摘要
理解大脑中神经细胞之间的交流是理解大脑如何工作的关键。神经细胞之间的交流涉及从一个细胞发出的化学信息，这些信息在接收细胞中被翻译成电活动。这种电活动是神经细胞和整个大脑的核心语言。一个细胞释放的化学信息如何导致另一个神经细胞的电活动?我们是如何发现这一点的?让我们一起潜入神经细胞通信的激动人心的世界。我将告诉你们我们的实验，这些实验使我们能够在脑离子通道中找到最基本的电活动成分。离子通道的发现为理解大脑和心脏等其他器官电活动的起源铺平了道路。这一发现为开发治疗各种与电有关的疾病(如癫痫和心率障碍)的药物提供了新的见解。
Bert Sakmann教授与Erwin Neher共同获得了1991年诺贝尔生理学或医学奖，以表彰他们在细胞中单离子通道功能方面的发现。
细胞如何相互交流?
你的身体和其他生命体都是由细胞构成的，细胞是生命的基本组成部分。每个细胞既是一个独立的单元，有自己独立的功能，也是整个多细胞生物(如大脑和心脏)的一部分，需要以协调的方式运作。每个细胞都被一个清晰的物理边界所包围，称为细胞膜，它将细胞内容物与外界(细胞外)环境和其他细胞隔开。膜允许每个细胞有一个确定的内部环境，并执行自己的专门功能。但是，由于单个细胞是一个更大结构的一部分，大多数细胞，尤其是神经细胞，必须与其他细胞通信。如果细胞被细胞膜屏障隔开，它们是如何相互交流的?有几种机制允许细胞相互交流。最常见的一种方式，也是我们在这里要重点讨论的方式，是细胞向接收细胞发送一种化学信使物质[1］．通过检测这种物质，接收细胞“知道”信号是从另一个细胞发送给它的，并相应地做出反应。
神经细胞间的通讯
神经细胞大脑的基本组成部分，”说“电的语言”。在每一个特定的时刻，每个神经细胞都表现出特定的电活动，产生一组被称为尖刺的短暂电脉冲。与其他活跃神经细胞的大型网络一起，在大脑中产生了一个完整的“电子交响乐”。我们大脑中大型神经细胞网络中的这种电活动与我们行为和经历的各个方面相关;我们的行为，思想，感情和记忆。
神经细胞是如何相互交流来创造这样一个协调的“电子交响乐”的?神经细胞之间的通信比其他细胞之间的通信更复杂，因为它包括化学和电子成分。这种交流发生在细胞之间的一个特定的接触位置突触，并由两个基本步骤组成。首先，发送细胞分泌(释放)一种叫做a的化学物质神经递质［1，进入发送细胞和接收细胞之间的细胞外空间(间隙)。当神经递质到达时(通过扩散)在接收细胞中，它与特定的受体结合，因此，离子开始流过这个细胞的膜。因此，在接收细胞内产生电活动(图1)．
- 图1 -突触神经细胞间的信息传递。
- 神经细胞之间的交流发生在细胞之间被称为突触的特定接触位置。首先，传递(突触前)神经细胞(细胞A)释放一种化学物质，称为神经递质，进入细胞之间的小空间。神经递质穿过这个间隙，并与接收(突触后)神经细胞(细胞B)结合。因此，突触后细胞细胞膜上的离子通道打开，离子开始流经，产生一种称为尖刺的电信号(右边蓝圈)。
神经细胞中的离子和膜通道
大脑中的大部分电流是由一小群神经元产生的离子-特别是四个。这些离子中有三个带正电(钠离子)Na+、钾-K+，钙-Ca++一个带负电荷(氯-)Cl-)．这些离子可以通过神经细胞的膜进出。当他们这样做的时候，他们改变电势在细胞膜两侧之间。这些通过神经膜的电势的快速变化是神经细胞所使用的基本电“字”(或“位”)产生的基础;这种电信号叫做尖刺(图1)．你可以把脉冲想象成一个非常短的闪电——一个短暂的(1毫秒，也就是千分之一秒)和微小的(十分之一伏特，或100毫伏)电脉冲，在神经细胞活跃时发生。
这些离子是如何穿过神经细胞的膜屏障来产生电活动的?一个细胞释放的神经递质如何转化为接收细胞的电活动?离子必须有某种途径穿过接收电池的绝缘膜。当我开始研究这一领域时，离子通过神经细胞膜的机制并不清楚。
我和同事Erwin Neher教授一起发明了一种特殊的实验技术[2]，我们发现离子做通过膜的两侧之间，根据他们化学梯度．我们发现离子通过膜上的小“孔”，称为孔。这些小孔是蛋白质，作为连接细胞内外的通道。由于离子是通过这些小孔的物质，所以它们被称为离子通道（图2)．我们发现离子通道对神经递质的反应是快速打开和关闭。特定离子通道的打开和关闭(例如，钠离子通道)+离子或K+离子)能使离子在细胞膜上流动。这种电流反过来又改变了膜上的电势。作为回应，接收信号的细胞产生了闪光的脉冲——大脑中基本的电“词”。
- 图2 -神经膜中的离子通道。
- 离子通道(紫色)是由蛋白质组成的孔，位于神经细胞的膜内。在接收(突触后)细胞上(见图1)这些通道通常是关闭的(左)，但它们会对突触前细胞释放的神经递质做出反应而打开(右)。膜离子通道的打开使得离子(橙色球)在膜上流动，这是在神经细胞中产生电活动的基本机制。
离子通道的发现:膜片钳技术
当内赫教授和我开始研究神经细胞中的离子流时，我们考虑了两种可能起作用的主要离子运输机制。第一种机制涉及转运分子。根据这一理论，细胞膜上的特定分子一次“捕获”一个离子，将其从细胞外传递到细胞内，并在细胞内释放。这种机制已知发生在其他身体过程中，如在能量产生过程中，营养分子穿过细胞膜通过运输的分子。
我们考虑的第二种可能的机制，后来被我们的实验所证实，是膜中存在针对特定离子的离子通道。这些通道可能是打开的，也可能是关闭的。当打开时，电流可以在膜的两侧之间流动，将细胞的外部环境连接到其内部环境(图2)．为了研究这一机制是否在产生尖刺期间负责离子进出细胞的运输，我们必须研究离子通过单个离子通道穿过膜时产生的电活动。为了做到这一点，我们必须分离出神经细胞膜的一个非常小的区域，或“补丁”，希望测量通过这个小补丁中可能存在的单个离子通道的电流。如果离子通道存在，那么我们将期望测量与离子通道的打开和关闭相对应的某种电活动模式，这与使用运输分子在膜上移动离子时所期望的电活动模式不同。
要进行这种电流测量，我们必须克服两个主要挑战。首先，我们必须测量在一小片薄膜中流过膜通道的离子，而不损失任何电流。这是困难的，因为如果记录设备没有紧紧地密封在膜上，离子穿过膜通过通道可能在进入检测设备之前从侧面逃逸。因此，我们需要确保离子穿过膜被强制流过探测器。
第二个挑战是区分流经神经细胞膜的两种电流。事实证明，薄膜总是具有电活性——这种现象被称为背景噪声。背景噪声表现为持续的电活动，这与响应神经递质而通过膜的离子流动相关的电活动不同。背景噪声与我们想要从单个膜通道的开口测量的电流相比可能非常大。因此，我们必须找到一种方法来降低背景噪声，使其不会压制(或“掩盖”)流过单个离子通道的电流。
我们通过使用一种非常薄的玻璃管来解决这两个挑战，这种玻璃管被称为移液器，其尖端直径约为1微米(1/ 1000毫米)。图3一)．移液管的另一端有一个安培计，用来测量电流。移液管的尖端被强烈地压在一小块细胞膜上，并施加吸力，在移液管尖端和细胞膜之间形成非常紧密的接触，以确保不会发生离子泄漏。从如此小片的膜上记录也减少了背景噪声，因此，改善了通过离子通道的离子流动的记录。
通过离子通道的电流流
当没有神经递质存在时，我们发现没有电流通过通道，只观察到轻微的背景噪声(图3 b)．当神经递质与膜结合时，离子通道以阶梯状的方式非常迅速地打开，使几皮安培的微小电流得以流动1穿过膜[2- - - - - -4］．神经递质的释放导致通道再次关闭(图3 b)．我们发现离子通道保持打开或关闭的时间只有毫秒(一毫秒是千分之一秒)，并且由于神经递质分子的零星结合，离子通道打开状态的持续时间和通道打开之间的时间间隔都是不同的。如你所见图3 b时，电流流过明渠时的幅值相当恒定。
在测量了流过膜片的微小电流并进行了一些计算后，我们估计每毫秒大约有10,000个离子穿过小片膜。这告诉我们离子通道的打开，而不是离子的运输通过运输分子，是使离子穿过细胞膜的机制!运输分子太慢，无法以如此高的速度运输离子穿过膜。这是一个重要的发现，因为它证实了离子通道的存在和功能，作为产生神经细胞中电活动(包括刺突)的基本机制。这些离子通道也负责在其他“易兴奋”组织中产生电活动，如外周肌肉和心脏。
此外，了解膜离子通道的功能是很重要的，因为许多神经系统疾病(以及心脏和其他身体组织的疾病)是由于离子通道功能障碍。因此，新的术语“通道病”2是用来描述由离子通道功能缺陷引起的(非常大的)疾病家族的。基于膜离子通道及其功能的发现，我和同事Erwin Neher教授在1991年获得了诺贝尔医学或生理学奖。
给年轻人的建议
首先，我将告诉你我从我的科学导师伯纳德·卡茨教授那里学到的最重要的事情，他也获得了1970年的诺贝尔生理学或医学奖。他教会了我，你需要对你的结果非常挑剔，并随时准备接受新的发现，这些发现可能会推翻你以前的发现——尽管这可能令人不快。我试着把这一课传授给我的学生，教他们对自己的成绩要有批判性。特别是在生物组织中，有许多我们无法控制的影响，必须加以考虑。因此，当我的学生有了新的发现时，我建议他们先保密一段时间，然后重复他们的实验，一次又一次地试图证明他们的结果是无效的。只有在他们完全确信这些结果是正确的时候，他们才应该公布他们的结果。
从更普遍的生活观点来看，在我看来，好的生活是这样一种生活，在这种生活中，你有事情要思考，让你有机会追随自己的好奇心，并有可能发现新的东西。在其他人看来，好的生活可能意味着赚很多钱或被别人认可，这也完全没问题。我认为成为一名科学家是你能做出的最好选择，但前提是你对自然充满好奇。不要因为你认为科学家是一个迷人的职业而试图成为科学家。如果你的内心没有强烈的求知欲，最好选择另一种职业——一种能让你找到答案的职业做让你充满兴奋和激情。
额外的材料
术语表
神经细胞：↑大脑的主要细胞组成部分。神经细胞产生大脑的电活动。
突触：↑两个神经细胞之间的接触点，由一个小间隙组成，化学物质——神经递质——从发送细胞(突触前细胞)传递到接收细胞(突触后细胞)。
神经递质：↑一种从一个神经细胞释放出来并被另一个神经细胞接收的化学物质，使神经细胞之间能够交流
扩散：↑粒子无方向地从一个地方移动到另一个地方的自发运动过程。manbetxapp在线登录
离子：↑带正电荷或负电荷的粒子
电势：↑两点之间的电荷差，在我们的例子中是膜的两边。带正电荷的离子会从正电荷多的一侧流向正电荷少的一侧。
化学梯度：↑一种物质在不同地点的浓度差异。这些物质，在我们的例子中，膜两侧的离子，沿着梯度“向下”移动，从浓度较高的一侧移动到浓度较低的一侧。
离子通道：↑细胞膜上由蛋白质组成的小孔(孔)，当它打开时，能使离子进出细胞。
利益冲突
作者声明，这项研究是在没有任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或财务关系的情况下进行的。
致谢
我要感谢诺亚戈夫作为本文的基础进行的访谈，以及共同撰写论文。
脚注
1.↑皮安培(pA)被用来测量非常微小的电流——1pa等于10-12年安培。
2.↑请看这里关于由离子通道功能障碍引起的疾病组https://en.wikipedia.org/wiki/Channelopathy．
参考文献
[1]↑卡茨，1971。神经递质释放的量子机制。科学．173:123-6。
[２]↑Neher, E.和Sakmann, B. 1992。膜片钳技术。科学。点。266:44-51。
[3]↑哈米尔，O. P.和萨克曼，B. 1981。胚胎肌细胞中单个乙酰胆碱受体通道的多导态。自然．294:462-4。
[4]↑鲍曼，J.，哈米尔，O. P.和萨克曼，B. 1987。甘氨酸和γ -氨基丁酸在小鼠培养脊髓神经元通道中阴离子渗透的机制。j .杂志。385:243 - 86。