簡(jiǎn)單中孕育神奇——揭秘生物電的起源

出品：科普中國(guó)

作者: 奧托星光

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

如果有一個(gè)涉及到物理、化學(xué)、生物、信息的知識(shí)，你會(huì)想到什么？可能有部分小伙伴給出的答案是生物電，主要就是神經(jīng)沖動(dòng)。另一部分的小伙伴可能會(huì)問(wèn)了，神經(jīng)也會(huì)沖動(dòng)？先別急，此“沖動(dòng)”非彼沖動(dòng)。

神經(jīng)中的電脈沖信號(hào)并不像金屬導(dǎo)體中的電子傳遞，如果把神經(jīng)比喻成一種導(dǎo)線(xiàn)，而神經(jīng)本身作為一種有機(jī)組織，其導(dǎo)電性并不好；并且由于神經(jīng)浸泡于絕緣性較差的體液中，這意味著阻抗作用會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)在導(dǎo)線(xiàn)中的信號(hào)會(huì)不斷衰減。此時(shí)，神經(jīng)就像是一個(gè)導(dǎo)電性不好又處處漏電的導(dǎo)線(xiàn)。

長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家們都在探索神經(jīng)中電脈沖的機(jī)制到底是什么。而它的奧秘，竟然是如此的簡(jiǎn)單和神奇。

青蛙實(shí)驗(yàn)——生物電的首次發(fā)現(xiàn)

早在18世紀(jì)，伽伐尼（Galvani）通過(guò)著名的青蛙實(shí)驗(yàn)觀(guān)察到，金屬會(huì)引起青蛙腿部痙攣，由此發(fā)現(xiàn)了生物電的存在。這一發(fā)現(xiàn)為后來(lái)伏特（Volt）發(fā)明電池提供了啟發(fā)，并且促進(jìn)了電學(xué)本身的發(fā)展。然而，該發(fā)現(xiàn)對(duì)于神經(jīng)傳遞電信號(hào)方式的相關(guān)研究，卻影響平平。

直到 1871年，美國(guó)生理學(xué)家鮑迪奇（Bowditch）提出了神經(jīng)的全或無(wú)定律（all-or-none law），即對(duì)神經(jīng)的刺激必須達(dá)到一定的閾值才能引起神經(jīng)沖動(dòng)。1913年阿德里安（Adrian）通過(guò)在單根神經(jīng)上測(cè)量電信號(hào)，從而記錄到了神經(jīng)沖動(dòng)，并發(fā)現(xiàn)神經(jīng)沖動(dòng)可以到達(dá)大腦，大腦又會(huì)重新發(fā)出新的神經(jīng)沖動(dòng)控制肌肉的收縮。

然而，上述科學(xué)家的研究依然沒(méi)有解釋神經(jīng)中的電流傳導(dǎo)方式。

伽伐尼的青蛙實(shí)驗(yàn)

（圖片來(lái)源：維基百科）

神經(jīng)中的電信號(hào)傳導(dǎo)方式

通常的想法認(rèn)為，體液中存在許多離子，這會(huì)不會(huì)是神經(jīng)中電脈沖的載流子呢？在一個(gè)世紀(jì)之前，德國(guó)的生理學(xué)家伯恩斯坦（Bernstein）首先想到，負(fù)責(zé)生物電的帶電粒子不是電子而是帶正電荷的離子，并且證實(shí)了神經(jīng)沖動(dòng)發(fā)生在細(xì)胞膜上，可以使得細(xì)胞膜迅速達(dá)到一個(gè)沒(méi)有跨膜電位的新平衡態(tài)。

伯恩斯坦的假設(shè)解釋了靜息電位的符號(hào)和大小，以及神經(jīng)沖動(dòng)過(guò)程中觀(guān)察到的去極化現(xiàn)象（膜電位變?yōu)榱悖?。但是關(guān)于神經(jīng)沖動(dòng)的詳細(xì)過(guò)程的揭示還要等到后來(lái)的兩個(gè)人出現(xiàn)，那就是霍金奇（Hodgking）和赫胥黎（Huxley，赫胥黎家族成員）。

神經(jīng)沖動(dòng)的化學(xué)機(jī)制

霍金奇和赫胥黎在20世紀(jì)30年代開(kāi)展了探索實(shí)驗(yàn)，試圖解釋神經(jīng)沖動(dòng)的化學(xué)機(jī)制。他們將微玻璃毛細(xì)電極插入到烏賊的巨大軸突中，從而測(cè)量出了神經(jīng)沖動(dòng)的電勢(shì)變化，并發(fā)現(xiàn)了極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象（膜電位短暫改變了符號(hào)）。

隨即，他們發(fā)現(xiàn)這一峰值電位與鈉離子的能斯特（Nernst）電位近似。這便對(duì)伯恩斯坦的選擇性透過(guò)思想進(jìn)行了擴(kuò)充——表面細(xì)胞膜可以由選擇性主要透過(guò)鉀離子迅速變?yōu)闈B透鈉離子。

然而，當(dāng)研究最終到達(dá)揭示謎底的激動(dòng)時(shí)刻時(shí)，第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)了。由于這一研究屬于非軍事科學(xué)，因此被擱置了數(shù)年。直到1946年，霍金奇和卡茨（Katz）繼續(xù)開(kāi)展研究，并詳盡地說(shuō)明了隨著軸突外部溶液鈉離子濃度的降低，峰值電位的確會(huì)下降，直至下降到零；而反之峰值電位則會(huì)上升。

在后來(lái)的研究中，霍金奇和赫胥黎提出了電壓門(mén)控假說(shuō)：神經(jīng)細(xì)胞膜的去極化，即是觸發(fā)鈉離子滲透性變化和膜電導(dǎo)率上升的原因。他們認(rèn)為膜上有一些未知的分子機(jī)器允許鈉離子以依賴(lài)膜電位的電導(dǎo)率進(jìn)行跨膜運(yùn)動(dòng)。

這一觀(guān)點(diǎn)表明，鈉離子跨膜運(yùn)動(dòng)是一個(gè)正反饋過(guò)程，即去極化開(kāi)啟了通過(guò)鈉離子的分子機(jī)器，這一過(guò)程又反過(guò)來(lái)促進(jìn)了去極化過(guò)程，從而開(kāi)啟更多的分子機(jī)器，二者循環(huán)往復(fù)。這便解釋了神經(jīng)沖動(dòng)的傳遞過(guò)程。

神經(jīng)沖動(dòng)傳遞方式（動(dòng)圖）

（圖片來(lái)源：維基百科）

在接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)中，霍金奇、赫胥黎和卡茨利用新發(fā)展的三項(xiàng)技術(shù)（空間鉗、電壓鉗、離子流分離）開(kāi)展了一系列精巧的實(shí)驗(yàn)，確定了具有電位依賴(lài)性和離子選擇性的電導(dǎo)的存在。

在當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)誕生前的年代，他們利用手搖計(jì)算機(jī)，花費(fèi)了將近一個(gè)月時(shí)間才重建了一個(gè)神經(jīng)電脈沖的計(jì)算，而獲得的結(jié)果完美重現(xiàn)了動(dòng)作電位的時(shí)間特征、傳播速率和膜外部離子濃度變化的依賴(lài)關(guān)系。

但是，從本質(zhì)上說(shuō)，霍金奇-赫胥黎模型揭示的動(dòng)作電位理論僅是一個(gè)唯象理論，他們能夠利用所測(cè)量的大量離子的宏觀(guān)結(jié)果和物理參數(shù)來(lái)解釋動(dòng)作電位，卻無(wú)法解釋內(nèi)在的化學(xué)機(jī)制，即神經(jīng)膜上分子機(jī)器是如何轉(zhuǎn)運(yùn)不同尺寸的鈉鉀離子的。

神經(jīng)沖動(dòng)的分子生物學(xué)基礎(chǔ)

更深層次的認(rèn)識(shí)需要分子生物學(xué)和電子設(shè)備的發(fā)展。真正的突破需要等到1975年，內(nèi)爾（Neher）和薩克曼（Sakmanan）發(fā)展了必要的電子技術(shù)和膜片鉗技術(shù)，這兩個(gè)技術(shù)的進(jìn)步使得測(cè)量穿過(guò)活細(xì)胞膜上單個(gè)分子機(jī)器即離子通道的電流成為可能。

而離子通道微觀(guān)結(jié)構(gòu)的觀(guān)測(cè)結(jié)果表明了離子通道的特異性和傳導(dǎo)機(jī)制。1998年，麥金農(nóng)（Mackinnon）等人首次得到了鉀離子通道的晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其尺寸完全符合鉀離子的大小。其結(jié)構(gòu)也表明，神經(jīng)膜電位的改變會(huì)引起離子通道蛋白大尺度的構(gòu)象變化，從而導(dǎo)致離子通道的開(kāi)啟，這也揭示了神經(jīng)沖動(dòng)傳遞的具體過(guò)程。

至此，人們才完全揭示了生物電的物理規(guī)律、化學(xué)機(jī)制和分子生物學(xué)基礎(chǔ)。

鈉鉀離子通道示意圖

（圖片來(lái)源：維基百科）

人體生物電的應(yīng)用

生物電的應(yīng)用當(dāng)然也非常廣泛并且前景無(wú)限。早在生物電的化學(xué)機(jī)制發(fā)現(xiàn)之前，醫(yī)院里已經(jīng)在用心電圖來(lái)檢查患者的心臟問(wèn)題了。由于安全性和易操作性，現(xiàn)在醫(yī)院也常采用電針灸理療可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的針灸方式。而目前大熱的腦機(jī)接口已經(jīng)成為一個(gè)前沿交叉學(xué)科，不僅能夠有望在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮巨大價(jià)值，修復(fù)患者身體和精神創(chuàng)傷，也必將會(huì)在各個(gè)領(lǐng)域和場(chǎng)景發(fā)揮意想不到的用途，更是實(shí)現(xiàn)我們與機(jī)器交互甚至共生的關(guān)鍵。

馬斯克和他的Neuralink

（圖片來(lái)源：新智元）

結(jié)語(yǔ)

生物電的研究跨越了兩百年，這是一個(gè)利用物理和化學(xué)的手段研究生物學(xué)問(wèn)題，并揭示生物體內(nèi)信息傳遞機(jī)制的多學(xué)科交叉的研究典范，也顯示了技術(shù)對(duì)科學(xué)認(rèn)識(shí)的促進(jìn)作用。而生物電的影響有多大呢？從你所形成的各種感覺(jué)、所進(jìn)行的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)，到你此時(shí)此刻閱讀這篇文章時(shí)，認(rèn)同或質(zhì)疑的思考行為，都與你體內(nèi)正在快速轉(zhuǎn)運(yùn)的鈉鉀離子產(chǎn)生的電脈沖有關(guān)。

大自然利用這一巧妙的方式構(gòu)筑了生物體內(nèi)信息的傳遞，雖然它十分簡(jiǎn)潔，卻有效地創(chuàng)造了復(fù)雜和神奇，并且為人類(lèi)的未來(lái)帶來(lái)無(wú)限可能。

參考文獻(xiàn)：

【1】菲利普·納爾遜，《生物物理學(xué)：能量、信息、生命》，2006

【2】約翰·布羅克曼，《世界因何優(yōu)雅而美妙的運(yùn)行》，2017