身体里的神奇电路——神经电生理两百年探秘史(5)

5 多种技术共同解开神经系统之迷（21世纪及以后）

膜片钳技术已经与众多技术相结合，不仅在神经科学还在免疫学、内分泌学等学科发挥着重要作用，然而我们这里还是将注意力集中到神经电生理上。先进成熟的膜片钳技术的只能同时记录一个或几个细胞的电活动，然而神经系统是在许许多多神经元的共同协作下完成的。在神经电生理沿着神经元水平发展的同时，神经网络水平和脑功能的研究也在进一步深入，取得了非常多的成果，然而机理方面的研究需要建立在单细胞机理之上。可以想见，未来的机理研究必然要从细胞级发展到网络级再到系统级，神经电生理的记录技术将从集成电路和生物芯片的发展[22]和多电极记录方法的改进中获益，网络和系统层次的生物模型需要综合先进的数学、物理、化学理论。
两百年艰难的探秘让我们一步步看清神经元的工作方式，然而神经系统的结构和功能对于我们依旧神秘，难道真如Emil du Bois-Reymond所说“我们是而且永将无知”[23]？即便如此，探秘将不会结束只要人类文明向前发展。

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。

身体里的神奇电路——神经电生理两百年探秘史(3)

3 物理化学为“膜理论”奠基（19世纪中到20世纪初）

由于灵敏物理设备的制成，人们可以测量到电冲动在神经纤维上的大小、位置，然而它究竟是怎么形成的，“动作电流”背后的机理是什么并不清楚。1902年，Emil du Bois-Reymond和Hermann von Helmholtz的学生Julius Bernstein（伯恩斯坦）在物理化学家Hermann Nernst（能斯特）的基础之上提出了神经电冲动的“膜假说”，并在1912年用“膜理论”解释了动作电位的产生机制[9]。此时，相距动作电位的发现已有60年之久，而在此之间电化学、溶液化学得到了充分的发展。

身体里的神奇电路——神经电生理两百年探秘史(2)

2 “活力论”退出历史舞台（19世纪中期）

Johannes Peter Müller在德国柏林大学任职，并使柏林大学成为当时的神经电生理研究中心，然而，他的两个学生Emil du Bois-Reymond和Hermann von Helmholtz成了“活力论”最终退出历史舞台的推动力之一。

Emil du Bois-Reymond（雷蒙）是神经细胞动作电位的发现者。19世纪中期，他开始研究电流沿神经和肌肉纤维的传导。他发现，当刺激电压加到神经细胞膜表面时减小了，于是他认为沿神经传导的电脉冲就是减去的那部分电压，并称之为“呈负电的电波”；他很快在横纹肌中也发现了类似的“负向变化”，他推论这种变化是导致肌肉收缩的主要原因；由于只有在肌肉响应神经刺激时才能检测到这种微小的负向变化，于是他将这种引起肌肉反应的电流称为“动作电流”（今天称之为“动作电位”） [7]。“动作电流”的发现成为现今神经电生理学的基础。

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身体里的神奇电路——神经电生理两百年探秘史(1)

说到“身体里的神奇电路”，在科技进步日新月异的今天，小学生都知道那是指传导电冲动的神经系统；然而，在两百多年前，这却是一个颇具争议、即使是世界顶级的科学家都无法确定的事实。

1 “动物电”还是“金属电”（18世纪末到19世纪初）

18世纪末的一天，意大利医生Luigi Galvani（伽伐尼）正准备做青蛙实验，当他的助手无意中将手术剪碰到解剖好的蛙坐骨神经时，蛙腿突然搐动了一下，就好像它还活着一样。他们非常奇怪，反复试验几次，蛙腿仍旧搐动。传说由此Galvani开始了生物电的研究。当然，那时还没有“生物电”一说，甚至对“电”本身都所知甚少。但Galvani自小非常爱动手实验，莱顿瓶是他经常使用的电学仪器，他非常敏锐的察觉到是电让蛙腿搐动起来。1791年，他发表了一篇两年前写好的论文《关于电对肌肉运动的作用》，里面写道只要将两种不同的金属接触蛙腿，它就会发生搐动[1]。

在科学网上很长时间都是作为一个看客，现在终于有了一块属于自己的地盘！现在看来，把脑中所想的码成文字也不是件易事，尽管想的可能很多，但是要条理清晰地表达出自己的想法，并且随时要准备好与大家交流，并不是以前想象中的那么轻松。不过，正是把思想变成文字的过程是一个很好的锻炼；提炼想法、遣词造句、拿捏分寸，确实对自己是个提高。在这里，要耕耘好、经营好这块土地，收获丰厚的果实。在这里，开始一个新的征程，披荆斩棘，一往无前。正如纵贯线《出发》里：

出发啦不要问那路在哪?迎风向前是唯一的方法

出发啦不想问那路在哪?运命哎呀什么关卡?

当车声隆隆梦开始阵痛它卷起了风重新雕塑每个面孔

夜雾那么浓开阔也汹涌有一种预感路的终点是迷宫