第二節(jié) 電生理學(xué)的歷史

生物電活動(dòng)是機(jī)體一種基本的生命現(xiàn)象，它產(chǎn)生的基礎(chǔ)是細(xì)胞膜上離子通道活動(dòng)的總和效應(yīng)。從生物電現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)到如今對(duì)離子通道功能與結(jié)構(gòu)如此深入的了解，電生理學(xué)走過(guò)了200多年的歷程。

一、電生理學(xué)的創(chuàng)立

據(jù)記載，人類(lèi)首次發(fā)現(xiàn)的生物電現(xiàn)象為某些魚(yú)類(lèi)的電器官的放電現(xiàn)象。早在古埃及尼羅河中，曾有一種貓魚(yú)可產(chǎn)生高達(dá)350 V的電壓脈沖，在埃及北部塞加拉墳?zāi)怪械母〉瘢s2750 a.Chr）中就有貓魚(yú)圖像的記載。公元1世紀(jì)時(shí)，人們又發(fā)現(xiàn)Torpedo電鰩可以通過(guò)其電器官產(chǎn)生電壓脈沖，電鰩在捕食時(shí)先對(duì)水中動(dòng)物施加震擊，使之麻痹。雖然當(dāng)時(shí)人們并不了解電現(xiàn)象的產(chǎn)生原理，但是他們卻開(kāi)始利用這些動(dòng)物的放電來(lái)治療疾病。羅馬帝王Claudius時(shí)代（公元41～54年）的Scribonius Largus曾詳細(xì)記錄了電鰩的使用方法，他描述了人們將電鰩置于體表或?qū)⑹帜_伸入裝有電鰩的水缸，以此來(lái)治療頭痛病。經(jīng)過(guò)幾個(gè)世紀(jì)，這種療法傳遍了整個(gè)歐洲。

1769年Boncroft指出電鰩和電鲇都能放電，并將它們的放電力與萊頓瓶組的放電力相比較，1772年Walsh發(fā)現(xiàn)了電鲇放電的部位，不過(guò)那時(shí)對(duì)動(dòng)物電的認(rèn)識(shí)只限于少數(shù)幾種電魚(yú)，對(duì)其他動(dòng)物體內(nèi)是否有放電現(xiàn)象并不了解。1776年，Walsh成功地以光閃的形式展示了電器官的放電現(xiàn)象，這一結(jié)果向那些否認(rèn)放電現(xiàn)象的電本質(zhì)的科學(xué)家們證實(shí)了生物放電現(xiàn)象的存在，并標(biāo)志著電生理學(xué)學(xué)科的創(chuàng)立。

1791年意大利解剖學(xué)家Galvani發(fā)現(xiàn)，如果將蛙腿的肌肉置于鐵板上，再用銅鉤鉤住蛙的脊髓，當(dāng)銅鉤與鐵板接觸時(shí)肌肉就會(huì)發(fā)生收縮（見(jiàn)圖1-2-1）。他把這個(gè)現(xiàn)象的發(fā)生歸因于機(jī)體的“動(dòng)物電”（animal electricity）。他認(rèn)為神經(jīng)與肌肉帶有相反的電荷，肌肉帶正電，神經(jīng)帶負(fù)電，金屬導(dǎo)體的作用是把神經(jīng)與肌肉之間的電路接通。同時(shí)代的意大利物理學(xué)家Volta不同意Galvani的見(jiàn)解，他認(rèn)為實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的電現(xiàn)象，不是神經(jīng)和肌肉帶有電荷，而是由于實(shí)驗(yàn)中連接肌肉和神經(jīng)的金屬不同所致。他認(rèn)為，是兩塊金屬弓的兩端之間產(chǎn)生了電位差，由此產(chǎn)生的電傳遞到了肌肉細(xì)胞。如果用同一種金屬作導(dǎo)體，收縮就不會(huì)發(fā)生。事實(shí)上，Volta和Galvani的觀點(diǎn)都有其正確的一面。Volta后來(lái)還進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)自己的解釋發(fā)明了伏特電池。伏特電池與電器官的結(jié)構(gòu)非常相似，它是由鋅和銅的圓碟組成，相鄰的圓碟用浸有海水的布間隔，然后疊合構(gòu)成。

這場(chǎng)科學(xué)爭(zhēng)論繼續(xù)進(jìn)行，Galvani為了答復(fù)Volta，在1794年又進(jìn)行了一個(gè)更加出色的實(shí)驗(yàn)。在無(wú)金屬參與的情況下，他將一個(gè)肌肉標(biāo)本橫斷，又將另一個(gè)神經(jīng)肌肉標(biāo)本的神經(jīng)干搭在橫斷肌肉上，并使之跨越肌肉的完好面和損傷面，結(jié)果該神經(jīng)支配的肌肉產(chǎn)生收縮，證實(shí)了沒(méi)有金屬回路情況下肌肉也可以出現(xiàn)收縮，從而說(shuō)明動(dòng)物電的確存在，這是第一次觀察到生物電存在的電生理實(shí)驗(yàn)。但是直接測(cè)量到生物電的實(shí)驗(yàn)是在電流計(jì)發(fā)明之后。

二、電生理學(xué)的發(fā)展

電生理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展有賴(lài)于電學(xué)儀器的不斷進(jìn)步。

1825年意大利物理學(xué)家Nobili發(fā)明電流計(jì)。

1837年意大利物理學(xué)教授Matteucci用電流計(jì)在肌肉的橫斷面與未損傷部位之間，測(cè)量到電流流動(dòng)，電流是從未損傷部位流向橫斷面的，所以橫斷面呈負(fù)電位，當(dāng)肌肉收縮時(shí)，這種電位差隨即消失。

1848年德國(guó)生物學(xué)家Du Bios-Reymomd證明，這種負(fù)變化也出現(xiàn)在神經(jīng)活動(dòng)中。他發(fā)展了刺激技術(shù)（感應(yīng)圈）和記錄技術(shù)（利用電流計(jì)），發(fā)現(xiàn)了生物電的兩種基本形式：靜息電位和動(dòng)作電位。從此，具有60年歷史的Galvani和Volta的爭(zhēng)論得到了最終的解決。

1850年Helmholtz測(cè)定了神經(jīng)傳導(dǎo)速度，他用很簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)測(cè)出了蛙的傳導(dǎo)速度僅為20～30 m/s。

19世紀(jì)末至20世紀(jì)初，電化學(xué)理論的迅速發(fā)展為解釋生物電現(xiàn)象奠定了基礎(chǔ)。1902年，德國(guó)Bernstein采用細(xì)胞外記錄法對(duì)蛙的坐骨神經(jīng)腓腸肌標(biāo)本做實(shí)驗(yàn)，提出了膜學(xué)說(shuō)（membrane theory），指出細(xì)胞膜兩側(cè)帶電離子的分布和運(yùn)動(dòng)是產(chǎn)生生物電現(xiàn)象的原因。膜學(xué)說(shuō)認(rèn)為神經(jīng)或肌肉的細(xì)胞膜只對(duì)鉀離子有特殊的通透性，他提出靜息電位的形成機(jī)制并指出動(dòng)作電位實(shí)際上是靜息電位的暫時(shí)消失，這一學(xué)說(shuō)在1939年以前一直是電生理學(xué)的主要理論基礎(chǔ)。

三、現(xiàn)代電生理學(xué)

1922年，Erlanger和Gasser把電子管技術(shù)應(yīng)用于生物電的研究中，開(kāi)始使用陰極射線示波器和電子管放大器，才徹底滿(mǎn)足了記錄生物電活動(dòng)的需要，這標(biāo)志著現(xiàn)代電生理學(xué)的開(kāi)始。

1939年兩位英國(guó)科學(xué)家Hodgkin和Huxley應(yīng)用微電極技術(shù)，選擇槍烏賊的巨軸突為測(cè)試對(duì)象，利用一根灌注海水的玻璃毛細(xì)管直接插入巨軸突膜內(nèi)，另一極置于膜外，兩電極之間僅隔一層膜，將兩電極連接到放大器和示波器上，直接記錄膜內(nèi)外的電位差，他們的這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)在修正膜學(xué)說(shuō)的基礎(chǔ)上，建立了動(dòng)作電位的鈉學(xué)說(shuō)，闡明了神經(jīng)沖動(dòng)的傳導(dǎo)理論，并成功地證明了電興奮現(xiàn)象和動(dòng)作電位的產(chǎn)生是緣于特定的離子電導(dǎo)變化，該結(jié)果使他們于1963年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。同時(shí)，這種細(xì)胞膜內(nèi)記錄技術(shù)的建立使電生理學(xué)研究進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段?；谠擁?xiàng)工作，Cole和Marmont（1949）發(fā)明了電壓鉗技術(shù)，之后Hodgkin、Huxley同Katz（1952）一起改進(jìn)了該項(xiàng)技術(shù)。

另一個(gè)電生理學(xué)的里程碑應(yīng)歸功于Neher和Sakmann（1976），他們使用一種新型的電壓鉗技術(shù)，即膜片鉗技術(shù)（patch clamp），使人們能夠在分離的細(xì)胞膜片上測(cè)量到單通道電流，為從分子水平了解生物膜離子單通道的開(kāi)、關(guān)動(dòng)力學(xué)及通透性和選擇性提供了直接手段。

四、我國(guó)電生理學(xué)的發(fā)展

我國(guó)電生理學(xué)起步較晚，在20世紀(jì)50年代以后才開(kāi)始電生理學(xué)的研究與應(yīng)用，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)的不斷更新，現(xiàn)在電生理學(xué)已經(jīng)成為我國(guó)生理學(xué)、藥理學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、神經(jīng)生物學(xué)、航天醫(yī)學(xué)等研究領(lǐng)域的重要手段。

電生理學(xué)是科學(xué)發(fā)展的必然產(chǎn)物，它的進(jìn)一步發(fā)展可能將由以下兩個(gè)因素所決定。

（一）在科學(xué)和工業(yè)的其他領(lǐng)域中發(fā)展新的電子學(xué)測(cè)量和控制儀器，它們能直接為電生理學(xué)所應(yīng)用，或者加以改進(jìn)后應(yīng)用。

（二）記錄活體中電位的新技術(shù)的建立，特別是顯微生理學(xué)方法、多級(jí)記錄和生物電遙測(cè)技術(shù)。

五、電生理學(xué)的應(yīng)用

電生理學(xué)在各領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用：

（1）微觀世界的分析：物理學(xué)、形態(tài)學(xué)、生理學(xué)、生物學(xué)等；

（2）宏觀世界的綜合：航天科學(xué)、宇宙科學(xué)、整體生理學(xué)等；

（3）邊緣學(xué)科交叉成的新學(xué)科：生物化學(xué)、病理生理學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)、免疫化學(xué)、遺傳工程學(xué)、地球化學(xué)等。

電生理學(xué)在臨床醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用也十分廣泛。目前，已利用電生理手段對(duì)健康人和患者在體表無(wú)創(chuàng)的情況下進(jìn)行心電圖、腦電圖、肌電圖、視網(wǎng)膜電圖、胃腸電圖等的檢查，同時(shí)電生理手段也成為發(fā)現(xiàn)、診斷和估量疾病進(jìn)程與治療效果的重要手段。近年來(lái)，電生理學(xué)在體育科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸深入和擴(kuò)大，不僅可將常用的電生理學(xué)技術(shù)和方法應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練監(jiān)控中，也可以從細(xì)胞水平觀察運(yùn)動(dòng)對(duì)膜電學(xué)特性的影響，從而揭示運(yùn)動(dòng)調(diào)控身體機(jī)能的細(xì)胞學(xué)機(jī)制。

思考題

1. 什么是電生理學(xué)，其研究領(lǐng)域包括哪些？

2. 簡(jiǎn)述電荷、電壓、電流、電阻、電導(dǎo)、歐姆定律和電容的概念。

3. 試討論Luigi Galvani和Alessandro Volta兩位科學(xué)家觀點(diǎn)的正誤之處。

參考資料

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