身体里的神奇电路——神经电生理两百年探秘史(3)

3 物理化学为“膜理论”奠基（19世纪中到20世纪初）

由于灵敏物理设备的制成，人们可以测量到电冲动在神经纤维上的大小、位置，然而它究竟是怎么形成的，“动作电流”背后的机理是什么并不清楚。1902年，Emil du Bois-Reymond和Hermann von Helmholtz的学生Julius Bernstein（伯恩斯坦）在物理化学家Hermann Nernst（能斯特）的基础之上提出了神经电冲动的“膜假说”，并在1912年用“膜理论”解释了动作电位的产生机制[9]。此时，相距动作电位的发现已有60年之久，而在此之间电化学、溶液化学得到了充分的发展。

在伏打电堆发明的同一年（1800年）William Nicholson（尼科尔森）用其成功的电解了水[10]，于是电化学有了发展的基础。18世纪上半叶法国生理学家René Dutrochet（杜托息）[11] 在研究植物体内物质转运与扩散时发现了半透膜的渗透作用（osmosis），Wilhelm Pfeffer（普菲费尔）[12]根据对新陈代谢的研究做出了第一个人造半透膜，并用以研究渗透作用，他的研究在1877年发表（《Osmotische Untersuchungen》，关于细胞渗透的研究），影响深远。渗透[13]在早期的溶液化学中扮演着重要的角色；化学平衡、溶解平衡、渗透平衡其背后的动力学原理引起了许多物理、化学家的兴趣。终于，荷兰化学家Jacobus H. van 't Hoff（范霍夫）[14]在1885年发现了渗透压在低浓度溶液中与溶质的浓度和绝对温度成比例，热力学定律不但适用于气体，也同样适用于液体；瑞典化学家Svante Arrhenius（阿伦尼乌斯）[15]于1884年分析了电解质解离到水中形成极性相反的离子并朝不同方向运动，并以此解释伽伐尼电池，1888年他与van 't Hoff一起研究了电解质解离对渗透压的影响。在众多研究成果的鼓舞下，1887年，德国化学家Wilhelm Ostwald（奥斯特瓦尔德）和van 't Hoff一起创办了学术期刊《Zeitschrift für Physikalische Chemie》（物理化学学报）[14]，由此物理化学作为一门学科诞生了。在对物理化学的产生起到重要作用的科学家中可以数出许多生理学家的名字，而它的诞生也将反过来促进生理学的进步。

1889年，Hermann Nernst[16]在Ostwald的实验室里提出存在“电解质解离压”促使离子由电极进入溶液，它与“渗透压”的方向相反，同年他提出了著名的Nernst方程，描述了伽伐尼电池的电压与电池两极电解质浓度的关系。“离子浓度差”、“电解质解离压”、“渗透压”、“半透膜”、“负向变化”等等一系列信息在Julius Bernstein脑海中盘旋，终于，所有信息都综合到一起：神经细胞是一种半透膜，膜内外离子浓度不同，在没有电刺激时，膜内外的“渗透压”与“电压”处于平衡状态，施加电刺激时，膜外阳离子内流形成“负向变化”。Bernstein认为神经细胞内外钠离子、钾离子、氯离子存在着不同的浓度差，一般情况下细胞膜对钾离子具有最大的通透性，受到电刺激时则对所有离子都通透，他还提出了“跨膜电位”、“静息电位”、“去极化”、“超射”等创造性的概念描述神经细胞的电学性质[9]。Bernstein是19世纪神经电生理学研究集大成者，他不但发展了Reymond的电流记录技术，还综合运用最新的物理化学理论建立生物模型，为后世的神经电生理学发展提供了有益的范式[17]。