脑科学史话｜全或无之间——神经元电信号的离子基础的发现

撰文｜无语先生 （北京大学心理与认知科学学院 研究助理）

责编｜Danny

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1902年，欧洲生理学杂志（Pflügers Archiv - European Journal of Physiology）的第92卷刊登了一篇在当时影响颇深的文章《生物电流的热力学研究》（Untersuchungen zur Thermodynamik der bioelektrischen Ströme）。在这篇文章里，Julius Bernstein提出了他著名的膜理论（membrane theory），首次解释了神经元是怎么产生电信号的。这套理论加上当时流行的局部电流理论（local circuit theory）看似已经可以“完美”解释神经元电信号的产生和传递。

在同一卷中，Ernest Overton也发表了一篇关于细胞兴奋性产生机制的论文《关于钠（或锂）离子对肌肉收缩作用的不可或缺性》（Ueber die Unentbehrlichkeit von Natrium-(oder Lithium-)Ionen fiir den Contractionsact des Muskels）。与Bernstein的文章不同，这篇文章并没有掀起很大的风浪。随着膜理论的流行和看似证实膜理论的研究的涌现，这篇文章也逐渐被大多数人所遗忘了。但是，在多年以后，研究者们才发现了这篇文章的高明之处。

图1 Julius Bernstein（左）与Ernest Overton（右）

故事跳转到30年以后。

1935年，刚满18岁的Andrew Huxley进入了剑桥大学中名声赫赫的三一学院（Trinity College）。在一位发小的强烈安利下，他选修了当时还是新兴学科的生理学。逐渐地，他发现充满未知的生理学领域可比已经成熟、甚至在当时还有点一成不变的物理学好玩多了。于是他从物理学转到了生理学领域的研究，并在这里认识了同在三一学院的学长，当时还是初级研究员的Alan Hodgkin。

图2 Huxley（左）和 Hodgkin（右）

与此同时，英国动物学家John Zachary Young在1936年重新研究了早在1909年就发现的枪乌贼巨大轴突（squid giant axon）的功能。这瞬间让许多神经科学家们嗅到了机会：这种巨大的轴突直径甚至可以达到一毫米左右。在当时有限的技术条件下，这种巨大的神经元给科学家们提供了直观地研究神经元的很多特性和功能的机会。

图3 在枪乌贼巨大轴突内部记录神经元电信号

受到这样的机会的吸引，在1937年，Hodgkin来到位于纽约的洛克菲勒大学（Rockefeller Institute）学习如何解剖研究枪乌贼巨大轴突，并在1938年回到了英国继续他对神经元信号传递的研究。

1939年的夏天，Huxley接到了Hodgkin的邀请，来到位于普利茅斯（Plymouth）的海洋生物协会开始了对枪乌贼巨大轴突的信号传导实验。在经历了其他研究课题的失败之后，Hodgkin想到——“我们可以试试把电极放进细胞里直接记录电信号”。从这一刻开始，神经科学的研究进入了一个新的纪元。

他们的实验立马大获成功，这是人类历史上第一次从神经元内部记录到动作电位。而这个结果，彻底推翻了Bernstein的膜理论。

图4 Hodgkin和Huxley报告的首次记录到的动作电位

Bernstein的膜理论称，神经元的“静息电位”（resting membrane potential），也就是神经元的默认设置，是因为细胞膜只能让钾离子（一种带正电荷的离子）通过。细胞内的钾离子浓度高于细胞外，由于浓度差，带正电的钾离子由细胞内高浓度区域持续流到细胞外低浓度区域，直到钾离子的内外浓度差与内外电荷差产生的驱动力相互平衡。因此，我们就能测量到细胞内为负的静息电位。而当神经元受到刺激时，细胞膜会瞬间让所有离子通过。因此，我们应该能测量到细胞内外的电势差（电压）是零。然而，Huxley和Hodgkin得到的结果发现了在神经元受到刺激时，动作电位远远高于零。这一结果与膜理论的假设相悖。

无独有偶，在此时的美国马萨诸塞州，K.S. Cole和Howard Curtis也从枪乌贼巨大轴突内部记录到了动作电位。他们也报告了在神经元受到刺激时，神经细胞膜对于离子的通透性会增加，不过他们当时并没有进一步研究具体是哪种离子。而且，由于他们的记录设备的设计与Hodgkin和Huxley的不同，Cole和Curtis并没有记录到神经元的静息电位，所以他们并没有意识到动作电位的峰值远远高于零，这使得他们的结果看起来反倒成了膜理论有力证据。因此，他们曾距离真相最近，却没有成为揭示真相的人。

这一改变神经科学历史的发现在当时并没有掀起太大的波澜，因为此时，所有的波澜都集中到了波兰——1939年9月1日，德国闪击波兰，英美随即对德宣战，第二次世界大战就此开始。就在两天前的8月30日，Hodgkin和Huxley带着对手头研究的万分不舍离开了创造了奇迹的普利茅斯。

1945年，混乱的世界重归了秩序。在同一年，Hodgkin和Huxley在Journal of Physiology上具体解释了他们1939年的发现。他们当时给出了四种关于动作电位如何产生的假设，不过没有一种假设是正确的。因为动作电位几乎是在一瞬间发生的，而在这个时间尺度下想要观测具体的离子机制简直难如登天。在一次对话中，Hodgkin说：“如果我们能用一个细胞内的电极控制电势就好了。如果我们能看细胞电势的逐步变化，我们就有了很多问题的答案。”

1946年，Hodgkin和Huxley在剑桥重聚，打算继续战前的研究。随着他们掌握了越来越多关于细胞膜对离子通透性的证据，一个新的想法在他们心中诞生：动作电位会不会是钠离子引起的呢？这个想法在当时并不是显而易见，甚至在一些人看来是十分可笑的。因为当时支持其他解释的学说听起来也十分有道理，唯一验证这个假设的方法就是做实验。然而，当时的世界还百废待兴，唯一能做枪乌贼巨大轴突实验的普利茅斯实验室在战争中被炸毁。因此，他们一直等到了1947年才开始了他们的实验。

同样在1947年，Cole和Marmont首次在枪乌贼巨大轴突上实现了Hodgkin在1945年设想到的实验。然而，他们并没有把电流拆解成不同离子流，而且他们的实验设备的设计存在一定的缺陷，导致记录到的结果并不精确。Cole又一次与真相失之交臂，但却为电压钳技术的雏形做出了不可磨灭的贡献。

1948年，Hodgkin、Huxley和Katz提出了另一种电压钳的结构，而这个技术一直沿用至今。简单来讲，电压钳的基本原理就是通过向细胞内注入或从细胞输出电流以保持细胞膜电位不变。在实验过程中，实验人员只需要设定目标电位，电压钳会根据测量到的细胞膜电位和目标电位的差值调整注入或输出的电流，直到膜电位与目标电位一致。因此，实验人员就可以有充足的时间去观测在不同膜电位情况下细胞膜通透性的状态。这项技术也成为了解开神经元电信号的离子机制谜团的关键。

图5 电压钳技术示意图

1949年对整个世界来说也是具有跨时代意义的一年。在这一年，世界上第一台实际运行的存储程序式电子计算机EDSAC诞生了。所有科学家们立刻嗅到了这台机器对于研究的意义，Hodgkin和Huxley也不例外。他们本打算用EDSAC完成对动作电位的数学模拟，但EDSAC当时正在升级，不知道什么时候才能用上。“来不及了”，Huxley想。于是，他拿起了几年前陪伴他度过了项目初期的Brunsviga手摇计算器开始了计算。

图6 Huxley当时使用的Brunsviga 20手摇计算器

虽然Huxley在两年前就进行过相似的计算，但是这个过程并没有因此而变得简单。由于技术条件的限制，他们并不知道钾离子通道和钠离子通道的结构，因此建立这一模型基本靠猜。更不要提为了人工模拟动作电位的传递过程，Huxley要逐个地解出一系列复杂的常微分方程。经过了日以继夜的计算，他们把最终的结果画在纸上，跟真正的动作电位丝毫不差！多年以后，其他研究团队发现了神经细胞膜上的钾离子通道和钠离子通道的结构，竟也与他们的模型不谋而合！

图7 动作电位示意图

钠离子竟真的是神经元信电号产生不可或缺的一部分！原来神经元受到刺激的时候，并不是对所有离子都通透从而形成短路，而是瞬间对钠离子通透，使得大量钠离子涌入细胞内，让细胞的膜电位远远高于零。随后钾离子慢慢流出细胞，使得膜电位归于默认值。凭借这一发现，Hodgkin和Huxley获得了1963年的诺贝尔奖。

Hodgkin和Huxley发现动作电位机制的过程正如动作电位本身。最初他们在-70mV的静息状态经历了漫长的准备。突然，一个契机带着他们迅速突破了-55mV的阈值，一路通向+40mV的顶峰。

然而，这个故事到这里还没有完全结束。在Hodgkin和Huxley得出了他们的最终结论后，有人重新注意到了多年前Overton的文章。原来早在1902年，Overton就已经发现了钠离子是肌肉细胞兴奋过程中的必要元素了，只不过当时他由于实验方法的原因并没有在神经元上百分之百复刻出类似于肌肉细胞的结果。这么多年的弯弯绕绕，真相却一直在角落里静静等待。

今天，我们从课堂上学到前人的研究时，总倾向于理所当然地把这些结论当成公理一般。我们有时甚至想当然地从回顾历史的角度看待在角逐过程中并未胜出的理论，以一个现代人的眼光来评判这些“错误的”理论是多么荒诞可笑。但科学的世界从来不是非黑即白的，就如同神经元的动作电位，乍一看仿佛是0和1的差别，但深入探讨下去才会发现这其中的奥妙。有的真相被人忽视和遗忘；有的研究离答案只是一步之遥却没有突破阈值。有的人，不但恰巧在正确的时间选择了正确的方向，而且在经历波折后终得拨云见日，推翻了前人的理论，在教科书中添上了自己的一章。这个过程必将循环往复，推动着科学一步步前进。

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