引言
今年9月，forYoungMinds刊物網站（以下簡稱“FYM”）上線了五位諾貝爾獎得主專門為中學生撰寫的科學文章合輯，《賽先生》獲FYM官方授權第一時間發布了。
去年11月，FYM諾貝爾獎合輯系列迎來更新，再度收錄五篇由諾獎得主為全球的好奇腦部撰寫的最新文章。《賽先生》獲FYM獨家授權，將相繼翻譯這五篇文章，分享給英文讀者。
目前，該合輯收錄以下文章：
《》–2017年諾貝爾化學學獎得主，巴里·巴里斯（Barry）
和所有在forYoungMinds發表的文章一樣，諾貝爾獎合輯的作者們同樣須要用兒子的語言對文章進行改寫，此后由8-15歲的中學生審稿人開具審稿報告，通過后文章才可以發表，以確保文章便于理解并有趣。
諾貝爾獎得主合輯系列將持續更新，致力發展這一寶貴的教育資源，以激勵年青人，同時鼓勵剖析性思維和想像力的構建。
腦部中的電火花：離子通道和神經細胞的故事
作者
Bert（馬克斯·普朗克神經生物學研究所院士，1991年諾貝爾生理學和醫學獎得主）
翻譯
李娟
校譯
瑪雅藍
腦部的正常工作，離不開神經細胞之間的交流。剖析神經細胞的“語言”是我們認識腦部的關鍵。一個神經細胞發出的訊號是怎樣被另一個細胞捕獲的？又會形成哪些樣的電生理活動？結合我做過的科學實驗，我將為讀者們介紹腦部電生理活動的最基本組件——離子通道，幫助你們更好地了解神經細胞的通信方法。離子通道的發覺為理解腦部和其他臟器（如腎臟）的電生理活動奠定了基礎，為醫治哮喘和心律失常等電活動相關病癥的抗生素研制提供了全新看法。
01
我的RNA研究之路
細胞之間是怎樣交流的
細胞是生命的基本組成部份。我們身體的單個細胞既是獨立的功能單位，又是須要協同運作的有機體(如腦部和腎臟)的一部份。
細胞由細胞膜包裹，產生一層清晰的數學邊界，以分隔細胞內容物與外部（細胞外）環境及其他細胞。細胞膜的存在致使每位細胞都能維持穩定的內部環境，以執行其自身的特殊功能。
然而，大多數細胞都屬于臟器的一部份，難以孤立存在。要想正常行使功能，就必須與其他細胞交流，尤其是神經細胞。這么，被細胞膜隔開的細胞是怎樣交流的？這其中有好多種方法，最常見的一種溝通方法，是一個細胞將物理信使物質發送出去[1]，另一個細胞接收到信使物，再相應地做出反應。這些方法也是本文討論的關鍵點。
02
我的RNA研究之路
神經細胞間的通信
神經細胞是腦部的基本組成部份，它們的交流靠的是“電語言”。在每一個給定時刻，每位神經細胞就會表現出特定的電活動，形成一組短暫的電脈沖，稱為峰電位。在腦部活動的過程中，整個神經細胞網路會不斷地形成峰電位，就像譜寫一首和諧的“電交響詩”。這樣的電活動與我們豐富的行動、思想、感情和記憶密切相關。
為了譜寫這曲“電交響詩”，神經細胞是怎樣互相溝通的？事實上，神經細胞之間的交流比其他細胞類型之間的交流復雜得多，由于它涉及到物理和熱學兩部份。這些交流發生在細胞之間的接觸位置（稱為突觸）。該過程包括兩個基本步驟。
首先，由發送細胞分泌（釋放）一種稱作神經遞質的物理物質[1]，使其步入細胞外間隙（發送細胞和接收細胞之間的間隙）。接著，神經遞質擴散抵達接收細胞，與其細胞膜上的特異受體相結合，觸發跨越細胞膜的離子流動細胞膜片，從而使得接收細胞形成電活動（圖1）。
圖1神經細胞突觸之間的信息傳遞。神經細胞之間的交流發生在稱為突觸的特定接觸位置。首先，突觸前神經細胞（細胞A，訊號發送方）釋放一種物理物質，稱為神經遞質，步入細胞之間的間隙。神經遞質通過間隙，與突觸后神經細胞（細胞B，訊號接收方）結合。接著細胞膜片，突觸后細胞膜上的離子通道打開，離子開始穿過通道流動，形成稱為峰電位的聯通號（兩側白色圓圈內）。
03
我的RNA研究之路
神經細胞的離子和膜通道
腦部中的大部份電活動由四種離子形成，其中三種帶正電（鈉-Na+、鉀-K+和鈣-Ca2+），一種帶負電（氯-Cl-）。離子可以通過神經細胞膜進出細胞，改變細胞膜外側的電勢。電勢的快速變化會產生峰電位，這是神經細胞之間交流所用的“語言”的基本單位（圖1）。你可以將峰電位視為活躍的神經細胞中所發生的“閃電”，只是它非常短暫（1微秒，即千分之1秒）且微小（0.1伏，即100毫伏）。
這么，這種離子是怎樣穿過神經細胞膜的？神經遞質又是怎樣轉化為細胞的電活動的？當我開始研究這個領域時，還沒有人了解離子穿過神經細胞膜的機制。細胞膜上肯定存在使離子通過的途徑，否則就難以傳遞訊號。
為了展開研究，我與朋友埃爾溫·內爾院士[2]開發出一種特殊實驗技術，我們發覺，有物理梯度的離子確實才能通過細胞膜上的小“孔”穿過細胞膜。這種“孔”實際上是一種蛋白質結構，它們充當聯接細胞外部和內部的通道，稱為離子通道（圖2）。
我們發覺，接收神經遞質時，離子通道會快速打開和關掉。特定離子通道（比如，Na+離子或K+離子通道）的打開和關掉使對應的離子穿過細胞膜，因而改變跨膜電勢，使接收細胞形成峰電位。
圖2神經細胞膜中的離子通道。離子通道（藍色）是由蛋白質構成的“孔”，坐落神經細胞膜上。突觸后細胞（見圖1）上的離子通道一般是關掉的（左圖），在接收突觸前細胞釋放的神經遞質時打開（下圖）。膜離子通道的開放使離子（紅色球）才能穿過膜，這是神經細胞形成電活動的基本機制。
04
我的RNA研究之路
離子通道的發覺：膜片鉗技術
當內爾院士和我開始研究神經細胞中的離子流時，我們想到兩種可能的離子傳輸機制。
第一種可能的機制涉及轉運分子。膜中的特定轉運分子才能“捕獲”離子，將其從細胞外部轉運到內部釋放。我們早已曉得機體的其他活動中存在此類機制，例如在能量形成過程中，營養分子可通過轉運分子穿過細胞膜。
第二種可能的機制后來被我們的實驗所否認，即細胞膜中存在特定的離子通道，可以打開或關掉。通道打開時，離子可以在膜的外側流動，將細胞外部環境與其內部環境聯接上去（圖2）。
為了明晰這些機制是否在峰電位形成時負責運輸離子進出細胞，我們須要對離子通過單個離子通道時所形成的電活動進行研究。因此，我們須要將神經細胞膜的某個極小的區域隔離下來，以檢測該區域中通過單個離子通道的電壓，這樣的區域就稱作膜片。假如確實存在離子通道，我們就應該能檢測出與離子通道打開和關掉相對應的特定電活動模式，這與第一種可能機制的電活動模式是不同的。
為了檢測電壓，我們必須克服兩個主要挑戰。
首先，我們必須檢測經過膜片通道的全部離子，而不能有所遺漏。這很困難，由于記錄裝置必須與膜緊密貼合，否則離子可能會從測量裝置側面流失。為此，我們須要確保全部穿膜離子流經檢查器。
第二個挑戰是區分流過神經細胞膜的兩種電壓。神經細胞膜上持續存在穩定的電活動，這些現象稱為背景噪音，它與離子流相關的電活動是不同的。我們必須找到一種方式來增加背景噪音，保證單個離子通道的電壓不會被遮蔽。
利用特別尖銳的玻璃管移液器，我們解決了這兩個問題。移液器的尖端半徑約為一微米（千分之一毫米）（圖3A），另一端有電壓計，用于檢測電壓。我們將移液器的尖端使勁壓在一小塊細胞膜上并施加吸力，使移液器尖端和膜之間緊密接觸，以確保離子不會流失。由于膜片很小，我們也成功增加了背景噪音，因而更好地記錄流過離子通道的離子流。
05
我的RNA研究之路
穿過離子通道的電壓
我們發覺，當環境中不存在神經遞質時，沒有電壓通過離子通道，只能觀察到輕微的背景噪聲（圖3B）。當神經遞質與膜受體結合以后，離子通道迅速呈階梯狀打開，讓幾皮安的微小電壓穿過細胞膜（1皮安為10-12安培）[2-4]。訊號接收細胞釋放神經遞質以后，離子通道急劇關掉（圖3B）。
圖3檢測穿過膜離子通道的電壓。（A）膜片鉗技術。移液管的玻璃尖端與帶有離子通道（紅色，見放大圖）的一小塊細胞膜緊密貼合。移液管內的神經遞質與細胞膜結合以后，使得離子穿過開放的通道。移液管的電壓計才能檢測流過離子通道的電壓。（B）檢測通過膜片上單個離子通道的電流。當膜受體結合或釋放神經遞質時，離子通道急劇開放或關掉（見圖1）。離子通道關掉時可檢測到背景噪音電壓（紅色）。當離子通道打開時，觀察到快速向上的階梯狀電壓（紅色）（圖片改編自內爾和薩克曼的研究[2]）。
我們發覺，離子通道的打開或關掉只維持幾微秒（一微秒為千分之1秒）。因為神經遞質分子分別隨機地與離子通道結合，離子通道保持開放或閉合的時間，以及在兩種狀態之間切換的時間間隔各不相同。如圖3B所示，電壓流過開放的離子通道時，其振幅是相當穩定的。
通過檢測流經膜片的微小電壓并進行估算，我們恐怕每納秒大概有10,000個離子穿過膜片。這告訴我們，離子通道的開放才是離子穿過細胞膜的機制，而不是通過轉運分子！轉運分子是難以以這么快的速率運送離子穿過細胞膜的。
這是一個重要的發覺，它否認了離子通道的存在和功能，表明離子通道是神經細胞形成峰電位等電活動的基本機制。在其他“可迸發”的組織中，例如外周胸肌和腎臟，離子通道也負責形成電活動。
據悉，理解膜離子通道的功能是一個重要課題，由于許多神經系統（以及腎臟和其他組織）的障礙由離子通道功能障礙引起，這類疾患也稱離子通道病。
由于發覺膜離子通道及其功能，我和朋友埃爾溫·內爾院士獲得了1991年的諾貝爾生理醫學獎。
給小讀者們的建議
我的導師伯納德·卡茨院士是1970年的諾貝爾生理學或醫學獎獲得者。我首先要告訴你的，正是我從他那兒學到的最重要的東西：你須要對實驗結果十分挑剔，并隨時打算好迎接新的發覺，它可能會否定你之前的發覺——盡管這可能令人不快。
我也把這樣的觀念傳遞給我的中學生，教她們對自己的發覺持批判心態。尤其在生物組織中，許多影響是難以控制的，做實驗時必須加以考慮。因而，當中學生有新的發覺時，我會建議她們暫時不要公開，而是一遍又一遍地重復實驗，看能夠得到一致的結果。只有完全確信結果正確時，再將其公布。
在生活觀念的層面上，我認為美好的生活會讓人有所思索，有機會追隨好奇心并作出新發覺。其實有人覺得，美好的生活意味著賺好多錢或得到別人的認可，這也完全沒問題。我感覺成為一名科學家是最好的選擇，但前提是你對自然科學飽含興趣，有發覺新事物的沖動。假如僅僅覺得科學家這個職業很拉風，那還是不要走這條路，去選擇另一個讓你倍感激動、充滿激情的職業吧。
NERVECELLS神經細胞
構成腦部的主要細胞，形成腦部電活動。
突觸
兩個神經細胞之間的接觸點，有一道窄窄的空隙，物理物質（即神經遞質）經過這條細縫，從發送訊號的細胞（突觸前細胞）轉移到接收訊號的細胞（突觸后細胞）。
神經遞質
一種物理物質，由神經細胞釋放和吸收，進而實現神經細胞之間的信息傳輸。
擴散
粒子的不定向自發運動。
ION離子
帶有正電荷或負電荷的粒子。
電勢
形成于帶電量不同的兩個點之間，在我們的案例中是細胞膜外側。帶正電荷的離子會從高電勢向低電勢流動。
物理梯度
不同區域物質的含量差別。在我們的案例中，細胞膜外側的離子“順著”化學梯度擴散，從含量高的右側聯通到含量低的兩側。
ION離子通道
細胞膜上的一個小孔，由蛋白質構成，打開時可容許離子步入或流出細胞。
伯特·薩克曼Bert
峰電位spike
埃爾溫·內爾ErwinNeher
膜片鉗patchclamp
離子通道病
伯納德·卡茨Katz
馬克斯·普朗克神經生物學研究所Maxfor
路德維希-馬克西米利安-法蘭克福學院of
[1]Katz,B.1971.of..173:123–6.
[2]Neher,E.,and,B.1992.Thepatchclamp.Sci.Am.266:44–51.
[3],O.P.,and,B.1981.ofincells..294:462–4.
[4],J.,,O.P.,and,B.1987.ofaniongatedbyandgamma-acidinmouse.J..385:243–86.
致謝：
謝謝NoaSegev的訪談和共同撰稿。
“
作者簡介
Bert
伯特·薩克曼（Bert）是美國蘇黎世馬克斯·普朗克（簡稱馬普）神經生物學研究所的院士。
薩克曼院士最初在路德維希-馬克西米利安-法蘭克福學院攻讀醫學博士。在從事臨床前研究期間，他的研究涉及生物化學學和神經生理學領域。他對神經科學形成了濃郁興趣，尤其是腦部形成和傳遞聯通號的機理。因此，薩克曼院士于1971年轉入美國紐約學院大學，接受伯納德·卡茨院士的指導。（卡茨院長由于發覺神經細胞中神經遞質的運作機制，獲得了1970年諾貝爾生理學或醫學獎。）
1974年，薩克曼院長加入了美國哥廷根的馬普生物化學物理研究所的神經生物學系，遇見了合作者埃爾溫·內爾院士，她們共同開發出膜片鉗技術，發覺了單離子通道，并因而獲得1991年諾貝爾生理學和醫學獎。
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