生物电的发现史

生物电的发现史

叶灿哈医大四院临床14级

说起生物电，人们可能想到放电的电鳗。其实人体内每时每刻也在进行着电活动。人体内的生物电都在细胞的微观层面进行，在宏观层面并不能对外“放电”，但我们能通过心电图、脑电图等肯定人体生物电的存在。

生物电的发现不过两百多年的历史。1786年意大利医生与生理学家Galvani在一次实验中偶然注意到：挂在铁栅栏铜钩上的蛙腿在风的吹动下左右摇晃时，一旦碰到铁栅栏，蛙腿就收缩一次。Galvani在排除了当时已知电源(大气雷电、摩擦起电)的作用后，认为这是一种新的电源，是动物体内产生的电，即“动物电”。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。

Galvani的“动物电学说”在电力未被广泛使用的十八世纪引发了争论。同是意大利的物理学家Volta提出不同意见。Galvani为证明自己的观点于1794年设计了“无金属收缩实验”：在仅有神经-肌肉标本的情况下，任能实现肌肉的收缩。这一新实验出色地证明了“动物电”的存在。而这一发现标志着电生理学的开端。

在肯定了生物电存在后，科学家们开始了对其产生机制的研究。1820年，在电流计发明后，Reymond提出所有神经或肌肉都存在有“静息电位”，即“先存学说”。1902年Reymond的学生Bernstein接受了膜通透性理论，并提出生物电发生的“膜学说”。他假定静息时细胞膜只对K+有通透性。由于带正电荷的K+顺浓度差向细胞外扩散，相应的负电荷仍留在细胞内，这样细胞膜两侧形成了“外正内负“的静息电位。“膜学说”的理论依据被多数人接受，但由于当时技术上的限制和未找到有效的实验材料，未能被实验验证。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。

一种特定的实验对象的发现能让科学家们突破认知的瓶颈。孟德尔幸运地发现了性状对比明显的豌豆，从而开创了遗传学，成为遗传学之父。在电生理学领域，枪乌贼神经的发现就像孟德尔的豌豆一样，为电生理学打开了一扇大门。1936年英国解剖学家杨（，而一般脊椎动物单根神经轴突直径最大不超过0.02 mm。这就使得将微电极直接插入神经纤维内成为可能。注意：人体和很多动物的神经干的直径是远超过1mm的，如人体坐骨神经，直径可达1cm。但是神经干是多根神经的集合体，要论单根神经轴突，还是枪乌贼的最粗。

1939 年，英国生理学家Hodgkin 和Huxley 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。这样，他们便利用枪乌贼巨大轴突首次记录到膜两侧的静息电位。这一工作的意义表明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 膜学说。更令人惊喜的是，两人还第一次记录到了动作电位。

图1：插入枪乌贼巨轴突细胞的电极（A），从细胞内记录的动作电位（B）

他们发现动作电位变化的幅度大大超过了零电位而达到了+30 ~50 mV，这是“膜学说”无法解释的。由于战争的影响，二人的研究一度中断。几年后，两人又开始了对动作电位产生机制的研究。

Hodgkin和Huxley发明了电压钳技术来测量细胞膜对离子的通透性即电导。通过电压钳技术，他们发现了钠电导和钾电导的时间依从性和电压依从性，即膜电位到达阈值时，钠离子通透性增加，形成动作电位升支，而延迟开放的钾离子通道使钾离子内流，形成动作电位的降支。Hodgkin和Huxley利用Hodgkin-Huxley 模型对枪乌贼的巨轴突细胞的膜电位进行了计算，发现计算结果与真实实验的测量结果十分一致。二人也因此获得了1963年的诺贝尔生理学或医学奖。值得一提的是，Hodgkin是霍奇金淋巴瘤的发现者Thomas Hodgkin的后代。

生物电从偶然发现，到一步步微观层面证实，再到产生机制的阐明，历经了许多科学家的努力。而电生理学的发展也是生理学、神经生物学的光辉一笔。如今，电生理的成果应用于医学的许多方面：心电图用于评估心脏传导系统和诊断心律失常。脑电图用于癫痫病灶的定位。肌电图用于周围神经功能的测定。在我们肉眼看不到的细胞层面，人体也如电鳗一样，有高速的电流贯通全身。