神经信号的本质：电气传播信息的结构解析

经常拿脑和电子计算机进行对比，其理由在于，不管是脑，还是计算机，都是由称为神经细胞或者半导体的大量元件所组成的，并且元件之间的信息交换都利用电气现象来进行，有共同相似之处。实际上，只要使用万能表就可以很容易地测出电子回路里的电气信号，而脑内的电气信号也可以很容易地用金属电极来进行检测。但是，人脑和计算机的电气信号发生机制完全不同。生物体所发生的电气信号，并不是由于自由电子的移动所致，而是一种电气化学的现象。如果能够正确地理解这个现象，那么对于为什么神经的活动能够引发电气信号，相反，为什么外部的电气刺激又能够引发神经互动产生电气信号，这应该是引起工程师们浓厚兴趣的原因。

（1）神经细胞间的通信是利用离子浓度差产生的电位

1）细胞内外离子的浓度差梯度产生了电位差。

首先要说明生物体的电气信号发生源是什么。

细胞由细胞膜与外界隔开，如图1.5.21所示。细胞内外都充满了液体，其中的离子构成在细胞内外是不一样的，见表1.5.1。表中，浓度的单位为mM，大写的M在化学里表示mol/L，即每升摩尔；m表示毫，所以mM就是0.001mol/L，即每升毫摩尔的意思。细胞外的组成是NaCl溶液，因此，细胞外部Na⁺（钠离子）和Cl^-（氯离子）的浓度较高；而细胞内部K⁺（钾离子）的浓度较高，如果能够通过细胞膜来进行离子交换，由于离子的浓度不一样，当然会引起离子的流动倾向，亦即能够产生电动势，把相对于细胞外的细胞内的电位称为膜电位，这个膜电位能够传递神经情报，是神经信号之源。

图1.5.21 细胞内外存在着离子浓度差而产生电位

表1.5.1 细胞内外各离子的浓度

由于细胞内外存在着离子的浓度差，细胞外的高浓度Na⁺离子想进入细胞内，而细胞内的高浓度K⁺离子想走到细胞外面，只要离子有了稍许移动，就会产生电气梯度，已经移动的离子就有复原力量产生。这种电气梯度力和浓度梯度力要取得平衡状态，令细胞膜内侧的离子的浓度为A_in⁺，外侧的离子的浓度为A_out⁺，则有内恩斯特（Walther Hermann Nernst）的等式：

式中 E_A——细胞膜的内外平衡电位；

R——气体常数（J）；

T——绝对温度（K）；

F——法拉第常数（C）；

Z——离子的价数。

这个等式提供了离子平衡的数学条件，E_A称为内恩斯特电位，即为电气梯度，其值越高，浓度的梯度差就越大。

2）神经细胞内外的平衡电位是脑内电气信号的源泉。

下面，讨论存在多数的离子时，如何求解系统全体的平衡电位V_m。细胞内外主要的离子有K⁺、Na⁺、Cl^-。各个离子的内恩斯特电位为E_K、E_Na、E_cl。一般情况下，因为各种离子的内恩斯特电位即平衡电位并非一致，各离子受到电气化学的驱动力而运动，因此，各个离子，即使在平衡状态下也隔着细胞进行移动，离子运动所产生的电流分别为

式中，g_K、g_Na、g_Cl为不同的离子相对于细胞膜的电导率，单位是电阻的倒数Ω^-1，或者S。

在平衡状态下，系统全体的状态是细胞膜将内外离子群隔开，没有电流流动，即

归纳整理上述各式，则平衡电位V_m为

将表1.5.1中表示的细胞内外各浓度和导电系数的实测值（g_K=6.0nS，g_Na=1.0nS，g_Cl=2.0nS）代入上式，算出各离子的内恩斯特电位分别为：E_K=-75mV，E_Na=55mV，E_Cl=-60mV，系统全体的平衡电位为V_m=-69mV，称之为静止膜电位。此时观察电荷没有移动。之所以静止膜电位为负值，那是分极造成的，较静止膜电位为小的分极电位。相对来说，则把膜电位向正方向的变化称之为脱分极，膜电位向负方向的变化称之为过分极。

这样计算出来的电位差，就是脑和生物体的电气现象的源头。

（2）离子频道的开闭产生电气信号

1）离子通不过的“脂质二重膜”。上述细胞膜的两侧聚集了离子电荷以维持膜电位，因此，细胞膜具有电容器的特性。

细胞膜的主要成分是不溶于水的磷脂。磷脂的分子构造具有双亲媒介质特性，即兼具疏水性和亲水性。如图1.5.22所示，作为最稳定的构造脂质二重膜，由疏水基和亲水基夹在中间而形成，脂质二重膜的电导率很低，仅为1pS（=1TΩ=10¹²Ω），离子几乎不能通过。另外，细胞膜的容量很大，C=1μF/cm²。

图1.5.22 脂质二重膜和离子频道构成细胞膜

2）离子的通道“离子频道”。虽然脂质二重膜通不过离子，但如图1.5.22所示，在其膜内埋设有所谓“离子频道”的蛋白质。离子频道，如文字所表示那样，是离子的通道，因为它由蛋白质构成，所以具有复杂的几何构造。这个构造由于某种原因的变化，能够开启和关闭离子的通道。当离子能够通过时（离子通道打开），对离子来说细胞膜的电导率上升，反之，离子通道关闭时电导率下降。(www.xing528.com)

20世纪70年代后半期，列依亚和沙克曼研发成功补丁夹板法后，使离子频道的开闭特性的研究成为可能。如图1.5.23a所示，补丁夹板法把直径1μm左右的玻璃微小电极的尖端与细胞膜紧密接触，研究它的电导率。用这个办法切取试料（补丁），试料含有离子频道，如果在其上加上膜电位，就可以测量到膜电流。这个膜电流是离散的，只对应一个离子频道的开关（图1.5.23b）。如图1.5.23c所示，补丁内含有3个离子频道的话，可以取出膜电流的3个离散的数值来。因为在细胞膜上有无数个离子频道，膜电位呈现出连续的数值来。如果用电气回路来比喻的话，细胞膜就是DA变换器。用补丁夹板法测量出来的膜电流为几个皮安（pA）的数量级。为了正确地测量，必须将玻璃微小电极的尖端与细胞膜紧密接触，这个“贴片”的电阻达到千兆欧姆（10⁹Ω）数量级，称为千兆贴片。

图1.5.23 补丁夹板法

a）将细胞膜采样后施加电压 b）施加电压于细胞膜与发生的膜电流 c）测量膜电流的例子（补丁内有3个离子频道时）

细胞膜上埋有各种各样的离子频道，例如，离子频道的几何构造，决定了通过的离子的选择性，特别是随着膜电位的变化，离子频道的几何构造也有各种变化，为此，离子频道的开闭特性具有“膜电位依存性”。

这些离子频道的开闭特性，决定了细胞膜电导率的动力学。所以，一旦离子频道有开闭活动时，膜电位就发生变化。这是神经细胞进行信息处理的基本过程，是脑的电气信号的真相。

（3）膜细胞的活动被比喻成RC电气回路 把各离子的内恩斯特电位（E_K、E_Na、E_Cl）、细胞膜的容量（C）、各离子的电导率，综合起来考虑，发现膜电位的举动如图1.5.24所示，相当于由电阻和电容组成的等价电气回路（RC电路），但是，因为Na⁺和K⁺离子的电导率显示出复杂的特性，可以作为可变电阻器来考虑。

因为膜电流I是细胞膜的电容里流出的电流和各个离子频道里流动的电流的总和，所以

图1.5.24 细胞膜的“等价电气回路”

平衡状态下I=0，一旦有了外部输入（例如触突输入），I≠0。

（4）脉冲状活动电位的发生用来传送信息 在静止膜电位附近的状态下，各个离子的电导率的变化很小，因此用上面的微分方程式作为单纯的RC电路几乎就可以说明。即使在空间上，如图1.5.25a所示，对沿轴索进行的膜电位多点测量，在静止膜电位附近的膜电位立刻就衰减下来。

但是，一旦神经细胞的膜电位超过了一定的阈值，就会产生很大的电气脉冲，将此称为活动电位。阈值以下的膜电位变动虽然是模拟信号（图1.5.25b），活动电位是0或1的数字信号。一旦发生了活动电位，就会没有衰减地沿着细胞膜传播下去，见图1.5.25c。

为了说明活动电位的发生机制，早在1950年时就彻底研究了轴索的膜的特性。由于膜电位依存于各离子的内恩斯特电位和电导率，为了发生活动电位，膜的电导率应当表示出非线性的振摆曲线状，这里利用图1.5.26a所示的实验装置，尝试进行称为电位固定法的实验。在这个实验中，把膜电位控制用电极和测量被膜隔开的电流（膜电流），用电极插入轴索内，测量了相对于膜电位的步进应答膜电流。结果如图1.5.26b所示，K⁺离子的电导率伴随着时间的滞后成分显示出步进应答，它的变化很大，依存于膜的脱分极。另一方面，Na⁺离子的电导率虽然也依存于膜的脱分极，但它的应答是一晃而过，在几微秒里就回到了平衡状态附近。

图1.5.25 通过轴索传播的活动电位

a）轴索 b）静止膜电位附近的膜电位：模拟信号 c）超过底值的膜电位（活动电位）：脉冲状的数字信号

可以从膜的特性来说明活动电位，图1.5.26c表示发生活动电位时的Na⁺离子和K⁺离子的电导率。当细胞膜超过了阈值而脱分极时，首先，Na⁺离子的电导率临时出现增加，发展成脱分极，虽然这个脱分极是由正的反馈造成的，但一会儿，K⁺离子的电导率产生步进状增加，致使脱分极急剧减小，之后，膜电位由于K⁺离子的电导率变化时间延迟的成分过量，再退回到静止膜电位。把回到静止膜电位之前的过分极称为后过分极相。在后过分极相上神经细胞不能够发生新的活动电位，因此，活动电位的发生频度没有过大。

（5）小结 神经信号的主要内容有五个，都是重大发现。

1）在细胞膜的内外，离子的组成不同，由此产生起电力。

2）细胞膜的脂质二重膜，离子通不过，因此具有电容器的功能。

3）离子的移动，通过埋在细胞膜上的离子频道进行。

4）离子的移动（即膜电流）由离子频道的开闭特性所决定，所以可以把离子频道当成可变电阻器。

5）如果把脂质二重膜当成电容器，把离子频道当成可变电阻器来考虑，膜的特性可以用RC电路模型来比喻。膜电位呈现非线性函数特性，是由离子频道的开关特性所导致的（即可变电阻器的特性），从非线性函数特性的膜电位的变动（模拟信号），变换成活动电位（数字信号）。

（6）工程师们朴素的疑问——热力学第二定律与生命 静止膜电位是以细胞内外的离子浓度一直不变为前提条件的，大家会敏锐地觉得不合适，因为如果这个条件经常成立，永动机也就容易做了，这是违反热力学第二定律的。这样的系统，细胞内外的浓度差迟早都会消失，那么在生命体内如何才能保持一定的离子浓度呢？

图1.5.26 细胞膜电导率的膜电位依存症

a）实验装置 b）膜电流的步进应答电导率 c）活动电位发生时的电导率和膜电位

首先，试观察一下产生活动电位所必须依赖的离子移动，假设神经细胞的直径为20μm，因为细胞的表面积约为10^-5cm²，膜容量为10^-11 F，所以，产生100mV的电位差必须要有10^-12C的电荷。为此，1价离子具有电荷量为96500C/mol，必须要有10^-17 mol的离子电荷移动才行。另一方面，假定细胞内的K⁺离子浓度为400mM时，由于细胞的体积约为4×10^-12cm³，所以细胞内存在1.6×10^-12 mol的K⁺离子。这比起产生100mV的电位差所需要的电荷移动量来说要大5位数之多。离子的移动，虽然会对膜电位产生很大影响，但是对离子浓度的影响却很小。

不过，如果经过一定的时间以后，细胞内外离子的浓度差终究还是要消失的。不管是仅有几天寿命的毛毛虫，还是活一百年的乌龟，所有动物的一生中，要保持细胞内外的浓度差，应当总有什么道理存在吧。

道理之一是离子泵的存在。离子泵对细胞内外的浓度差进行能动地调节。例如，Na⁺和K⁺交换的泵能够逆浓度差梯度而动作，将3个Na⁺离子排出到细胞体外，又将2个K⁺离子吸入细胞体内。事实上，这个泵所消耗的能量，据说占到脑基础代谢的50%之多。细胞内外离子浓度之差的维持，并没有违反热力学第二定律，还是要消耗能量的，不过，这需要消耗很大的能量才能维持离子的浓度差。