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神经生理约 17 分钟阅读

1952：霍奇金与赫胥黎怎样把膜电流写成钠、钾和漏电

1952年8月28日，《生理学杂志》117卷把枪乌贼巨大轴突上的膜电流分成钠电流、钾电流和漏电流。模型里最大钠电导为120、最大钾电导为36、漏电导为0.3。18.5°C下数值解给出18.8米每秒，同类纤维测到21.2，两者接近但并不相等。

动作电位膜电流钠电导钾电导

1952年8月28日，艾伦·霍奇金（Alan Hodgkin）与安德鲁·赫胥黎（Andrew Huxley）在《生理学杂志》（The Journal of Physiology）117卷第4期、第500–544页，发表定量描述膜电流、并把它用于神经的传导与兴奋的那一篇。收稿日期是1952年3月10日。单位是剑桥生理实验室。论文写明：它结束一组关于巨大神经纤维表面膜电流的论文，把结果写成数学形式，并说明这些方程能在定量上说明传导与兴奋。测量的是枪乌贼 Loligo 的巨大轴突上的膜电流。本页只保存已经发表的分解、方程，以及计算和实测的对照，不写成可以照着做的操作。

这里的安德鲁·赫胥黎（Andrew Huxley）不是托马斯·亨利·赫胥黎（Thomas Henry Huxley）。后者是十九世纪的博物学家，没有参与这组膜电流论文。把两个赫胥黎收成一个人，后面的奖、方程和轴突都会被安到错误的生平上。

定量论文的收稿日期早于4月28日那四篇的刊出日期。作者说它结束这一组，指的是文献上的收束：把已经做完的膜电流结果写成方程。这不等于8月的文章是读完四篇印刷本之后才送出的。3月10日已经在编辑部，8月28日才印出来。刊期和收稿日期要分开读。

五篇不是一篇，也不是一张蛋白的照片

第一个误解，是以为1952年已经看见了离子通道蛋白。没有。这组论文看见的是膜电流，以及由电流换算出来的电导，怎样随膜电位和时间改变。通道蛋白长什么样，不在这些记录里。膜片钳是后来的事，本页不写它的操作。把方程里的门控变量说成当时已经按蛋白零件点数过，是把后来的分子图提前贴到这一年。

第二个误解，是把这一年的五篇收成一篇。定量描述是8月28日的117卷，页码500–544，作者只有霍奇金与赫胥黎。4月28日还有四篇，都在116卷第4期，对象同样是 Loligo 的巨大轴突，但它们不是同一篇文章的四个小节。其中测量电流–电压关系的那一篇，署名是霍奇金、赫胥黎与 Bernard Katz，页码424–448。定量描述那篇没有 Katz。Bernard Katz 在系列的第一篇上有署名，不在把方程收束起来的那一篇上。

第三个误解，是把这些记录当成哺乳动物有髓鞘轴突的直接测量。论文对象是枪乌贼的巨大轴突。跳跃传导不在这组数据里。有髓鞘纤维上，电信号从一个结跳到下一个结，依赖的是另一套结构、另一组实验。把那套图景读回 Loligo 的膜电流，会让1952年的方程替一个它没有测量的结构负责。

第四个误解，是把计算速度18.8说成等于实测21.2。在18.5°C，数值解给出18.8米每秒，同一类纤维上测到21.2米每秒。两者接近，但并不相等。讨论把差异留在那里。这是计算与测量的对照，不是公式推出了精确相等。本页不再加别的速度，免得用另一类纤维的数字把这个缺口填平。

第五个误解，是把1963年的诺贝尔生理学或医学奖写成只属于这篇枪乌贼论文，或者写成 John Eccles 做了同一个实验。奖由 John Eccles、Alan Hodgkin、Andrew Huxley 三人分享。官方理由是发现了神经细胞膜外周与中枢部分兴奋和抑制的离子机制。Eccles 的工作是突触抑制，不是这组巨大轴突上的膜电流。把整份奖收成枪乌贼实验，会把抑制从获奖理由里删掉。

4月的四篇各自问什么

四篇都刊在1952年4月28日的116卷，页码彼此相接，问题并不相同。第一篇与 Bernard Katz 合写，页码424–448，测量的是膜的电流–电压关系：膜电位处在不同水平时，穿过表面膜的电流怎样走。这一篇的问题是这条关系本身。Bernard Katz 的署名停在这里。后面三篇和8月的定量描述都不再有他。

第二篇只有霍奇金与赫胥黎，页码449–472，问钠离子与钾离子各自携带的电流。膜电流被分成由钠携带的一份和由钾携带的一份。这一步仍然是离子身份：哪一段电流跟着哪一种离子走。它还不是把门控随时间的形状写成幂，也还不是传导速度的数值解。

第三篇，页码473–496，分析膜电导的成分。电导不是电流本身。系列后来的写法里，某一离子的电流等于该离子的电导乘以膜电位与它的平衡电位之差。电导可以变，推动离子的那一段电位差是另一件事。把「电流变了」直接说成「平衡电位变了」，会把这两个因素重新粘上。由氯和其他离子构成的那一小份漏电流，要到8月的定量描述里才与钠、钾并列为第三项，不要提前写进这一篇的标题。

第四篇，页码497–506，写膜电位对钠电导的双重效应。去极化并不只把钠电导打开。同一方向的电位变化，还会在较慢的时间尺度上把钠电导收回。钠电流因此是一过性的：先起来，再落下去。钾电导的上升更慢，但在去极化维持的时候它保持在升高的水平。这些变化是分级的。去极化可以更强或更弱，电导的变化跟着走，而不是只有开和关两档。复极化可以把这些变化反过来。第四篇钉住的是钠电导上这一对方向相反的效应，不是整条轴突的传导速度。

8月怎样把膜电流写成三项

8月28日的定量论文把前面的结果收成一套数学形式。离子电流分成三份：钠电流、钾电流，以及由氯和其他离子构成的小漏电流。钠电流等于钠电导乘以膜电位与钠平衡电位之差。钾电流和漏电流用同样的差，只是各自的电导和各自的平衡电位。实验提示，钠电导和钾电导随时间与膜电位改变。钠、钾和漏电的平衡电位、膜电容、漏电导，可以当作常数。

总膜电流密度等于电容电流，加上钠项、钾项和漏电项。电容电流是膜电容 C 乘以膜电位对时间的变化率，写成 C dV/dt。通行转写把膜电位记为 V，总膜电流密度记为 I。钠项是钠电导乘以 (V − E_Na)，钾项是钾电导乘以 (V − E_K)，漏电项是漏电导乘以 (V − E_L)。合在一起，就是电容那一项再加这三项离子电流。符号沿用通行转写，是为了和站内已经在用的写法对齐，不是本页另造的一套定义。

钠电导写成最大钠电导乘以 m 的三次方，再乘以 h。钾电导写成最大钾电导乘以 n 的四次方。m、h、n 是随膜电位和时间变化的门控变量。三次方和四次方是这套宏观电导的写法，用来跟上测到的电导时间过程。它们不是1952年对通道蛋白零件的清点。那一年没有看见这种蛋白的形状，幂次就不能被读成已经数过的亚基个数。

定量模型通行转写里采用的一组常数，单位与原文的 mmho/cm² 相同：最大钠电导120 mmho/cm²，最大钾电导36 mmho/cm²，漏电导0.3 mmho/cm²。mmho 是电导的旧单位，写在每平方厘米上，表示电流密度对电压的比例。本页不把这三个数换算成另一套单位。它们是模型里的电导尺度，不是本页重新拟合的结果，也不意味着每一根轴突都刚好交出同样的三个读数。膜电容在模型里当作常数。站内电路页已经用「约 1 μF/cm²」来记这件事。本页不新造一个电容数字。

m、h、n 怎样随电压走向它们的稳态，原文用依赖于电位的速率来写。本页不抄那些速率随电压变化的公式，也不列一张可以拿去计算的速率表。要保存的是结构：钠电导的时间过程由 m 的三次方再乘 h 组成，钾电导由 n 的四次方组成。漏电导不乘这种随电压涨落的幂，它留在常数一侧。去极化引起钠电导短暂上升，以及较慢但持续的钾电导上升。h 下降，对应钠电导在打开之后又被收回，所以钠项不能一直留在高处。n 上升较慢，钾项因此来得晚，并在去极化还在的时候维持。复极化让这些变量往回走。

分级说的是电导，不是一句口号。电位改变的幅度不同，电导改变的幅度可以不同。复极化不是把一个开关打回「关」的标签，而是把已经发生的电导变化反过来。动作电位看起来像一次完整的脉冲，并不等于方程里存着一个永远不变的毫伏数。电导可以分级，脉冲的形态仍可以在一类解里走完。这两句同时成立，才不会把1952年的结果收成「刺激一过某条固定刻度就放电」。

18.8 和 21.2 是对照，不是恒等式

传导速度的对照，出自霍奇金与赫胥黎1952年在皇家学会讨论中对定量论文数值解所作的陈述。文章收在 Proc. R. Soc. Lond. B 第140卷，讨论的是巨轴突上电信号的传播，刊出日期是1952年10月16日，晚于8月28日的定量论文。在18.5°C，数值解给出的传导速度是18.8米每秒，同一类纤维上测到的是21.2米每秒。讨论把波形和速度说成由方程给出，同时仍把18.8和21.2并列，没有改写成相等。

这个速度不是从钠、钾、漏电三项里做一次除法直接读出来的。它是把膜电流的方程放进行进的波形之后，数值解交出来的一个结果。本页不教那些数值步骤，也不给第二组速度。18.8接近21.2，接近不是推出了精确相等。若把差抹平，定量说明自己保留的那一点不一致就消失了。计算站在18.8，测量站在21.2，中间的差距留在原文里。

奖、阈值，以及这组数据没有覆盖的东西

1963年诺贝尔生理学或医学奖由 John Eccles、Alan Hodgkin 与 Andrew Huxley 三人分享。官方理由同时写了兴奋和抑制，也同时写了神经细胞膜的外周部分与中枢部分。霍奇金与赫胥黎在这组论文里处理的是巨大轴突膜上的兴奋电流：钠、钾和漏电怎样构成膜电流，方程又怎样在定量上面对传导与兴奋。Eccles 对应的是突触抑制。三个人的离子机制并不等于同一根 Loligo 轴突上的同一次测量。只把奖状读成枪乌贼实验的证书，官方理由里的抑制和中枢部分就没有着落。

阈值在这组方程里不是一个固定参数。方程列出的是电容、三项电导、平衡电位，以及 m、h、n 随电位和时间的变化，没有一行写成「阈值等于某个永远不变的毫伏数」。刺激会不会发展成一次沿轴突走完的脉冲，取决于这些变量当时的状态，以及刺激怎样随时间加上去。站内医学页已经把这一点说成解的动力学性质。全或无描述的是脉冲一旦走上那一类解就走完的形态，不是一个可以脱离既往电位、永远停在同一刻度的常数。电导变化本身仍是分级的。分级属于电导，全或无属于一类解。

这组数据也不覆盖哺乳动物有髓鞘轴突。Loligo 的巨大轴突不是那一种分节包髓鞘的纤维，跳跃传导的证据不在116卷和117卷的这些记录里。物种页讲动作电位作为全或无现象时连着细胞的结构。本页不把那里的结构图当成1952年已经在枪乌贼膜上测到的东西，也不把别处的传导速度借来填18.8米每秒和21.2米每秒之间的差。1952年交出的是这一类巨大轴突上的膜电流、一套方程，以及一组没有被说成精确相等的速度对照。

跨域连接

  • 神经元：物种页把动作电位写成全或无的脉冲，并交代轴突与突触这些结构。本页只钉1952年的电流分解：钠电流、钾电流和漏电流，以及电导随电压与时间的分级变化。全或无若被读成刺激一过某个永远不变的毫伏数，就和方程里没有这个固定参数相冲突。物种页可以接着讲髓鞘上的跳跃传导。那一套结构不在 Loligo 这组膜电流的数据里，也不能用来把18.8米每秒和21.2米每秒改写成同一个数。
  • 细胞膜与跨膜运输：那一页已经点名1952年，并把膜写成物质进出的边界。本页不重讲磷脂双层，也不把泵、水通道或后来的蛋白形状再讲一遍。这里要分开的是账本：表面膜上的电流怎样被写成钠、钾和漏电三项，以及哪一篇才是8月28日的定量描述。边界的化学和电流的分解共用膜这个词，不是同一张表。看见电导随电位变，仍然不是看见了通道蛋白。
  • 神经系统：医学概念页有一段霍奇金与赫胥黎，并指出阈值不是模型里的固定参数，而是解的动力学性质。本页同意这一点，并把它放回文献：4月四篇在116卷，8月28日的定量描述在117卷，Bernard Katz 只在电流–电压那一篇上署名。医学页若被读成二人因此独占1963年的奖，会漏掉 John Eccles 和突触抑制。奖的范围留在官方理由里：外周与中枢、兴奋与抑制。枪乌贼轴突上的膜电流只覆盖其中兴奋这一支的定量描述。
  • 电容与电感：物理页把膜写成电容与可变电导的并联，并用「约 1 μF/cm²」记下电容。本页不重写电路工程，不提供可照做的操作，也不另造一个电容数字。方程里保留的只有：电容电流是 C dV/dt，模型把膜电容当作常数，钠电导和钾电导则随电位与时间变。并联这个图像在两边都成立。常数到底写成哪一个更细的数值，不由本页再裁决一次。漏电导0.3和两个最大电导是电导的尺度，不能拿去冒充电容。
  • 微分方程：医学页已经说动作电位是一组非线性微分方程的解。本页不教数值积分的步骤，也不抄门控速率随电压变化的公式。要接上的是解和测量的关系：18.5°C下数值解给出18.8米每秒，同一类纤维测到21.2米每秒。方程能在定量上说明传导，指定的是这种对照，不是把两个速度写成恒等式。m 的三次方乘 h、n 的四次方，是电导项的结构，不是一套可以脱离原文单独抄走的速率表。

参考文献

下面五篇都在 The Journal of Physiology。前四篇是1952年4月28日的116卷第4期，第五篇是1952年8月28日的117卷第4期，收稿日期1952年3月10日，单位是剑桥生理实验室。18.8米每秒与21.2米每秒不是117卷里用公式号推成的恒等式。这两个数出自霍奇金与赫胥黎同年对传导的讨论，见 Proc. R. Soc. Lond. B 140，讨论巨轴突上电信号的传播。本页不编页内公式号。

正文中引用本条 · 3 · 其中 2 条来自其他领域

医学与公共卫生神经系统
宇宙物理电容与电感