电生理学发展简史.doc

电生理学发展简史（一） 生物电活动是机体一种基本的生命现象，它产生的基础是细胞膜上离子通道活动的总和效应。从生物电现象的发现到如今对离子通道功能与结构如此深入的了解，电生理学走过了 200 多年的历程。一、生物电现象的发现 最初的实验研究是从 18 世纪后 叶 开始的。当时没有任何测量电流的仪器，只是发现利用电容器（如雷顿瓶）的放电 ， 或雷电发生时竖起一根长导线，引导大气中的电，都可以刺激蛙的神经肌肉标本，引起肌肉收缩，所以当时就用蛙的神经肌肉标本作为电流存在的标志。 1791 年意大 利解剖学 教授 Galvani L 发现，如果将蛙腿的肌肉置于铁板上，再用铜钩钩住蛙 的 脊髓，当铜钩与铁板接触时肌肉就会发生收缩。他把这个现象的发生归因于机体的 “ 动物电 ” （ animal electricity ）。他认为神经与肌肉带有相反的电荷，肌肉带正电，神经带负电，金属导体的作用是把神经与肌肉之间的电路接通。同时代的意大利物理学家 Volta A 不同意 Galvani 的见解，他认为实验中发现的电现象，不是动物机体产生的动物电，而是由于实验中连接肌肉和神经的金属不同所致，是不同金属接触时产生的电流刺激了肌肉标本，如果用同一种金属作导体，收缩就不会发生。事实上， Volta 和 Galvani 的观点都有其正确的一面。 Volta 后来因此而发明了伏特电池； Galvani 则继续进行了一个出色的实验。在无金属参与的情况下，他将一个肌肉标本横断，又将另一个神经肌肉标本的神经干搭在横断肌肉上，并使之跨越肌肉的完好面和损伤面，结果该神经支配的肌肉产生收缩，证实了动物电的存在。这成为第一次观察到生物电存在的电生理实验。但是直接测量到生物电的实验是在电流计发明之后。 1825 年意大利物理学家 Nobili 发明电流计。 1837 年意大利物理学教授 Matteucci C 用电流计在肌肉的横断面与未损伤部位之间，测量到电流流动，电流是从未损伤部位流向横断面的，所以横断面呈负电位。这是第一次直接测量到生物体内存 在 生物电的实验。 1843 年瑞士生理学家 Du Bios-Reymond 用电流计观察到神经的损伤电位，也是损伤部位呈负性。 1849 年，他又发现神经在活动期间出现负波动，即使用电流计从细胞外记录到的动作电位。 1850 年 von Helmholtz H 测定了神经传导速度，证明蛙神经的传导速度仅 20 30m/s 。此前人们认为既然电的传导速度等于光速，因而神经的传导速度可能也是光速。 二、早期对生物电发生机制的认识 1. Bernstein 的膜学说 对于这种生物电现象的解释，当时提出了不同的学说。 Du Bios-Reymond 认为，组织内带负电，外表带正电，是正常状态下存在的，即所谓 “ 现存学说 ” （ preexistence theory ）；而他的学生 Hermann （ Du Bios-Reymond ）则认为，组织内的负电是被切割时组织损伤变质造成的，即所谓 “ 变质学说 ” （ alteration theory ）。 1890 年，著名的化学家 Ostwald W 提出了膜的通透性理论，即如果在电解质弥散的途径上有一层半透膜，它只允许一种离子通过，而带有相反电荷的另一种离子不能通过，就会通过静电作用限制透过膜的离子不能进一步弥散，如 此 ，在膜两侧就会形成电位差，它的大小可按 Nernst 公式计算。 1902 年 Du Bios-Reymond 的另一名学生 Bernstein J 接受了 Ostwald 通透性理论，在现存学说的基础上提出了 “ 膜学说 ” （ membrane theory ）。他根据细胞内液比细胞外液含较多的 K + ，而细胞损伤处电位较完好处为低的事实，推测静息时细胞内电位低于细胞外，并假定静息时细胞膜只对 K + 有通透性，由于胞内带正电荷的 K + 顺浓度差扩散到膜外，相应的负电荷仍留在膜内，使细胞膜呈现外正内负的极化状态，形成静息电位。按照 Bernstein 的设想，细胞的静息电位就等于 K + 的平衡电位。动作电位则是由于膜在一瞬间失去了对 K + 的选择性通透，变得对所有离子通透性一过性地升高，导致膜两侧电位差瞬间消失。 1904 年，他又设计了一个精巧的实验，证实肌肉切断后断面的负电位在 0.3 s 后即出现，并持续缓慢地减小而不是逐渐增大，从而用事实否定了变质学说。因此膜学说在此后 30 多年的时间内为多数人所接受，不过它却一直未能得到实验证实。这是因为要想测量膜两侧的电位差，必须要将一个电极插入细胞内，这就要求插入的记录电极直径很细，不能损伤细胞；插入处也不能漏电。显然，这种技术上的限制在当时是很难克服的。 2. 细胞跨膜电位的记录 1936 年，生物学家 Young JZ 发现了头足类软体动物枪乌鲗的巨大神经轴突，其直径可达 1mm 。这与最大直径不超过 20m 的脊椎动物神经纤维相比，无疑是研究跨膜电位的绝好材料。 1939 年，英国生理学家 Hodgkin AL 和 Huxley AF 将直径为 0.1mm ，内部充满海水的毛细玻璃管纵向插入枪乌鲗大神经轴突（直径 0.5mm ）的断端，作为细胞内电极，而将另一电极置于浸泡细胞的海水中，于是在毛细管尖端和细胞外电极之间记录到约 60mV 的电位差，胞 质 为负。将轴浆内电极靠近膜内侧或向中心移动，电位差均不变，表明电位差存在于膜的两侧。这样，他们便利用枪乌 鲗 巨 大 轴突首次记录到膜两侧的静息电位。这一工作的意义在于实验测定的静息电位与根据细胞膜内、外钾浓度经 Nernst 公式计算的钾平衡电位（ - 75mV ）非常接近，从而有力地支持了 Bernstein 关于静息电位状态下细胞膜选择性对钾离子有通透性的膜学说。但是，正如在图 1 中所看到的，实测的静息电位值总是略小于 K + 平衡电位，这说明细胞膜并不是像原来设想的那样只对 K + 有通透性，而可能对其他离子，特别是Na + 亦有一定的通透性。图1 细胞外 K + 浓度对蛙缝匠肌静息电位的影响图中的圆点是不同 K + 浓度时静息电位的实测值；直线是根据 Nernst 公式的计算值 膜学说关于动作电位产生机制的解释也得到膜阻抗测量实验的支持。 1939 年， Cole KS 和 Curtis HJ 利用惠斯登电桥（ Wheatstone bridge ）观测枪乌鲗巨 大 轴突动作电位期间膜电阻和膜电容的变化，发现动作电位期间膜电容基本不变，而膜阻抗显著降低（膜电导增大）（图 2 ），由静息时的 1000cm 2 下降到 25cm 2 ，支持动作电位期间膜对多种离子通透性的增大。图2 Wheatstone 电桥对动作电位期间膜阻抗的测定 A ：测量膜电容和阻抗的 AC Wheatstone 电桥，电桥施加高频交变电流，输出端为振幅相同的 175kHz 的交流信号。 R1 、 R2 为