有关神经细胞动作电位的几个关键问题
一、什么是膜电位？如何测量膜电位？
电位指处于电场中某个位置的单位电荷所具有的电势能。电位就像高度一样，必须选定参考点才有意义，例如通常在描述某地理位置高度时以海平面为参考，所得高度即为海拔高度。在神经电生理研究中，跨膜电位（简称膜电位）则指细胞膜的内、外两侧形成的电位差。为了研究的方便，习惯上在测量时将示波器（或电位计）记录电极插入轴突内，参考电极置于细胞外并接地，即以细胞膜外作为参考，以膜内的电位值来带代表膜电位（图1），其实质仍然是膜内、外两侧的电位差，也就是说膜电位=膜内电位-膜外电位。
二、静息电位是如何形成的？
要理解静息电位如何形成，必须先了解物理学上有关离子平衡电位的概念。
图2是一个容器，该容器被一个半透膜分隔为A、B两部分，各装有不同浓度的电解质溶液。由于浓度梯度的存在，正负两种离子都具有顺浓度梯度扩散的趋势。这里假设膜只对正离子具有通透性，因而只有正离子能够顺浓度梯度从A侧扩散至B侧，从而在膜的两侧建立起电位差。在这个过程中，离子跨膜扩散受到两个相反的驱动力的作用，一是由浓度梯度所形成的化学驱动力推动离子扩散，二是由膜电位所形成的电驱动力阻止离子继续扩散。通俗地说，就是在浓度梯度的作用下，正离子从A侧向B侧扩散，但是随着该过程的进行，B侧电位高于A侧，产生从B侧到A侧方向的电场，对带正电荷产生了从B侧到A侧方向的阻力，并随着扩散的进行逐渐增大。当这两种力量达到平衡时，这时两侧的电位差即为该离子的平衡电位。平衡电位的大小可用简化的Nernst公式进行计算。
注:[C]A、[C]B为该正离子分别在A、B两侧的浓度。
静息电位是静息状态下的膜电位，本质就是钾离子平衡电位。由于细胞膜上具有钠钾泵，该泵向细胞内泵入K+的同时向细胞外泵出Na+，造成了与细胞外液相比细胞内液K+浓度高而Na+浓度低的特点。静息状态下钾离子透过漏钾通道（一种非门控的钾离子通道，运输钾离子的效率相对后面会提到的电压门控钾离子通道而言较低）向外扩散，膜电位主要就取决于钾离子，因此静息电位约等于钾离子平衡电位。
但是需要强调的是，静息电位实测值的绝对值一般较K+平衡电位的理论值略小，其原因在于，安静状态下细胞膜除了对钾离子具有较大的通透性外，对钠离子亦具有一定的通透性，少量钠离子的内流对静息状态时的膜电位也有一定影响。这一点对理解后电位的超极化非常关键。另外钠钾泵在工作时，每向细胞外外泵出3个Na+同时只向细胞内泵入2个K+，这意味着钠钾泵的工作也会导致细胞外正电荷增多细胞内正电荷减少，即钠钾泵是一种生电泵，但一般认为该效应对静息电位的贡献小于5%。
还有一点要引起重视，扩散的离子量所占细胞内、外液中离子总量的比例很小，因此可以认为细胞内、外某种离子的浓度差及其所决定的平衡电位保持不变。也就是说无论神经细胞处于静息或者兴奋状态，相对于细胞外，细胞内低钠高钾的特点是保持不变的。
三、什么是动作电位？动作电位是如何形成的？
动作电位指细胞受到刺激时膜电位所经历的快速、可逆和可传播的膜电位波动。换言之，动作电位不是指膜电位达到最大时的那个时刻，而是指膜电位从上升到下降再到后续恢复到静息电位的整个过程（图3）。老师们在授课中容易根据静息电位来类比理解动作电位，误以为动作电位指内正外负的那一瞬间，这是需要纠正的。
图3 神经纤维动作电位
生理学上，通常把静息状态下膜电位所保持的内负外正的状态称为极化（polarization）；以此为基础，膜电位负值绝对值增大的过程称为超极化（hyperpolarization）；膜电位负值绝对值减小的过程称为去极化（depolarization），去极化超过零电位以上的部分称为超射（overshoot），发生超射时两侧电位极性反转称为反极化（reverse polorization）；细胞先发生去极化后又向原来的极化状态恢复的过程称为复极化（repolatization）；此后在最后恢复到静息电位以前，还要经历一些微小而相对缓慢的波动，称为后电位（afer potential）。
动作电位的形成过程中神经纤维膜的通透性先后经历如下不同过程（如图4）：1.静息状态透过非门控的漏钾通道主要对钾离子通透；2.受到适宜刺激时，电压门控钠离子通道打开，膜进而变得主要对钠离子通透；3.当膜电位将要达到峰值时，电压门控钠离子通道关闭，而电压门控钾离子通道打开，进而变得主要对钾离子通透；4.电压门控钾离子通道关闭，只剩下漏钾通道，也是主要对钾离子通透，与1相同，但对钾离子的通透性小于3。
图4 动作电位进程及其对应的细胞膜Na+、K+电导的变化
注：电导即表示膜对该离子通透性的大小
因此膜电位几个关键点就是：静息电位（接近于钾离子平衡电位）→动作电位峰值（接近于钠离子平衡电位）→后电位最低点（由于电压门控钾离子通道处于开启状态，此时膜对钾离子的通透性比静息状态更大，因此比静息电位更接近于钾离子平衡电位，即出现超极化）→静息电位（接近于钾离子平衡电位）。
四、后电位发生的变化
后电位超极化的产生机制非常复杂，主要原因是当电位下降到静息水平时，钾电导还处于比静息电位时更高的水平，因而比静息电位更接近钾离子平衡电位。这可能是因为电压门控钾离子通道未能及时关闭，以及去极化过程中Ca2+内流使部分Ca2+依赖性钾离子通道处于开启状态。另外钠钾泵的生电作用也是后电位超极化的原因之一。
很多人认为后电位从超极化恢复到静息电位是由于钠钾泵引起的，甚至有人认为后电位时钠钾泵才开始工作，其实这是不对的。首先无论是在静息状态，还是动作电位整个过程中，钠钾泵都一直在工作。其次，如前所述，正常工作的钠钾泵是生电的，它的工作不仅不可能使后电位超极化恢复到静息电位，反而是后电位超极化的原因之一。最后，后电位从超极化恢复到静息电位的过程主要是钾电导逐渐恢复到静息状态引起，而钾电导的恢复应当是电压门控钾离子通道及钙离子依赖性钾离子通道逐渐关闭的结果。
参考文献：
[1]. 岳利民, 崔慧先. 人体解剖生理学.第6版[M]. 人民卫生出版社, 2011.
[2]. 朱大年, 王庭槐. 生理学.第8版[M]. 人民卫生出版社, 2013.
