【www.shanpow.com--自我介绍】
动作电位的产生机制篇(一):发现动作电位的发生机制
发现动作电位的发生机制——Alan Hodgkin & Andrew Huxley
庚润
Neuroscientist
文/
@庚润
今天，我们来介绍1963年的诺贝尔生理学或医学奖得主：Alan Hodgkin和Andrew Huxley关于动作电位发生机制的研究。
Alan Hodgkin（1914-1998）和Andrew Huxley（1917-2012）都出生在学术世家。其中，Hodgkin是霍奇金淋巴瘤的发现者Thomas Hodgkin的后代，而Huxley则是生物学家Thomas Huxley的后代。Hodgkin和Huxley是校友，二人先后毕业于剑桥大学三一学院。1939年，22岁的Huxley接受了Hodgkin的邀请，在位于普利茅斯的海洋生物协会进行关于细胞导电性的研究。他们把细的毛细管电极插入枪乌贼的巨轴突细胞中，并第一次从细胞内记录到了动作电位（图1）。
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）然而，在Hodgkin和Huxley仅合作了几个月后，第二次世界大战爆发，二人的工作被迫中止。在战争期间，Hodgkin参与设计了飞行员的氧气面罩和军用雷达，Huxley则参与设计了射击瞄准系统。
战争结束后，Hodgkin和Huxley再次合作。虽然二人已经记录到了动作电位，但他们仍不清楚动作电位的发生机制。由于每次动作电位持续的时间极短，仅为1ms左右，为了能够研究不同膜电位条件下细胞膜电流和膜的通透性，一种神经生理学中常用的实验技术——电压钳应运而生（图2）。
电压钳的工作原理是先设置一个目标电位，并将一个电极插入细胞膜内，将另外一个电极置于细胞膜外的液体中，这样就可以测量细胞膜的膜电位，同时，把测量的膜电位值与目标电位值作对比，如果二者不相等，就通过向细胞膜内注入或流出电流的方式逐渐调整测量值，直至测量值与目标值相等，并记录神经细胞为了使得测量值与目标值相等而产生的膜电流。Hodgkin和Huxley利用电压钳技术将细胞膜电位固定，进而记录电流的变化。这项技术在动作电位的建模及离子通道的动力学特性研究中起到了非常关键的作用。
图2 电压钳的工作原理电压钳实验发现，在膜电位一定的条件下，膜电流并不是一定的，如图3所示。根据欧姆定律，Hodgkin和Huxley发现细胞膜的电阻是变化的，而这个变化的电阻就是细胞膜通透性变化的体现。根据Nernst方程，膜电位是由细胞膜内外的离子浓度决定的。那么，细胞膜的通透性又是由什么决定的呢？作为一种半透膜，绝大部分离子都是通过位于细胞膜上的离子通道进出的。Hodgkin和Huxley猜测，细胞膜通透性的改变源于离子通道开启数量的改变。
图3 利用电压钳技术记录的电流为了研究这个问题，Hodgkin和Huxley利用电压钳把膜电位从-65 mV钳至0mV，他们发现电流先向内流，再向外流。如果把膜外的钠离子浓度减少至0，再测量电流，他们发现膜电流的内流消失了，而只会外流。当再恢复膜外钠离子的浓度至正常水平时，膜电流的内流又出现了（图4）。这说明，膜电位的改变导致的膜电流内流是由钠离子的内流导致的。
图4 膜外钠离子浓度的变化对膜电流的影响那么，是否只有钠离子发生了流动呢？在图4A中，随着时间的增长，膜电流逐渐趋近，在图4B中，去除了膜外的钠离子后，在同样的时间内，膜电流虽然变低了一些，但仍然有大量的离子流出，这些流出的离子后来被证实为钾离子。
基于以上的实验，Hodgkin和Huxley发现了动作电位的发生机制。即当神经细胞受到足够大的兴奋性电流刺激后，细胞膜电位升高，同时细胞膜的通透性（即电导）也发生改变，造成大量的钠离子内流，使得膜电位进一步升高，膜电位到达峰值后，钠离子不再内流，而钾离子开始大量外流，造成膜电位的降低，直至回到静息态。
神经元的动作电位能否用一个物理模型来模拟出来呢？答案是肯定的，神经元膜电位、膜电流和膜对离子的通透性（膜电导）可以用一个RC电路来表示，如图5所示。
图5 细胞膜的RC电路模型在这里，无离子通道部分的细胞膜相当于一个电容，每种离子的平衡电位（平衡状态下膜内外离子浓度产生的电位差）相当于一个驱动电源（驱动力随膜电位距离平衡电位的增加而增加），离子通道相当于电导。根据Kirchhoff电流守恒定律，注入神经元细胞的电流可以写成：
其中 ，。我们再重新写一下公式：
这就是Hodgkin和Huxley提出的Hodgkin-Huxley模型。在这个式子中，可以通过Nernst方程计算出来，会随着的改变而改变。一般而言，可以写成的形式，代表该离子的电导最大值。以钾离子为例，在Hodgkin-Huxley模型中，，那么 的物理意义是什么呢？这与钾离子通道的蛋白质结构有着密切的关系。Hodgkin和Huxley对离子通道的结构进行了猜测，他们猜测是钾离子通道打开的几率，4意味着钾离子通道有4个子单元，即4个子单元全部打开才能允许钾离子的自由出入，如果有一个单元没有打开，钾离子都不能出入。
值得一提的是，后来的实验证明，钾离子通道确实是由4个子单元组成的蛋白质。Hodgkin和Huxley通过拟合的方法准确的猜出了钾通道的蛋白质结构，不得不说这是一项非常伟大的工作。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（图6）。二人也因此获得了1963年的诺贝尔生理学或医学奖。
图6 A. 用Hodgkin-Huxley模型计算出的动作电位（上）和真实的动作电位（下）；B. Hodgkin和Huxley用于拟合计算的计算机Hodgkin-Huxley模型的提出是神经科学和数学的完美结合，其精确的描述了动作电位产生过程中离子通道的动力学特征。Hodgkin-Huxley模型也是计算神经科学领域的奠基性发现，这让科学家们可以通过模拟的方法探究单个神经元的放电模式及神经微环路的动态调控机制，并使得精确的大脑模拟成为可能。
Hodgkin和Huxley自1939年开始合作，期间因为战争原因间断了6年的时间，一直到1952年提出Hodgkin-Huxley模型。两人的成功并非偶然，在这一伟大模型的背后必然少不了勤奋的实验工作和严谨的治学精神。在合作的过程中，Hodgkin擅长控制系统的设计，而Huxley则擅长数学的推算，这种优势互补的合作方式也是二人成功的重要原因之一。神经科学是一门交叉学科，需要数学家、物理学家、生物学家、化学家和医学家的共同合作，我们应该学习Hodgkin和Huxley的科研态度和合作理念，虽然诺奖离我们比较遥远，但梦想总是要有的，万一实现了呢。
参考文献：
[1]. Hodgkin AL & Huxley AF (1939). Action potentials recorded from inside a nerve fibre. Nature 144, 710–711.
[2]. Hodgkin AL & Huxley AF (1952). Currents carried by sodium and potassium ions through the membrane of the giant axon of Loligo. J Physiol 116, 449–472.
[3]. Schwiening, C. J. (2012). A brief historical perspective: Hodgkin and Huxley. The Journal of physiology, 590(11), 2571-2575.
[4]. Neuroscience, Third Edition; Purves, Augustine, Fitzpatrick, Hall, Lamantia, McNamara, Williams (Sinauer, 2004)
欢迎阅读我们的其他文章：
《Nobel Prizes in Neuroscience》专辑介绍
也欢迎大家关注我们的其他平台：
微信公众号：脑人言（ibrain-talk）新浪微博：脑人言
动作电位的产生机制篇(二):心肌细胞动作电位的产生机制
动作电位（action potential, AP）是指一个阈上刺激作用于心肌组织可引起一个扩布性的去极化膜电位波动。AP产生的基本原理是心肌组织受到刺激时会引起特定离子通道的开放及带电离子的跨膜运动，从而引起膜电位的波动。由于不同心肌细胞具有不同种类和特性的离子通道，因而不同部位的心肌AP的开关及其它电生理特征不尽相同。
（一）心室肌、心房肌和普肯耶细胞动作电位
心室肌、心房肌和普肯耶细胞均属于快反应细胞，AP形态相似。
心室肌AP复极时间较长（100~300ms），其特征是存在2期平台。AP分为0，1，2，3，4期。
0期：除极期，膜电位由-80~-90mV在1~2ms内去极化到+40mV，最大去极化速度可达200~400V/s。产生机制是电压门控性钠通道激活，Na+内流产生去极化。
1期：快速复极早期，膜电位迅速恢复到+10±10mV。复极的机制是钠通道的失活和瞬间外向钾通道Ito的激活，K+外流。在心外膜下心肌Ito电流很明显，使AP出现明显的尖锋；在心内膜下心肌该电流很弱，1期几乎看不到。
2期：平台期，形成的机制是内向电流与外向电流平衡的结果。平台期的内向电流有ICa-L，INa+/ Ca2+，以及慢钠通道电流。其中最重要的是I Ca-L，它失活缓慢，在整个平台期持续存在。INa+/ Ca2+在平台期是内向电流，参与平台期的维持并增加平台的高度。慢钠通道电流是一个对TTX高度敏感的钠电流，参与平台期的维持。参与平台期的外向电流有Ik1，Ik和平台钾通道电流Ikp。ICa-L的失活和Ik的逐渐增强最终终止了平台期而进入快速复极末期（3期）。
3期：快速复极末期，参与复极3期的电流有Ik，Ik1和生电性Na泵电流。3期复极的早期主要是Ik的作用，而在后期Ik1的作用逐渐增强。这是因为膜的复极使Ik1通道开放的概率增大，后者使K+外流增加并加速复极，形成正反馈，使复极迅速完成。
4期：自动除极期（又称舒张期自动除极期），主要存在于自律细胞，如普肯耶细胞和窦房结细胞。普肯耶细胞4期除极的最重要的内向电流为If电流。由于它激活速度较慢，故它的4期除极速率较慢。在普肯耶细胞4期除极的后期，稳态的Na+窗电流参与自动除极过程。窦房结细胞参与4期除极的离子有延迟整流钾电流（Ik），起搏电流（If），电压门控性ICa-L，ICa-T。这些离子电流没有一个能独立完成窦房结的4期除极，外向Ik衰减，相当于内向电流逐渐加强，在4期除极中起主要作用，也是4期除极的主要机制；If超极化激活，故在膜电位负值较大的细胞起较大作用；Ca2+内流主要参与4期后半部分的除极。
心房肌动作电位与心室肌相比，主要特点是：①1期复极较迅速，平台期不明显，因为心房肌Ito电流较强而ICa-L较弱；②3期复极和静息期有乙酰胆碱激活的钾通道KAch参与。
普肯耶细胞属于快反应自律细胞，其AP与心室肌相比一个显著区别是具有4期自动除极过程。普肯耶细胞Ik1电流较强，RP可达-90mV。0期最大除极速率高；它的Ito电流较强，1期复极速度较快；它的平台期持续时间长，可达300~500ms。
动作电位的产生机制篇(三):动作电位
【学习指南】 本知识点要弄清以下问题：动作电位的概念、特点及其产生的离子机制；动作电位产生的条件；局部兴奋的特点；动作电位传导的机制；阈电位的概念。注意区别阈值（阈强度）和阈电位的概念。 重点：动作电位的概念、特点及其产生的离子机制；动作电位产生的条件；局部兴奋的特点。阈电位的概念。 【主要内容】
（一）细胞的动作电位
1、动作电位（Action potential, AP）概念：是指可兴奋细胞受到刺激时，在静息电位基础上产生快速的可传播的一过性电位波动。
注意：AP是一个连续的膜电位变化过程，而RP是一个相对静止的膜电位固定值。动作电位中膜内电位由零值净变为正的数值称为超射值。在神经纤维，动作电位的去极相和复极相历时仅0.5～2.0 ms，形成一短促而尖锐的脉冲，称为锋电位。锋电位构成神经动作电位的主要部分，在它完全．恢复到静息电位水平之前，还要经历一些微小而缓慢的波动，称为后电位，又分为负后电位和正后电位。
（二）动作电位的产生机制
1、动作电位产生机制的实验研究
（1）电化学驱动力
电化学驱动力决定离子跨膜流动的方向和速度。当膜受到刺激而发生通透性改变时，带电离子将沿着电化学驱动力的方向发生跨膜运动，并引起膜电位的变化。包括动作电位在内的任何膜电位变化发生的基础。从细胞内外离子分布情况来看，经计算，Na+在细胞膜两侧受到很强的内向流动的驱动力（-130mV），比K+向外流动的驱动力（+20mV）强大得多，一旦膜对Na+通透性增大，则很强的内向电流会引起膜迅速去极化而形成动作电位上升支。
（2） 根据Nernst公式计算值来推测
Hodgkin等根据实验数据证明，把膜内外Na+浓度差代入Nernst公式，计算所得的Na+平衡电位值（ENa），相当于动作电位所能达到的超射值。
因此他们认为，动作电位上升支的出现，可能是膜在受到刺激时对Na+通透性的突然增大，超过了K+的通透性，Na+迅速内流，内流的Na+使膜内电位去极化，直到最后形成膜外为负、膜内为正（反极化）的正电位，足以阻止Na+的净移入而停止。
（3）电压钳技术的证实
电压钳技术实验证实：动作电位的产生先是由于出现迅速增加的Na+电导，Na+在很强的电化学驱动力作用下形成Na+内向电流，使细胞膜迅速去极化，构成锋电位的升支；随后，Na+电导减小，形成锋电位的降支，K+电导的增大使K+外向电流增强，加速了膜的复极，也参与锋电位降支的形成。
（4）膜片钳实验来证明
利用膜片钳技术可以记录到单个离子通道的电流，说明单个离子通道具有开放与关闭的特性。在完整细胞膜上，具有许多个离子通，单个离子通道的开放概率或单个离子通道电导增加，或离子通道的数目增加，都会使膜电导增大；反之，会使膜电导减小。在完整细胞上利用电压钳技术记录得的膜电流是许多单通道电流总和的结果，从而说明膜电导变化的实质是膜上离子通道随机开放和关闭的总和效应。
由此可知，动作电位去极化主要是由于大量Na+通道开放，引起大量Na+内流而产生内向电流而产生的；动作电位复极化主要是由于Na+通道关闭，K+通道开放增加，引起K+向外流增多而产生。
对神经纤维动作电位产生机制解释：动作电位产生机制：当细胞受到刺激时，引起膜少量Na+通道开放，Na+内流，膜内电位上升，导致膜去极化。当膜内电位上升达到一定水平时（阈电位水平），引起膜电压门控式Na+通道大量开放， Na+内流明显超过K+ 外流，引起膜迅速去极化，甚至产生反极化；这就是锋电位的上升去。当膜电位上升而发生反极化时， Na+通道关闭，这时K+ 外流增加，使膜电位下降，形成锋电位的下降支；随后因K+ 外流推集于膜外侧，影响K+ 进一步外流， K+ 外流缓慢，形成负后电位。此时因上述离子转运过程中导致细胞内Na+浓度增高，细胞外K+ 浓度增多，激活钠-钾泵，把细胞内多余的Na+泵出细胞外，细胞外K+ 浓度泵入细胞内，这过程是生电性的，引起细胞电位出现微小的波动，形成了正后电位。
2、动作电位的产生的主要离子机制
（1）去极化时相：（通过正反馈过程引起）以Na+快速内流（为电压依从式Na+通道开放所致）为主。
（2）复极化时相： K+外流增加。
（3）后电位：膜外大量堆积K+，阻止K+外流（产生负后电位）；以及在钠泵的作用下，泵出3个Na+和泵入2个K+ （产生正后电位）。
AP的超射值就是Na+平衡电位。
3、产生动作电位的条件
当细胞受到刺激，首先引起少量Na+通道开放，使膜静息电位减少；当膜静息电位减少，达到某一电位水平（阈电位）时才引起电压依从式Na+通道大量开放，从而产生动作电位。
阈电位（threshold potential)：是指能使膜对Na+通道突然大量开放而爆发动作电位的临界膜电位数值。（即能诱发动作电去极化的临界电位值。）
4、动作电位的特点：①有“全或无”现象；这是因为动作电位幅度是由膜电位大小、Na+通道开放速率和概率、 Na+电流间的正反馈过程决定的，外界刺激只是相当于“点燃”作用。②脉冲式传导，或不衰减性传导（可扩布性传导），因为要么不产生，而动作电位一旦产生就达到最大幅度。③不会发生时间上或空间的总和，因为在传导过程中动作电位幅度始终不变。
>
（三）局部兴奋及其特性
1、局部兴奋：
刺激引起细胞膜少量Na+通道开放，使膜静息电位发生少许去极化，但还没有达到阈电位水平，不能爆发AP，此时在细胞膜局部出现一个较小的去极化电位波动，称为局部兴奋（局部电位）。
2、局部兴奋特点
①没有“全或无”式的现象，局部反应可随刺激强度增强而增大，没有不应期。②电位幅度小，且呈衰减性传导（呈电紧张性扩布）。③具有在时间上和空间上的总和效应。
局部反应与AP的区别
局部反应
动作电位
阈下刺激引起
阈(上)刺激引起
钠通道少量开放
钠通道大量开放
反应随刺激改变
“全或无”
有总和效应
无
衰减性传播
非衰减性传播
（四）动作电位的传导
传导方式：局部电流
电流的流动方向：在膜外侧，电流方向是由未兴奋点向己兴奋点；在膜内侧，电流方向是由已兴奋点向未兴奋点。
AP在有髓神经纤维上传导同样以局部电流方式，但因在朗飞结处钠通道密集，易发生AP；另外在髓鞘区有多层细胞膜，使膜电位在此外不易去极化达到阈电位水平，因此AP在有髓神经纤维上在传导只能在两个朗飞结之间进行，呈跳跃式传导，这种传导速度很快。
（五）缝隙连接
【思考题】
1、什么叫动作电位？试述其产生的机制。
2、如何证明动作电位的峰电位是Na+的平衡电位？
