神经纤维及其电传导.docx

1、神经纤维及其电传导神经纤维及其电传导意利的Carlo Matteucci（1811-1868）用Leopoldo Nobili发明的敏感的检流表（galvanometer）检测到切断的兴奋性组织（神经和肌）中有电流（Matteucci，1838；Bennet，1999）。他还证明，收缩的肌产的电，以刺激神经，引起后者支配的肌出现收缩。他检测到切断的肌与完整肌之间的电流，认为这些电流是肌产的。德国的Emil du Bois-Reymond（1818-1896）验证了Matteucci的结果，称之为“肌电流”，并发现肌电流的负变化。其后，他改进得到更精密的检测仪，由此发现了神经电流和神经电流的负变

2、化（negative variation），先称之为“动作电流”，后常用“动作电位”（du Bois-Reymond，1841， 1842）。神经冲动传导有多快?德国柏林洪堡大学的Johannes Mller（1801-1858）曾认为速度太快、不可能测量到（Mller，1840；Bennet，1999）。1849年12月29日，德国物理学家、理学家、医Herman von Helmholtz（1821-1894）检测到特定神经的传导速度为每秒30.8米（Helmholtz，1850；Bennet，1999）。德国犹太理学家Julius Bernstein（1839-1917）是du Bois

3、-Reymond的研究生，也曾任von Helmholtz的助（Seyfarth，2006）。他改进仪器后检测动作电位形成的过程（Bernstein，1868；Seyfarth，2006）。1902年，Bernstein提出电势的膜理论：他认为神经和肌细胞膜符合Walter Nernst（1864-1941）提出的程式（Nernst，1889），且细胞膜也与Wilhelm Ostwald (18531932) 提出的半透膜一样，对离子选择性通透。静息时细胞膜对钾离子通透，形成细胞膜外相对正、细胞膜内相对负的极性。收到刺激而兴奋时，细胞膜对所有阳离子通透性增加，出现去极化（Bernstein，1

4、902；Seyfarth，2006）。与Bernstein文章同一期杂志德国生理学家Ernest Overton（18561933）报道：细胞外如果缺乏钠离子，肌肉不能被刺激所兴奋，而且钠离子的作用不能被钾离子所替代（Overton，1902；Kleinzellet，1997）。其后，他也证明细胞外的钠离子对神经的兴奋性很重要（Overton，1903，1904）。提高细胞外钾离子浓度可以抑制肌肉的兴奋性（Overton，1904）。那时已知细胞内钾离子浓度高于细胞外，而细胞外钠离子浓度高于细胞内，Overton从而提出肌肉和神经的兴奋就是其细胞外的钠离子与细胞内的钾离子进行交换（Overto

5、n，1904；Kleinzellet，1997）。1871年，美国生理学家Henry Bowditch (1840-1911)在德国访学期间提出脏收缩的“全或”规律：“个刺激要就是能够引起收缩，要么不能，如果能，收缩的强度总是最”（Bowditch，1871）。1902年，牛津大学的Francis Gotch（1853-1913）发现刺激一旦达到一定强度可以兴奋骨骼肌或神经，则骨骼肌和神经的兴奋性（包括神经的传导速度）都一样，继续增加刺激强度不会导致更大的兴奋性（Gotch，1902）。1905年，剑桥大学的Keith Lucas（1879-1916）证明骨骼肌兴奋性的“全或”规律，刺激旦强到

6、可以引起骨骼肌收缩，则收缩程度样，也就是在超过阈值后，兴奋不再与刺激强度有关，只与肌有关（Lucas，1905）。Lucas的学Edgar Adrian（1889-1977）证明，神经纤维也遵循“全或”规律（Adrian，1912，1914；Lucas and Adrian，1917）。1922年，美国理学家Joseph Erlanger（1874-1965）和Herbert Gasser（1888-1963）在圣路易斯的华盛顿学改进了阴极射线示波器，可精度地检测动作电位及其在神经纤维的产和传导（Gasser andErlanger，1922）。电生理长期依赖于细胞外记录，而理论预计应该有跨细

7、胞膜的电压差。一般神经纤维太细，当时的技术无法检测跨膜电位。1936年，牛津大学的John Young（1907-1997）发表他在普利茅斯海洋实验室的工作，他发现了枪乌贼（Loligo forbesi）的巨神经纤维，它是枪乌贼用于快速逃跑的神经，其直径约0.5-0.7毫米（Young，1936）。Young告诉来访的美国哥伦比亚学医学院物理学家Kenneth Cole（1900-1984）：“如果你要研究神经，就得研究这轴突”。Cole曾用阴极射线示波器检测过多种物(包括Nitella，丽藻)和神经的膜电位，他回美国后，在马萨诸塞州的Woods Hole海洋物学实验室暑期实验期间，和他的学H

8、oward Curtis研究了巨神经的电理（Curtis and Cole，1938）。他们观察到：动作电位发时，局部膜电阻减少、电导增加（Cole and Curtis，1939）。Cole 于 1936 年访问英国时见过剑桥大学的神经生理学家 Alan Hodgkin（1914-1998）。Hodgkin 于 1937 年 1938 年在洛克菲勒医学研究所待年，初衷是到 Herbert Gasser 的实验室作，但他到哥伦比亚学看到 Cole 和 Curtis 用丽藻做的研究，并知道他们计划暑期去 Woods Hole 海洋实验室做枪乌贼巨神经的研究后，决定暑期与 Cole 道去Woods

9、 Hole，他们合作研究乌贼巨神经，内容是继续Cole 和 Curtis（1939），研究结果也在同期杂志发表（Cole and Hodgkin，1939）。Hodgkin 回英国后，1939 年暑期带着刚从剑桥学本科毕业的另位科学世家弟 Andrew Huxley（1917-2012）到普利茅斯海洋做暑期研究（Huxley，2002）。Cole 也带 Curtis 在 Woods Hole 做同样实验。他们都用枪乌贼巨神经纤维，Hodgkin和 Huxley 记录到静息的跨膜电位（50 毫伏）和兴奋时跨膜电位（90 毫伏），动作电位时细胞内相对于为正 40 毫伏（Hodgkin and Hu

10、xley，1939）。Hodgkin 和 Huxley先用英国的 Nature 发表其内容简报，三周后希特勒侵波兰，他们研究暂停。1939 年夏天 Curtis 和 Cole 获得类似 Hodgkin 和 Huxley 的结果，第年发表（Curtis and Cole，1940）。两位美国科学家继续研究，发现当细胞外钾离浓度提时，静息膜电位减小，当细胞外钾离浓度等于细胞内钾离浓度时，静息电位为 0，继续提细胞外钾离浓度会逆转的静息电位（Curtis andCole，1942）。因此，细胞膜对钾离通透产静息电位。战后，Hodgkin 和 Huxley 重返研究，他们于 1945 年全发表了自 1

11、939 年的作，并回顾了 Cole 实验室的作。他们总结，因为动作电位时膜电位不等于 0，需要修改动作电位的传导模式（Hodgkin and Huxley，1945）：Hodgkin 和 Huxley（1945）探讨了动作电位形成的四种可能机制，都是错的。Hodgkin 事后认为不能排除受 Curtis 和 Cole（1942）章中错误数据的影响。Curtis和 Cole（1942）报道动作电位与静息电位差别可以到 110 毫伏，这样就难以钠平衡电位来解释（Hodgkin，1976）。Curtis 和 Cole（1942）还提到，去除所有离对电位的影响等同于去除钾离的影响，所以看起来没有其他离

12、参与（Curtis andCole，1942；Hodgkin，1976）。后来才知道是神经旁边有层结缔组织的膜（perineurium）没有清除净，去除离的实验不净（Hodgkin，1976）。1946 年，已就职芝加哥学的 Cole 与 George Marmont 在 Woods Hole 做暑期研究期间，在 Jimmie Savage 建议下发明了后来被们称为“电压钳制”的法，得到Will Rall 的帮助后，1947 年他们首次成功地进了电压钳制实验，章由 Marmont单独发表（Marmont，1949；Cole，1979）。Curtis 于 1947 年写信告诉了 Hodgkin，

13、Hodgkin 当年秋天访问芝加哥时，看了 Curtis 的实验。Hodgkin 告诉 Cole 并在芝加哥学学术报告讲述自和 Bernard Katz 的实验提示钠离顺浓度梯度进细胞的内向电流是动作电位的基础（Hodgkin and Katz，1949；Cole，1979；Huxley，1992）。Marmont 不热做电压牵制实验，Cole 自做了，并在 1949 年巴黎会议上介绍了结果（Cole，1949）。Cole 做了电压钳制实验，但他忙于其他事务，包括从芝加哥搬到华盛顿，先后在海军医学研究所、国立健康研究院（NIH），直到 1960 和 1961才发表电压钳制实验（e.g.，Moo

14、re and Cole，1960；Cole and Moore，1960；Cole，1961，1968）。电压钳制法是给神经纤维插两对电极，对检测细胞内外电位差，对用于注射电流以对抗电压的改变，将电压维持在研究者设定（钳制）的平。在膜电位出现理变化时，为了将它钳制在设定值，需要注射与之小相等、向相反的电流，从检测了膜电流小。Hodgkin 和 Huxley 以及德国移民英国的犹太科学家 Bernard Katz（1911-2003）用电压钳制法研究了枪乌贼巨神经纤维。他们的研究自 1946 年开始，至 1952 年达高峰。神经纤维是神经的轴突，其内含细胞浆为轴浆。1945 年 Hodgkin

15、和 Huxley 的章提出动作电位形成的四种可能之是轴浆内阴离外流，但没探讨钠离内流。1946 年，Hodgkin 和Huxley 探讨静息电位和动作电位的离基础。在当年 12 月投稿的章中，他们指出：目前的共识是神经或肌纤维内钾离浓度于其中浓度，钠离浓度和氯离浓度低于浆浓度（细胞外浓度约等于液中的浓度）；钾离的轴浆浓度倍于其浆浓度，钠离和氯离的轴浆浓度为浆浓度的分之（Hodgkin and Huxley，1947）。1902 年，Bernstein 就提出钾离是静息电位的基础，Overton 提出了细胞外钠离的重要性。1942 年，Curtis and Cole 实验证明了细胞外钾浓度影响静息电位。1947 年，Hodgkin and Huxley 实验显示动作电位之后的钾离外流可以恢复静息电位，也就是说动作电位的下降是因为钾离外流（Hodgkin and Huxley，1947）。在与 Huxley 讨论的基础上，Hodgkin 和 Katz（1949）检验了钠离的功能。因为钠离在细胞外的浓度于细胞内，动作电位如果用钠离，就应该是钠离从细胞外流向细胞内。如果降低细胞外的钠离浓度，就会降低动作电位；如果细胞外和细胞内钠离相同，就不会出现动作电位。他们实验确实得到这样的结果。他们用不含钠离的等渗透压的右旋糖代替海，在两分钟之内，动作电位消失，加含钠离的海后，在分半钟左右