进程, 至少给人几分钟讲个大概. 可是这次主席却黑着脸不客气地打断了报告, 好像报告人是在浪费大家的时间.

多年以后,2012年的9月10日我突然收到一份电邮, 是俄国科学院圣彼得堡细胞研究所的弗拉基米尔 马替夫教授来的. 他希望我向中国学者推荐凌宁的文集. 并附来了美国波拉克教授为文集写的序言, 竟然已经被译成了工整的中文. 我回电邮说在我开的电生理课每次都要提到凌宁的贡献, 是指他发明微电极的故事. 马替夫教授在回邮中说不久还会接着与我联系. 虽然我受过正统学说的洗脑, 并不同意凌宁否定钠钾泵的存在学说, 但我还是借此文摘录波拉克教授的一小段话, 用以刻画一下一个科学家执着:

 

“…..要知道整个,或者几乎整个科学世界都统一了观点,几乎对那些与极大多数人背道而驰的足够鲁莽之辈怒目而视。然而,正如在所有时代,今天对尽人皆知的真理进行怀疑就意味着用前程来冒险。

在此意义上,吉尔伯特·凌宁是科学的英雄。他得以在半个多世纪中与官方科学对抗,年复一年地继续坚定地捍卫自己的立场,甚至巩固它们。在来自科学首领,特别是在决定科学活动拨款的那些首领一方的盛怒的抵抗的条件下,为维持自己的实验室他一度不得不卑躬屈节。现在凌宁断绝了正常的科学生活,权力的暴政终究摧毁了他的抵抗,但现在他思想的意义不比四分之一个世纪前小。

---杰拉尔德•波拉克,华盛顿州立大学生物工程系教授, 西雅图

 

 

在阐明动作电位理论的进程中凌宁只是很多很多的落魄者之一. 前面提到的电压钳发明者K S库尔, 也与萝卜尓奖无缘. 这么聪明的发明,又有这么关键的作用, 为啥没他份呢? 据说是因为他脾气不好, 和几个人闹崩了, 自己离开了那个热点. 可是他的贡献还是大大的,乌尓霍兹海洋生物所用他的名字命名了一个奖金, 奖牌上面铭刻着他的一个关键实验的波形 (10).

 

10 : S 库尔. 中: 库尔实验, 上面一根曲线为动作电位.中间的曲线为高频交流电,用于测量跨膜的阻抗. 这个经典实验在霍奇金-赫胥黎理论之前就说明动作电位时跨膜电导突然增加.现在我们知道这个电导增加是由于电控钠和钾通道引起.   右上:美国生物物理学会的库尔奖奖牌.



1970年代, 库尔已垂垂老矣. 在一次大会报告中他讲了一个笑话: 说一个科学家的成熟有四个标志性阶段: 第一阶段是你去参加一个国际会议, 见人握手寒暄脸很熟却想不起名字; 第二阶段是你去参加一个国际会议, 见人握手寒暄却想不起来是否以前认识过;第三阶段是你去参加一个国际会议, 休息时上完厕所会忘记把拉链拉上; 而第四阶段呢? 是你去参加一个国际会议, 休息时上厕所却忘了把拉链拉下来. 他讲完满堂大笑, 竟有不肖的小子提问他自己处于那个阶段,库尔说他大概在第三到第四之间吧.

月落更深, 搁笔叹曰: 巍巍科学大业, 英雄也不过如此. 正所谓是非成败转头空, 青山依旧在, 几度夕阳红”.

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2013年5月21日完稿于 BS207A




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