引言
今年9月，forYoungMinds刊物網(wǎng)站（以下簡(jiǎn)稱“FYM”）上線了五位諾貝爾獎(jiǎng)得主專門為中學(xué)生撰寫的科學(xué)文章合輯，《賽先生》獲FYM官方授權(quán)第一時(shí)間發(fā)布了。
去年11月，F(xiàn)YM諾貝爾獎(jiǎng)合輯系列迎來(lái)更新，再度收錄五篇由諾獎(jiǎng)得主為全球的好奇腦部撰寫的最新文章。《賽先生》獲FYM獨(dú)家授權(quán)，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(xué)學(xué)獎(jiǎng)得主，巴里·巴里斯（Barry）
和所有在forYoungMinds發(fā)表的文章一樣，諾貝爾獎(jiǎng)合輯的作者們同樣須要用兒子的語(yǔ)言對(duì)文章進(jìn)行改寫，此后由8-15歲的中學(xué)生審稿人開(kāi)具審稿報(bào)告，通過(guò)后文章才可以發(fā)表，以確保文章便于理解并有趣。
諾貝爾獎(jiǎng)得主合輯系列將持續(xù)更新，致力發(fā)展這一寶貴的教育資源，以激勵(lì)年青人，同時(shí)鼓勵(lì)剖析性思維和想像力的構(gòu)建。
腦部中的電火花：離子通道和神經(jīng)細(xì)胞的故事
作者
Bert（馬克斯·普朗克神經(jīng)生物學(xué)研究所院士，1991年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主）
翻譯
李娟
校譯
瑪雅藍(lán)
腦部的正常工作，離不開(kāi)神經(jīng)細(xì)胞之間的交流。剖析神經(jīng)細(xì)胞的“語(yǔ)言”是我們認(rèn)識(shí)腦部的關(guān)鍵。一個(gè)神經(jīng)細(xì)胞發(fā)出的訊號(hào)是怎樣被另一個(gè)細(xì)胞捕獲的？又會(huì)形成哪些樣的電生理活動(dòng)？結(jié)合我做過(guò)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，我將為讀者們介紹腦部電生理活動(dòng)的最基本組件——離子通道，幫助你們更好地了解神經(jīng)細(xì)胞的通信方法。離子通道的發(fā)覺(jué)為理解腦部和其他臟器（如腎臟）的電生理活動(dòng)奠定了基礎(chǔ)，為醫(yī)治哮喘和心律失常等電活動(dòng)相關(guān)病癥的抗生素研制提供了全新看法。
01
我的RNA研究之路
細(xì)胞之間是怎樣交流的
細(xì)胞是生命的基本組成部份。我們身體的單個(gè)細(xì)胞既是獨(dú)立的功能單位，又是須要協(xié)同運(yùn)作的有機(jī)體(如腦部和腎臟)的一部份。
細(xì)胞由細(xì)胞膜包裹，產(chǎn)生一層清晰的數(shù)學(xué)邊界，以分隔細(xì)胞內(nèi)容物與外部（細(xì)胞外）環(huán)境及其他細(xì)胞。細(xì)胞膜的存在致使每位細(xì)胞都能維持穩(wěn)定的內(nèi)部環(huán)境，以執(zhí)行其自身的特殊功能。
然而，大多數(shù)細(xì)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(xì)胞交流，尤其是神經(jīng)細(xì)胞。這么，被細(xì)胞膜隔開(kāi)的細(xì)胞是怎樣交流的？這其中有好多種方法，最常見(jiàn)的一種溝通方法，是一個(gè)細(xì)胞將物理信使物質(zhì)發(fā)送出去[1]，另一個(gè)細(xì)胞接收到信使物，再相應(yīng)地做出反應(yīng)。這些方法也是本文討論的關(guān)鍵點(diǎn)。
02
我的RNA研究之路
神經(jīng)細(xì)胞間的通信
神經(jīng)細(xì)胞是腦部的基本組成部份，它們的交流靠的是“電語(yǔ)言”。在每一個(gè)給定時(shí)刻，每位神經(jīng)細(xì)胞就會(huì)表現(xiàn)出特定的電活動(dòng)，形成一組短暫的電脈沖，稱為峰電位。在腦部活動(dòng)的過(guò)程中，整個(gè)神經(jīng)細(xì)胞網(wǎng)路會(huì)不斷地形成峰電位，就像譜寫一首和諧的“電交響詩(shī)”。這樣的電活動(dòng)與我們豐富的行動(dòng)、思想、感情和記憶密切相關(guān)。
為了譜寫這曲“電交響詩(shī)”，神經(jīng)細(xì)胞是怎樣互相溝通的？事實(shí)上，神經(jīng)細(xì)胞之間的交流比其他細(xì)胞類型之間的交流復(fù)雜得多，由于它涉及到物理和熱學(xué)兩部份。這些交流發(fā)生在細(xì)胞之間的接觸位置（稱為突觸）。該過(guò)程包括兩個(gè)基本步驟。
首先，由發(fā)送細(xì)胞分泌（釋放）一種稱作神經(jīng)遞質(zhì)的物理物質(zhì)[1]，使其步入細(xì)胞外間隙（發(fā)送細(xì)胞和接收細(xì)胞之間的間隙）。接著，神經(jīng)遞質(zhì)擴(kuò)散抵達(dá)接收細(xì)胞，與其細(xì)胞膜上的特異受體相結(jié)合，觸發(fā)跨越細(xì)胞膜的離子流動(dòng)細(xì)胞膜片，從而使得接收細(xì)胞形成電活動(dòng)（圖1）。
圖1神經(jīng)細(xì)胞突觸之間的信息傳遞。神經(jīng)細(xì)胞之間的交流發(fā)生在稱為突觸的特定接觸位置。首先，突觸前神經(jīng)細(xì)胞（細(xì)胞A，訊號(hào)發(fā)送方）釋放一種物理物質(zhì)，稱為神經(jīng)遞質(zhì)，步入細(xì)胞之間的間隙。神經(jīng)遞質(zhì)通過(guò)間隙，與突觸后神經(jīng)細(xì)胞（細(xì)胞B，訊號(hào)接收方）結(jié)合。接著細(xì)胞膜片，突觸后細(xì)胞膜上的離子通道打開(kāi)，離子開(kāi)始穿過(guò)通道流動(dòng)，形成稱為峰電位的聯(lián)通號(hào)（兩側(cè)白色圓圈內(nèi)）。
03
我的RNA研究之路
神經(jīng)細(xì)胞的離子和膜通道
腦部中的大部份電活動(dòng)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(fù)電（氯-Cl-）。離子可以通過(guò)神經(jīng)細(xì)胞膜進(jìn)出細(xì)胞，改變細(xì)胞膜外側(cè)的電勢(shì)。電勢(shì)的快速變化會(huì)產(chǎn)生峰電位，這是神經(jīng)細(xì)胞之間交流所用的“語(yǔ)言”的基本單位（圖1）。你可以將峰電位視為活躍的神經(jīng)細(xì)胞中所發(fā)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(guò)神經(jīng)細(xì)胞膜的？神經(jīng)遞質(zhì)又是怎樣轉(zhuǎn)化為細(xì)胞的電活動(dòng)的？當(dāng)我開(kāi)始研究這個(gè)領(lǐng)域時(shí)，還沒(méi)有人了解離子穿過(guò)神經(jīng)細(xì)胞膜的機(jī)制。細(xì)胞膜上肯定存在使離子通過(guò)的途徑，否則就難以傳遞訊號(hào)。
為了展開(kāi)研究，我與朋友埃爾溫·內(nèi)爾院士[2]開(kāi)發(fā)出一種特殊實(shí)驗(yàn)技術(shù)，我們發(fā)覺(jué)，有物理梯度的離子確實(shí)才能通過(guò)細(xì)胞膜上的小“孔”穿過(guò)細(xì)胞膜。這種“孔”實(shí)際上是一種蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，它們充當(dāng)聯(lián)接細(xì)胞外部和內(nèi)部的通道，稱為離子通道（圖2）。
我們發(fā)覺(jué)，接收神經(jīng)遞質(zhì)時(shí)，離子通道會(huì)快速打開(kāi)和關(guān)掉。特定離子通道（比如，Na+離子或K+離子通道）的打開(kāi)和關(guān)掉使對(duì)應(yīng)的離子穿過(guò)細(xì)胞膜，因而改變跨膜電勢(shì)，使接收細(xì)胞形成峰電位。
圖2神經(jīng)細(xì)胞膜中的離子通道。離子通道（藍(lán)色）是由蛋白質(zhì)構(gòu)成的“孔”，坐落神經(jīng)細(xì)胞膜上。突觸后細(xì)胞（見(jiàn)圖1）上的離子通道一般是關(guān)掉的（左圖），在接收突觸前細(xì)胞釋放的神經(jīng)遞質(zhì)時(shí)打開(kāi)（下圖）。膜離子通道的開(kāi)放使離子（紅色球）才能穿過(guò)膜，這是神經(jīng)細(xì)胞形成電活動(dòng)的基本機(jī)制。
04
我的RNA研究之路
離子通道的發(fā)覺(jué)：膜片鉗技術(shù)
當(dāng)內(nèi)爾院士和我開(kāi)始研究神經(jīng)細(xì)胞中的離子流時(shí)，我們想到兩種可能的離子傳輸機(jī)制。
第一種可能的機(jī)制涉及轉(zhuǎn)運(yùn)分子。膜中的特定轉(zhuǎn)運(yùn)分子才能“捕獲”離子，將其從細(xì)胞外部轉(zhuǎn)運(yùn)到內(nèi)部釋放。我們?cè)缫褧缘脵C(jī)體的其他活動(dòng)中存在此類機(jī)制，例如在能量形成過(guò)程中，營(yíng)養(yǎng)分子可通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)分子穿過(guò)細(xì)胞膜。
第二種可能的機(jī)制后來(lái)被我們的實(shí)驗(yàn)所否認(rèn)，即細(xì)胞膜中存在特定的離子通道，可以打開(kāi)或關(guān)掉。通道打開(kāi)時(shí)，離子可以在膜的外側(cè)流動(dòng)，將細(xì)胞外部環(huán)境與其內(nèi)部環(huán)境聯(lián)接上去（圖2）。
為了明晰這些機(jī)制是否在峰電位形成時(shí)負(fù)責(zé)運(yùn)輸離子進(jìn)出細(xì)胞，我們須要對(duì)離子通過(guò)單個(gè)離子通道時(shí)所形成的電活動(dòng)進(jìn)行研究。因此，我們須要將神經(jīng)細(xì)胞膜的某個(gè)極小的區(qū)域隔離下來(lái)，以檢測(cè)該區(qū)域中通過(guò)單個(gè)離子通道的電壓，這樣的區(qū)域就稱作膜片。假如確實(shí)存在離子通道，我們就應(yīng)該能檢測(cè)出與離子通道打開(kāi)和關(guān)掉相對(duì)應(yīng)的特定電活動(dòng)模式，這與第一種可能機(jī)制的電活動(dòng)模式是不同的。
為了檢測(cè)電壓，我們必須克服兩個(gè)主要挑戰(zhàn)。
首先，我們必須檢測(cè)經(jīng)過(guò)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(huì)從測(cè)量裝置側(cè)面流失。為此，我們須要確保全部穿膜離子流經(jīng)檢查器。
第二個(gè)挑戰(zhàn)是區(qū)分流過(guò)神經(jīng)細(xì)胞膜的兩種電壓。神經(jīng)細(xì)胞膜上持續(xù)存在穩(wěn)定的電活動(dòng)，這些現(xiàn)象稱為背景噪音，它與離子流相關(guān)的電活動(dòng)是不同的。我們必須找到一種方式來(lái)增加背景噪音，保證單個(gè)離子通道的電壓不會(huì)被遮蔽。
利用特別尖銳的玻璃管移液器，我們解決了這兩個(gè)問(wèn)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(jì)，用于檢測(cè)電壓。我們將移液器的尖端使勁壓在一小塊細(xì)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(huì)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(guò)離子通道的離子流。
05
我的RNA研究之路
穿過(guò)離子通道的電壓
我們發(fā)覺(jué)，當(dāng)環(huán)境中不存在神經(jīng)遞質(zhì)時(shí)，沒(méi)有電壓通過(guò)離子通道，只能觀察到輕微的背景噪聲（圖3B）。當(dāng)神經(jīng)遞質(zhì)與膜受體結(jié)合以后，離子通道迅速呈階梯狀打開(kāi)，讓幾皮安的微小電壓穿過(guò)細(xì)胞膜（1皮安為10-12安培）[2-4]。訊號(hào)接收細(xì)胞釋放神經(jīng)遞質(zhì)以后，離子通道急劇關(guān)掉（圖3B）。
圖3檢測(cè)穿過(guò)膜離子通道的電壓。（A）膜片鉗技術(shù)。移液管的玻璃尖端與帶有離子通道（紅色，見(jiàn)放大圖）的一小塊細(xì)胞膜緊密貼合。移液管內(nèi)的神經(jīng)遞質(zhì)與細(xì)胞膜結(jié)合以后，使得離子穿過(guò)開(kāi)放的通道。移液管的電壓計(jì)才能檢測(cè)流過(guò)離子通道的電壓。（B）檢測(cè)通過(guò)膜片上單個(gè)離子通道的電流。當(dāng)膜受體結(jié)合或釋放神經(jīng)遞質(zhì)時(shí)，離子通道急劇開(kāi)放或關(guān)掉（見(jiàn)圖1）。離子通道關(guān)掉時(shí)可檢測(cè)到背景噪音電壓（紅色）。當(dāng)離子通道打開(kāi)時(shí)，觀察到快速向上的階梯狀電壓（紅色）（圖片改編自內(nèi)爾和薩克曼的研究[2]）。
我們發(fā)覺(jué)，離子通道的打開(kāi)或關(guān)掉只維持幾微秒（一微秒為千分之1秒）。因?yàn)樯窠?jīng)遞質(zhì)分子分別隨機(jī)地與離子通道結(jié)合，離子通道保持開(kāi)放或閉合的時(shí)間，以及在兩種狀態(tài)之間切換的時(shí)間間隔各不相同。如圖3B所示，電壓流過(guò)開(kāi)放的離子通道時(shí)，其振幅是相當(dāng)穩(wěn)定的。
通過(guò)檢測(cè)流經(jīng)膜片的微小電壓并進(jìn)行估算，我們恐怕每納秒大概有10,000個(gè)離子穿過(guò)膜片。這告訴我們，離子通道的開(kāi)放才是離子穿過(guò)細(xì)胞膜的機(jī)制，而不是通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)分子！轉(zhuǎn)運(yùn)分子是難以以這么快的速率運(yùn)送離子穿過(guò)細(xì)胞膜的。
這是一個(gè)重要的發(fā)覺(jué)，它否認(rèn)了離子通道的存在和功能，表明離子通道是神經(jīng)細(xì)胞形成峰電位等電活動(dòng)的基本機(jī)制。在其他“可迸發(fā)”的組織中，例如外周胸肌和腎臟，離子通道也負(fù)責(zé)形成電活動(dòng)。
據(jù)悉，理解膜離子通道的功能是一個(gè)重要課題，由于許多神經(jīng)系統(tǒng)（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(fā)覺(jué)膜離子通道及其功能，我和朋友埃爾溫·內(nèi)爾院士獲得了1991年的諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。
給小讀者們的建議
我的導(dǎo)師伯納德·卡茨院士是1970年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者。我首先要告訴你的，正是我從他那兒學(xué)到的最重要的東西：你須要對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分挑剔，并隨時(shí)打算好迎接新的發(fā)覺(jué)，它可能會(huì)否定你之前的發(fā)覺(jué)——盡管這可能令人不快。
我也把這樣的觀念傳遞給我的中學(xué)生，教她們對(duì)自己的發(fā)覺(jué)持批判心態(tài)。尤其在生物組織中，許多影響是難以控制的，做實(shí)驗(yàn)時(shí)必須加以考慮。因而，當(dāng)中學(xué)生有新的發(fā)覺(jué)時(shí)，我會(huì)建議她們暫時(shí)不要公開(kāi)，而是一遍又一遍地重復(fù)實(shí)驗(yàn)，看能夠得到一致的結(jié)果。只有完全確信結(jié)果正確時(shí)，再將其公布。
在生活觀念的層面上，我認(rèn)為美好的生活會(huì)讓人有所思索，有機(jī)會(huì)追隨好奇心并作出新發(fā)覺(jué)。其實(shí)有人覺(jué)得，美好的生活意味著賺好多錢或得到別人的認(rèn)可，這也完全沒(méi)問(wèn)題。我感覺(jué)成為一名科學(xué)家是最好的選擇，但前提是你對(duì)自然科學(xué)飽含興趣，有發(fā)覺(jué)新事物的沖動(dòng)。假如僅僅覺(jué)得科學(xué)家這個(gè)職業(yè)很拉風(fēng)，那還是不要走這條路，去選擇另一個(gè)讓你倍感激動(dòng)、充滿激情的職業(yè)吧。
NERVECELLS神經(jīng)細(xì)胞
構(gòu)成腦部的主要細(xì)胞，形成腦部電活動(dòng)。
突觸
兩個(gè)神經(jīng)細(xì)胞之間的接觸點(diǎn)，有一道窄窄的空隙，物理物質(zhì)（即神經(jīng)遞質(zhì)）經(jīng)過(guò)這條細(xì)縫，從發(fā)送訊號(hào)的細(xì)胞（突觸前細(xì)胞）轉(zhuǎn)移到接收訊號(hào)的細(xì)胞（突觸后細(xì)胞）。
神經(jīng)遞質(zhì)
一種物理物質(zhì)，由神經(jīng)細(xì)胞釋放和吸收，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)神經(jīng)細(xì)胞之間的信息傳輸。
擴(kuò)散
粒子的不定向自發(fā)運(yùn)動(dòng)。
ION離子
帶有正電荷或負(fù)電荷的粒子。
電勢(shì)
形成于帶電量不同的兩個(gè)點(diǎn)之間，在我們的案例中是細(xì)胞膜外側(cè)。帶正電荷的離子會(huì)從高電勢(shì)向低電勢(shì)流動(dòng)。
物理梯度
不同區(qū)域物質(zhì)的含量差別。在我們的案例中，細(xì)胞膜外側(cè)的離子“順著”化學(xué)梯度擴(kuò)散，從含量高的右側(cè)聯(lián)通到含量低的兩側(cè)。
ION離子通道
細(xì)胞膜上的一個(gè)小孔，由蛋白質(zhì)構(gòu)成，打開(kāi)時(shí)可容許離子步入或流出細(xì)胞。
伯特·薩克曼Bert
峰電位spike
埃爾溫·內(nèi)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(jīng)生物學(xué)研究所Maxfor
路德維希-馬克西米利安-法蘭克福學(xué)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(jiǎn)介
Bert
伯特·薩克曼（Bert）是美國(guó)蘇黎世馬克斯·普朗克（簡(jiǎn)稱馬普）神經(jīng)生物學(xué)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(xué)院攻讀醫(yī)學(xué)博士。在從事臨床前研究期間，他的研究涉及生物化學(xué)學(xué)和神經(jīng)生理學(xué)領(lǐng)域。他對(duì)神經(jīng)科學(xué)形成了濃郁興趣，尤其是腦部形成和傳遞聯(lián)通號(hào)的機(jī)理。因此，薩克曼院士于1971年轉(zhuǎn)入美國(guó)紐約學(xué)院大學(xué)，接受伯納德·卡茨院士的指導(dǎo)。（卡茨院長(zhǎng)由于發(fā)覺(jué)神經(jīng)細(xì)胞中神經(jīng)遞質(zhì)的運(yùn)作機(jī)制，獲得了1970年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。）
1974年，薩克曼院長(zhǎng)加入了美國(guó)哥廷根的馬普生物化學(xué)物理研究所的神經(jīng)生物學(xué)系，遇見(jiàn)了合作者埃爾溫·內(nèi)爾院士，她們共同開(kāi)發(fā)出膜片鉗技術(shù)，發(fā)覺(jué)了單離子通道，并因而獲得1991年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。
”
關(guān)于forYoungMinds
forYoungMinds復(fù)刊于2013年，是英國(guó)出版社專為兒子們創(chuàng)立的科學(xué)刊物，也是耗費(fèi)多年心血培植的純公益項(xiàng)目。
它的運(yùn)作模式和科技刊物完全相同，借以從中學(xué)生時(shí)代即培養(yǎng)小孩們的科學(xué)思維，并提供與世界一流科學(xué)家交流的機(jī)會(huì)。截止目前，有5,250名中學(xué)生審稿人參與評(píng)審，790位科學(xué)導(dǎo)師來(lái)指導(dǎo)她們的審稿流程。
forYoungMinds的1,000多篇文章已獲得2,700多萬(wàn)次瀏覽和下載，擁有法語(yǔ)、希伯來(lái)語(yǔ)和阿拉伯語(yǔ)三個(gè)版本。刊物編輯委員會(huì)目前由來(lái)自64多個(gè)國(guó)家的科學(xué)家和研究人員組成。
forYoungMinds的內(nèi)容包含了天文學(xué)和數(shù)學(xué)、生物多樣性、化學(xué)和材料、地球及其資源、人類健康、數(shù)學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和心理學(xué)——以及正式推出的工程和技術(shù)相關(guān)學(xué)科。其實(shí)刊物的讀者是中學(xué)生，但forYoungMinds中發(fā)表的所有研究都基于堅(jiān)實(shí)的循證科學(xué)研究。
制版編輯|馬修