第二節 電生理學的歷史

生物電活動是機體一種基本的生命現象，它產生的基礎是細胞膜上離子通道活動的總和效應。從生物電現象的發現到如今對離子通道功能與結構如此深入的了解，電生理學走過了200多年的歷程。

一、電生理學的創立

據記載，人類首次發現的生物電現象為某些魚類的電器官的放電現象。早在古埃及尼羅河中，曾有一種貓魚可產生高達350 V的電壓脈沖，在埃及北部塞加拉墳墓中的浮雕（約2750 a.Chr）中就有貓魚圖像的記載。公元1世紀時，人們又發現Torpedo電鰩可以通過其電器官產生電壓脈沖，電鰩在捕食時先對水中動物施加震擊，使之麻痹。雖然當時人們并不了解電現象的產生原理，但是他們卻開始利用這些動物的放電來治療疾病。羅馬帝王Claudius時代（公元41～54年）的Scribonius Largus曾詳細記錄了電鰩的使用方法，他描述了人們將電鰩置于體表或將手腳伸入裝有電鰩的水缸，以此來治療頭痛病。經過幾個世紀，這種療法傳遍了整個歐洲。

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發現了電鲇放電的部位，不過那時對動物電的認識只限于少數幾種電魚，對其他動物體內是否有放電現象并不了解。1776年，Walsh成功地以光閃的形式展示了電器官的放電現象，這一結果向那些否認放電現象的電本質的科學家們證實了生物放電現象的存在，并標志著電生理學學科的創立。

1791年意大利解剖學家Galvani發現，如果將蛙腿的肌肉置于鐵板上，再用銅鉤鉤住蛙的脊髓，當銅鉤與鐵板接觸時肌肉就會發生收縮（見圖1-2-1）。他把這個現象的發生歸因于機體的“動物電”（animal electricity）。他認為神經與肌肉帶有相反的電荷，肌肉帶正電，神經帶負電，金屬導體的作用是把神經與肌肉之間的電路接通。同時代的意大利物理學家Volta不同意Galvani的見解，他認為實驗中發現的電現象，不是神經和肌肉帶有電荷，而是由于實驗中連接肌肉和神經的金屬不同所致。他認為，是兩塊金屬弓的兩端之間產生了電位差，由此產生的電傳遞到了肌肉細胞。如果用同一種金屬作導體，收縮就不會發生。事實上，Volta和Galvani的觀點都有其正確的一面。Volta后來還進行了一系列實驗，并根據自己的解釋發明了伏特電池。伏特電池與電器官的結構非常相似，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，然后疊合構成。

這場科學爭論繼續進行，Galvani為了答復Volta，在1794年又進行了一個更加出色的實驗。在無金屬參與的情況下，他將一個肌肉標本橫斷，又將另一個神經肌肉標本的神經干搭在橫斷肌肉上，并使之跨越肌肉的完好面和損傷面，結果該神經支配的肌肉產生收縮，證實了沒有金屬回路情況下肌肉也可以出現收縮，從而說明動物電的確存在，這是第一次觀察到生物電存在的電生理實驗。但是直接測量到生物電的實驗是在電流計發明之后。

二、電生理學的發展

電生理學的進一步發展有賴于電學儀器的不斷進步。

1825年意大利物理學家Nobili發明電流計。

1837年意大利物理學教授Matteucci用電流計在肌肉的橫斷面與未損傷部位之間，測量到電流流動，電流是從未損傷部位流向橫斷面的，所以橫斷面呈負電位，當肌肉收縮時，這種電位差隨即消失。

1848年德國生物學家Du Bios-Reymomd證明，這種負變化也出現在神經活動中。他發展了刺激技術（感應圈）和記錄技術（利用電流計），發現了生物電的兩種基本形式：靜息電位和動作電位。從此，具有60年歷史的Galvani和Volta的爭論得到了最終的解決。

1850年Helmholtz測定了神經傳導速度，他用很簡單的實驗測出了蛙的傳導速度僅為20～30 m/s。

19世紀末至20世紀初，電化學理論的迅速發展為解釋生物電現象奠定了基礎。1902年，德國Bernstein采用細胞外記錄法對蛙的坐骨神經腓腸肌標本做實驗，提出了膜學說（membrane theory），指出細胞膜兩側帶電離子的分布和運動是產生生物電現象的原因。膜學說認為神經或肌肉的細胞膜只對鉀離子有特殊的通透性，他提出靜息電位的形成機制并指出動作電位實際上是靜息電位的暫時消失，這一學說在1939年以前一直是電生理學的主要理論基礎。

三、現代電生理學

1922年，Erlanger和Gasser把電子管技術應用于生物電的研究中，開始使用陰極射線示波器和電子管放大器，才徹底滿足了記錄生物電活動的需要，這標志著現代電生理學的開始。

1939年兩位英國科學家Hodgkin和Huxley應用微電極技術，選擇槍烏賊的巨軸突為測試對象，利用一根灌注海水的玻璃毛細管直接插入巨軸突膜內，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，直接記錄膜內外的電位差，他們的這項實驗在修正膜學說的基礎上，建立了動作電位的鈉學說，闡明了神經沖動的傳導理論，并成功地證明了電興奮現象和動作電位的產生是緣于特定的離子電導變化，該結果使他們于1963年獲得了諾貝爾獎。同時，這種細胞膜內記錄技術的建立使電生理學研究進入了一個新的發展階段。基于該項工作，Cole和Marmont（1949）發明了電壓鉗技術，之后Hodgkin、Huxley同Katz（1952）一起改進了該項技術。

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

四、我國電生理學的發展

我國電生理學起步較晚，在20世紀50年代以后才開始電生理學的研究與應用，隨著科學技術的發展，電子技術的不斷更新，現在電生理學已經成為我國生理學、藥理學、生物醫學工程、神經生物學、航天醫學等研究領域的重要手段。

電生理學是科學發展的必然產物，它的進一步發展可能將由以下兩個因素所決定。

（一）在科學和工業的其他領域中發展新的電子學測量和控制儀器，它們能直接為電生理學所應用，或者加以改進后應用。

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

五、電生理學的應用

電生理學在各領域得到越來越廣泛的應用：

（1）微觀世界的分析：物理學、形態學、生理學、生物學等；

（2）宏觀世界的綜合：航天科學、宇宙科學、整體生理學等；

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

電生理學在臨床醫學上的應用也十分廣泛。目前，已利用電生理手段對健康人和患者在體表無創的情況下進行心電圖、腦電圖、肌電圖、視網膜電圖、胃腸電圖等的檢查，同時電生理手段也成為發現、診斷和估量疾病進程與治療效果的重要手段。近年來，電生理學在體育科學領域的應用也逐漸深入和擴大，不僅可將常用的電生理學技術和方法應用于運動員訓練監控中，也可以從細胞水平觀察運動對膜電學特性的影響，從而揭示運動調控身體機能的細胞學機制。

思考題

1. 什么是電生理學，其研究領域包括哪些？

2. 簡述電荷、電壓、電流、電阻、電導、歐姆定律和電容的概念。

3. 試討論Luigi Galvani和Alessandro Volta兩位科學家觀點的正誤之處。

參考資料

[1]沃爾夫岡·施瓦茨，約格·雷迪根 [德]著. 電生理學基礎（第2版）[M]. 丁光宏，顧全保主譯. 上海：復旦大學出版社，2006.

[2]李泱，程芮. 離子通道學（第1版）[M]. 武漢：湖北科學技術出版社，2007.

[3]Cole KS. Dynamic electrical characteristics of the squid axon membrane [J]. Arch Sci Physiol，1949，3：253-258.

[4]Hodgkin AL，Huxley AF. A quantitative description of membrane current and its application to conductance and excitation in nerve [J]. J Physiol，1952，117：500-544.

[5]Hodgkin AL，Huxley AF，Katz B. Ionic currents underlying activity in the giant axon of the squid [J]. Arch Sci Physiol，1949，3：129-150.

[6]Hodgkin AL，Huxley AF，Katz B. Measurements of current-voltage relations in the membrane of the giant axon of loligo [J]. J Physiol（Lond），1952，116（4）：424-448.

[7]Marmont G. Studies on the axon membrane I. A new method [J]. J Cell Comp Physiol，1949，34（3）：351-382.

[8]Neher E，Sakmann B. Single-channel currents recorded from membrane of denervated frog muscle fibres [J]. Nature，1976，260（5554）：799-802.