身体里的神奇电路——神经电生理两百年探秘史(4)

4 发展的电子学打开神经元之门（20世纪）

Bernstein的“膜理论”虽然给出了动作电位产生机制的大体框架，但是其中仍有漏洞：Bernstein认为静息时膜只对钾离子通透，然而实际的静息电位比钾离子的平衡电位稍小一些；Bernstein观察到“超射”现象，即“负向变化”使电压低于0mV，然而最终在总结“膜理论”时他放弃了这个结果[17]。更为细致的动作电位离子机制有待揭示。

历史发展到电气时代，人们的活动范围更大了，联系方式更多了，示波器、真空电子管、负反馈放大电路[24]等发明更大大扩展了电学测量方法。20世纪上半叶，一位对神经功能非常感兴趣的美国生物物理学家Kenneth Stewart Cole（科尔）[18]活跃在世界的各个角落，1928-29年在德国学习Nernst的理论，1936年在美国马萨诸塞州的Woods Hole进行海胆卵、淡水藻的实验并在那结识了John Zachary Young（杨），同年又在访问英国时结识了Alan Hodgkin（霍奇金），1946-47年在芝加哥和George Marmont（马尔蒙）一起发展了“电流钳”和“电压钳”的胞内电信号记录技术。由于神经元（1891年，德国解剖学家Wilhelm Waldeyer提出了“神经元”概念）动作电位的产生机制并不十分清楚，动作电位的产生又有着“全或无”的特点，这其中也许存在着某种连锁效应，“电流钳”和“电压钳”的作用就是固定细胞膜的电流或者电压进行电学测量。

在Cole和Marmont发明胞内记录技术的同时，Hodgkin和Bernard Katz（卡茨）也发现动作电位是由钠离子内流产生的[19]。Hodgkin修改了Nernst公式，引入了通透性作为参数，并将公式推广到可根据多种离子计算膜电位，这个公式现在被称作Goldman-Hodgkin-Katz公式。当时有对“超射”现象有多种解释，“钠假说”就是其中之一，Hodgkin和Andrew　Fielding　Huxley（赫胥黎）改变枪乌贼巨型轴突内、外溶液进行“电压钳”实验，最终证实了“钠假说”的正确性，并且发现膜对钠的通透依赖于跨膜电压的大小。当跨膜电压增加到一定水平时钠的通透性就迅速增加，而内流的钠离子又增加了电压随即使钠通透性增加到更大，一个变化的正反馈环路导致了全或无动作电位的产生[20]。就好像存在着一扇门，当门关闭时钠离子通透性非常低，当门打开时钠离子迅速内流产生动作电位，而门的开关是跨膜电压的大小。他们的研究发表在1952年。

胞内技术的革新使得动作电位离子机制逐渐清晰，然而“电压钳”的电极太大了，很多小细胞上不适用，而且细胞膜是如何对离子的通透进行选择的呢？门是如何开闭的呢？进一步的神经元胞膜结构分析成为了人们关注的热点。1976年，德国生物物理学家Erwin Neher（内尔）和Bert Sakmann（萨克曼）在多次改进电极、电路噪声水平的实验后，成功的采用高阻抗的电子元件发明了膜片钳技术[21]。利用膜片钳技术人们可以将小小的一块膜片上的电压钳制住，从而记录到一个或几个离子通道的电流情况。通过对膜片钳实验数据的分析，人们推测神了离子通道的一般轮廓，认为它是蛋白质形成的水性孔道，这与20年后用其他结构分析方法得出的蛋白质结构相当吻合。膜片钳技术真正做到了打开神经元离子通道之门。