雙相動作電位和單相動作電位

張 銘

(華中師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 武漢 430079)

動作電位是可興奮細(xì)胞的標(biāo)志性特性，動作電位可通過細(xì)胞內(nèi)記錄的方式進(jìn)行測量。由于細(xì)胞內(nèi)記錄方式在實驗材料、實驗設(shè)備和實驗方法上均有較高的要求，一般采用神經(jīng)干標(biāo)本在細(xì)胞外記錄動作電位，以期展示興奮的產(chǎn)生與傳導(dǎo)的特性。在神經(jīng)干動作電位記錄的實驗中，通常記錄到的是雙相動作電位，其波形、大小與細(xì)胞內(nèi)記錄的動作電位明顯不同。那么，為什么會形成雙相動作電位呢？什么狀態(tài)下可以記錄到單相動作電位呢？在什么情況下，雙相動作電位的兩相的方向會翻轉(zhuǎn)呢？雙相動作電位的兩相之間的間隔形成的原因是什么？為什么會出現(xiàn)雙相動作電位中兩相大小的不對稱呢？本文試做一些分析。

1 細(xì)胞內(nèi)記錄與動作電位的測量

細(xì)胞內(nèi)記錄是研究細(xì)胞生理功能最為重要和有效的方法之一。教材中提到的靜息電位和動作電位都是由這種方法檢測或記錄的。細(xì)胞內(nèi)記錄的原理是：由于可興奮細(xì)胞細(xì)胞膜內(nèi)外離子的種類及其濃度的不同，且細(xì)胞膜在不同狀態(tài)下對不同離子的通透性不同，故細(xì)胞在靜息時和興奮時細(xì)胞膜兩側(cè)的電位差呈現(xiàn)明顯的不同。當(dāng)兩個電極其一個插入胞內(nèi)，一個留在胞外(正極在胞內(nèi)，負(fù)極或參考零電位點在胞外)時，可記錄到細(xì)胞膜兩側(cè)的電位差。靜息時測得的細(xì)胞膜兩側(cè)內(nèi)負(fù)外正的電位差，稱為靜息電位；而動作電位是由靜息到興奮直至興奮完成時細(xì)胞膜電位的整個變化過程，表現(xiàn)為一個標(biāo)準(zhǔn)的動作電位。不同的可興奮細(xì)胞的靜息電位是不一樣的，骨骼肌細(xì)胞約-90 mV；神經(jīng)元約-70 mV；紅細(xì)胞約-10 mV。興奮時，膜電位可出現(xiàn)內(nèi)正外負(fù)的反轉(zhuǎn)形成鋒電位，神經(jīng)纖維的鋒電位最高可達(dá)30 mV左右。在這種記錄方法中，測量電極是插入細(xì)胞內(nèi)的尖端不足1 μm的玻璃微電極，而金屬的參考電極置于細(xì)胞外，故稱為細(xì)胞內(nèi)記錄[1-5]。

2 細(xì)胞外記錄與雙相的動作電位

細(xì)胞外記錄不需要將電極插入細(xì)胞內(nèi)，這樣極大地簡化了實驗條件。此外，由于單個可興奮細(xì)胞標(biāo)本的制作與操作較為復(fù)雜和困難，因此大多數(shù)教學(xué)實驗都采用由很多神經(jīng)纖維組成的神經(jīng)干作為標(biāo)本，對其進(jìn)行細(xì)胞外記錄(本文中如無特別說明均指這種方法)。顯然，細(xì)胞外記錄不是直接記錄可興奮細(xì)胞的動作電位，而是記錄多個可興奮細(xì)胞產(chǎn)生動作電位時胞外的電位總的變化，是間接地反映興奮時跨膜電位的變化。實際上記錄的是兩個引導(dǎo)電極(記錄電極)之間的電位差，或探測電極尖端相對于參考電極的電位值[1]。所以，細(xì)胞內(nèi)記錄和細(xì)胞外記錄存在著本質(zhì)的區(qū)別。另外，細(xì)胞外記錄的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于細(xì)胞內(nèi)記錄[1-5]。

2.1 雙相動作電位的記錄 要記錄電信號必須要形成測量回路，生物電的測量也是如此。當(dāng)對神經(jīng)干動作電位進(jìn)行測量時，必須使用電流計或示波器(現(xiàn)代生理學(xué)實驗大多用計算機充當(dāng)或模擬示波器)形成測量電路，測量一個或多個電刺激所導(dǎo)致的神經(jīng)干動作電位。因神經(jīng)干由多根神經(jīng)纖維組成，所以動作電位由多根神經(jīng)纖維動作電位疊加形成，故稱神經(jīng)干復(fù)合動作電位[1]。

圖1 神經(jīng)干雙相動作電位的記錄

記錄神經(jīng)干動作電位時至少有一對刺激電極(圖1中未顯示)和一對記錄電極(圖1中的電極1和電極2)。一般情況下，記錄電極的前者為負(fù)極；后者為正極。刺激電流為直流電，當(dāng)刺激電極施加一個閾上刺激時，神經(jīng)干產(chǎn)生興奮(即動作電位)，動作電位可在神經(jīng)干上傳導(dǎo)并得以記錄下來(圖1)。興奮傳導(dǎo)時，記錄電極的電位變化如下：①當(dāng)興奮還未到達(dá)電極1下時，電極1和電極2的電位相等，電流計指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；②當(dāng)興奮傳導(dǎo)到電極1下方而未到電極2下方時，此時電極1下方的胞內(nèi)因陽離子內(nèi)流產(chǎn)生去極化而使電位相對于靜息電位時升高，由于細(xì)胞膜的電容特性，電極1處在胞外的電位相對于靜息電位時降低，電極2則不變，因此電極1下方電位較電極2下方低，電流計指針向電極1偏轉(zhuǎn)。如用示波器，可記錄到波形由基線向上偏轉(zhuǎn)；③當(dāng)興奮傳導(dǎo)到電極1和電極2之間時，電極1和電極2的電位相等，電流計指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)；④當(dāng)興奮越過電極1傳導(dǎo)到電極2下方時，此時電極2下方的胞內(nèi)因去極化而使電位相對于靜息電位時升高，而電極2在胞外的電位相對于靜息電位時降低，電極1則不變，電極2下方電位較電極1下方低，電流計指針向電極2偏轉(zhuǎn)，如用示波器可記錄到波形由基線向下偏轉(zhuǎn)；⑤當(dāng)興奮越過電極2而傳至其右側(cè)時，電極1和電極2的電位相等，電流計指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。整個過程在示波器上顯示為一個雙相動作電位[2]。

2.2 雙相動作電位中前后兩相方向的翻轉(zhuǎn) 在實驗中，只要調(diào)換兩個記錄電極的位置或極性，雙相動作電位中前后兩相的方向就可以翻轉(zhuǎn)。當(dāng)兩個記錄電極中負(fù)極在前(靠近刺激部位)正極在后時，可記錄到一個先正相后負(fù)相的雙相動作電位；當(dāng)兩個記錄電極中正極在前負(fù)極在后時，可記錄到一個先負(fù)相后正相的雙相動作電位。

2.3 雙相動作電位中前后兩相之間間隔的確定 任何興奮都有其產(chǎn)生或傳導(dǎo)的空間分布，其大小可用空間常數(shù)(從鋒電位衰減至其與靜息處電位差的1/e處的距離)作衡量指標(biāo)。當(dāng)兩個記錄電極間隔的距離小于刺激所產(chǎn)生的興奮空間時，雙相動作電位中前后兩相間沒有間隔(圖2)。如果兩個記錄電極間隔的距離大于興奮空間，雙相動作電位中前后兩相間有間隔；距離越大，間隔越大(如圖1所示)。

圖2 神經(jīng)干雙相動作電位中兩相的復(fù)合

2.4 雙相動作電位中前后兩相不對稱 神經(jīng)干動作電位是由許多神經(jīng)纖維形成的復(fù)合動作電位。神經(jīng)干中樞端神經(jīng)纖維數(shù)量較多，外周端神經(jīng)纖維數(shù)量較少，如果刺激在中樞端，則雙相動作電位中前后兩相不對稱，第一相幅度大第二相幅度小些。

圖3 神經(jīng)干單相動作電位的記錄

2.5 單相動作電位的形成 如果將電極2下的神經(jīng)干損傷，或在電極1和電極2之間用藥物或機械的方法阻斷(圖3)，電極2下不會產(chǎn)生變化，電流計只朝一個方向偏轉(zhuǎn)，示波器只能記錄到單相動作電位。

3 對兩道高考試題的解釋

例1 (2009年上海高考試卷第28題)：神經(jīng)電位的測量裝置如下圖所示，其中箭頭表示施加適宜刺激，陰影表示興奮區(qū)域。用記錄儀記錄A、B兩電極之間的電位差，結(jié)果如以下曲線圖。若將記錄儀的A、B兩電極均置于膜外，其他實驗條件不變，則測量結(jié)果是(C)。

解析：此題條件中可知，①電極A在細(xì)胞內(nèi)，為胞內(nèi)記錄，A為正極(胞內(nèi)記錄通常正極在細(xì)胞內(nèi))；②靜息時，A為負(fù)電位即靜息電位，電流計向左偏轉(zhuǎn)；③興奮空間小于A、B兩電極之間的距離；④產(chǎn)生興奮時，A相對于靜息時電位偏正，動作電位波形朝上。

因此，分析結(jié)果如下，①當(dāng)電極置于膜外時，興奮未到A時，A、B兩電極之間的電位差為0；②到A下時，A下膜內(nèi)為正膜外為負(fù)，電流計左偏，因A是正極，故波形向下；③興奮空間小于A與B的間距，兩相間有間隔；④到B下時，B下膜內(nèi)為正膜外為負(fù)，電流計右偏，波形向上。故選C。

此題可快速選定。因B選項不是雙相動作電位，基線也不對；A選項的基線不對，很快排除； 而D可通過興奮空間的大小排除。此外，如可判斷A為正極，很容易得出前一相動作電位是朝下的。如果題中將A和B兩個選項分別換成C和D選項的反向圖，那此題的難度會很大。此外，該題所提供的條件圖中動作電位的示意圖不是很準(zhǔn)確，超射的部分太大，與通常測量的神經(jīng)纖維靜息電位(-70 mV左右)和動作電位(鋒電位為30 mV左右)值有明顯的偏差[5]。

例2 (2010年海南高考第9題)：將記錄儀(R)的兩個電極置于某一條結(jié)構(gòu)和功能完好的神經(jīng)表面(如圖)，給該神經(jīng)一個適宜的刺激使其產(chǎn)生興奮，可在R上記錄到電位的變化。能正確反映從刺激開始到興奮完成這段過程中電位變化的曲線是(D)。

這道題給的條件很簡單，也很籠統(tǒng)，不考慮偏轉(zhuǎn)方向，也不考慮興奮空間的大小；題干對記錄電極沒有特別說明，故可理解為屬于通常情況，即胞外記錄的電極一般是前為負(fù)后為正；其選項也很簡單，就一個雙相動作電位。所以很容易選D。