第二节 电生理学的历史

生物电活动是机体一种基本的生命现象，它产生的基础是细胞膜上离子通道活动的总和效应。从生物电现象的发现到如今对离子通道功能与结构如此深入的了解，电生理学走过了200多年的历程。

一、电生理学的创立

据记载，人类首次发现的生物电现象为某些鱼类的电器官的放电现象。早在古埃及尼罗河中，曾有一种猫鱼可产生高达350 V的电压脉冲，在埃及北部塞加拉坟墓中的浮雕（约2750 a.Chr）中就有猫鱼图像的记载。公元1世纪时，人们又发现Torpedo电鳐可以通过其电器官产生电压脉冲，电鳐在捕食时先对水中动物施加震击，使之麻痹。虽然当时人们并不了解电现象的产生原理，但是他们却开始利用这些动物的放电来治疗疾病。罗马帝王Claudius时代（公元41～54年）的Scribonius Largus曾详细记录了电鳐的使用方法，他描述了人们将电鳐置于体表或将手脚伸入装有电鳐的水缸，以此来治疗头痛病。经过几个世纪，这种疗法传遍了整个欧洲。

1769年Boncroft指出电鳐和电鲇都能放电，并将它们的放电力与莱顿瓶组的放电力相比较，1772年Walsh发现了电鲇放电的部位，不过那时对动物电的认识只限于少数几种电鱼，对其他动物体内是否有放电现象并不了解。1776年，Walsh成功地以光闪的形式展示了电器官的放电现象，这一结果向那些否认放电现象的电本质的科学家们证实了生物放电现象的存在，并标志着电生理学学科的创立。

1791年意大利解剖学家Galvani发现，如果将蛙腿的肌肉置于铁板上，再用铜钩钩住蛙的脊髓，当铜钩与铁板接触时肌肉就会发生收缩（见图1-2-1）。他把这个现象的发生归因于机体的“动物电”（animal electricity）。他认为神经与肌肉带有相反的电荷，肌肉带正电，神经带负电，金属导体的作用是把神经与肌肉之间的电路接通。同时代的意大利物理学家Volta不同意Galvani的见解，他认为实验中发现的电现象，不是神经和肌肉带有电荷，而是由于实验中连接肌肉和神经的金属不同所致。他认为，是两块金属弓的两端之间产生了电位差，由此产生的电传递到了肌肉细胞。如果用同一种金属作导体，收缩就不会发生。事实上，Volta和Galvani的观点都有其正确的一面。Volta后来还进行了一系列实验，并根据自己的解释发明了伏特电池。伏特电池与电器官的结构非常相似，它是由锌和铜的圆碟组成，相邻的圆碟用浸有海水的布间隔，然后叠合构成。

这场科学争论继续进行，Galvani为了答复Volta，在1794年又进行了一个更加出色的实验。在无金属参与的情况下，他将一个肌肉标本横断，又将另一个神经肌肉标本的神经干搭在横断肌肉上，并使之跨越肌肉的完好面和损伤面，结果该神经支配的肌肉产生收缩，证实了没有金属回路情况下肌肉也可以出现收缩，从而说明动物电的确存在，这是第一次观察到生物电存在的电生理实验。但是直接测量到生物电的实验是在电流计发明之后。

二、电生理学的发展

电生理学的进一步发展有赖于电学仪器的不断进步。

1825年意大利物理学家Nobili发明电流计。

1837年意大利物理学教授Matteucci用电流计在肌肉的横断面与未损伤部位之间，测量到电流流动，电流是从未损伤部位流向横断面的，所以横断面呈负电位，当肌肉收缩时，这种电位差随即消失。

1848年德国生物学家Du Bios-Reymomd证明，这种负变化也出现在神经活动中。他发展了刺激技术（感应圈）和记录技术（利用电流计），发现了生物电的两种基本形式：静息电位和动作电位。从此，具有60年历史的Galvani和Volta的争论得到了最终的解决。

1850年Helmholtz测定了神经传导速度，他用很简单的实验测出了蛙的传导速度仅为20～30 m/s。

19世纪末至20世纪初，电化学理论的迅速发展为解释生物电现象奠定了基础。1902年，德国Bernstein采用细胞外记录法对蛙的坐骨神经腓肠肌标本做实验，提出了膜学说（membrane theory），指出细胞膜两侧带电离子的分布和运动是产生生物电现象的原因。膜学说认为神经或肌肉的细胞膜只对钾离子有特殊的通透性，他提出静息电位的形成机制并指出动作电位实际上是静息电位的暂时消失，这一学说在1939年以前一直是电生理学的主要理论基础。

三、现代电生理学

1922年，Erlanger和Gasser把电子管技术应用于生物电的研究中，开始使用阴极射线示波器和电子管放大器，才彻底满足了记录生物电活动的需要，这标志着现代电生理学的开始。

1939年两位英国科学家Hodgkin和Huxley应用微电极技术，选择枪乌贼的巨轴突为测试对象，利用一根灌注海水的玻璃毛细管直接插入巨轴突膜内，另一极置于膜外，两电极之间仅隔一层膜，将两电极连接到放大器和示波器上，直接记录膜内外的电位差，他们的这项实验在修正膜学说的基础上，建立了动作电位的钠学说，阐明了神经冲动的传导理论，并成功地证明了电兴奋现象和动作电位的产生是缘于特定的离子电导变化，该结果使他们于1963年获得了诺贝尔奖。同时，这种细胞膜内记录技术的建立使电生理学研究进入了一个新的发展阶段。基于该项工作，Cole和Marmont（1949）发明了电压钳技术，之后Hodgkin、Huxley同Katz（1952）一起改进了该项技术。

另一个电生理学的里程碑应归功于Neher和Sakmann（1976），他们使用一种新型的电压钳技术，即膜片钳技术（patch clamp），使人们能够在分离的细胞膜片上测量到单通道电流，为从分子水平了解生物膜离子单通道的开、关动力学及通透性和选择性提供了直接手段。

四、我国电生理学的发展

我国电生理学起步较晚，在20世纪50年代以后才开始电生理学的研究与应用，随着科学技术的发展，电子技术的不断更新，现在电生理学已经成为我国生理学、药理学、生物医学工程、神经生物学、航天医学等研究领域的重要手段。

电生理学是科学发展的必然产物，它的进一步发展可能将由以下两个因素所决定。

（一）在科学和工业的其他领域中发展新的电子学测量和控制仪器，它们能直接为电生理学所应用，或者加以改进后应用。

（二）记录活体中电位的新技术的建立，特别是显微生理学方法、多级记录和生物电遥测技术。

五、电生理学的应用

电生理学在各领域得到越来越广泛的应用：

（1）微观世界的分析：物理学、形态学、生理学、生物学等；

（2）宏观世界的综合：航天科学、宇宙科学、整体生理学等；

（3）边缘学科交叉成的新学科：生物化学、病理生理学、神经生理学、免疫化学、遗传工程学、地球化学等。

电生理学在临床医学上的应用也十分广泛。目前，已利用电生理手段对健康人和患者在体表无创的情况下进行心电图、脑电图、肌电图、视网膜电图、胃肠电图等的检查，同时电生理手段也成为发现、诊断和估量疾病进程与治疗效果的重要手段。近年来，电生理学在体育科学领域的应用也逐渐深入和扩大，不仅可将常用的电生理学技术和方法应用于运动员训练监控中，也可以从细胞水平观察运动对膜电学特性的影响，从而揭示运动调控身体机能的细胞学机制。

思考题

1. 什么是电生理学，其研究领域包括哪些？

2. 简述电荷、电压、电流、电阻、电导、欧姆定律和电容的概念。

3. 试讨论Luigi Galvani和Alessandro Volta两位科学家观点的正误之处。

参考资料

[1]沃尔夫冈·施瓦茨，约格·雷迪根 [德]著. 电生理学基础（第2版）[M]. 丁光宏，顾全保主译. 上海：复旦大学出版社，2006.

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