離子通道和動作電位: 神經細胞的微觀之旅

Posted By Mr. Thursday

在〈神經元和動作電位〉和〈動作電位白話文篇〉裡面和各位提到了動作電位,英文是Action Potential,是我們神經細胞裡面訊號的基本單位。今天要和各位重新拜訪一下神經細胞和動作電位的原理,並且想像我們有如奈米機器人一般,進到大腦裡面,在微觀的世界裡面觀看神經細胞,看看動作電位 (Action Potential) 如何產生,訊息如何在不同的神經元 (neuron) 裡面傳遞。經過這一趟微觀世界之旅,相信我們又可以對自己的神經系統有一番不同的了解!

上面這一張圖我們看到一個神經細胞通常的樣子。左手邊是神經細胞的主要部分,裡面有細胞核。細胞核裡面有染色體,上面由DNA記載著我們的遺傳基因的訊息,有興趣的讀者可以在〈DNA到蛋白質的過程〉裡面嚐試了解基因到蛋白質的過程。右手邊我們看到一條長長的物質,我們稱之為「軸突」,英文稱做 Axon,軸突可以看成是神經細胞的輸出 (output) 裝置,而一個神經細胞的輸入 (input) 裝置,則是左手邊細胞本體上面,比較細的突出物質,一枝一枝看起來好像樹木的樹枝,我們稱之為「樹突」,英文稱之為 dendrite。軸突比較長,軸突尾端會接在另一個神經細胞上面,通常就是接觸另一個細胞的「樹突」,有時候也會直接在細胞主體上面,因此神經細胞A的軸突,就會接到神經細胞B的樹突,把神經細胞A的輸出口,接到神經細胞B的輸入口上面。

然而在輸出輸入口上面,軸突樹突是如何交會的呢?是透過一個更小的突出,叫做「突觸」,英文叫做 synapse。軸突和樹突的交接處,就是經由更細小的突觸來傳遞訊息。下面這張圖就是把神經細胞交界處的地方放大,聚焦在兩個神經元「突觸」之間的地方。

所以到目前為止,我們知道我們的神經細胞有三個部分:細胞本體、傳出訊息的軸突、傳入訊息的樹突,另外還有軸突樹突交界處更細小的突觸 (synapse),是訊息實際傳送出來的地方。神經元之間的訊息是以動作電位 (action potential) 來傳遞,然而在〈粒線體: 細胞的發電機〉裡面,我們知道ATP是細胞世界裡面傳遞能量的基本單位,所以細胞和電腦不一樣,不是插上電源才能跑。那麼動作電位所需要的電流和電壓,是從哪邊來的呢?答案是細胞膜內和細胞膜外的離子 (ion) 所產生的。

我們在中學的時候可能學習過化學,有背過元素週期表,每個化學元素都是一個原子 (atom),原子可以在細分成原子核和環繞原子核的電子,原子核裡面有質子和中子,質子帶正電,外面環繞的電子帶負電。一個原子如果失去一個電子,就會變成一個帶有正電的離子,又稱為陽離子。一個原子如果多了一個電子,就會變成帶有負電的離子,又稱為陰離子。至於一個原子正常情況可以失去獲得到幾個電子,和原子本身的構造有關係,今天就先不深究。

回到我們的神經細胞膜上面。無論是神經細胞或其他細胞,細胞膜通常是由脂肪所組成,叫做磷酸脂,一端是親水性,另一端是懼水性。下圖右側部分,圓形的部分就是親水性的地方,兩條彎曲的線就是懼水性的地方。左側則是比較詳細的化學模型圖。

因為這個特性,使得細胞膜由兩層phospholipid組成,親水性朝外,懼水性朝細胞膜內,下面這張圖就是一張典型的細胞膜放大圖。

紅色的東西,就是剛才提到的phospholipid,紅色圓圈的地方是親水性,所以朝向外面,中間細線條的地方就是懼水性的部分,所以朝向細胞膜的中間。細胞膜會由兩層phospholipid這樣子組成的!至於細胞膜上面有時候會有一些蛋白質,會穿透細胞膜,讓細胞膜內外可以流通一些物質,或是傳遞訊息,這就是上圖裡面綠色的東西。

所以一個細胞膜也是像上面那張圖一樣,由兩層phospholipid組成細胞膜,細胞膜上面有一些蛋白質通道。在眾多通道裡面,就有一種通道是專門讓離子 (ion) 通過的。離子是帶有電荷的,所以當離子流動的時候,就形成了電流!這也就是為甚麼細胞沒有插電源,卻能夠有動作電位的原因了!

粒線體: 細胞的發電機〉裡面有提到,一般化學反應都是從能階高的地方往能階低的地方反應,所以離子在一般情況下,也是從濃度高的地方往濃度低的地方擴散。就好像一個大教室裡面,把100個人擠在一個角落,需要大家很努力才能維持住,只要大家一放鬆,自然會往沒有人的地方擴散,讓大家平均分佈的教室裡面,比較不花力氣。我們也可以觀察一滴墨水滴到一杯清水裡面,也是由濃度高的地方往濃度低的地方擴散。在正常的生理情況下,細胞內外會有幾個主要的離子,分別是:鈉離子(Na+)、鉀離子(K+)、鈣離子(Ca2+)和氯離子(Cl-)。其中和動作電位最有關係的,是鈉離子鉀離子,鈉離子英文是Sodium ion,鉀離子英文是Potassium ion。

一般情況下,細胞膜外面鈉離子(Na+)濃度會比細胞膜內的鈉離子濃度高,而細胞膜裡面鉀離子(K+)濃度會比細胞膜外面的鉀離子濃度高。所以如果細胞膜上面的通道一打開,鈉離子會往細胞裡面衝!鉀離子呢?會往細胞外面衝!他們都是往各自濃度低的地方衝!平常通道關起來的時候,因為細胞內外的離子濃度不同,造成細胞內外的電荷不同 (離子帶有電荷),因此在細胞膜內外,形成了電壓 (電位差)。這就是神經細胞在休息的時候的電位,稱為靜止電位 (resting potential)。靜止電位通常在-75mV(-75毫伏特)左右,是由細胞內外離子濃度平衡的狀態下,在細胞膜上面造成的電壓。

接下來要開始講動作電位的過程了!首先,細胞膜上面要接收到其他神經元過來的刺激,這個刺激可以是 (1) 電的刺激,改變細胞膜上面的電位。(2) 神經傳導物質的刺激,像是乙烯膽鹼等化學物質。不管是哪一種刺激,都會刺激細胞膜上面的離子通道。還記得上面那一張細胞膜的圖嗎?細胞膜上面有一些蛋白質穿越細胞膜,有些就是具有離子通道的功能。一個離子通道簡略地說,有一個「開關」,開關打開的時候,通道就會跟著打開,細胞內外的離子就會依照濃度分佈而往內或往外衝!就好像自動門有個開關,開關打開,門就跟著打開,人就可以進出。而離子通道的開關有不同種類,有些是在電位電壓變化的時候會打開,有些是接收到某種化學物質的時候打開。下面是離子通道典型的圖:

橘色的部分就是由兩層脂肪組成的細胞膜,綠色的部分就是離子通道。離子通道在電位改變或是接收到化學物質的時候,會啟動開關,打開通道,離子就會進來或出去。神經細胞上面有一些離子通道是鈉離子通道,打開的時候會讓細胞外濃度比較高的鈉離子往細胞內移動,細胞膜電位原本是 -75mV,帶正電的鈉離子進到細胞裡面之後,細胞裡面就比原來要多一些正電,因此膜電位會往正的方向移動 。

這個時候,因為有一些鈉離子通道是在電位改變的時候,就會被開啟啟動,讓更多鈉離子進來,變成一個正向的回饋。所以如果一開始接受足夠的刺激,讓細胞膜上面足夠多的鈉離子通道打開,就會有足夠多的鈉離子進來,然後引發正向回饋,讓細胞膜上面大量的鈉離子通道打開,讓大量的鈉離子進來,細胞的電位就會頓時從 -75mV,變成 +50mV左右,也就是去極化 (depolarization)的過程了!原來細胞 -75mV的狀態稱作極化 (polarized)的狀態,經過上面的過程,就會去極化 (depolarize),讓細胞內的電位比外面來的正。

另一方面,細胞膜上面有鉀離子通道,是當細胞裡面電位變的比較正的時候會打開,當大量的鉀離子通道打開的時候,大量的鉀離子就會從細胞內往細胞外面移動,這個時候細胞膜的電位又會恢復到 -75mV左右,這個過程稱為再極化(repolarize)。所以,經由上面這些離子通道的開開關關,離子在細胞內外的進進出出,造成細胞電位的去極化再極化,就形成一個動作電位!下圖就是一個動作電位的過程中,細胞膜上面電位隨著時間會有的變化:

動作電位就會從神經細胞主體的地方,沿著軸突(axon)往外傳遞,也就是說,軸突上面會有很多次動作電位產生,每次都往軸突更遠的地方產生,一直到軸突的尾端,在突觸的地方會產生作用,這個時候就換這個神經細胞把訊息傳給下一個神經細胞了,同樣地可以透過 (1) 觸突直接接觸,因此把動作電位直接傳過去。(2) 觸突的地方因為動作電位,釋放出神經傳導素的化學物質,引發另外一個神經元細胞膜上面的離子通道被啟動,然後該神經元湧入鈉離子,造成該神經元動作電位,訊息就繼續傳遞給該神經元了。

講了這麼多,我們終於知道了,神經元之間怎樣子傳遞訊息,只不過我們是在細胞大小的世界裡面,來觀看訊息到底是怎樣子傳遞的。為了怕各位看到這邊已經有些頭昏腦脹了,下面我用條列式地把這個故事簡潔地說出來:

  1. 神經細胞沒有接電池或插座,因此動作電位是從離子 (ion) 的電荷而來,離子就是原子失去電子或是多得到電子而成
  2. 細胞膜是由兩層脂肪組成,上面有一些穿透細胞膜的蛋白質,包括離子通道
  3. 離子通道開關被啟動後,會讓離子依照濃度大小往細胞內或外移動
  4. 鈉離子大量湧入細胞,會讓細胞電位從 -75mV提高到 +50mV,稱為去極化 (depolarize)
  5. 接著鉀離子大量離開細胞,會讓細胞電位恢復到 -75mV,稱為再極化 (repolarize)
  6. 去極化再極化,造成一次動作電位
  7. 動作電位會沿著軸突傳送,到軸突末端的突觸(synapse)的地方,傳給下一個神經細胞
  8. 傳給下一個神經細胞的方法,和離子通道被啟動的方法相互對應,有的通道是電位改變的時候會打開,有的通道是接受神經傳導物質才會打開,也因此軸突末端的突觸,可以直接把動作電位傳給下一個細胞,或是釋放化學物質,讓下一個神經元接受後來打開離子通道,造成下一個神經元的動作電位
  9. 動作電位就依照上面的故事,從這個神經元傳到下一個神經元,成為神經細胞之間傳遞訊息的基本單位

講完這些,實在是因為在細胞層次才能看到這麼多細節,而這些細節又只是基本的原理。如果我們想要了解比較巨觀的認知功能,像是人類的記憶 (可以參考〈認知與記憶〉這篇文章),就是在剛才介紹的基本原理上頭,作更多的研究。因此這膜多細節不是要讓各位頭昏腦脹,而是期待有興趣的讀者,能夠因此發現微觀世界,顯微鏡的鏡頭下,有這麼多新奇的事情,對於我們長久想要解答的大腦功能,是如此有潛力在裡面找出解答!

在電腦科學領域中的類神經網路(artificial neural network) 也依照上面的原理,設計一個網路 (network) ,網路裡面的代表神經元,代表突觸,邊上面的權重(weight)代表突處的強度,然後依照動作電位的方式,如果輸入的數字足夠大,超過一個閥值 (threshold),就會像之前提到的正向循環一般,引發動作電位,然後傳給下一個點。不過無論網路的連接方式如何變化,訓練(training)的演算法如何設計,類神經網路化簡了一些細節。這些細節的省略,是否就是正確率的關鍵?計算神經學 (computational neuroscience)就是要研究這部分。

我們可以看到,一個簡單的神經訊息傳遞,訊息的基本單位–動作電位,要產生出來,如果從細胞大小的這個層次來看,居然需要這麼多步驟。每一個步驟如果有些微的改變,有時候就會有巨大的影響。舉例來說,如果離子通道因為基因突變,有一點點不同,讓動作電位比正常人容易產生,好像只是一個小小的離子通道有變化,行為上卻可能讓一個人容易有精神分裂症。(有興趣的讀者可以閱讀這篇paper [PDF])

所以計算神經學,就是用各種數學方法,詳細地計算在神經元上面發生的各樣事情,小到基因、離子的層次,中間到細胞層次的模擬,一直到大腦整個神經網路的模擬,最後對應到我們可以觀察到的認知和行為功能上面。希望經由這個方式,我們可以更詳細、也更準確地模擬我們的神經系統,之後可以預測神經系統上面還未發現的部分,或是應用在電腦科學上,可以設計出正確率更高的演算法,或是解決目前演算法難以解決的問題,像是自然語言處理等等。

當然啦,因為人腦複雜,要把人腦的構造應用到電腦科學之前,我們可能先卡在無法了解人腦的這個難題上面,然而一步一步來,總是會有進展的,目前比較有名的,算是1952年Hodgkin和Huxley提出的計算模型 (原始paper),精確地預測出鈉離子通道有四個subunit,所依據的是一些章魚的實驗資料,而預測出當時還沒發現的東西,也因此他們在1963年獲得諾貝爾生醫獎。不管有沒有諾貝爾獎,這也都代表著我們可以繼續往這條路研究!終有一天可以找出人類大腦的奧妙所在,進而應用在電腦科學上面尚未解決的問題,像是人工智慧方面的問題!

參考資料

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  • http://kabaism.blogspot.com Kaba

    謝謝您的文章,學到不少。
    請問一下「去極化和再極化,造成一次動作電位」這樣的過程是多久呢?

  • http://kabaism.blogspot.com Kaba

    謝謝您的文章,學到不少。
    請問一下「去極化和再極化,造成一次動作電位」這樣的過程是多久呢?

  • http://stevelin9981.spaces.live.com/ Stevenlin

    http://en.wikipedia.org/wiki/Action_potential
    這上面有圖

    我看起來是約10-15ms左右
    如果有錯,還望指正。

  • http://stevelin9981.spaces.live.com/ Stevenlin

    http://en.wikipedia.org/wiki/Action_potential
    這上面有圖

    我看起來是約10-15ms左右
    如果有錯,還望指正。

  • http://mmdays.wordpress.com Mr. Thursday

    嗯…一般神經細胞的動作電位比較短
    由wikipedia的圖看來大約10ms左右沒錯
    至於在心臟裡面的動作電位會維持比較久
    wikipedia裡面是寫100ms左右
    還有力氣的話可以看這一部分:
    http://en.wikipedia.org/wiki/Cardiac_action_potential

  • http://mmdays.wordpress.com Mr. Thursday

    嗯…一般神經細胞的動作電位比較短
    由wikipedia的圖看來大約10ms左右沒錯
    至於在心臟裡面的動作電位會維持比較久
    wikipedia裡面是寫100ms左右
    還有力氣的話可以看這一部分:
    http://en.wikipedia.org/wiki/Cardiac_action_potential

  • http://mmdays.wordpress.com Mr. Thursday

    另外我有個地方寫錯:
    Hodgkin-Huxley Model是用烏賊 (squid) 的資料
    不是章魚的資料喔!

  • http://mmdays.wordpress.com Mr. Thursday

    另外我有個地方寫錯:
    Hodgkin-Huxley Model是用烏賊 (squid) 的資料
    不是章魚的資料喔!