文接《膜片钳——打开细胞奥秘的钥匙（上）》
电压钳
鱿鱼神经的发现，使得生理学家们终于有了研究的材料；玻璃微电极的改进，则给了他们验证假说的可能。
（玻璃微电极和神经细胞）[3]
很快，学者们发现，在神经细胞内外，存在一个恒定的电压差。这种电压差，是由细胞内外的离子（细胞外的钠离子、细胞内的钾离子）维持的。当神经细胞接收到足够大的刺激时，细胞膜对于钠离子的通透性增加，钠离子流入细胞内；而钠离子的流入又会进一步增加细胞膜对钠离子的通透性。于是，就跟连锁反应引起原子弹爆炸一样，在神经细胞上，形成一个短促、剧烈的电流。不过，原子弹用一个少一个，神经细胞却必须反复使用。所以，在钠离子大量进入细胞内的同时，细胞内的钾离子开始外流，并逐渐加速，将神经细胞内外的电压差，拉回到正常水平。
由于这种电流相当短促、钠离子的内流和钾离子的外流又有不少重叠，因此，研究起来颇为困难。
（神经细胞的兴奋过程）[1]
这个问题是由霍奇金(Alan Hodgkin) 和赫胥黎(Andrew Huxley)解决的。他们将两根玻璃微电极插入鱿鱼神经内，一根检测鱿鱼神经内的电压，一根则负责往鱿鱼神经内注入电流。当前者检测到电压变化时，相连的电子元件被激活，控制后者对神经细胞进行补偿，多了多补、少了少补，将神经细胞的电压差维持在设定的水平。这样，就能研究某一电压水平下，钠离子和钾离子的运动情况。
（电压钳原理，图片来源：mednur.com）
这就是电压钳技术，它是阐述神经细胞兴奋机制的关键；霍奇金和赫胥黎也因此获得了1963年的诺贝尔生理或医学奖。
（左：霍奇金，右：赫胥黎，图片来源：nobelprize.org）
膜片钳
当然，科学探索是没有止境的。新的问题很快就来了：钠离子和钾离子，是怎么跨膜运动的？
随着研究的不断深入，学者们发现，在细胞膜上，存在着一些特殊的通道。这些通道就像机场的“员工专用通道”一样，只允许特定的离子通过。钠离子通道只认钠离子，钾离子通道则只对钾离子放行。
电压钳可以监测一个细胞上的所有离子活动，但是对于细胞膜上的这些“小门”，它就无能为力了。
1976年，德国生理学家内尔（Erwin Neher）和萨克曼（Bert Sakmann）对电压钳技术进行了改进。这一改进，说大也不大，却十分关键。他们不再把玻璃微电极插入神经细胞内，相反，他们对玻璃微电极施加负压，使得细胞膜被吸附到玻璃微电极内。1981年，他们又改进了这一技术，使得这一小块被吸入玻璃微电极的细胞膜，在电学和化学上与其他部分隔绝。“任你几路来，我只一路去。”不管细胞膜上一共有多少离子通道、总的电流变化是多少，通过电学隔绝，我可以只观测被负压吸住的这一部分。使得研究单个离子通道，成为可能。[4]
（膜片钳示意图，图片来源：haikudeck.com）
这就是膜片钳技术，它是离子通道的研究第二次问鼎诺贝尔生理或医学奖。[5]
总结
膜片钳技术出现后，很快获得了生理学家们的青睐。不过，膜片钳需要的仪器十分精密，不仅价格高昂，而且有价无市。就是你想买，也得等个几年。
（膜片钳系统）[6]
1987年，华中科技大学的李之望教授，敏锐地觉察到了膜片钳技术的广阔前景，提出自行研制相关仪器。两年后，康华光教授带领的研究小组，研制出了中国首台膜片钳放大器；又过了1年，中国的学者们用这台仪器，第一次记录到了神经细胞的单通道电流。为中国生理学科的崛起和人才的建设，奠定了坚实的基础。[7]
现如今，膜片钳技术已经大为普及，广泛活跃在离子通道相关的研究，比如细胞分泌、神经科学、药物筛选等领域。总有一天，膜片钳技术会过时。不过，两百年来的探索历程，数代学者们的心血，会一直被铭记。
参考文献
[3]BRETAG A H. The glass micropipette electrode: A history of its inventors and users to 1950[J]. The Journal of General Physiology, 2017, 149(4): 417–430.
[4]HAMILL O P, MARTY A, NEHER E等. Improved patch-clamp techniques for high-resolution current recording from cells and cell-free membrane patches[J]. Pflügers Archiv European journal of physiology, 1981, 391(2): 85–100.
[5]顾全保. 1991 年诺贝尔奖金获得者——活细胞怎样与外界联系[J]. 科学画报, 1992(2): 4–5.
[6]BHARGAVA A, LIN X, NOVAK P等. Super-resolution Scanning Patch Clamp Reveals Clustering of Functional Ion Channels in Adult Ventricular MyocyteNovelty and Significance[J]. Circulation Research, 2013, 112(8): 1112–1120.
[7]周专. 李之望——当代中国生命科学黎明前的一位铺路人[J]. 生理学报, 2015, 67(002): 235–236.
