最簡化模型 被動電學信號 （Passive Electrical Signals）

 

 

       細胞膜由絕緣的磷脂雙分子層構成，膜上有很多離子通道和受體，離子通道允許帶電荷離子進出。電學上講，一種離子通道相當于一個微小的電壓源。在這些通道關閉的情況下， 細胞膜本身相當于電介質，而靠近細胞膜的細胞內液層和外液層相當于電容器的兩個極板，可以儲存電荷。由于不知道細胞膜上都有些什么，我們暫且把膜上所有負責物質交換的場所都當成電阻。而Erest代表電阻的在靜息時的電動勢。這也是最簡單的阻-容電路（Resistance-Capacities circuit; RC電路）成分。

 

      根據(jù)RC電路的電壓反應式，以及歐姆定律和基爾霍夫電流定律，我們知道沒有電流注入時（t=0），電路中不會用電流變化；當超長時間注入電流時，電容器短暫的充放電就可以忽略不計，所以電壓反應可以近似地看作只有膜電阻做出了貢獻；而當注入一個時間常數(shù)（電阻×電容）的電流時，根據(jù)反應式可以知道V(t)=0.63I*R。

 

上升向的電壓變化

 

下降向的電壓變化

 

簡化模型 突觸信號輸入 （Synaptic Electrical Signals）

 

       事實上，我們的大腦并沒有一根電極注入電流；但一個神經(jīng)元往往接受成千上萬個突觸的輸入，而突觸的輸入（電-化學-電的信號傳遞）就相當于向神經(jīng)元注入了電流。這時電流會有三個走向：①電容器②離子通道③漏通道。

 

       在這個簡化模型中，電阻R實際上是細胞膜上的一類獨立開放，不依賴于電壓變化的鈉/鉀（絕大多數(shù)都是鉀離子通道）離子通道，負責與鈉鉀泵協(xié)同維持靜息膜電位。

 

 

H-H模型: 鈉鉀離子通道的參與

 

       1939年，Hodokin和Huxley以及Cole&Curtis分別運用自制的毛細玻璃管充入鹽水及金屬絲，插入槍烏賊的巨軸突（Giant Axon），清晰地觀察到了動作電位及其超射現(xiàn)象（膜內外電壓差超過0 mV）。為了解釋超射象，Hodgkin、Huxley以及Bernard Kate（通過神經(jīng)肌肉接頭的研究發(fā)現(xiàn)了突觸傳遞并獲得1970年諾貝爾獎）提出神經(jīng)興奮的”鈉假說“，認為膜興奮時對鈉離子的選擇通透性增加。HH兩人將記錄溶液的氯化鈉部分或全部替換成葡萄糖或氯化膽堿，動作電位的幅度降低或完全不能爆發(fā)動作電位；而增加則發(fā)現(xiàn)超射部分會大大增加；從而證明了鈉離子在動作電位發(fā)生機制中的重要作用。

 

       Hodgkin 和 Huxley兩人在二戰(zhàn)后強強聯(lián)手，通過巧妙的實驗以及完美的數(shù)學模型，不僅揭示了離子機制，更（成功）預測了鈉、鉀離子通道的結構。

 

       時間一晃就到了1952年，這個在電生理領域被成為“Maggic Year”的年份，發(fā)表了多篇動作電位機制的文章。其中很大一部分原因是因為HH兩人改良完善了電壓鉗技術，使用兩根金屬電極，一根用于檢測膜電位，一根用于反饋性地注射電流以抵消跨膜電流造成的膜電位變化，從而同時完成對跨膜電流的測定和電壓鉗制。

 

 

       Hodgkin 和 Huxley兩人首先去極化槍烏賊的軸突近10 mV（相當于只有微小的電流刺激，還不足以使細胞爆發(fā)動作電位），發(fā)現(xiàn)電流成分只有早晚期電容的快速充放電以及漏通道上不隨電壓變化的電流。而有意思的是，當將軸突的膜電位去極化到0 mV，（一般細胞的閾值是-40~-30 mV甚至更去極化），相當于細胞收到了很大的刺激，從而發(fā)現(xiàn)了三相電流成分：①最早的快速電容充電電流；②快速的內向電流；③稍慢的外向電流。這些電流成分是什么？

 

 

       根據(jù)先前證實的”鈉假說“以及Goldman-Hodgkin-Katz電流方程和電壓方程推測出的鉀離子在靜息電位是通透性的貢獻，HH兩人使用阻斷劑TTX（從河豚體內提取的河豚毒素）阻斷鈉離子通道，發(fā)現(xiàn)只剩下了外向電流，而通過阻斷劑TEA阻斷鉀離子通道，發(fā)現(xiàn)只剩下內向電流，從而證明了動作電位的發(fā)生過程中，鈉離子首先大量內流使得膜電位去極化，然后鉀離子大量外流使得膜電位超極化，直到恢復靜息電位。

 

       在完成實驗的同時，Hodgkin 和 Hoxley還以最簡化的模型描述了細胞動作電位的主要的離子機制，即細胞的動作電位元件構成主要有4部分：電容器，電壓依賴的鈉離子通道，電壓依賴的鉀離子通道，獨立工作的漏電流通道。（根據(jù)基爾霍夫定律：各支路的電流總和等于總電流。）并且，HH模型還預測了鈉鉀離子通道的構型，如h和m³就是鈉離子通道的3個孔道蛋白，h負責鈉離子通道在去極化過程中逐漸失活；h⁴也成功預測出了鉀離子通道具有4個孔道蛋白。因此，Hodgkin和 Huxley的工作在電生理領域是一座熠熠生輝的里程碑，至今都是初入細胞電生理領域的學生需要叩響的第一扇大門。

 

 

整理自知乎諾獎膜片鉗專題insoulter原創(chuàng)