生理學:第三節(jié)　細胞的興奮性和生物電現(xiàn)象

恩格斯在100多年前總結(jié)自然科學成就時指出：“地球幾乎沒有一種變化發(fā)生而不同時顯示出電的現(xiàn)象”；生物體當然也不例外。事實上，在埃及殘存史前古文字中，已有電魚擊人的記載；但對于生物電現(xiàn)象的研究，只能是在人類對于電現(xiàn)象一般規(guī)律和本質(zhì)有所認識以后，并隨著電測量儀器的精密化而日趨深入。目前，對健康人和患者進行心電圖、腦電圖、肌電圖，甚至視網(wǎng)膜電圖、胃腸電圖的檢查，已經(jīng)成為發(fā)現(xiàn)、診斷和估量疾病進程的重要手段；但人體和各器官的電現(xiàn)象的產(chǎn)生，是以細胞水平的生物電現(xiàn)象為基礎(chǔ)的，并且在生理學的發(fā)展歷史上，生物電現(xiàn)象的研究是同生物組織或細胞的另一重要特性--興奮性--的研究相伴隨進行。

一、興奮性和刺激引起興奮的條件

（一)興奮性和興奮含義及其變遷

上世紀中后期的生理學家用兩棲類動物做實驗時，發(fā)現(xiàn)青蛙或蟾蜍的某些組織在離體的情況下，也能在一定的時間內(nèi)維持和表現(xiàn)出某些生命現(xiàn)象。這些生命現(xiàn)象的表現(xiàn)之一是：當這些組織受到一些外加的刺激因素（如機械的、化學的、溫熱的或適當?shù)碾姶碳?作用時，可以應(yīng)答性出現(xiàn)一些特定的反應(yīng)或暫時性的功能改變。這些活組織或細胞對外界刺激發(fā)生反應(yīng)的能力，就是生理學最早對于興奮性(excitability)的定義。例如，把蟾蜍的腓腸肌和支配它的神經(jīng)由體內(nèi)剝離出來，制成神經(jīng)-肌肉標本，這時如果在神經(jīng)游離端一側(cè)輕輕地觸動神經(jīng)，或通以適當?shù)碾娏�，那么在�?jīng)過一個極短的潛伏期后，可以看到肌肉出現(xiàn)一次快速的縮短和舒張；如把刺激直接施加于肌肉，也會引起類似的收縮反應(yīng)；而且只要刺激不造成組織的損傷，上述反應(yīng)可以重復(fù)出現(xiàn)。這就是神經(jīng)和肌肉組織具有興奮性能證明。實際上，幾乎所有活組織或細胞都具有某種程度的對外界刺激發(fā)生反應(yīng)的能力，只是反應(yīng)的靈敏度和反應(yīng)的表現(xiàn)形式有所不同。在各種動物組織中，一般以神經(jīng)和肌細胞，以及某些腺細胞表現(xiàn)出較高的興奮性；這就是說它們只需接受較小的程度的刺激，就能表現(xiàn)出某種形式的反應(yīng)，因此稱為可興奮細胞或可興奮組織。不同組織或細胞受刺激而發(fā)生反應(yīng)時，外部可見的反應(yīng)形式有可能不同，如各種肌細胞表現(xiàn)機械收縮，腺細胞表現(xiàn)分泌活動等，但所有這些變化都是由刺激引起的，因此把這些反應(yīng)稱之為興奮（excitation)。人和高等動物的細胞和組織一樣具有興奮性，但在離體情況下要保持它們的興奮性，需要嚴格的環(huán)境條件，因此在研究組織的興奮性時，常用較低等動物的組織作為觀察對象。

隨著電生理技術(shù)的發(fā)展和資料的積累，興奮性和興奮的概念有了新的含義。大量事實表明，各種可興奮細胞處于興奮狀態(tài)時，雖然可能有不同的外部表現(xiàn)，但它們都有一個共同的、最先出現(xiàn)的反應(yīng)，這就是受刺激處的細胞膜兩側(cè)出現(xiàn)一個特殊形式的電變化（它由細胞本身所產(chǎn)生,不應(yīng)與作為刺激使用的外加電刺激相混淆)，這就是動作電位；而各種細胞所表現(xiàn)的其他外部反應(yīng)，如機械收縮和分泌活動等，實際上都是由細胞膜的動作電位進一步觸發(fā)和引起的。在神經(jīng)細胞，特別是它的延續(xù)很長、起著信息傳送作用的軸突（神經(jīng)纖維)，在受刺激而興奮時并無肉眼可見的外部反應(yīng)，其反應(yīng)只是用靈敏的電測量儀器才能測出的動作電位。在多數(shù)可興奮細胞（以神經(jīng)和骨骼肌、心肌細胞為主)，當動作電位在受刺激部位產(chǎn)生后，還可以沿著細胞膜向周圍擴布，使整個細胞膜都產(chǎn)生一次類似的電變化。既然動作電位是大多數(shù)可興奮細胞受刺激時共有的特征性表現(xiàn)，它不是細胞其他功能變化的伴隨物，而是細胞表現(xiàn)其他功能的前提或觸發(fā)因素，因此在近代生理學中，興奮性被理解為細胞在受刺激時產(chǎn)生動作電位的能力，而興奮一詞就成為產(chǎn)生動作電位的過程或動作電位的同義語了。只有那些在受刺激時能出現(xiàn)動作電位的組織，才能稱為可興奮組織；只有組織產(chǎn)生了動作電位時，才能說組織產(chǎn)生了興奮。這樣的理解顯然比原定義更嚴格些。

據(jù)此定義，可以對上述神經(jīng)-肌標本的現(xiàn)象描述如下：當刺激作用于坐骨神經(jīng)某一點時，由于神經(jīng)纖維具有興奮性而出現(xiàn)興奮，即產(chǎn)生了動作電位，此動作電位（常稱為神經(jīng)沖動)沿著神經(jīng)纖維傳向它們所支配的骨骼肌纖維，通過神經(jīng)-肌接頭處的興奮傳遞（即ACh參加的跨膜信號轉(zhuǎn)換)，再引起骨骼肌細胞興奮而產(chǎn)生動作電位，以后是動作電位沿整個肌細胞膜傳遍整個肌細胞，并觸發(fā)了細胞內(nèi)收縮蛋白質(zhì)的相互作用，表現(xiàn)出肌肉一次快速的收縮和舒張。

（二)刺激引起興奮的條件和閾刺激

具有興奮性的組織和細胞，并不對任何程度的刺激都能表現(xiàn)興奮或出現(xiàn)動作電位。刺激可以泛指細胞所處環(huán)境因素的任何改變；亦即各種能量形式的理化因素的改變，都可能對細胞構(gòu)成刺激。但實驗表明，刺激要引起組織細胞發(fā)生興奮，必須在以下三個參數(shù)達到某一臨界值：刺激的強度、刺激的持續(xù)時間以及刺激強度對于時間的變化率（即強度對時間的微分)；不僅如此，這三個參數(shù)對于引起某一組織和細胞的興奮并不是一個固定值，它們存在著相互影響的關(guān)系。在實驗室中，常用各種形式的電刺激作為人工刺激，用來觀察和分析神經(jīng)或各種肌肉組織的興奮性，度量興奮性在不同情況下的改變。這是因為電刺激可以方便地由各種電儀器（如電脈沖和方波發(fā)生器等)獲得，它們的強度、作用時間和強度-時間變化率可以容易地控制和改變；并且在一般情況下，能夠引起組織興奮的電刺激并不造成組織損傷，因而可以重復(fù)使用。

為了說明刺激的各參數(shù)之間的相互關(guān)系，可以先將其中一個參數(shù)固定于某一數(shù)值，然后觀察其余兩個的相互影響。例如，當使用方波刺激時，由于不同大小和持續(xù)時間的方波上升支都以同樣極快的增加速率達到某一預(yù)定的強度值，因而可以認為上述第三個參數(shù)是固定不變的，而每一方波電刺激能否引起興奮，就只決定于它所達到的強度和持續(xù)的時間了。在神經(jīng)和肌組織進行的實驗表明，在強度-時間變化率保持不變的情況下，在一定的范圍內(nèi)，引起組織興奮所需的最小刺激強度，與這一刺激所持續(xù)的時間呈反變的關(guān)系；這就是說，當刺激的強度較大時，它只需持續(xù)較短的時間就足以引進組織的興奮，而當刺激的強度較弱時，這個刺激就必須持續(xù)較長的時間才能引起組織的興奮。但這個關(guān)系只是當所用強度或時間在一定限度內(nèi)改變時是如此。如果將所用的刺激強度減小到某一數(shù)值時，則這個刺激不論持續(xù)多么長也不會引起組織興奮；與此相對應(yīng)，如果刺激持續(xù)時間逐資助縮短時，最后也會達到一個臨界值，即在刺激持續(xù)時間小于這個值的情況下，無論使用多么大的強度，也不能引起組織的興奮。

上述情況給比較不同組織的興奮性高低或測量同一組織在不同生理或病理情況下的興奮性改變時造成了許多困難。如果不仔細思考，可以認為那些用較小的刺激強度就能興奮的組織具有較高的興奮性；據(jù)上述，這個強度小的程度，還要決定這個刺激的持續(xù)時間和它的強度-時間變化率。因此，簡單地用刺激強度這一個參數(shù)表示不同組織興奮性的高低或同一組織興奮性的波動，就必須使所用刺激的持續(xù)時間和強度-時間變化率固定某一（應(yīng)是中等程度的)數(shù)值；這樣，才能把引起組織興奮、即產(chǎn)生動作電位所需的最小刺激強度，作為衡量組織興奮性高低的指標；這個刺激強度稱為閾強度或閾刺激，簡稱閾值（threshold)。強度小于閾值的刺激，稱為閾下刺激；閾下刺激不能引起興奮或動作電位，但并非對組織細胞不產(chǎn)生任何影響。

（三)組織興奮及其恢復(fù)過程中興奮性的變化

體內(nèi)不同組織具有不同的興奮性；而且同一組織在不同生理和病理情況下，強環(huán)境中離子成分特別是鈣離子、酸堿度、溫度的改變，以及存在著特殊毒物或藥物等情況，都可以引起興奮性的改變。但一個普遍存在于各種可興奮細胞的現(xiàn)象是，在細胞接受一次刺激而出現(xiàn)興奮的當時和以后的一個短時間內(nèi)，它們的興奮性將經(jīng)歷一系列有次序的變化，然后才恢復(fù)正常。這一特性說明，在細胞或組織接受連續(xù)刺激時，有可能由于它們接受前一刺激而改變了對后來刺激的反應(yīng)能力，因而是一個有重要功能意義的生理現(xiàn)象。

為了示證這一特性，可以讓兩個刺激連續(xù)作用于組織，這時讓第一個刺激的強度相當于閾強度，以便使它能引起組織興奮，并以此閾強度的值作為該組織興奮性的“正常”對照值；對于第二個刺激，在實驗中要能任意地選定它們和第一刺激的間隔，并且可以按需要改變它們的強度。這樣，可以檢查組織在因第一個刺激后的不同時間內(nèi)，接受新刺激的能力是否發(fā)生了改變。實驗證明，在組織接受前面一個刺激而興奮后一個較短的時間內(nèi)，無論再受到多么強大的刺激，都不能再產(chǎn)生興奮；即在這一時期內(nèi)出現(xiàn)的任何刺激均“無效”；這一段時期，稱為絕對不應(yīng)期。在絕對不應(yīng)期之后，第二個刺激有可能引起新的興奮，但使用的刺激強度必須大于該組織正常的閾強度；這個時期稱為相對不應(yīng)期。上述絕對和相對不應(yīng)期的存在，反映出組織在一次興奮后所經(jīng)歷的興奮性改變的主要過程；即在絕對不應(yīng)期內(nèi)，由于閾強度成為無限大，故此時的興奮性可認為下降到零；在相對不應(yīng)期內(nèi)，興奮性逐漸恢復(fù)，但仍低于正常值，此時需使用超過對照閾強度的刺激強度，才能引起組織的興奮；到相對不應(yīng)期結(jié)束時，興奮性才逐漸恢復(fù)到正常。用更精密的實驗發(fā)現(xiàn)，在相對不應(yīng)期內(nèi)之后，組織還經(jīng)歷了一段興奮性先是輕度增高，繼而又低于正常的時期，分別稱為超常期和低常期。以上各期的長短，在不同細胞可以有很大差異；一般絕對不應(yīng)期較短，相當于或略短于前一刺激在該細胞引起的動作電位主要部分的持續(xù)時間，如它在神經(jīng)纖維或骨骼肌只有0.5~2.0ms左右，在心肌細胞可達200~400ms；其他各期的長短變化較大，易受代謝和溫度等因素的影響。在神經(jīng)纖維，相對不應(yīng)期約持續(xù)數(shù)毫秒，超常期和低常期可達30~50ms。

組織在每次興奮后都要發(fā)生一系列興奮性的改變，如果在這期間組織受到新的刺激，它的反應(yīng)能力將異于“正�！�。既然絕對不應(yīng)期的持續(xù)時間相當于前次刺激所引起的動作電位主要部分的持續(xù)時間，那么在已有動作電位存在的時期就不可能產(chǎn)生新的興奮或動作電位，亦即細胞即便受到連續(xù)的快速刺激，也不會出現(xiàn)兩次動作電位在同一部位重合的現(xiàn)象；由于同樣的理由，不論細胞受到頻率多么高的連續(xù)刺激，它在這一細胞所能引起的興奮或動作電位的次數(shù)，總不會超過某一個最大值；因為落于前一刺激所產(chǎn)生的絕對不應(yīng)期內(nèi)的后續(xù)刺激將“無效”，因此這個最大值理論上不可能超過該細胞和組織的絕對不應(yīng)期的倒數(shù)。例如，蛙的有髓神經(jīng)纖維的絕對不應(yīng)期或動作電位的持續(xù)時間約為2ms，那么此纖維每秒鐘內(nèi)所能產(chǎn)生的動作電位的次數(shù)不可能超過500；實際上神經(jīng)纖維在體內(nèi)自然情況下所能產(chǎn)生和傳導的神經(jīng)沖動的頻率，遠遠低于它們理論上可能達到的最大值。

二、細胞的生物電現(xiàn)象及其產(chǎn)生機制

（一)生物電現(xiàn)象的觀察和記錄方法

前已指出，神經(jīng)在接受刺激時，雖然不表現(xiàn)肉眼可見的變化，在受刺激的部位產(chǎn)生了一個可傳導的電變化，以一定的速度傳向肌肉，這一點可以用陰極射線示波器為主的生物電測量儀器測得，如圖2-10所示。圖中由射線管右側(cè)電子槍形成的電子束連續(xù)射向熒光屏，途中經(jīng)過兩對板狀的偏轉(zhuǎn)電極；當電子束由水平偏轉(zhuǎn)板兩極之間通過時，由于板上有來自掃描發(fā)生器裝置的鋸齒形電壓變化，使射向熒光屏的電子束以一定的速度作水平方向的反復(fù)掃動；這時，如果把由兩個測量電極引導來的生物電變化經(jīng)放大器放大后加到垂直偏轉(zhuǎn)板的兩極，那么電子束在作橫掃的同時又作垂直方向的移動。這樣，根據(jù)移動電子束在熒光屏上形成的光點的軌跡，就能準確地測量出組織中的微弱電變化的強度及其隨時間變化的情況。如果神經(jīng)干在右端受到刺激，神經(jīng)纖維將產(chǎn)生一個傳向左端的動作電位，當它傳導到同放大器相導到同放大器相連的第一個引導電極處時，該處的電位暫時變得相對地較負，于是在一對垂直偏轉(zhuǎn)板上再現(xiàn)電位差，在熒光屏上可看到一次相應(yīng)的光點波動；當動作電位傳導到第二個引導電極處時，該處也將變得較負，于是熒光屏上會出現(xiàn)另一次方向相反的光點波動；這樣記到的兩次電位波動，稱作雙相動作電位。把神經(jīng)標本作一些特殊處理，如將第二個記錄電極下方的神經(jīng)干損傷（如圖2-10所示)，使該處不能產(chǎn)生興奮，那么再刺激神經(jīng)右端時，在示波器上只能看到一次電位波動，這稱為單相動作電位。另外，用其他技術(shù)方法還可使記錄電極中的一個電極處的電位保持恒定或經(jīng)常處于零電位狀態(tài)，亦即使此電極成為參考或無關(guān)電極，于是在實驗中記錄到的電變化就只反映與另一電極（稱為有效電極)接觸處的組織或細胞的電變化，這稱為單極記錄法。

圖2-10 用陰極射線示波器及有關(guān)設(shè)備觀察生物電現(xiàn)象的基本實驗布置

（二)細胞的靜息電位和動作電位

雙相或單相動作電位，是在神經(jīng)干或整塊肌肉組織上記錄到的生物電現(xiàn)象，是許多在結(jié)構(gòu)和功能上相互獨m.f1411.cn/wszg/立的神經(jīng)纖維或肌細胞的電變化的復(fù)合反映；由于測量電極和組織有較大的接觸面積，而且組織本身又是導電的，許多細胞產(chǎn)生的電變化可被同一電極所引導，所以記錄和測量出的電變化是許多單位的電變化和代數(shù)疊加。但目前已經(jīng)確知，生物電現(xiàn)象是以細胞為單位產(chǎn)生的，是以細胞膜兩側(cè)帶電離子的不均衡分布和選擇性離子跨膜轉(zhuǎn)運為基礎(chǔ)的。因此，只有在單一神經(jīng)或肌細胞進行生物電的記錄和測量，才能對它的數(shù)值和產(chǎn)生機制進行直接和深入的分析。由于一般的細胞纖小脆弱，單一細胞生物電是通過以下方法測量的：一是利用某些無脊椎動物特有的巨大神經(jīng)或肌細胞，如槍烏賊的神經(jīng)軸突，其直徑最大可達100μm左右，便于單獨剝出進行實驗觀察，脊椎動物的單一神經(jīng)纖維也可以設(shè)法剝出，但它們的直徑最粗也不過20μm左右，方法上較為困難。另一種方法是進行細胞內(nèi)微電極記錄，即用一個金屬或細玻璃管制成的充有導電液體而尖端直徑只有1.0μm或更細的微型記錄電極（凌寧和Gerard,1949)，由于它只有尖端導電，可用它刺入某一個在體或離體的細胞或神經(jīng)纖維的膜內(nèi)，測量細胞在不同功能狀態(tài)時膜內(nèi)電位和另一位于膜外的參考電極之間的電位差（即跨膜電位)，這樣記錄到的電變化，只與該細胞有關(guān)而幾乎不受其他細胞電變化的影響。

細胞水平的生物電現(xiàn)象主要有兩種表現(xiàn)形式,這就是它們在安靜時具有的靜息電位和它們受到刺激時產(chǎn)生的動作電位。體內(nèi)各種器官或多細胞結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)的多種形式的生物電現(xiàn)象，大都可以根據(jù)細胞水平的這些基本電現(xiàn)象來解釋。

靜息電位指細胞未受刺激時存在于細胞內(nèi)外兩側(cè)的電位差。測量細胞靜息電位的方法如圖2-11所示。R表示測量儀器如示波器，和它相連的一對測量電極中有一個放在細胞的外表面，另一個連了微電極，準備刺入膜內(nèi)。當兩個電極都處于膜外時，只要細胞未受到刺激或損傷，可發(fā)現(xiàn)細胞外部表面各點都是等電位的；這就是說，在膜表面任意移動兩個電極，一般都不能測出它們之間有電位差存在。但如果讓微電極緩慢地向前推進，讓它刺穿細胞膜進入膜內(nèi)，那么在電極尖端剛剛進入膜內(nèi)的瞬間，在記錄儀器上將顯示出一個突然的電位躍變，這表明細胞膜內(nèi)外兩側(cè)存在著電位差。因為這一電位差是存在于安靜細胞的表面膜兩側(cè)的，故稱為跨膜靜息電位，簡稱靜息電位。

在所有被研究過的動植物細胞中（少數(shù)植物細胞例外)，靜息電位都表現(xiàn)為膜內(nèi)較膜外為負；如規(guī)定膜外電位為0，則膜內(nèi)電位大都在－10～－100mV之間。例如，槍烏賊的巨大神經(jīng)軸突和蛙骨骼肌細胞的靜息電位為－50～－70mV，哺乳動物的肌肉和神經(jīng)細胞為－70～－90mV，人的紅細胞為－10mV，等等。靜息電位在大多數(shù)細胞是一種穩(wěn)定的直流電位（一些有自律性的心肌細胞和胃腸平地滑肌細胞例外)，只要細胞未受到外來刺激而且保持正常的新陳代謝，靜息電位就穩(wěn)定在某一相對恒定的水平。

在近代生理學文獻中，一些過去單純用來描述膜兩側(cè)電荷分布狀態(tài)的術(shù)語，仍被用來說明靜息電位的存在及其可能出現(xiàn)的改變。例如，人們常常把靜息電位存在時膜兩側(cè)所保持的內(nèi)負外正狀態(tài)稱為膜的極化(polarization)，原意是指不同極性的電荷分別在膜兩側(cè)的積聚；當靜息電位的數(shù)值向膜內(nèi)負值加大的方向變化時，稱作膜的超級化（hyperpolarization)；相反，如果膜內(nèi)電位向負值減少的方向變化，稱作去極化或除極（depolarization)；細胞先發(fā)生去極化，然后再向正常安靜時膜內(nèi)所處的負值恢復(fù)，則稱作復(fù)極化（repolarization)。

現(xiàn)通過圖2-11中的實驗布置，觀察單一神經(jīng)纖維動作電位的產(chǎn)生和波形特點，由圖中可見，當神經(jīng)纖維在安靜狀況下受到一次短促的閾刺激或閾上刺激時，膜內(nèi)原來存在的負電位將迅速消失，并且進而變成正電位，即膜內(nèi)電位在短時間內(nèi)可由原來的－70～－90mV變到+20～+40mV的水平，由原來的內(nèi)負外正變?yōu)閮?nèi)正外負。這樣，整個膜內(nèi)外電位變化的幅度應(yīng)是90～130mV，這構(gòu)成了動作電位變化曲線的上升支；如果是計算這時膜內(nèi)電位由零值變正的數(shù)值，則應(yīng)在整個幅值中減去膜內(nèi)電位由負上升到零的數(shù)值，在圖2-11中約為35mV，即動作電位上升支中零位線以上的部分，稱為超射值。但是，由刺激所引起的這種膜內(nèi)外電位的倒轉(zhuǎn)只是暫時的，很快就出現(xiàn)膜內(nèi)電位的下降，由正值的減小發(fā)展到膜內(nèi)出現(xiàn)刺激前原有的負電位狀態(tài)，這構(gòu)成了動作電位曲線的下降支。由此可見，動作電位實際上是膜受刺激后在原有的靜息電位基礎(chǔ)上發(fā)生的一次膜兩側(cè)電位的快速而可逆的倒轉(zhuǎn)和復(fù)原；在神經(jīng)纖維，它一般在0.5～2.0ms的時間內(nèi)完成，這使它在描記的圖形上表現(xiàn)為一次短促而尖銳的脈沖樣變化，因而人們常把這種構(gòu)成動作電位主要部分的脈沖樣變化，稱之為鋒電位。在鋒電位下降支最后恢復(fù)到靜息電位水平以前，膜兩側(cè)電位還要經(jīng)歷一些微小而較緩慢的波動，稱為后電位，一般是先有一段持續(xù)5～30ms的負后電位，再出現(xiàn)一段延續(xù)更長的正后電位，如圖2-11下所示（這里負后和正后電位兩個術(shù)語仍沿用動作電位細胞外記錄時的命名；確切地說，負后電位應(yīng)稱為去極化后電位，而正后電位應(yīng)稱為超極化后電位)。鋒電位存在的時期就相當于絕對不應(yīng)期，這時細胞對新的刺激不能產(chǎn)生新的興奮；負后電位出現(xiàn)時，細胞大約正處于相對不應(yīng)期和超常期，正后電位則相當于低常期。

圖 2-11 單一神經(jīng)纖維靜息電位和動作電位的實驗?zāi)Ｊ綀D

R表示記錄儀器，S是一個電刺激器。當測量電極中的一個

微電極刺入軸突內(nèi)部時可發(fā)現(xiàn)膜內(nèi)持續(xù)處于較膜外低70mV的負電位狀態(tài)。

當神經(jīng)受到一次短促的外加刺激時，膜內(nèi)電位快速上升到+35mV的水平，

約經(jīng)0.5～1.0ms后再逐漸恢復(fù)到刺激前的狀態(tài)。其他說明見正文

動作電位或鋒電位的產(chǎn)生是細胞興奮的標志，它只在刺激滿足一定條件或在特定條件下刺激強度達到閾值時才能產(chǎn)生。但單一神經(jīng)或肌細胞動作電位產(chǎn)生的一個特點是，只要刺激達到了閾強度，再增加刺激并不能使動作電位的幅度有所增大；也就是說，鋒電位可能因刺激過弱而不出現(xiàn)，但在刺激達到閾值以后，它就始終保持它某種固有的大小和波形。此外，動作電位不是只出現(xiàn)在受刺激的局部，它在受刺激部位產(chǎn)生后，還可沿著細胞膜向周圍傳播，而且傳播的范圍和距離并不因原初刺激的強弱而有所不同，直至整個細胞的膜都依次興奮并產(chǎn)生一次同樣大小和形式的動作電位。圖2-11的實驗布置中，神經(jīng)受刺激部位和記錄部位之間有一段距離；但不論記錄電極在職一神經(jīng)纖維上如何移動（除非是在纖維末梢處有了纖維形態(tài)的改變，或纖維的離子環(huán)境等因素發(fā)生了改變)，我們一般都能記錄到同樣大小和波形的鋒電位，所不同的只是刺激偽跡和鋒電位之間的間隔有所變化，這顯然與動作電位在神經(jīng)纖維上“傳導”到記錄電極所在部位時所消耗的時間長短有關(guān)。這種在同一細胞上動作電位大小不隨刺激強度和傳導距離而改變的現(xiàn)象，稱作“全或無”現(xiàn)象，其原因和生理意義將在下面討論。

在不同的可興奮細胞，動作電位雖然在基本特點上類似，但變化的幅值和持續(xù)時間可以各有不同。例如，神經(jīng)和骨骼肌細胞的動作電位的持續(xù)時間以一個或幾個毫秒計，而心肌細胞的動作電位則可持續(xù)數(shù)百毫秒；雖然如此，這些動作電位都表現(xiàn)“全或無”的性質(zhì)。

（三)生物電現(xiàn)象的產(chǎn)生機制

早在1902年，Bernstein就提出膜學說，他根據(jù)當時關(guān)于電離和電化學的理論成果提出了經(jīng)典的膜學說來解釋當時用粗劣的電測量儀器記錄到的生物電現(xiàn)象。他認為細胞表面膜兩側(cè)帶電離子的不同分布和運動，是產(chǎn)生物電的基礎(chǔ)。但在當時和以后相當長的一段時期內(nèi)，還沒有測量單一細胞電活動的手段和其他有關(guān)技術(shù)，因此他的學說長期未能得到證實。直到本世紀40～50年代，Hodgkin 和Huxley等開始利用槍烏賊的巨大神經(jīng)軸突和電生理學技術(shù)，進行了一系列有意義的實驗，不僅對經(jīng)典膜學說關(guān)于靜息電位產(chǎn)生機制的假設(shè)予以證實，而且對動作電位的產(chǎn)生作了新的解釋和論證。通過這一時期的研究，對于可興奮細胞靜息電位和動作電位的最一般原理已得到闡明，即細胞生物電現(xiàn)象的各種表現(xiàn)，主要是由于某些帶電離子在細胞膜兩側(cè)的不均衡分布，以及膜在不同情況下對這些離子的通透性發(fā)生改變所造成的。但是由于當時對細胞膜的分子結(jié)構(gòu)和膜中蛋白質(zhì)的存在形式和功能還知之甚少，因此Hodgkin等對生物電的理解只能是宏觀的，對微細過程只能用數(shù)學模型來說明。隨著70年代以來蛋白質(zhì)化學和分子生物學技術(shù)的迅速發(fā)展，蛋白質(zhì)分子從膜結(jié)構(gòu)中克隆出來，并從它們的分子結(jié)構(gòu)的特點來說明通道的功能特性；特別是70年代中期發(fā)展起來的膜片鉗（patch clamp)技術(shù)，可以觀察和記錄單個離子通道的功能活動，使宏觀的所謂膜對離子通透性或膜電導的改變，得到了物質(zhì)的、可測算的證明。

1.靜息電位和K⁺平衡電位　Bernstein最先提出，細胞內(nèi)外鉀離子的不均衡分布和安靜狀態(tài)下細胞膜主要對K⁺有通透性，可能是使細胞能保持內(nèi)負外正的極化狀態(tài)的基礎(chǔ)。已知所有正常生物細胞細胞內(nèi)的K⁺濃度超過細胞外K⁺很多，而細胞外Na⁺濃度超過細胞內(nèi)Na⁺濃度很多，這是Na⁺泵活動的結(jié)果；在這種情況下，K⁺必然會有一個向膜外擴散的趨勢，而Na⁺有一個向膜內(nèi)擴散趨勢。假定膜在安靜狀態(tài)下只對K⁺有通透的可能，那么只能有K⁺移出膜外，這時又由于膜內(nèi)帶負電荷的蛋白質(zhì)大分子不能隨之移出細胞，于是隨著K⁺移出，出現(xiàn)膜內(nèi)變負而膜外變得較正的狀態(tài)。K⁺的這種外向擴散并不能無限制地進行，這是因為移到膜外的K⁺所造成的外正內(nèi)負的電場力，將對K⁺的繼續(xù)外移起阻礙作用，而且K⁺移出的愈多，這種阻礙也會愈大。因此設(shè)想，當促使K⁺外移的膜兩側(cè)K⁺濃度勢能差同已移出K⁺造成的阻礙K⁺外移的電勢能差相等，亦即膜兩側(cè)的電-化學（濃度)勢代數(shù)和為零時，將不會再有K⁺的跨膜凈移動，而由已移出的K⁺形成的膜內(nèi)外電位差，也穩(wěn)定在某一不再增大的數(shù)值。這一穩(wěn)定的電位差在類似的人工膜物理模型中稱為K⁺平衡電位。Bernstein用這一原理說明細胞跨膜靜息電位的產(chǎn)生機制。不難理解，K⁺平衡電位所能達到的數(shù)值，是由膜兩側(cè)原初存在K⁺濃度差的大小決定的，它的精確數(shù)值可根據(jù)物理化學上著名的Nernst公式（1889)算出：

　（1)

(1)式中E_k表示K⁺平衡電位，R是通用氣體常數(shù)，Z是離子價，F(xiàn)是Farady常數(shù)，T是絕對溫度；式中只有[K⁺]_o和[K⁺]_i是變數(shù)，分別代表膜兩側(cè)的K⁺濃度。如果把有關(guān)數(shù)值代入，室溫以27°С計算，再把自然對數(shù)化為常用對數(shù)，則式（1)可簡化為；(2)

�。�2)

如果，Bernstein應(yīng)用當時物理化學最新成果說明細胞靜息電位產(chǎn)生機制的理論是正確的，那么在細胞實際測得的靜息電位的數(shù)值，應(yīng)相當于把當時細胞內(nèi)外K⁺濃度值代入式（2)時計算所得的E_k值。1939年Hodgkin等利用了槍烏賊的巨大神經(jīng)纖維和較精密的示波器等測量儀器，第一次精確地測出此標本的靜息電位值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)此值和計算所得的K⁺平衡電位值非常接近而略小于后者；如在一次實驗中測得的靜息電位值為－77mV，而按當時[K⁺]_o和[K⁺]_i值算出的E_k為－87mV，基本上符合膜學說關(guān)于靜息電位產(chǎn)生機制的解釋。

為了進一步證實這一理論，Hodgkin等又用人工地改變標本浸溶液中K⁺濃度即[K⁺]_o，因而也改變了[K⁺] _o/[K⁺] _i值的實驗方法，觀察到所記錄的靜息電位的什也隨[K⁺]_o的改變而改變，而改變的情況基本上同根據(jù)式（2)計算出的預(yù)期值相一致。隨后用微電極細胞內(nèi)記錄法在纖細的哺乳類標本也進行了類似的實驗，得到類似的結(jié)果，如在骨骼肌細胞測得的靜息電位為－90mV，而計算所得的E_k值為－95mV。這些實驗都說明，大多數(shù)細胞的靜息電位的產(chǎn)生，是由于正常細胞的細胞內(nèi)液高K⁺而膜在安靜時又主要對K⁺有通透能力的結(jié)果；至于靜息電位的數(shù)值為何略小于理論上的E_k值，一般認為是由于膜在靜息時對Na⁺也有極小的通透性（大約只有K⁺通透性的1/50～1/100)的緣故；由于膜外Na⁺濃度大于膜內(nèi)，即使小量的Na⁺逸入膜內(nèi)也會抵消一部分K⁺外移造成的膜內(nèi)負電位。

2．鋒電位和Na⁺平衡電位 Hodgkin等根據(jù)興奮時膜內(nèi)不僅出現(xiàn)負電位的消失，而且出現(xiàn)一定數(shù)值的正電位（相當于前面提到的超射值)的事實，因而認為對動作電位上升支的出現(xiàn)，不能像Bernstein那樣簡單地解釋為膜對K⁺通透性的消失，因為這樣最多也只能使膜內(nèi)原有的負電位回升到零。他們據(jù)此設(shè)想膜在受到刺激時可能出現(xiàn)了膜對Na⁺通透性的突然增大，超過了K⁺的通透性，由于細胞外高Na⁺，而且膜內(nèi)靜息時原已維持著的負電位也對Na⁺的內(nèi)流起吸引作用，于是Na⁺迅速內(nèi)流，結(jié)果先是造成膜內(nèi)負電位的迅速消失；而且由于膜外Na⁺的較高的濃度勢能，Na⁺在膜內(nèi)負電位減小到零電位時仍可繼續(xù)內(nèi)移，直至內(nèi)移的Na⁺在膜內(nèi)形成的正電位足以阻止Na⁺的凈移入時為止。不難設(shè)想，這時膜內(nèi)所具有的電位值，理論上應(yīng)相當于根據(jù)膜內(nèi)外Na⁺濃度差代入Nernst公式時所得出的Na⁺平衡電位值（可寫為E_Na)。實驗數(shù)據(jù)證明，動作電位所能達到的超射值，即膜內(nèi)正電位的數(shù)值，正相當于計算所得的E_Na；而且實驗中隨著標本浸溶液中Na⁺被同等數(shù)目的葡萄糖分子所代替（使[Na⁺]_o逐漸減小)，可以看到所能記錄到的動作電位的超射值和整個動作電位的幅度也逐漸減小，其程度也同按Nernst公式算出的預(yù)期值基本一致。

但是，膜內(nèi)電位停留在E_Na水平的時間極短；隨后很快出現(xiàn)膜內(nèi)電位向靜息時的狀態(tài)恢復(fù)，亦即出現(xiàn)復(fù)極，造成了鋒電位曲線的快速下降支。如后來的實驗證明，這下降支的出現(xiàn)是由于Na⁺通透性的消失，并伴隨出現(xiàn)了K⁺通透性的增大。

細胞每興奮一次或產(chǎn)生一次動作電位，總有一部分Na⁺在去極化時進入膜內(nèi)，一部分K⁺在復(fù)極時逸出膜外，但由于離子移動受到各該離子的平衡電位的限制，它們的實際進出量是很小的；據(jù)估計，神經(jīng)纖維每興奮一次，進入膜內(nèi)的Na⁺量大約只能使膜內(nèi)的Na⁺濃度增大約八萬分之一，復(fù)極時逸出的K⁺量也類似這個數(shù)量級；即便神經(jīng)連續(xù)多次產(chǎn)生興奮，短時間內(nèi)也不大可能明顯地改變膜內(nèi)高K⁺和膜外高Na⁺這種基本狀態(tài)，而只要這種不均衡離子分布還能維持，靜息電位就可以維持，新的興奮就可能產(chǎn)生。細胞膜兩側(cè)K⁺、Na⁺離子的不均衡分布，主要是靠鈉泵蛋白質(zhì)消耗代謝能建立起來的，而由此形成的勢能貯備卻可供細胞多次產(chǎn)生興奮而不需當時耗氧供能。不過實際上鈉泵的活動又受膜內(nèi)外Na⁺、K⁺濃度的調(diào)控，它對膜內(nèi)Na⁺濃度增加十分敏感，Na⁺的輕微增加就能促使鈉泵的活動，因此在每次興奮后的靜息期內(nèi)，都有鈉泵活動的一定程度的增強，將興奮時多進入膜內(nèi)的Na⁺泵出，同時也將復(fù)極時逸出膜外的K⁺泵入，使興奮前原有的離子分布狀態(tài)得以恢復(fù)。這時由于兩種離子的轉(zhuǎn)運同時進行，出入的離子總數(shù)又近于相等，故一般不伴有膜兩側(cè)電位的明顯改變。但在膜內(nèi)Na⁺蓄積過多而使鈉泵的活動過度增強時，上述的定比關(guān)系可以改變，結(jié)果是泵出的Na⁺量有可能明顯超過泵入的K⁺量，這就可能使膜內(nèi)負電荷相對增多，使膜兩側(cè)電位向超極化的方向變化；這時的鈉泵，就稱為生電性鈉泵。有人認為，鋒電位以后出現(xiàn)的正后電位，是由于生電性鈉泵作用的結(jié)果。至于負后電位，則一般認為是在復(fù)極時迅速外流的K⁺蓄積在膜外側(cè)附近，因而暫時阻礙了K⁺外流的結(jié)果。

3.經(jīng)典的電壓鉗（或電壓固定)實驗 從上述可知，Hodgkin等對于動作電位產(chǎn)生機制的說明，關(guān)鍵在于膜受刺激時對Na⁺、K⁺的通透性發(fā)生了有選擇而時間亦有先后的改變，但這只是根據(jù)所測得的膜內(nèi)外電位改變對照Nernst公式進行的推論，實驗并沒有對膜的通透性進行直接的測量和動態(tài)描述。為此，他們又應(yīng)有當時最先進的電子學技術(shù)，設(shè)計和進行了著名的電壓鉗（voltage clamp)實驗。實驗的設(shè)計根據(jù)是：離子作跨膜移動時形成了跨膜離子電流（I)，而通透性亦即離子通過膜的難易程度，就是膜的電阻（R)或其倒數(shù)電導（G)，因此所謂膜對某種離子通透性增大時，實際是膜對該離子的電導加大；對于帶電離子來說，膜電導就是膜通透性的同義語。根據(jù)歐姆定律，I=VG，可知在膜兩側(cè)電位差（V)固定不變的條件下，測出的跨膜電流I的變化，就可作為膜電導變化的度量。測定膜在受刺激時跨膜電流的改變在技術(shù)上是容易的，但在這過程中要保持膜電位固定不變卻不容易；因為當存在跨膜離子電流時，離子的進出膜會使不導電而有電容（C)特性的脂質(zhì)膜充電或放電，因而根據(jù)V=Q/C的關(guān)系（其中Q為電量，相當于I和時間t的乘積)，跨膜離子的移動必然要引起跨膜電位的改變；實際上記錄到的動作電位就是這種改變。正因為如此，Hodgkin等自行設(shè)計了一種應(yīng)用負反饋原理的電子學裝置，使它們能在跨膜電位維持恒定（恒定的數(shù)值可由實驗者通過實驗裝置預(yù)先設(shè)定)的情況下，測量跨膜離子電流的強度改變，并由此計算出膜電導即膜通透性的變化情況。電壓鉗實驗的基本原理模式圖如圖2-12所示。圖中電極1插入巨大神經(jīng)軸突內(nèi)一定距離，用來測量和監(jiān)察這一段軸突膜內(nèi)的電位，此電極先連到一個電壓放大器，再在一個示波器上顯示；電極1測得電位值經(jīng)放大后同時輸給一個負反饋放大器（FBA)，這是整個儀器設(shè)計的關(guān)鍵部分，它可把測得的膜內(nèi)電位同來自一個電壓源的、由實驗者預(yù)先設(shè)定的要求保持恒定的電位值進行比較，如果二者有差值，F(xiàn)BA就會通過電極2向軸突膜內(nèi)輸出相應(yīng)強度和方向的電流，由于儀器線路的精密設(shè)計和快速反應(yīng)，電極2輸出電流的改變正足以補償標本由于跨膜離子電流使膜充放電而引起的跨膜電位的變動，于是與電極1相邊的示波器上顯示出膜內(nèi)電位固定在設(shè)定的數(shù)值，而在電流放大器IA上測得的跨膜離子電流的變化，就反映了膜電導的變化。

圖 2-12 電壓鉗實驗布置模式圖

電壓固定實驗獲得了許多有意義的結(jié)論。首先一點是，只有設(shè)定的膜內(nèi)電位固定在去極化水平時，才有可能出現(xiàn)膜的Na⁺電導（G_Na)和K⁺電導（G_k)的增大，并且設(shè)定電位愈接近零值，電導的增大也愈明顯；相反，如果設(shè)定的膜內(nèi)電位值是超極化的，則不可能引起跨膜離子電流和膜電導的改變，這一點以后還要談到。以圖2-13的記錄曲線為例，分析不同離子的電導在一次興奮過程中的變化情況。圖中最上方曲線表示在一次電壓鉗實驗中，把膜內(nèi)電位由靜息時的－65mV突然固定（這就是（clamp)的意思)在－9mV，結(jié)果很快引起一次如曲線A的跨膜電流變化曲線，這曲線的開始部分是內(nèi)向的，以后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥庀螂娏�。只記錄到�?nèi)向或外向電流還不能說明電荷的攜帶者是何種離子，根據(jù)過去的實驗者有理由認為，先出現(xiàn)的內(nèi)向電流可能是Na⁺電流（I_Na)，外向電流則可能是K⁺電流（I_k)。用附加的實驗觀察證明了這點：假定把標本浸浴液中的NaCI用相同摩爾數(shù)的氯化膽堿來代替，則在同樣的條件下只能記錄到較晚出現(xiàn)的曲線B，它是外向的，這顯然是因為不能出現(xiàn)內(nèi)向的I_Na的結(jié)果；把曲線A和B逐點相減，就能得到曲線C，它就是內(nèi)向的I_Na；由I_Na、I_k兩條曲線，就可算出G_Na和G_k的變化曲線，其特點是：（1)G_Na和G_k都是電壓依從性的，只能由跨膜電位的去極化所激活，但G_Na被激活得早，是動作電位上升支出現(xiàn)的基礎(chǔ)，而G_k激活出現(xiàn)緩慢，是動作電位復(fù)極到靜息電位水平的基礎(chǔ)；（2)G_Na有失活（inactivation)狀態(tài)而G_k沒有此特性，其證明是圖2-13中曲線C只存在1～2ms，以后跨膜電壓雖仍固定在－9mV的水平，但G_Na早已恢復(fù)到原初水平，而代表G_k的曲線B雖然出現(xiàn)較晚，但它在設(shè)定電位持續(xù)期間一直維持在較同的水平。G_Na失活的出現(xiàn)和G_k的激活是造成神經(jīng)纖維和骨骼肌細胞表現(xiàn)短促的鋒電位的原因；在膜復(fù)極以后G_Na的失活狀態(tài)才能消失，這時G_Na才能因膜的去極化而再出現(xiàn)增大。

圖2-13　電壓鉗實驗結(jié)果示意圖

將巨大神經(jīng)纖維的膜電位由原來的-65mv突然上升并固定于-9mv的水平時，

膜的離子電流的變化情況（曲線A、B、C的意義見正文)

根據(jù)圖2-13中I_Na和I_k兩條電流曲線，即可計算出同這兩者相對應(yīng)的G_Na和G_k曲線，再根據(jù)這一段膜所具有的電容的數(shù)值（有人測得每cm²的槍烏賊軸突膜的電容約為1μF)，就可算出如果“允許”每一瞬間的離子移動在電容上形成電位改變時，有可能造成怎樣的跨膜電位的改變，這正是不進行“電壓固定”時的情況，而由此作出的電位變化曲線正好同在一般實驗中記錄到的動作電位的波形特點一致，如圖2-14所示。這進一步說明了電壓鉗實驗證明動作電位產(chǎn)生機制的正確性。

4．膜片鉗實驗和單通道離子電流的記錄通過上節(jié)關(guān)于電壓門控通道的特性分析已知，所謂膜對某種離子通透性的改變，實際上決定于膜結(jié)構(gòu)中有關(guān)離子通道蛋白質(zhì)分子的功能狀態(tài)；例如，Hodgkin等測出的G_Na的變化，實際是那一段軸突膜上眾多的電壓門控式Na⁺通道因膜的去極化而開放的結(jié)果。在Hodgkin等當時進行的膜電導改變的數(shù)學模擬中，已經(jīng)明確提示，G_Na和G_k的改變不是均勻地發(fā)生在整個膜平面上，而是與膜上某些特定的“點”有關(guān)，不久又發(fā)現(xiàn)，有些藥物可以選擇性地阻斷某種離子的跨膜移動，如河豚毒可以單獨阻斷G_Na而不影響G_k，四乙基銨可以單獨阻斷G_k而不影響G_Na；以同位素標記的河豚毒只能與膜上某些特殊的“點”作特異性結(jié)合，而標記的四乙基銨只能與另一些“點”結(jié)合。這些實驗以及興奮過程中離子移動數(shù)目之多與快，逐漸使人們推斷膜結(jié)構(gòu)中有特殊的蛋白質(zhì)離子通道的存在。這說明，“通道”概念的提出，遠在通道的實質(zhì)被闡明以前，是前者促進了對后者的進一步探索。70年代中期由Neher和Sakmann等發(fā)展出一種能夠記錄膜結(jié)構(gòu)中單一的離子通道蛋白質(zhì)分子的開放和關(guān)閉、亦即測量單通道離子電流和電導的技術(shù)，稱為膜片鉗實驗。

圖 2-14 電導變化與電位變化的關(guān)系示意圖

根據(jù)電壓鉗實驗中測得的Na⁺電導（G_Na)和K⁺電導（G_k)的變化過程，

可以算出在膜電位不進行人為固定時，相應(yīng)的Na⁺、K⁺離子電流在膜電容

上引起的電位變化（實線)，其形狀正同在標本上記錄到的動作電位的波形一致

膜片鉗實驗的基本原理如圖2-15A所示：用一個尖端光潔、直徑約0.5～3μm的玻璃微電極同神經(jīng)或肌細胞的膜接觸而不刺入，然后在微電極另一端開口施加適當?shù)呢搲�，將與電極尖端接觸的那一小片膜輕度吸入電極尖端的纖細開口，這樣在這小片膜周邊與微電極開口處的玻璃邊沿之間，會形成緊密的封接，在理想的情況下其電阻可達數(shù)個或數(shù)十千兆歐（其物理過程目前尚不清楚)，這實際上把吸附在微電極尖端開口處的那一小片膜同其余部分的膜在電學上完全隔離開來；如果在這一小片膜中只包含了一個或少數(shù)幾個通道蛋白質(zhì)分子，那么通過此微電極就可能測量出單一通道開放時的離子電流和電導，并能對單通道的其他功能特性進行分析。

圖2-15 膜片鉗實驗布置示意圖

A：圖中I_p為記錄到的單通道電流，V_CMD決定設(shè)定的膜電位數(shù)值

B：在大鼠胚胎骨骼肌細胞膜片上記錄到的由ACH激活的單通道

離子電流，強度為pA（皮安)級

從Neher等最初用膜片鉗技術(shù)觀察骨骼肌終板膜處的單一ACh-門控通道機能特性開始，已經(jīng)對多種通道進行了觀察，發(fā)現(xiàn)它們一般有如下共同特性：（1)不論是化學門控或電壓門控通道，它們的開放和關(guān)閉都是突然的，使描繪出的電流曲線呈方波狀，說明相應(yīng)的蛋白質(zhì)分子可以從一種構(gòu)象快速地躍變到另一種構(gòu)象；（2)每種通道開放時具有恒定的電導，即在恒定的情況下，只能看到“開”或“關(guān)”兩種狀態(tài)，很少看到“半開”或“部分開”的情況；（3)即使是同一通道分子，每次開放的持續(xù)時間長短也不一致，似乎說明蛋白質(zhì)分子可在開放和關(guān)閉兩種構(gòu)象之間“擺動”，停留在某種狀態(tài)的長短具有隨機的性質(zhì)；（4)在化學門控通道結(jié)合了相應(yīng)的化學信號分子，或電壓門控通道所在膜兩側(cè)處于特定的電位差的情況下，“擺動”的次數(shù)增多，開放的機率增大，而“失活”使開放的機率減小。

用單通道記錄可說明在自然情況下整段膜的離子電導和離子電流的形成機制；以上述G_Na增大為例，它顯然是該段膜中眾多的Na⁺通道在去極化的影響下出現(xiàn)開放的機率增加所決定的，而在每一瞬間同時出現(xiàn)的各通道的電導或離子電流相互疊加，于是如圖2-16B所示，這種疊加形成的Na⁺電流曲線，正好和圖2-13中的曲線C相似。

膜片鉗實驗可用于各種細胞，由于微電極不刺入細胞，即使用于纖小的細胞也不致造成損傷。膜片鉗實驗已有各種變式，如吸著在微電極尖端的小膜片可以隨電極而同原細胞脫離，把它們浸入人工浸浴液中，就可以觀察某些因素在膜的胞漿側(cè)怎樣影響通道功能；也可以形成膜的胞漿側(cè)面向微電極尖端開口而膜表面?zhèn)让嫦蚪�浴液的實驗�(zāi)Ｊ�，等等。膜片鉗實驗也已用于細胞生物電以外的功能研究，如細胞的分泌過程等。

圖2-16 電壓門控Na⁺通道的膜片鉗記錄A：

隨著靜息電位（Em)由－110mV突然固定到－50mV，

在3次膜片鉗實驗記錄到的離子電流 B：將144次膜片鉗記錄

到的離子電流曲線進行平均疊加，得到一條類似圖

2-13中曲線C的Na⁺電流曲線，說明后者是多數(shù)Na⁺通道激活的結(jié)果

三、興奮的引起和興奮的傳導機制

（一)閾電位和鋒電位的引起

膜內(nèi)負電位必須去極化到某一臨界值時，才能在整段膜引發(fā)一次動作電位，這個臨界值大約比正常靜息電位的絕對值小10～20mV，稱為閾電位。例如，巨大神經(jīng)軸突的靜息電位為－70mV，它的閾電位約為－55mV。這不是由于小于閾電位的去極化不引起G_Na的增加，實際情況是這時也有一定數(shù)目的Na⁺通道開放，但由于膜對K⁺的通透性仍大于Na⁺，因而少量的Na⁺內(nèi)流及其對膜內(nèi)電位的影響隨即被K⁺的外流所抵消，因而去極化不能繼續(xù)發(fā)展下去，不能形成動作電位。只有當外來刺激引起的去極化達到閾電位水平時，由于較多量Na⁺通道的開放造成了膜內(nèi)電位較大的去極化，而此去極化已不再能被K⁺外流所抵消，因而能進一步加大膜中Na⁺通道開放的機率，結(jié)果又使更多Na⁺內(nèi)流增加而造成膜內(nèi)進一步的去極化，如此反復(fù)促進，就形成一種正反饋的過程，稱為再生性循環(huán)，其結(jié)果使膜內(nèi)去極化迅速發(fā)展，形成動作電位陡峭的升支，直至膜內(nèi)電位上升到近于Na⁺平衡電位的水平。由此可見，閾電位不是單一通道的屬性，而是在一段膜上能使Na⁺通道開放的數(shù)目足以引起上面描述的再生性循環(huán)出現(xiàn)的膜內(nèi)去極化的臨界水平。由此也不難理解，只要刺激大于能引起再生性循環(huán)的水平，膜內(nèi)去極化速度就不再決定于原刺激的大��；整個動作電位上升支的幅度也只決定于原來靜息電位的值和膜內(nèi)外的Na⁺濃度差，而與引起此次動作電位的刺激大小無關(guān)。此即動作電位所以能表現(xiàn)“全或無”現(xiàn)象的機制。

閾電位是用膜本身去極化的臨界值來描述動作電位的產(chǎn)生條件。所謂閾強度，是作用于標本時能使膜的靜息電位去極化到閾電位的外加刺激的強度；這就是閾強度和閾電位在概念上的區(qū)別。

（二)局部興奮及其特性

一個閾下刺激會對可興奮細胞產(chǎn)生何種影響？可通過圖2-17中的實驗回答。在巨大神經(jīng)軸突放置一對刺激電極，但其中一個電極穿入膜內(nèi)，再在附近放置一個作膜內(nèi)電反應(yīng)記錄的記錄電極。假定先把膜內(nèi)的刺激電極連到電源正極，那么電路接通時將會產(chǎn)生去極化；如果這個去極化未能達到閾電位，則說明所用電刺激強度屬于閾下刺激。但如前所述，閾下刺激雖未能膜電位達到閾電位的去極化，也能引起該段膜中所含Na⁺通道的少量開放，只是開放的機率少，于是少量內(nèi)流的Na⁺和電刺激造成的去極化疊加起來，在受刺激的膜局部出現(xiàn)一個較小的膜的去極化反應(yīng)，稱為局部反應(yīng)或局部興奮，局部興奮由于強度較弱，且很快被外流的K⁺所抵消，因而不能引起再生性循環(huán)而發(fā)展成真正的興奮或動作電位。圖2-17B就記錄了一組這樣的實驗曲線，說明在閾下刺激的范圍內(nèi)，刺激強度愈強，引起的膜的去極化即局部興奮的幅度愈大（由表示靜息電位水平的線段上方的各條曲線表示)，延續(xù)的時間也愈長；只有當局部興奮的幅度大到足以引發(fā)再生性循環(huán)的水平時，膜的去極化的速度才突然加大，這樣局部興奮就發(fā)展成為動作電位。

局部興奮有以下幾個基本特性：（1)不是“全或無”的，而是隨著閾下刺激的增大而增大；（2)不能在膜上作遠距離的傳播，雖然由于膜本身有電阻特性且膜內(nèi)外都是電解質(zhì)溶液，發(fā)生在膜的某一點的局部興奮，可以使鄰近的膜也產(chǎn)生類似的去極化，但隨距離加大而迅速減小以至消失，這個局部興奮所波及的范圍在一般神經(jīng)細胞膜上不超過數(shù)十乃至數(shù)百微米，但有的細胞本身也不很大，如神經(jīng)元細胞體，局部興奮的這種電緊張性擴布(eletrotonic propagation)還是有重要生理意義的；（3)局部興奮是可以互相疊加的，也就是說，當一處產(chǎn)生的局部興奮由于電緊張性擴布致使鄰近處的膜也出現(xiàn)程度較小的去極化，而該處又因另一刺激也產(chǎn)生了局部興奮，雖然兩者（當然不一定限于兩者)單獨出現(xiàn)時都不足以引發(fā)一次動作電位，但如果遇到一起時可以疊加起來，以致有可能達到閾電位而引發(fā)一次動作電位。稱為興奮的空間性總和；局部興奮的疊加也可以發(fā)生在連續(xù)受數(shù)個閾下刺激的膜的某一點，亦即當前面刺激引起的局部興奮尚未消失時，與后面刺激引起的局部興奮發(fā)生疊加，稱為時間性總和�？偤同F(xiàn)象在神經(jīng)元細胞的功能活動中十分重要和常見。另外，由圖示2-17B中還可看到，當刺入膜內(nèi)的刺激電極和電源負極相連時，通電時只能引起膜的超級化（圖中水平線下方的那組曲線)；刺激愈強，超極化程度愈大，但不引起Na⁺通道開放，更不能引發(fā)鋒電位。事實上，這時由于膜內(nèi)電位和閾電位之間差值加大，因而該處膜變得更不容易興奮了。體內(nèi)某些感受器細胞、部分腺細胞和平滑肌細胞，以及神經(jīng)細胞體上的突觸后膜和骨骼肌細胞的終板膜，它們在受刺激時不產(chǎn)生“全或無”形式的動作電位，而只出現(xiàn)原有靜息電位的微弱而緩慢的變動，分別稱為感受器電位、慢電位、突觸后電位和終板電位。這些電位也具有類似局部興奮的特性。這些形式的電變化，實際是使另一細胞或同一細胞的其他部分的膜產(chǎn)生“全或無”式動作電位上的過渡性電變化。

圖2-17 局部興奮的實驗布置（A)和實驗結(jié)果（B)示意圖說明見正文

（三)興奮在同一細胞上的傳導機制

可興奮細胞的特征之一是它任何一處的膜產(chǎn)生的動作電位，都可沿著細胞膜向周圍傳播，使整個細胞的膜都經(jīng)歷一次類似于被刺激部位的離子電導的改變，表現(xiàn)為動作電位沿整個細胞膜的傳導。傳導的機制實際已包含在興奮膜的上述特性之中。設(shè)想一條槍烏賊的無髓神經(jīng)纖維的某一小段，因受到足夠強的外加刺激而出現(xiàn)了動作電位（圖2-18，B左端)，即該處出現(xiàn)了膜兩側(cè)電位的暫時性倒轉(zhuǎn)，由靜息時的內(nèi)負外正變?yōu)閮?nèi)正外負，但和該段神經(jīng)相鄰接的神經(jīng)段仍處于安靜時的極化狀態(tài)；由于膜兩側(cè)的溶液都是導電的，于是在已興奮的神經(jīng)段和與它相鄰的未興奮的神經(jīng)段之間，將由于電位差的存在而有電荷移動，稱為局部電流。它的運動方向是：膜外有正電荷由未興奮段移向已興奮段，膜內(nèi)有正電荷由已興奮段移向未興奮段。這樣流動的結(jié)果，是造成未興奮段膜內(nèi)電位升高而膜外電位降低，亦即引起該處膜的去極化；這一過程開始時，就相當于電緊張性擴布。根據(jù)上述關(guān)于興奮產(chǎn)生的機制的分析，當任何原因使膜的去極化達到閾電位的水平時，都會大量激活該處的Na⁺通道而導致動作電位的出現(xiàn)。因此，當局部電流的出現(xiàn)使鄰接的未興奮的膜去極化到閾電位時，也會使該段出現(xiàn)它自己的動作電位。所謂動作電位的傳導，實際是已興奮的膜部分通過局部電流“刺激”了未興奮的膜部分，使之出現(xiàn)動作電位；這樣的過程在膜表面連續(xù)進行下去，就表現(xiàn)為興奮在整個細胞的傳導。由于鋒電位產(chǎn)生期間電位變化的幅度和陡度相當大，因此在單一細胞局部電流的強度超過了引起鄰近膜興奮所必需的閾強度數(shù)倍以上，因而以局部電流為基礎(chǔ)的傳導過程是相當“安全”的，亦即一般不易因某處動作電位不足以使鄰接的膜產(chǎn)生興奮而導致傳導“阻滯”，這一點與一般化學性突觸處的興奮傳遞有明顯的差別。

圖2-18 神經(jīng)纖維傳導機制的模式圖彎箭頭表示膜內(nèi)外

局部電流的流動方向，下方直箭頭表示沖動傳導方向。

A：靜息時 B：發(fā)生興奮后 C：傳導過程中

興奮傳導機制雖然以無髓神經(jīng)纖維為例，但在其他可興奮細胞（如骨骼肌細胞)的興奮傳導，基本上遵循同樣的機制。有髓神經(jīng)纖維在軸突外面包有一層相當厚的髓鞘，髓鞘主要成分的脂質(zhì)是不導電或不允許帶電離子通過的，因此只有在髓鞘暫時中斷的朗飛結(jié)處，軸突膜才能和細胞外液接觸，使跨膜離子移動得以進行。因此，當有髓纖維受到外加刺激時，動作電位只能在鄰近刺激點的朗飛結(jié)處產(chǎn)生，而局部電流也只能發(fā)生在相鄰的朗飛結(jié)之間，其外電路要通過髓鞘外面的組織間液，因此，動作電位表現(xiàn)為跨過每一段髓鞘而在相鄰朗飛結(jié)處相繼出現(xiàn)，這稱為興奮的跳躍式傳導。

跳躍式傳導時的興奮傳導速度，顯然比上述無髓纖維或一般細胞的傳導速度快得多；而且由于跳躍式傳導時，單位長度內(nèi)每傳導一次興奮所涉及的跨膜離子運動的總數(shù)要少得多，因此它還是一種“節(jié)能”的傳導方式�？磥�，神經(jīng)髓鞘的出現(xiàn)是進化過程中既能增加神經(jīng)纖維傳導速度、又能減少生物能量消耗的一種方式。無脊椎動物沒有有髓神經(jīng)纖維，而無髓纖維增加增加傳導速度的一個可能途徑是增大軸突的直徑，因為這樣可以減少膜內(nèi)液體的電阻而增加局部電流的強度，使動作電位的傳導速度加快；這大概就是需要進行快速神經(jīng)反應(yīng)的槍烏賊在進化中出現(xiàn)巨大的無髓神經(jīng)纖維的道理所在。但徐科（1993)等人指出，某些無脊椎動物的神經(jīng)纖維也可以一種特殊的方式進行跳躍式傳導。

如果一條神經(jīng)纖維在它的中間部受到刺激，將會有動作電位由中間向纖維兩端傳送，這是由于局部電流可以出現(xiàn)在原興奮段兩側(cè)之故。由此可以理解，興奮在同一細胞上的傳導，并不限于朝向某一方向；體內(nèi)神經(jīng)纖維所以有傳入和傳出之分，只是由于在整體的自然條件下，傳入纖維只能在它們和感受器相連接的外周端被刺激，而傳出纖維只能在它們的細胞體產(chǎn)生沖動而傳向外周，并非是由于這些纖維本身只能單方向傳導興奮的緣故。以動作電位為興奮出現(xiàn)的指標，可以測定興奮在各種細胞的傳導速度。例如，人體一些較粗的有髓神經(jīng)纖維的傳導速度，m.f1411.cn/pharm/最快可達每秒100m以上，而一些細胞的無髓纖維每秒傳導距離還不到1m；構(gòu)成心臟內(nèi)部傳導系統(tǒng)的浦肯野細胞，每秒傳導速度約4～5m，是心肌細胞中傳導速度最快的。