引言
今年9月，forYoungMinds刊物网站（以下简称“FYM”）上线了五位诺贝尔奖得主专门为中学生撰写的科学文章合辑，《赛先生》获FYM官方授权第一时间发布了。
去年11月，FYM诺贝尔奖合辑系列迎来更新，再度收录五篇由诺奖得主为全球的好奇脑部撰写的最新文章。《赛先生》获FYM独家授权，将相继翻译这五篇文章，分享给英文读者。
目前，该合辑收录以下文章：
《》–2017年诺贝尔化学学奖得主，巴里·巴里斯（Barry）
和所有在forYoungMinds发表的文章一样，诺贝尔奖合辑的作者们同样须要用儿子的语言对文章进行改写，此后由8-15岁的中学生审稿人开具审稿报告，通过后文章才可以发表，以确保文章便于理解并有趣。
诺贝尔奖得主合辑系列将持续更新，致力发展这一宝贵的教育资源，以激励年青人，同时鼓励剖析性思维和想像力的构建。
脑部中的电火花：离子通道和神经细胞的故事
作者
Bert（马克斯·普朗克神经生物学研究所院士，1991年诺贝尔生理学和医学奖得主）
翻译
李娟
校译
玛雅蓝
脑部的正常工作，离不开神经细胞之间的交流。剖析神经细胞的“语言”是我们认识脑部的关键。一个神经细胞发出的讯号是怎样被另一个细胞捕获的？又会形成哪些样的电生理活动？结合我做过的科学实验，我将为读者们介绍脑部电生理活动的最基本组件——离子通道，帮助你们更好地了解神经细胞的通信方法。离子通道的发觉为理解脑部和其他脏器（如肾脏）的电生理活动奠定了基础，为医治哮喘和心律失常等电活动相关病症的抗生素研制提供了全新看法。
01
我的RNA研究之路
细胞之间是怎样交流的
细胞是生命的基本组成部份。我们身体的单个细胞既是独立的功能单位，又是须要协同运作的有机体(如脑部和肾脏)的一部份。
细胞由细胞膜包裹，产生一层清晰的数学边界，以分隔细胞内容物与外部（细胞外）环境及其他细胞。细胞膜的存在致使每位细胞都能维持稳定的内部环境，以执行其自身的特殊功能。
然而，大多数细胞都属于脏器的一部份，难以孤立存在。要想正常行使功能，就必须与其他细胞交流，尤其是神经细胞。这么，被细胞膜隔开的细胞是怎样交流的？这其中有好多种方法，最常见的一种沟通方法，是一个细胞将物理信使物质发送出去[1]，另一个细胞接收到信使物，再相应地做出反应。这些方法也是本文讨论的关键点。
02
我的RNA研究之路
神经细胞间的通信
神经细胞是脑部的基本组成部份，它们的交流靠的是“电语言”。在每一个给定时刻，每位神经细胞就会表现出特定的电活动，形成一组短暂的电脉冲，称为峰电位。在脑部活动的过程中，整个神经细胞网路会不断地形成峰电位，就像谱写一首和谐的“电交响诗”。这样的电活动与我们丰富的行动、思想、感情和记忆密切相关。
为了谱写这曲“电交响诗”，神经细胞是怎样互相沟通的？事实上，神经细胞之间的交流比其他细胞类型之间的交流复杂得多，由于它涉及到物理和热学两部份。这些交流发生在细胞之间的接触位置（称为突触）。该过程包括两个基本步骤。
首先，由发送细胞分泌（释放）一种称作神经递质的物理物质[1]，使其步入细胞外间隙（发送细胞和接收细胞之间的间隙）。接着，神经递质扩散抵达接收细胞，与其细胞膜上的特异受体相结合，触发跨越细胞膜的离子流动细胞膜片，从而使得接收细胞形成电活动（图1）。
图1神经细胞突触之间的信息传递。神经细胞之间的交流发生在称为突触的特定接触位置。首先，突触前神经细胞（细胞A，讯号发送方）释放一种物理物质，称为神经递质，步入细胞之间的间隙。神经递质通过间隙，与突触后神经细胞（细胞B，讯号接收方）结合。接着细胞膜片，突触后细胞膜上的离子通道打开，离子开始穿过通道流动，形成称为峰电位的联通号（两侧白色圆圈内）。
03
我的RNA研究之路
神经细胞的离子和膜通道
脑部中的大部份电活动由四种离子形成，其中三种带正电（钠-Na+、钾-K+和钙-Ca2+），一种带负电（氯-Cl-）。离子可以通过神经细胞膜进出细胞，改变细胞膜外侧的电势。电势的快速变化会产生峰电位，这是神经细胞之间交流所用的“语言”的基本单位（图1）。你可以将峰电位视为活跃的神经细胞中所发生的“闪电”，只是它非常短暂（1微秒，即千分之1秒）且微小（0.1伏，即100毫伏）。
这么，这种离子是怎样穿过神经细胞膜的？神经递质又是怎样转化为细胞的电活动的？当我开始研究这个领域时，还没有人了解离子穿过神经细胞膜的机制。细胞膜上肯定存在使离子通过的途径，否则就难以传递讯号。
为了展开研究，我与朋友埃尔温·内尔院士[2]开发出一种特殊实验技术，我们发觉，有物理梯度的离子确实才能通过细胞膜上的小“孔”穿过细胞膜。这种“孔”实际上是一种蛋白质结构，它们充当联接细胞外部和内部的通道，称为离子通道（图2）。
我们发觉，接收神经递质时，离子通道会快速打开和关掉。特定离子通道（比如，Na+离子或K+离子通道）的打开和关掉使对应的离子穿过细胞膜，因而改变跨膜电势，使接收细胞形成峰电位。
图2神经细胞膜中的离子通道。离子通道（蓝色）是由蛋白质构成的“孔”，坐落神经细胞膜上。突触后细胞（见图1）上的离子通道一般是关掉的（左图），在接收突触前细胞释放的神经递质时打开（下图）。膜离子通道的开放使离子（红色球）才能穿过膜，这是神经细胞形成电活动的基本机制。
04
我的RNA研究之路
离子通道的发觉：膜片钳技术
当内尔院士和我开始研究神经细胞中的离子流时，我们想到两种可能的离子传输机制。
第一种可能的机制涉及转运分子。膜中的特定转运分子才能“捕获”离子，将其从细胞外部转运到内部释放。我们早已晓得机体的其他活动中存在此类机制，例如在能量形成过程中，营养分子可通过转运分子穿过细胞膜。
第二种可能的机制后来被我们的实验所否认，即细胞膜中存在特定的离子通道，可以打开或关掉。通道打开时，离子可以在膜的外侧流动，将细胞外部环境与其内部环境联接上去（图2）。
为了明晰这些机制是否在峰电位形成时负责运输离子进出细胞，我们须要对离子通过单个离子通道时所形成的电活动进行研究。因此，我们须要将神经细胞膜的某个极小的区域隔离下来，以检测该区域中通过单个离子通道的电压，这样的区域就称作膜片。假如确实存在离子通道，我们就应该能检测出与离子通道打开和关掉相对应的特定电活动模式，这与第一种可能机制的电活动模式是不同的。
为了检测电压，我们必须克服两个主要挑战。
首先，我们必须检测经过膜片通道的全部离子，而不能有所遗漏。这很困难，由于记录装置必须与膜紧密贴合，否则离子可能会从测量装置侧面流失。为此，我们须要确保全部穿膜离子流经检查器。
第二个挑战是区分流过神经细胞膜的两种电压。神经细胞膜上持续存在稳定的电活动，这些现象称为背景噪音，它与离子流相关的电活动是不同的。我们必须找到一种方式来增加背景噪音，保证单个离子通道的电压不会被遮蔽。
利用特别尖锐的玻璃管移液器，我们解决了这两个问题。移液器的尖端半径约为一微米（千分之一毫米）（图3A），另一端有电压计，用于检测电压。我们将移液器的尖端使劲压在一小块细胞膜上并施加吸力，使移液器尖端和膜之间紧密接触，以确保离子不会流失。由于膜片很小，我们也成功增加了背景噪音，因而更好地记录流过离子通道的离子流。
05
我的RNA研究之路
穿过离子通道的电压
我们发觉，当环境中不存在神经递质时，没有电压通过离子通道，只能观察到轻微的背景噪声（图3B）。当神经递质与膜受体结合以后，离子通道迅速呈阶梯状打开，让几皮安的微小电压穿过细胞膜（1皮安为10-12安培）[2-4]。讯号接收细胞释放神经递质以后，离子通道急剧关掉（图3B）。
图3检测穿过膜离子通道的电压。（A）膜片钳技术。移液管的玻璃尖端与带有离子通道（红色，见放大图）的一小块细胞膜紧密贴合。移液管内的神经递质与细胞膜结合以后，使得离子穿过开放的通道。移液管的电压计才能检测流过离子通道的电压。（B）检测通过膜片上单个离子通道的电流。当膜受体结合或释放神经递质时，离子通道急剧开放或关掉（见图1）。离子通道关掉时可检测到背景噪音电压（红色）。当离子通道打开时，观察到快速向上的阶梯状电压（红色）（图片改编自内尔和萨克曼的研究[2]）。
我们发觉，离子通道的打开或关掉只维持几微秒（一微秒为千分之1秒）。因为神经递质分子分别随机地与离子通道结合，离子通道保持开放或闭合的时间，以及在两种状态之间切换的时间间隔各不相同。如图3B所示，电压流过开放的离子通道时，其振幅是相当稳定的。
通过检测流经膜片的微小电压并进行估算，我们恐怕每纳秒大概有10,000个离子穿过膜片。这告诉我们，离子通道的开放才是离子穿过细胞膜的机制，而不是通过转运分子！转运分子是难以以这么快的速率运送离子穿过细胞膜的。
这是一个重要的发觉，它否认了离子通道的存在和功能，表明离子通道是神经细胞形成峰电位等电活动的基本机制。在其他“可迸发”的组织中，例如外周胸肌和肾脏，离子通道也负责形成电活动。
据悉，理解膜离子通道的功能是一个重要课题，由于许多神经系统（以及肾脏和其他组织）的障碍由离子通道功能障碍引起，这类疾患也称离子通道病。
由于发觉膜离子通道及其功能，我和朋友埃尔温·内尔院士获得了1991年的诺贝尔生理医学奖。
给小读者们的建议
我的导师伯纳德·卡茨院士是1970年的诺贝尔生理学或医学奖获得者。我首先要告诉你的，正是我从他那儿学到的最重要的东西：你须要对实验结果十分挑剔，并随时打算好迎接新的发觉，它可能会否定你之前的发觉——尽管这可能令人不快。
我也把这样的观念传递给我的中学生，教她们对自己的发觉持批判心态。尤其在生物组织中，许多影响是难以控制的，做实验时必须加以考虑。因而，当中学生有新的发觉时，我会建议她们暂时不要公开，而是一遍又一遍地重复实验，看能够得到一致的结果。只有完全确信结果正确时，再将其公布。
在生活观念的层面上，我认为美好的生活会让人有所思索，有机会追随好奇心并作出新发觉。其实有人觉得，美好的生活意味着赚好多钱或得到别人的认可，这也完全没问题。我感觉成为一名科学家是最好的选择，但前提是你对自然科学饱含兴趣，有发觉新事物的冲动。假如仅仅觉得科学家这个职业很拉风，那还是不要走这条路，去选择另一个让你倍感激动、充满激情的职业吧。
NERVECELLS神经细胞
构成脑部的主要细胞，形成脑部电活动。
突触
两个神经细胞之间的接触点，有一道窄窄的空隙，物理物质（即神经递质）经过这条细缝，从发送讯号的细胞（突触前细胞）转移到接收讯号的细胞（突触后细胞）。
神经递质
一种物理物质，由神经细胞释放和吸收，进而实现神经细胞之间的信息传输。
扩散
粒子的不定向自发运动。
ION离子
带有正电荷或负电荷的粒子。
电势
形成于带电量不同的两个点之间，在我们的案例中是细胞膜外侧。带正电荷的离子会从高电势向低电势流动。
物理梯度
不同区域物质的含量差别。在我们的案例中，细胞膜外侧的离子“顺着”化学梯度扩散，从含量高的右侧联通到含量低的两侧。
ION离子通道
细胞膜上的一个小孔，由蛋白质构成，打开时可容许离子步入或流出细胞。
伯特·萨克曼Bert
峰电位spike
埃尔温·内尔ErwinNeher
膜片钳patchclamp
离子通道病
伯纳德·卡茨Katz
马克斯·普朗克神经生物学研究所Maxfor
路德维希-马克西米利安-法兰克福学院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.
致谢：
谢谢NoaSegev的访谈和共同撰稿。
“
作者简介
Bert
伯特·萨克曼（Bert）是美国苏黎世马克斯·普朗克（简称马普）神经生物学研究所的院士。
萨克曼院士最初在路德维希-马克西米利安-法兰克福学院攻读医学博士。在从事临床前研究期间，他的研究涉及生物化学学和神经生理学领域。他对神经科学形成了浓郁兴趣，尤其是脑部形成和传递联通号的机理。因此，萨克曼院士于1971年转入美国纽约学院大学，接受伯纳德·卡茨院士的指导。（卡茨院长由于发觉神经细胞中神经递质的运作机制，获得了1970年诺贝尔生理学或医学奖。）
1974年，萨克曼院长加入了美国哥廷根的马普生物化学物理研究所的神经生物学系，遇见了合作者埃尔温·内尔院士，她们共同开发出膜片钳技术，发觉了单离子通道，并因而获得1991年诺贝尔生理学和医学奖。
”
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制版编辑|马修