2008-08-30

[專欄] 探索神經系統之鑰--電生理與神經科學 (上)

台大動物所 嚴震東教授 撰

電生理曾經是神經科學的主流派,風騷一時。現在風頭雖已讓賢,電生理仍有無可取代的重要性。本文整理說明電生理的歷史、原理、應用並策勵將來。

生物電的發現

會發電的魚是人類最早期接觸到的生物電。早在紀元前古希臘人就注意到:地中海電賁(torpedo,見圖一) 會使人發麻。蘇格拉底講演的魔力就被形容成torpifying;羅馬帝國時代時常用電魚的電來治頭痛和痛風。例如痛風的治療方法如下:「當任何種類痛風發作時,病人必須站在海邊潮濕的沙灘上,腳底下放一隻黑色的活電賁。病人要這樣站著直到他的腳一直麻到膝蓋為止。」

圖一:台灣常見的兩種電賁;日本電賁(左)和木氏木鏟電賁(右)。

隨著十八世紀電學的發展,人們漸漸了解電魚麻人的原因。一些決定性的實驗證實了電魚放出來的是電。例如卡文迪西(Cavendish)把萊頓瓶埋在濕沙裡,人站在上面,麻木的感覺一如埋入電賁的效果。又如華爾希(Walsh)證明南美電鰻放出的電,也可以像萊頓瓶放電時一樣產生火花(電賁的電壓不夠高,即使南美電鰻一百伏特電壓產生的火花也只有在理想狀況下才能觀察得到)。
電魚的例子證明了有些生物會發電。1791 年,義大利的加瓦尼(Galvani)發現:以金屬碰觸青蛙的神經會造成肌肉的收縮。他的解釋是:儲藏在肌肉中的電能,由於被金屬連通了的神經之導引而釋放出來。1792 年,伏打(Volta)重複了同樣的實驗,卻做了完全不同的解釋。
伏打認為不同種類的金屬彼此接觸,產生了電,神經肌肉只是被動的導電體。雖然加瓦尼在兩年後證明不用金屬,將切斷的神經碰觸潮濕的組織就可以引起肌肉收縮,可見電必然產生自青蛙本身,但是因為當時政治情勢的影響,加瓦尼被侵略義大利的拿破崙逼下了教席,抑鬱以終。
另一方面,伏打在1801 年發表了舉世震驚的伏打電池(見圖二)。這個源源不絕,收放自如的直流電來源,是十九世紀中電化學、電磁學快速進展的利器。伏打學術地位在當時如日中天,因此神經肌肉中電的問題,直到半個世紀後才再被提出重新研究,證實神經細胞和肌肉細胞都能夠發電。


圖二:左圖中為最早的電池,伏打電池,由一層層兩種交錯疊放的金屬板構成。
右圖為一小塊電賁的發電器官,一層層的肌肉細胞上密布了神經末梢。

生物電的原理

圖三利用神經肌肉的例子,來解釋生物電的基本原理。神經細胞,受到電刺激(例如兩種不同金屬半電池連接後產生的電)後,會產生一個0.1 伏特(電壓的單位,為了紀念伏打,稱為伏特(Volt)),稱為動作電位的電訊號。這個電訊號沿著軸突傳送到神經肌肉聯會,引起聯會處的神經末梢釋放化學訊號---乙醯膽鹼。乙醯膽鹼擴散到肌肉細胞,使得肌肉細胞也產生動作電位。肌肉細胞的動作電位造成肌肉快速一致的收縮。所以,加瓦尼和伏打都發現了一部分的答案:如同伏打的解釋,兩種不同金屬的接觸產生了電流,刺激了神經。但是神經和肌肉並不只是導線而已,如同加瓦尼的解釋,它們儲藏了電能,能夠主動產生電訊號:動作電位。



圖三:神經細胞(N)和肌肉細胞(M)。兩者以神經肌肉聯會(j)溝通。
左上插圖為神經肌肉聯會的電子顯微鏡切片放大圖,可以看見神經末梢
在聯會的部分(N)中有計多小囊泡,儲藏有乙醯膽鹼。

為什麼電魚會發電?為什麼切斷的神經與組織液接觸,會造成神經的興奮?我們必須倒退一步分析動作電位產生的原因。每個細胞都有完整的細胞膜。細胞膜主要是兩層脂肪分子,帶了電的離子必須經由細胞膜上特殊的管道--離子通道--才能穿過細胞膜。因為細胞膜上離子唧筒的作用,細胞內外的離子分布極為不同。細胞內鉀離子多,細胞外溶液裡鈉離子多。
在平時,細胞膜上只有一些鉀離子通道是打開著的,細胞內高濃度的鉀離子會向細胞外流出來一些。正離子流到細胞外,造成細胞內外有個約0.1 伏特內負外正的電位差,稱為細胞膜的「極化現象」 (Polarization)或「靜止膜電位」:細胞在休息、靜止時就具有的膜電壓。
神經細胞和肌肉細胞為什麼會產生動作電位呢?主要的關鍵在,這兩種細胞的細胞膜上有特殊的鈉離子通道。這些鈉離子通道的開閉,是由膜電壓的高低來控制的。在細胞靜止、極化時,鈉離子通道處於關閉狀態。當神經細胞或肌肉細胞被興奮起來,例如神經肌肉聯會附近一小塊肌肉細胞的細胞膜,被乙醯膽鹼興奮起來時,細胞膜的極化現象消失(或稱去極化)。
這裡的膜電壓提高造成附近細胞膜上鈉離子通道打開,細胞外高濃度的鈉離子順著濃度梯度流向細胞內,造成這些部位的細胞膜也非常迅速的去極化;這些細胞膜的去極化,又影響更遠的細胞膜上的鈉離子通道開啟,使得更遠的細胞膜去極化,如此接續蔓衍,直到去極化波傳遍了整個細胞。
鈉離子通道還有個特殊的性質:在去極化的狀況下,它只打開電光石火的千分之一、二秒時間。因此這個去極化的變化非常短暫。這個短暫的,約0.1 伏特的膜電壓變化就是動作電位(見圖四)局部細胞膜上的動作電位,會像星火燎原一樣,引起附近細胞膜產生新的動作電位,均勻的影響整個細胞。


圖四:動作電位和局部電位。(A)實驗的配備--肌肉細胞中插入三個玻璃微電極,
一根用來通電剌激,第二根紀錄通電電極附近的電訊號,第三根紀錄兩公分外
的細胞電訊號。(B)兩種強度的電剌激結果,小的剌激產生局部電位,只有#1 電
極紀錄到微小的變化;大的刺激產生動作電位在#1 及#2 電極,均紀錄到變化幅
度相同(-7OmV 至+5OmV)的動作電位。


為什麼切斷了的神經與肌肉組織接觸會使神經產生動作電位,因而興奮了肌肉,造成肌肉的收縮呢?神經被切斷時,細胞膜上開了個大洞,受傷部位細胞膜極化現象崩潰,因此切斷本身就是個刺激。斷面受傷的組織收縮,刺激不久便消失。如果將神經的斷面與完好的組織(如肌肉)的組織外液接觸,則軸突的細胞內液又直接連通了細胞外液,好像是將電池的正負極用導線接通了一樣,立刻又產生電流,造成新的刺激。
極化的細胞就像是一個個小電池。平時雖然有些漏電,但是離子唧筒可以將離子捉回原位。電賁的或電鰻的發電器官都是肌肉特化而成,一個個肌肉細胞排列得非常整齊,上面布滿了神經(見圖二B),就像是串聯在一起的許多小電池。當電魚準備要發電攻擊敵人時,它的腦部下達命令,通往發電器官的神經興奮起來,使得肌肉細胞細胞膜上的離子通道打開,小電池們一起放電。雖然每一個小電池只有0.1 伏特的電壓,不到毫安培的電流量,但是億萬個串聯、並聯著的小電池一起發動,電力就很可觀了。動作電位是一定大小,傳布整個細胞的電訊號。另外一大類的電訊號較小,不一定能引起動作電位的變化,只影響到細胞的一小部分,稱為「局部電位」(local potential,見圖四)。例如神經末梢釋放乙醯膽鹼,在肌肉細胞上造成的膜電壓變化;又如腦中其他神經傳遞物質在突觸後細胞膜的影響。局部電位可正可負,有興奮性的,也有抑制性的。

註:本文原載科學月刊。

2 則留言:

  1. 請問為什麼神經細胞被比喻成不好的電線?

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  2. 是因為都是可以傳導電訊號,所以很像電線的功能。

    我不知道"不好"是什麼,基本上神經細胞的功能與電線是有差異,所以不能直接比較。

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