发现动作电位的发生机制——Alan Hodgkin & Andrew Huxley
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文：庚润
编辑：X君
今天，我们来介绍1963年的诺贝尔生理学或医学奖得主：Alan Hodgkin和Andrew Huxley关于动作电位发生机制的研究。
Alan Hodgkin（1914-1998）和Andrew Huxley（1917-2012）都出生在学术世家。其中，Hodgkin是霍奇金淋巴瘤的发现者Thomas Hodgkin的后代，而Huxley则是生物学家Thomas Huxley的后代。Hodgkin和Huxley是校友，二人先后毕业于剑桥大学三一学院。1939年，22岁的Huxley接受了Hodgkin的邀请，在位于普利茅斯的海洋生物协会进行关于细胞导电性的研究。他们把细的毛细管电极插入枪乌贼的巨轴突细胞中，并第一次从细胞内记录到了动作电位（图1）。
图 1 插入枪乌贼巨轴突细胞的电极（A），从细胞内记录的动作电位（B）
然而，在Hodgkin和Huxley仅合作了几个月后，第二次世界大战爆发，二人的工作被迫中止。在战争期间，Hodgkin参与设计了飞行员的氧气面罩和军用雷达，Huxley则参与设计了射击瞄准系统。
战争结束后，Hodgkin和Huxley再次合作。虽然二人已经记录到了动作电位，但他们仍不清楚动作电位的发生机制。由于每次动作电位持续的时间极短，仅为1ms左右，为了能够研究不同膜电位条件下细胞膜电流和膜的通透性，一种神经生理学中常用的实验技术——电压钳应运而生（图2）。
电压钳的工作原理是先设置一个目标电位，并将一个电极插入细胞膜内，将另外一个电极置于细胞膜外的液体中，这样就可以测量细胞膜的膜电位，同时，把测量的膜电位值与目标电位值作对比，如果二者不相等，就通过向细胞膜内注入或流出电流的方式逐渐调整测量值，直至测量值与目标值相等，并记录神经细胞为了使得测量值与目标值相等而产生的膜电流。Hodgkin和Huxley利用电压钳技术将细胞膜电位固定，进而记录电流的变化。这项技术在动作电位的建模及离子通道的动力学特性研究中起到了非常关键的作用。
图 2 电压钳的工作原理
电压钳实验发现，在膜电位一定的条件下，膜电流并不是一定的，如图3所示。根据欧姆定律，Hodgkin和Huxley发现细胞膜的电阻是变化的，而这个变化的电阻就是细胞膜通透性变化的体现。根据Nernst方程，膜电位是由细胞膜内外的离子浓度决定的。那么，细胞膜的通透性又是由什么决定的呢？作为一种半透膜，绝大部分离子都是通过位于细胞膜上的离子通道进出的。Hodgkin和Huxley猜测，细胞膜通透性的改变源于离子通道开启数量的改变。
图 3 利用电压钳技术记录的电流
为了研究这个问题，Hodgkin和Huxley利用电压钳把膜电位从-65 mV钳至0mV，他们发现电流先向内流，再向外流。如果把膜外的钠离子浓度减少至0，再测量电流，他们发现膜电流的内流消失了，而只会外流。当再恢复膜外钠离子的浓度至正常水平时，膜电流的内流又出现了（图4）。这说明，膜电位的改变导致的膜电流内流是由钠离子的内流导致的。
图 4 膜外钠离子浓度的变化对膜电流的影响
那么，是否只有钠离子发生了流动呢？在图4A中，随着时间的增长，膜电流逐渐趋近1mA / cm^2，在图4B中，去除了膜外的钠离子后，在同样的时间内，膜电流虽然变低了一些，但仍然有大量的离子流出，这些流出的离子后来被证实为钾离子。
基于以上的实验，Hodgkin和Huxley发现了动作电位的发生机制。即当神经细胞受到足够大的兴奋性电流刺激后，细胞膜电位升高，同时细胞膜的通透性（即电导）也发生改变，造成大量的钠离子内流，使得膜电位进一步升高，膜电位到达峰值后，钠离子不再内流，而钾离子开始大量外流，造成膜电位的降低，直至回到静息态。
神经元的动作电位能否用一个物理模型来模拟出来呢？答案是肯定的，神经元膜电位、膜电流和膜对离子的通透性（膜电导）可以用一个RC电路来表示，如图5所示。
图 5 细胞膜的RC电路模型
在这里，无离子通道部分的细胞膜相当于一个电容Cm,每种离子的平衡电位（平衡状态下膜内外离子浓度产生的电位差）相当于一个驱动电源Eion（驱动力随膜电位距离平衡电位的增加而增加），离子通道相当于电导gion。根据Kirchhoff电流守恒定律，注入神经元细胞的电流 I 可以写成：
其中
我们再重新写一下公式：
值得一提的是，后来的实验证明，钾离子通道确实是由4个子单元组成的蛋白质。Hodgkin和Huxley通过拟合的方法准确的猜出了钾通道的蛋白质结构，不得不说这是一项非常伟大的工作。Hodgkin和Huxley利用Hodgkin-Huxley模型对枪乌贼的巨轴突细胞的膜电位进行了计算，发现计算结果与真实实验的测量结果十分一致（图6）。二人也因此获得了1963年的诺贝尔生理学或医学奖。
图 6 A. 用Hodgkin-Huxley模型计算出的动作电位（上）和真实的动作电位（下）；B. Hodgkin和Huxley用于拟合计算的计算机
Hodgkin-Huxley模型的提出是神经科学和数学的完美结合，其精确的描述了动作电位产生过程中离子通道的动力学特征。Hodgkin-Huxley模型也是计算神经科学领域的奠基性发现，这让科学家们可以通过模拟的方法探究单个神经元的放电模式及神经微环路的动态调控机制，并使得精确的大脑模拟成为可能。
Hodgkin和Huxley自1939年开始合作，期间因为战争原因间断了6年的时间，一直到1952年提出Hodgkin-Huxley模型。两人的成功并非偶然，在这一伟大模型的背后必然少不了勤奋的实验工作和严谨的治学精神。在合作的过程中，Hodgkin擅长控制系统的设计，而Huxley则擅长数学的推算，这种优势互补的合作方式也是二人成功的重要原因之一。神经科学是一门交叉学科，需要数学家、物理学家、生物学家、化学家和医学家的共同合作，我们应该学习Hodgkin和Huxley的科研态度和合作理念，虽然诺奖离我们比较遥远，但梦想总是要有的，万一实现了呢。
参考文献：
[1]. Hodgkin AL & Huxley AF (1939). Action potentials recorded from inside a nerve fibre. Nature 144, 710–711.
[2]. Hodgkin AL & Huxley AF (1952). Currents carried by sodium and potassium ions through the membrane of the giant axon of Loligo. J Physiol 116, 449–472.
[3]. Schwiening, C. J. (2012). A brief historical perspective: Hodgkin and Huxley. The Journal of physiology, 590(11), 2571-2575.
[4]. Neuroscience, Third Edition; Purves, Augustine, Fitzpatrick, Hall, Lamantia, McNamara, Williams (Sinauer, 2004)
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