重申，內容是鄙人翻譯自神經科學原理，僅供鄙人學習復習使用。

信息通過電和化學信號在神經元內部和神經元之間傳遞。瞬態電信號對於快速、遠距離傳輸時間敏感信息尤為重要。這些電信號受體電位、突觸電位和動作電位都是由流入和流出細胞的電流的暫時性變化產生的，這些變化將穿過細胞膜的電位從其靜息值趕走。

這種電流是由細胞膜上的離子通道控制的。根據離子通道在神經元信號傳導中的不同作用，我們可以區分兩種類型的離子通道：靜息離子通道和門控離子通道。靜息通道通常是開放的，不受外界因素的顯著影響，例如跨膜電位。它們在維持靜息膜電位（在沒有信號的情況下跨膜電位）方面起著重要作用。相反，大多數門控通道在膜靜止時是關閉的。它們的開放概率由我們在最後一章考慮的三個因素調節：膜電位的變化、配體結合或膜拉伸。

在這一章和接下來的幾章中，我們將討論如何在神經元中產生瞬態電信號。我們首先討論靜息離子通道如何建立和維持靜息電位。我們還簡要描述瞭靜息電位被擾動的機制，從而產生瞬態電信號，如動作電位。

靜息膜電位是細胞膜電荷分離的結果

每個神經元的細胞膜上都有一個電荷分離區，由分佈在細胞膜內外表面的一小片正負離子組成（圖7-1）。在靜止狀態下，神經細胞膜的外側有過多的正電荷，內側有過多的負電荷。如第6章所述，由於膜的脂質雙層阻止瞭離子的擴散，電荷的分離得以維持。電荷的分離會引起跨膜電位或電壓的差異，稱為膜電位。膜電位（Vm）定義為：

V_{m}= V_{in} - V_{out}

其中，Vin是內部的電勢，Vout是外部的電勢。

fig 7.1 膜電位是細胞膜正負電荷分離的結果。

靜息細胞的膜電位稱為靜息膜電位。根據慣例，細胞外的電位被定義為零，因此靜息電位（Vr）等於Vin。它通常在神經元的范圍是-60毫伏到-70毫伏。所有的電信號都涉及到由於離子通道的打開和關閉而引起的跨細胞膜電流的變化引起的靜息膜電位的短暫變化。

流入和流出電池的電流由帶正電（陽離子）和帶負電（陰離子）的離子攜帶。電流方向通常被定義為正電荷的凈運動方向。因此，在離子溶液中，陽離子沿著電流的方向運動，陰離子則相反。當陽離子或陰離子凈流入或流出細胞時，靜止膜上的電荷分離受到幹擾，改變瞭膜的極化。電荷分離的減少，導致膜電位的負性降低，稱為去極化。電荷分離的增加，導致膜電位的負性增加，稱為超極化。不導致門控離子通道開放的膜電位變化稱為電離子電位，被稱為膜的被動反應。超極化反應幾乎總是被動的，就像小的去極化一樣。然而，當去極化接近一個稱為閾值的臨界水平時，細胞會隨著電壓門控離子通道的打開而積極響應，電壓門控離子通道在閾值處產生全部或無動作電位。

我們開始通過分析單個離子通過靜息通道的被動通量如何產生靜息電位來研究膜電位。然後我們將能夠理解不同類型離子通道的選擇性門控如何產生動作電位，以及受體和突觸電位。

靜息膜電位由靜息離子通道決定

神經細胞膜兩側沒有一種離子均勻分佈。在細胞膜兩側最豐富的四種離子中，Na+和Cl-在細胞外更為集中，K+和有機陰離子（A-）在細胞內更為集中。有機陰離子主要是氨基酸和蛋白質。

離子的不均勻分佈提出瞭幾個重要問題。離子梯度如何影響靜息膜電位？它們是如何維護的？是什麼阻止瞭離子梯度通過被動（靜止）通道在膜上擴散而消散？這些問題是相互關聯的，我們將通過考慮兩個膜通透性的例子來回答它們：膠質細胞的靜息膜（僅對一種離子具有通透性）和神經細胞的靜息膜（對三種離子具有通透性）。為瞭討論這個問題，我們隻考慮靜息離子通道，它們總是開放的。

膠質細胞中的靜息通道隻對鉀有選擇性

膜對單個離子種類的總選擇性取決於細胞中各種離子通道的相對比例。最簡單的例子是神經膠質細胞，其靜息電位約為-75毫伏。在這裡，膜上絕大多數靜息通道隻對K+有滲透性。結果，靜止狀態下的膠質細胞膜幾乎完全能被K+離子滲透。膠質細胞內部有高濃度的K+和帶負電的有機陰離子，外部有高濃度的Na+和Cl-。

這些離子梯度是如何產生膠質細胞的膜電位的？由於K+離子在細胞內的濃度很高，膠質細胞對K+離子有選擇性的滲透，K+離子傾向於從細胞內擴散到細胞外，降低其化學濃度梯度。結果，膜的外部積累瞭正電荷（由於K+的輕微過量）和內部積累瞭負電荷（由於K+的不足和由此產生的負電荷的輕微過量）。由於相反的電荷相互吸引，膜外多餘的正電荷和膜內多餘的負電荷在膜的任一表面局部聚集（見圖7-1）

fig 7.3 K+的跨膜通量由K+濃度梯度和跨膜電位共同決定。

K+在細胞外的擴散是自限制的。K+擴散導致的電荷分離產生電位差：

主動的外部，被動的內部。K+繼續流動越多，電荷分離越多，電位差越大。由於K+帶正電荷，這種電位差傾向於反對K+的進一步流出。因此，離子受到兩種驅動力的作用：

（1）化學驅動力，取決於穿過膜的濃度梯度；

（2）電驅動力，取決於穿過膜的電位差。一旦K+擴散到某一點，在膜上就會產生一個電位，在這個電位下，驅動K+進入細胞的電能正好平衡瞭驅動K+離子離開細胞的化學力。

也就是說，K+的向外運動（由其濃度梯度驅動）等於K+的向內運動（由跨膜電位差驅動）。這種電位稱為鉀平衡電位，EK（圖7-3）。在隻對K+離子有滲透性的細胞中，EK決定靜息膜電位，在大多數膠質細胞中，靜息膜電位約為-75mv。

任何離子X的平衡勢都可以由1888年德國物理化學傢Walter Nernst特根據基本熱力學原理導出的方程式計算得出：

E_{x}=frac{RT}{zF}lnfrac{[X]_{o}}{[X]_{i}}

其中R是氣體常數，T是溫度（開氏度），z是離子的價，F是法拉第常數，[X]o和[X]i是電池內外離子的濃度。（準確地說，應該使用化學活性而不是濃度。）由於在25°C（室溫）下RT/F為25 mV，從自然對數轉換為基數10對數的常數為2.3，因此Nernst方程也可以寫成：

E_{x}=frac{58mV}{1}lnfrac{[X]_{o}}{[X]_{i}}

到目前為止，在我們的討論中，我們把離子沿其化學梯度擴散產生靜息電位作為一種被動機制，這種機制不需要細胞消耗能量，例如通過水解ATP。然而，正如我們將在下面看到的，能量（和ATP水解）需要建立初始濃度梯度，並在神經元活動期間維持它們。

神經細胞中的靜息通道對幾種離子有選擇性

用細胞內電極測量靜息膜電位和用放射性示蹤劑進行通量研究表明，與神經膠質細胞不同，靜息神經細胞除瞭對K+離子有滲透性外，還對Na+和Cl-離子有滲透性。在神經細胞中豐富的離子種類中，隻有大的帶負電荷的蛋白質和氨基酸不能滲透到細胞膜。三種滲透離子（Na+、K+和Cl-）的濃度梯度如何維持在單個細胞的膜上，這三種梯度如何相互作用以確定細胞的靜息膜電位？

要回答這些問題，首先最簡單的方法是隻研究K+和Na+的擴散。讓我們回到一個簡單的例子，一個隻有K+通道的細胞，其K+、Na+、Cl-和a-的濃度梯度如表7-1所示。在這些條件下，靜息膜電位Vr僅由K+濃度梯度決定，等於Ek（-75mv）（圖7-4A）。

現在考慮一下，如果膜上加入一些靜息的Na+通道，使其對Na+有輕微的滲透性，會發生什麼。兩種力量作用在Na+上，將其推入細胞。首先，Na+在細胞外比在細胞內更為集中，因此它傾向於沿著化學濃度梯度流入細胞。第二，鈉離子被膜上的負電位差驅動進入細胞（圖7-4B）。正電荷（Na+）的註入使細胞去極化，但僅與K+平衡電位（-75mv）稍有不同。新的膜電位不接近+55mv的Na+平衡電位，因為膜上有比Na+更多的靜息K+通道。

fig 7-4 細胞的靜息電位由開放的不同類型離子通道的相對比例以及它們的平衡電位值決定。

當膜電位從K+平衡電位開始去極化時，K+通量在膜上不再處於平衡狀態。驅動K+進入細胞的負電動力的減少意味著K+將有一個凈流出細胞，趨向於抵消Na+的流入。膜電位越去極化，越遠離K+平衡電位，驅動K+離開電池的電化學力越大，因此K+流出量越大。最後，膜電位達到一個新的靜息電位，在這個電位下，K+的向外運動正好平衡Na+的向內運動（圖7-4C）。該平衡點（通常為-60 mV）遠離Na+平衡電位（+55 mV），僅略高於K+（-75 mV）的平衡電位。

要瞭解平衡點是如何確定的，請記住離子通過細胞膜的通量大小是其電化學驅動力（濃度梯度引起的電驅動力和化學驅動力之和）和膜對離子的電導的乘積：

一個細胞有相對較少的靜息Na+通道，因此在靜息狀態下，對Na+的電導相當低。因此，盡管有巨大的化學和電力驅動Na+進入細胞，但Na+的流入量很小。相反，由於K+通道較多，膜電導相對較大。因此，在靜息膜電位作用於K+的較小凈向外力足以產生與Na+內流相等的K+外流。

鈉和鉀的被動通量是通過主動泵送離子來平衡的

為瞭使細胞具有穩定的靜止膜電位，跨膜電荷分離必須保持恒定。也就是說，正電荷的流入必須通過正電荷的流出來平衡。如果這些通量不相等，穿過膜的電荷分離和膜電位將不斷變化。正如我們所看到的，K+通過靜息通道從細胞中的被動運動平衡瞭Na+進入細胞的被動運動。然而，由於Na+和K+梯度最終會下降，導致靜息膜電位降低，因此這些穩定的離子泄漏不能在任何明顯的時間內無對抗地繼續下去。

Na+-K+泵阻止瞭離子梯度的耗散，它使Na+和K+逆其凈電化學梯度移動：它在吸收K+的同時從細胞中擠出Na+。因此，泵的運轉需要能量。能量來自ATP的水解。因此，在靜息膜電位下，細胞不是處於平衡狀態，而是處於一種穩定狀態：存在著持續的Na+被動流入和通過靜息通道的K+流出，這正是由Na+-K+泵平衡的。

Na+-K+泵是一種具有Na+、K+和ATP催化結合位點的大跨膜蛋白。Na+和ATP的位點位於細胞內表面，K+的位點位於細胞外表面。在每個循環中，泵水解一個ATP分子。然後它利用這個能量擠出三個Na+離子，並引入兩個K+離子。Na+和K+離子的流量不相等導致泵產生凈向外離子電流。因此，該泵被稱為電動泵。這種由泵驅動的正電荷向外的通量傾向於使膜產生一個比上述簡單的被動擴散機制更大的負電位。

氯離子可以被動分佈

迄今為止，我們忽略瞭氯離子（Cl-）對靜息電位的貢獻，盡管許多神經細胞的靜息膜上有開放的Cl-通道。這種簡化對於沒有電化學梯度上Cl-主動轉運機制的神經細胞是有效的。在這些牢房裡

靜息電位最終由K+和Na+通量決定，因為細胞內的K+和Na+濃度由主動轉運（Na+-K+泵）固定，而細胞內的Cl-濃度僅受被動力（電位和濃度梯度）的影響。因此，氯離子在膜上的運動趨向於平衡，因此ECl等於靜息電位Vr，而靜息時沒有氯凈通量。

在許多神經細胞中，Cl-梯度是由一種叫做Cl-轉運體的完整膜蛋白控制的。就像鈉鉀泵一樣，它催化離子沿著電化學梯度穿過膜而不形成連續的孔。與Na+-K+泵不同，運輸過程不需要ATP水解。雖然在運輸過程中沒有使用化學鍵能，但是Cl-轉運體可以利用儲存在預先存在的離子濃度梯度中的能量來改變Cl-，以用於不同類型的離子-一種稱為次級活性運輸的過程。例如，一種Cl-轉運體將一個Cl-離子的向外運動與一個K+離子的向外運動耦合起來。由於K+的電化學梯度是向外的，能量有利的向外K+通量能夠驅動能量不利的向外Cl-通量。因此，Cl-的內外比大於單獨被動擴散的結果。增大Cl-梯度的作用是使Cl-離子的平衡電位總體上比靜息膜電位負。（記住，Cl-的價（z）是-1。）

引起靜息膜電位的離子通量平衡在動作電位期間被取消

在靜止的神經細胞中，穩定的Na+內流被穩定的K+外流平衡，因此膜電位是恒定的。然而，當膜去極化超過產生動作電位的閾值時，這種平衡就會改變。一旦膜電位達到這個閾值，電壓門控Na+通道迅速打開。膜對Na+滲透性的增加導致Na+內流超過K+外流，產生正電荷的凈內流，導致進一步去極化。去極化的增加導致更多的電壓門控Na+通道打開，導致Na+大量湧入，從而進一步加速去極化。

這種再生的正反饋循環爆炸性地發展，將膜電位推向+55mV的Na+平衡電位：

然而，膜電位從未完全達到這一點，因為K+的流出在整個去極化過程中持續。少量的氯離子註入細胞也抵消瞭鈉離子註入的去極化趨勢。然而，許多電壓門控的Na+通道在動作電位上升階段打開，使得細胞對Na+的滲透性遠大於對Cl-或K+的滲透性。因此，在動作電位的峰值處，膜電位接近Na+平衡電位，就像在靜止時（當對K+的滲透性占主導地位時），膜電位趨向於接近K+平衡電位。

在Na+平衡電位附近，膜電位將無限期地保持在這個大的正值，但對於兩個使膜復極的過程，從而終止作用電位。首先，隨著去極化的繼續，電壓門控Na+通道的數量在失活過程中逐漸閉合（見第6章和第9章）。其次，電壓門控K+通道的開放導致K+流出逐漸增加。K+磁導率的增加比Na+磁導率的增加慢，這是因為電壓門控K+通道的打開速度較慢。K+流出的延遲增加與Na+流入的減少相結合，從細胞產生正電荷的凈流出，持續到細胞重新極化到其靜止膜電位為止。

不同離子對靜息膜電位的貢獻可用Goldman方程定量

盡管Na+和K+通量設定瞭靜息電位的值，但Vm不等於EK或ENa，而是介於兩者之間。一般來說，當Vm由兩種或兩種以上的離子決定時，每種離子的影響不僅取決於細胞內外離子的濃度，還取決於離子穿過膜的難易程度。在電流流動方面，膜的電導（1/電阻）提供瞭一個方便的測量離子穿過膜的容易程度的方法。另一個方便的測量方法是膜對離子的滲透性（P），單位是厘米/秒。這個測量方法類似於擴散常數，它測量溶液中溶質的運動速度。膜電位對離子滲透性和濃度的依賴性由Goldman方程定量給出：

此公式僅在Vm未更改時適用。它指出，特定離子種類的濃度越高，其膜透性越大，其在決定膜電位方面的作用就越大。在極限條件下，當一個離子的磁導率非常高時，Goldman方程就退化為該離子的能斯特方程。例如，如果PK>>PCl或PNa，如在膠質細胞中，方程式變成

神經元的功能特性可以用等效電路來表示

Goldman方程是有限的，因為它不能用來確定膜電位變化對滲透性變化的響應速度。此外，不方便確定單個Na+、K+和Cl-電流的大小。這個信息可以通過一個從電路中導出的簡單數學模型來獲得。在這個被稱為等效電路的模型中，神經元的所有重要功能特性都由一個電路表示，該電路僅由導體或電阻器（代表離子通道）、電池（代表相關離子的濃度梯度）組成，和電容器（膜儲存電荷的能力）。等效電路為我們提供瞭一個直觀的理解，並定量地描述瞭電流是如何由於離子的運動而在神經細胞中產生信號的。開發電路的第一步是將膜的離散物理特性與其電特性聯系起來。

每個離子通道都是平行的導體和電池

如第6章所述，膜的脂質雙層是離子電流的不良導體，因為它對離子不可滲透。即使是一個大的電位差也幾乎不會產生電流流過純脂質雙層。以典型脊髓運動神經元的細胞體為例，其膜面積約為10-4cm~2。如果膜僅由脂雙層構成，其電導僅為1ps左右，但實際上，膜中含有數千個離子不斷擴散的靜息離子通道，因此靜息膜的實際電導約為40000ps或40×10-9s，即40，比沒有離子通道時大1000倍。

d261905cc8ea1119eaaee1f8c1dd8e02fig 7-5 單個K+通道的電特性。

在等效電路中，每個K+通道可以表示為離子電流的電阻或導體，單通道電導為γK（電導=1/電阻）（圖7-5）。如果沒有K+濃度梯度，通過K+通道的電流將由歐姆定律給出：iK=γK×Vm。由於通常存在一個K+濃度梯度，將有一個化學力驅動K+穿過膜。在等效電路中，這種化學力由電池表示，電池的電動勢由K+，EK的能斯特勢給出（圖7-6）。（電勢的來源稱為電動勢，由化學勢差產生的電動勢稱為電池。）

fig 7-6 化學力和電力對電流的影響。

在膜上沒有電壓的情況下，正常的K+濃度梯度將導致K+電流向外流動。根據我們對電流流動的約定，正電荷的向外運動對應於正電流。從能斯特方程中，我們還發現當一個帶正電荷的離子，如K+的濃度梯度向外（即細胞內的K+濃度比細胞外的高）時，該離子的平衡電位為負。因此，僅因濃度梯度而流動的K+電流由iK=-γK×EK給出（需要負符號，因為負平衡電位產生正電流）。

最後，對於既有膜電壓又有K+濃度梯度的真實神經元，由電和化學驅動力產生的電流之和給出凈K+電流：

術語Vm-EK被稱為電化學驅動力。它決定瞭離子電流的方向和電流的大小。這個方程是歐姆定律的一種修正形式，它考慮到通過膜的離子電流不僅由穿過膜的電壓決定，而且還由離子濃度梯度決定。

到目前為止，我們用兩個術語來表示離子穿過膜的能力：滲透性和電導。雖然它們是相關的，但我們應該小心不要混淆它們。膜對離子的滲透性是膜的固有特性，是衡量離子通過膜的難易程度（單位為厘米/秒）。滲透性僅取決於膜中離子通道的類型和數量。另一方面，電導測量薄膜（或通道）攜帶電流的能力（單位為1/歐姆）。由於電流是由離子攜帶的，所以膜的電導不僅取決於膜的性質，而且還取決於溶液中離子的濃度。膜對K+離子有很高的滲透性，但如果溶液中沒有K+離子，就不會有K+電流，因此膜的電導為零。實際上，在Goldman方程中使用磁導率，而在電測量和等效電路中使用電導。

fig 7-7

一個細胞膜有許多靜止的K+通道，所有這些通道都可以組合成一個等效電路，由一個與電池串聯的導體組成（圖7-7）。在這個等效電路中，所有K+通道（gK）的總電導，即細胞膜在靜息狀態下的K+電導，等於靜息K+通道數N乘以單個K+通道的電導（γK）：

由於等效電路中的電池僅依賴於K+的濃度梯度，且與K+通道的數量無關，因此其值為K+，EK的平衡電位（圖7-7）。

用等效電路模型計算靜息膜電位

膜的等效電路模型包括電池、導體、電容器和電流發生器

fig 7-8

與靜息K+通道的數量一樣，所有靜息Na+通道都可以由單個導體與單個電池串聯來表示，靜息Cl-通道也可以這樣表示（圖7-8）。由於K+、Na+和Cl-通道占瞭靜止細胞膜的大部分被動離子電流，我們可以通過將這三個通道合並到神經元的簡單等效電路中來計算靜止電位。為瞭構建這個電路，我們隻需要將兩端代表每種類型通道的元件與代表細胞外液和細胞質的元件連接起來。細胞外液體和細胞質都是很好的導體，因為它們有相對大的橫截面積和許多可攜帶電荷的離子。兩個都可以用短路來近似——一個零電阻的導體（圖7-9）。

d2fc656e81ea00b7067281204efd6dc6fig 7-9

加入電流發生器可以使神經元的等效電路更加精確。如本章前面所述，通過被動膜通道的Na+和K+離子的穩定通量正好被Na+-K+泵驅動的主動離子通量抵消，該泵每泵入兩個K+離子，就從細胞中擠出三個Na+離子。這種依賴於ATP的電動泵能使離子電池保持充電狀態，可以以電流發生器的形式添加到等效電路中（圖7-10）。

c380117cbd10e3d32ad45cce6b6f063bfig 7-10

最後，我們可以利用神經元的第三個重要的無源電特性電容來完成神經元的等效電路。電容是電非導體（絕緣體）的特性，當非導體的相對表面保持在電位差時，電容允許電荷的儲存。對於神經元來說，非導體（或電容器）是細胞膜，它將細胞質和細胞外液分開，兩者都是高導電的環境。嚴格地說，膜是一個漏電容器，因為它被離子通道穿透。然而，由於離子通道的密度較低，脂質雙層膜的絕緣部分所占面積至少是所有離子通道面積的100倍。膜電容包含在圖7-10中的等效電路中。

電容器上的電位差V表示為

式中，Q是電容器每側的正電荷或負電荷的過量，C是電容。電容是以法拉為單位測量的，在法拉電容器上，1庫侖的電荷分離產生1伏的電位差。

神經細胞膜電容的典型值約為膜面積的1μF/cm~2。直徑為50μm，靜止電位為-60mv的球形胞體膜分離出的正負電荷的過剩量為29×106個離子盡管這個數字看起來很大，但它隻代表細胞質內溶液中正電荷或負電荷總數的一小部分（1/200000）。大部分細胞質和胞外液是電中性的。

總結

脂質雙層實際上對離子不敏感，它是一個絕緣體，將細胞質和細胞外液這兩種傳導液分開。離子隻有通過細胞膜上的離子通道才能穿過脂質雙層。當細胞處於靜止狀態時，進出細胞的被動離子通量是平衡的，因此跨膜電荷分離保持恒定，膜電位保持在靜止值。

神經細胞靜息膜電位的值主要取決於靜息通道對K+、Cl-和Na+的選擇性。一般來說，膜電位最接近膜透性最大的離子的平衡電位。離子種類的滲透性與允許離子通過的開放通道的數量成正比。

靜息狀態下，膜電位接近K+的Nernst電位，K+是膜透性最強的離子。然而，膜對Na+也有一定的滲透性，因此Na+的註入使膜電位對K+Nernst電位略為正。在這個電位下，作用在K+上的電和化學驅動力不再平衡，因此K+擴散出細胞。這兩個被動式流動均由鈉鉀泵驅動的主動流動平衡。

氯化物是從一些（但不是全部）細胞中主動泵出的。當它不是，它是被動分佈，以便在細胞內外平衡。在大多數生理條件下，細胞內外Na+、K+和Cl-的體積濃度是恒定的。在信號傳導過程中，膜電位（動作電位、突觸電位和受體電位）的變化是由膜對這三種離子的相對通透性的實質性變化引起的，而不是由離子體積濃度的變化引起的，這些變化可以忽略不計。這些由門控離子通道的打開引起的滲透性變化，引起瞭跨膜凈電荷分離的變化。

附錄——用神經元的等效電路模型定量分析神經元特性

暫時略