撰文｜無語(yǔ)先生 （北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院 研究助理）

責(zé)編｜Danny

排版｜星琪

?

1902年，歐洲生理學(xué)雜志（Pflügers Archiv?- European Journal of Physiology）的第92卷刊登了一篇在當(dāng)時(shí)影響頗深的文章《生物電流的熱力學(xué)研究》（Untersuchungen zur Thermodynamik der bioelektrischen Str?me）。在這篇文章里，Julius Bernstein提出了他著名的膜理論（membrane theory），首次解釋了神經(jīng)元是怎么產(chǎn)生電信號(hào)的。這套理論加上當(dāng)時(shí)流行的局部電流理論（local circuit theory）看似已經(jīng)可以“完美”解釋神經(jīng)元電信號(hào)的產(chǎn)生和傳遞。

在同一卷中，Ernest Overton也發(fā)表了一篇關(guān)于細(xì)胞興奮性產(chǎn)生機(jī)制的論文《關(guān)于鈉（或鋰）離子對(duì)肌肉收縮作用的不可或缺性》（Ueber die Unentbehrlichkeit von Natrium-(oder Lithium-)Ionen fiir den Contractionsact des Muskels）。與Bernstein的文章不同，這篇文章并沒有掀起很大的風(fēng)浪。隨著膜理論的流行和看似證實(shí)膜理論的研究的涌現(xiàn)，這篇文章也逐漸被大多數(shù)人所遺忘了。但是，在多年以后，研究者們才發(fā)現(xiàn)了這篇文章的高明之處。

-70mV：劍橋和烏賊

故事跳轉(zhuǎn)到30年以后。

1935年，剛滿18歲的Andrew Huxley進(jìn)入了劍橋大學(xué)中名聲赫赫的三一學(xué)院（Trinity College）。在一位發(fā)小的強(qiáng)烈安利下，他選修了當(dāng)時(shí)還是新興學(xué)科的生理學(xué)。逐漸地，他發(fā)現(xiàn)充滿未知的生理學(xué)領(lǐng)域可比已經(jīng)成熟、甚至在當(dāng)時(shí)還有點(diǎn)一成不變的物理學(xué)好玩多了。于是他從物理學(xué)轉(zhuǎn)到了生理學(xué)領(lǐng)域的研究，并在這里認(rèn)識(shí)了同在三一學(xué)院的學(xué)長(zhǎng)，當(dāng)時(shí)還是初級(jí)研究員的Alan Hodgkin。

?

?

與此同時(shí)，英國(guó)動(dòng)物學(xué)家John Zachary Young在1936年重新研究了早在1909年就發(fā)現(xiàn)的槍烏賊巨大軸突（squid giant axon）的功能。這瞬間讓許多神經(jīng)科學(xué)家們嗅到了機(jī)會(huì)：這種巨大的軸突直徑甚至可以達(dá)到一毫米左右。在當(dāng)時(shí)有限的技術(shù)條件下，這種巨大的神經(jīng)元給科學(xué)家們提供了直觀地研究神經(jīng)元的很多特性和功能的機(jī)會(huì)。

受到這樣的機(jī)會(huì)的吸引，在1937年，Hodgkin來到位于紐約的洛克菲勒大學(xué)（Rockefeller Institute）學(xué)習(xí)如何解剖研究槍烏賊巨大軸突，并在1938年回到了英國(guó)繼續(xù)他對(duì)神經(jīng)元信號(hào)傳遞的研究。

?

-55mV：1939

1939年的夏天，Huxley接到了Hodgkin的邀請(qǐng)，來到位于普利茅斯（Plymouth）的海洋生物協(xié)會(huì)開始了對(duì)槍烏賊巨大軸突的信號(hào)傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)。在經(jīng)歷了其他研究課題的失敗之后，Hodgkin想到——“我們可以試試把電極放進(jìn)細(xì)胞里直接記錄電信號(hào)”。從這一刻開始，神經(jīng)科學(xué)的研究進(jìn)入了一個(gè)新的紀(jì)元。

他們的實(shí)驗(yàn)立馬大獲成功，這是人類歷史上第一次從神經(jīng)元內(nèi)部記錄到動(dòng)作電位。而這個(gè)結(jié)果，徹底推翻了Bernstein的膜理論。

?

Bernstein的膜理論稱，神經(jīng)元的“靜息電位”（resting?membrane?potential），也就是神經(jīng)元的默認(rèn)設(shè)置，是因?yàn)榧?xì)胞膜只能讓鉀離子（一種帶正電荷的離子）通過。細(xì)胞內(nèi)的鉀離子濃度高于細(xì)胞外，由于濃度差，帶正電的鉀離子由細(xì)胞內(nèi)高濃度區(qū)域持續(xù)流到細(xì)胞外低濃度區(qū)域，直到鉀離子的內(nèi)外濃度差與內(nèi)外電荷差產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力相互平衡。因此，我們就能測(cè)量到細(xì)胞內(nèi)為負(fù)的靜息電位。而當(dāng)神經(jīng)元受到刺激時(shí)，細(xì)胞膜會(huì)瞬間讓所有離子通過。因此，我們應(yīng)該能測(cè)量到細(xì)胞內(nèi)外的電勢(shì)差（電壓）是零。然而，Huxley和Hodgkin得到的結(jié)果發(fā)現(xiàn)了在神經(jīng)元受到刺激時(shí)，動(dòng)作電位遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于零。這一結(jié)果與膜理論的假設(shè)相悖。

無獨(dú)有偶，在此時(shí)的美國(guó)馬薩諸塞州，K.S. Cole和Howard Curtis也從槍烏賊巨大軸突內(nèi)部記錄到了動(dòng)作電位。他們也報(bào)告了在神經(jīng)元受到刺激時(shí)，神經(jīng)細(xì)胞膜對(duì)于離子的通透性會(huì)增加，不過他們當(dāng)時(shí)并沒有進(jìn)一步研究具體是哪種離子。而且，由于他們的記錄設(shè)備的設(shè)計(jì)與Hodgkin和Huxley的不同，Cole和Curtis并沒有記錄到神經(jīng)元的靜息電位，所以他們并沒有意識(shí)到動(dòng)作電位的峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于零，這使得他們的結(jié)果看起來反倒成了膜理論有力證據(jù)。因此，他們?cè)嚯x真相最近，卻沒有成為揭示真相的人。

這一改變神經(jīng)科學(xué)歷史的發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時(shí)并沒有掀起太大的波瀾，因?yàn)榇藭r(shí)，所有的波瀾都集中到了波蘭——1939年9月1日，德國(guó)閃擊波蘭，英美隨即對(duì)德宣戰(zhàn)，第二次世界大戰(zhàn)就此開始。就在兩天前的8月30日，Hodgkin和Huxley帶著對(duì)手頭研究的萬分不舍離開了創(chuàng)造了奇跡的普利茅斯。

?

+40mV：鈉離子，電壓鉗和手搖計(jì)算器

?1945年，混亂的世界重歸了秩序。在同一年，Hodgkin和Huxley在Journal of Physiology上具體解釋了他們1939年的發(fā)現(xiàn)。他們當(dāng)時(shí)給出了四種關(guān)于動(dòng)作電位如何產(chǎn)生的假設(shè)，不過沒有一種假設(shè)是正確的。因?yàn)閯?dòng)作電位幾乎是在一瞬間發(fā)生的，而在這個(gè)時(shí)間尺度下想要觀測(cè)具體的離子機(jī)制簡(jiǎn)直難如登天。在一次對(duì)話中，Hodgkin說：“如果我們能用一個(gè)細(xì)胞內(nèi)的電極控制電勢(shì)就好了。如果我們能看細(xì)胞電勢(shì)的逐步變化，我們就有了很多問題的答案?！?/span>

1946年，Hodgkin和Huxley在劍橋重聚，打算繼續(xù)戰(zhàn)前的研究。隨著他們掌握了越來越多關(guān)于細(xì)胞膜對(duì)離子通透性的證據(jù)，一個(gè)新的想法在他們心中誕生：動(dòng)作電位會(huì)不會(huì)是鈉離子引起的呢？這個(gè)想法在當(dāng)時(shí)并不是顯而易見，甚至在一些人看來是十分可笑的。因?yàn)楫?dāng)時(shí)支持其他解釋的學(xué)說聽起來也十分有道理，唯一驗(yàn)證這個(gè)假設(shè)的方法就是做實(shí)驗(yàn)。然而，當(dāng)時(shí)的世界還百?gòu)U待興，唯一能做槍烏賊巨大軸突實(shí)驗(yàn)的普利茅斯實(shí)驗(yàn)室在戰(zhàn)爭(zhēng)中被炸毀。因此，他們一直等到了1947年才開始了他們的實(shí)驗(yàn)。

同樣在1947年，Cole和Marmont首次在槍烏賊巨大軸突上實(shí)現(xiàn)了Hodgkin在1945年設(shè)想到的實(shí)驗(yàn)。然而，他們并沒有把電流拆解成不同離子流，而且他們的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)存在一定的缺陷，導(dǎo)致記錄到的結(jié)果并不精確。Cole又一次與真相失之交臂，但卻為電壓鉗技術(shù)的雛形做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。

1948年，Hodgkin、Huxley和Katz提出了另一種電壓鉗的結(jié)構(gòu)，而這個(gè)技術(shù)一直沿用至今。簡(jiǎn)單來講，電壓鉗的基本原理就是通過向細(xì)胞內(nèi)注入或從細(xì)胞輸出電流以保持細(xì)胞膜電位不變。在實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)人員只需要設(shè)定目標(biāo)電位，電壓鉗會(huì)根據(jù)測(cè)量到的細(xì)胞膜電位和目標(biāo)電位的差值調(diào)整注入或輸出的電流，直到膜電位與目標(biāo)電位一致。因此，實(shí)驗(yàn)人員就可以有充足的時(shí)間去觀測(cè)在不同膜電位情況下細(xì)胞膜通透性的狀態(tài)。這項(xiàng)技術(shù)也成為了解開神經(jīng)元電信號(hào)的離子機(jī)制謎團(tuán)的關(guān)鍵。

?

1949年對(duì)整個(gè)世界來說也是具有跨時(shí)代意義的一年。在這一年，世界上第一臺(tái)實(shí)際運(yùn)行的存儲(chǔ)程序式電子計(jì)算機(jī)EDSAC誕生了。所有科學(xué)家們立刻嗅到了這臺(tái)機(jī)器對(duì)于研究的意義，Hodgkin和Huxley也不例外。他們本打算用EDSAC完成對(duì)動(dòng)作電位的數(shù)學(xué)模擬，但EDSAC當(dāng)時(shí)正在升級(jí)，不知道什么時(shí)候才能用上?！皝聿患傲恕?，Huxley想。于是，他拿起了幾年前陪伴他度過了項(xiàng)目初期的Brunsviga手搖計(jì)算器開始了計(jì)算。

?

?

雖然Huxley在兩年前就進(jìn)行過相似的計(jì)算，但是這個(gè)過程并沒有因此而變得簡(jiǎn)單。由于技術(shù)條件的限制，他們并不知道鉀離子通道和鈉離子通道的結(jié)構(gòu)，因此建立這一模型基本靠猜。更不要提為了人工模擬動(dòng)作電位的傳遞過程，Huxley要逐個(gè)地解出一系列復(fù)雜的常微分方程。經(jīng)過了日以繼夜的計(jì)算，他們把最終的結(jié)果畫在紙上，跟真正的動(dòng)作電位絲毫不差！多年以后，其他研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了神經(jīng)細(xì)胞膜上的鉀離子通道和鈉離子通道的結(jié)構(gòu)，竟也與他們的模型不謀而合！

?

鈉離子竟真的是神經(jīng)元信電號(hào)產(chǎn)生不可或缺的一部分！原來神經(jīng)元受到刺激的時(shí)候，并不是對(duì)所有離子都通透從而形成短路，而是瞬間對(duì)鈉離子通透，使得大量鈉離子涌入細(xì)胞內(nèi)，讓細(xì)胞的膜電位遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于零。隨后鉀離子慢慢流出細(xì)胞，使得膜電位歸于默認(rèn)值。憑借這一發(fā)現(xiàn)，Hodgkin和Huxley獲得了1963年的諾貝爾獎(jiǎng)。

Hodgkin和Huxley發(fā)現(xiàn)動(dòng)作電位機(jī)制的過程正如動(dòng)作電位本身。最初他們?cè)?70mV的靜息狀態(tài)經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的準(zhǔn)備。突然，一個(gè)契機(jī)帶著他們迅速突破了-55mV的閾值，一路通向+40mV的頂峰。

?

然而，這個(gè)故事到這里還沒有完全結(jié)束。在Hodgkin和Huxley得出了他們的最終結(jié)論后，有人重新注意到了多年前Overton的文章。原來早在1902年，Overton就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了鈉離子是肌肉細(xì)胞興奮過程中的必要元素了，只不過當(dāng)時(shí)他由于實(shí)驗(yàn)方法的原因并沒有在神經(jīng)元上百分之百?gòu)?fù)刻出類似于肌肉細(xì)胞的結(jié)果。這么多年的彎彎繞繞，真相卻一直在角落里靜靜等待。

今天，我們從課堂上學(xué)到前人的研究時(shí)，總傾向于理所當(dāng)然地把這些結(jié)論當(dāng)成公理一般。我們有時(shí)甚至想當(dāng)然地從回顧歷史的角度看待在角逐過程中并未勝出的理論，以一個(gè)現(xiàn)代人的眼光來評(píng)判這些“錯(cuò)誤的”理論是多么荒誕可笑。但科學(xué)的世界從來不是非黑即白的，就如同神經(jīng)元的動(dòng)作電位，乍一看仿佛是0和1的差別，但深入探討下去才會(huì)發(fā)現(xiàn)這其中的奧妙。有的真相被人忽視和遺忘；有的研究離答案只是一步之遙卻沒有突破閾值。有的人，不但恰巧在正確的時(shí)間選擇了正確的方向，而且在經(jīng)歷波折后終得撥云見日，推翻了前人的理論，在教科書中添上了自己的一章。這個(gè)過程必將循環(huán)往復(fù)，推動(dòng)著科學(xué)一步步前進(jìn)。

?

封面圖片

作者自制，素材來源：

1. https://favpng.com/png_view/squid-giant-squid-octopus-clip-art-png/JH84g0aa

2. https://www.mba.ac.uk/research/impactstatements/hodgkin-huxley

3. 參考文獻(xiàn)[6]

?

圖片來源

圖1（左）?https://en.wikipedia.org/wiki/Julius_Bernstein?

圖1（右）?https://sok.riksarkivet.se/sbl/mobil/Artikel/7878

圖2-3 參考文獻(xiàn)[8]

圖4?參考文獻(xiàn)[6]

圖5?https://www.youtube.com/watch?v=3F-Uw1RZqAQ

圖6?https://de.wikipedia.org/wiki/Brunsviga_Maschinenwerke

圖7?https://www.moleculardevices.com/applications/patch-clamp-electrophysiology/what-action-potential

?

參考文獻(xiàn)

1.?Bernstein, J. (1902). Untersuchungen zur Thermodynamik der bioelektrischen Str?me. Archiv für die gesamte Physiologie des Menschen und der Tiere, 92(10), 521-562.

2.?Curtis, H. J., & Cole, K. S. (1942). Membrane resting and action potentials from the squid giant axon. Journal of Cellular and Comparative Physiology, 19(2), 135–144.

3.?L.R. Squire (Eds.). (2004). The history of neuroscience in autobiography (Vol. 4). ELSEVIER ACADEMIC PRESS.

4.?Hodgkin, A. L., & Huxley, A. F. (1939). Action potentials recorded from inside a nerve fibre.?Nature,?144(3651), 710-711.

5.?Huxley, A. F. (1999). Overton on the indispensability of sodium ions. Brain Research Bulletin, 50(5), 307–308.

6.?Hodgkin, A. L., & Huxley, A. F. (1945). Resting and action potentials in single nerve fibres. The Journal of Physiology, 104(2), 176–195.

7.?Overton E.?(1902).?Beitr?ge?zur allgemeinen Muskel- und Nervenphysiologie. I Mittheilung. Ueber die Unentbehrlichkeit von Natrium-(oder Lithium-)Ionen fiir den Contractionsact des Muskels. Pfliigers Arch Gesamte Physiol, 92:346-386.

8.?Schwiening, C. J. (2012). A brief historical perspective: Hodgkin and Huxley. The Journal of Physiology, 590(Pt 11), 2571–2575.

9.?The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1963. (n.d.). NobelPrize.Org. Retrieved March 7, 2022, from https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1963/huxley/facts/

10.?The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1963. (n.d.). NobelPrize.Org. Retrieved March 7, 2022, from https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/1963/hodgkin/biographical/

11.?Young, J. Z. (1936). Memoirs: The Giant Nerve Fibres and Epistellar Body of Cephalopods. Journal of Cell Science, 367–386.

?

往期精彩

如何傾聽神經(jīng)元的“對(duì)話”

(https://mp.weixin.qq.com/s/Ti9hsvmNl4WYFQdYV8pv6g)

靈光乍現(xiàn)——看到思想的“火”光

(https://mp.weixin.qq.com/s/N3oX713m9jqrsEDw7-az0w)

膜片鉗專題丨從RC電路到H-H模型

(https://mp.weixin.qq.com/s/byJV2gILtlycu1kjSr42qw)

發(fā)現(xiàn)動(dòng)作電位的發(fā)生機(jī)制——Alan Hodgkin & Andrew Huxley

(https://mp.weixin.qq.com/s/n6fyJ3S_KtkZ9PaZW3Eemw)

從果蠅到烏賊，未知最精彩丨專訪?研究神奇動(dòng)物的梁希同博士

(https://mp.weixin.qq.com/s/7v7Jp8EG0_siaVtH5AWyYg)

?

如您有意撰寫文章，講述腦科學(xué)重要發(fā)現(xiàn)和神經(jīng)科學(xué)家的故事，歡迎發(fā)送郵件至effieliu96@gmail.com與「腦科學(xué)史話」項(xiàng)目負(fù)責(zé)人進(jìn)一步溝通；有意賜稿或加入作者團(tuán)隊(duì)歡迎聯(lián)系「腦人言·編輯部」（editor@ibraintalk.com）獲取更多信息。