动作电位

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当动作电位（神经冲动）沿着轴突传导时，轴突的跨膜的极性发生变化。响应来自其他神经元的信号，Na+ 和 K+ 门控的离子通道随着膜电位达到其阈值电位而打开和关闭。动作电位开始时 Na+ 通道打开，Na+ 进入轴突，导致去极化。当 K+ 通道打开而 K+ 移出轴突时，就会发生复极化，从而在细胞的外部和内部之间产生极性变化。神经脉冲仅在一个方向上沿着轴突行进，到达轴突末端，在那里它向其他神经元发出信号。

生理学上，动作电位（action potential, AP）就是特定细胞位置的膜电位迅速上升又迅速下降的过程[1] ：这种去极化（depolarization）会导致相邻位置同样地去极化。动作电位可在神经元、肌肉细胞、内分泌细胞等类型的称为兴奋性细胞（excitable cells）的动物细胞以及某些植物细胞中发生。

在神经元中，动作电位在细胞与细胞之间的通讯中起着中心作用，它可以以跳跃式传导（saltatory conduction ）方式，协助神经信号沿着轴突向位于轴突末端的突触扣结（synaptic bouton 或 synaptic knob）传播（propagation）；然后信号通过突触传递到其他神经元、运动细胞或腺体。在其他类型的细胞中，它们的主要功能是激活细胞内的反应过程。例如，在肌肉细胞中，动作电位是引起肌肉收缩的一系列事件的第一步。在胰腺的 β 细胞中，它们会刺激胰岛素的释放[lower-alpha 1]。神经元的动作电位也被称为“神经冲动（neural impulse）”或“脉冲（spike）”，神经元产生的动作电位的时间序列被称为“动作电位序列（spike train）”。神经元发出动作电位或神经冲动，也常说神经在“发放（fire）”。

动作电位是由细胞质膜内嵌的特殊类型的电压门控离子通道（voltage-gated ion channel）产生的[lower-alpha 2]。这些通道在膜电位处于细胞的静息电位（一个负数数值）附近时关闭，而在膜电位增加到精确定义的阈电位（threshold voltage）时迅速打开，从而使膜电位去极化[lower-alpha 2]。开放状态的通道让钠离子内流，改变电化学梯度，进而使膜电位趋升于零。这便导致更多的通道打开，产生更大的跨膜电流……这个过程爆发性地发生，直到所有可用的离子通道都打开，从而导致膜电位的大幅上升。钠离子的快速内流导致细胞质膜极性反转，随后离子通道迅速失活。随着钠离子通道的关闭，钠离子不再能进入神经元，然后以主动运输的方式被转运到质膜外。随后，钾离子通道被激活，产生一个外向的钾离子电流，使电化学梯度回到静息状态。动作电位发生后，会有短暂的负移，称为后超极化（afterhyperpolarization）。

动物细胞中存在两种基本类型的动作电位。一种是电压门控钠通道产生的，另一种是电压门控钙通道产生的。钠脉冲通常持续不到一毫秒，而钙脉冲可持续 100 毫秒甚至更长时间。在某些类型的神经元，持续稍久的钙脉冲为钠脉冲的长时间迸发提供驱动力。另一方面，在心肌细胞，初始的快速钠脉冲像“点火器”一样，迅速引发钙脉冲，从而产生肌肉收缩[2]。

概述

典型的动作电位波形。膜电位一直保持在接近基线水平，直到某个时间点突然上升，然后迅速下降。

动物、植物和真菌的细胞膜几乎都在细胞外部和内部维持一个电压差，称为膜电位（membrane potential）。动物细胞的跨膜电压一般是 -70 mV。这意味着细胞内部相对于外部存在一个负电压。在大多数类型的细胞中，膜电位通常相当稳定。而某些类型的细胞具有电活性，即它们的电压随着时间而波动。在某些类型的有电活性的细胞，包括神经元和肌肉细胞中，电压波动的通常形式为迅速上升而后迅速下降。这些升降的循环即为动作电位。在某些类型的神经元中，整个升降循环在千分之几秒内发生。在肌肉细胞中，典型的动作电位持续时间约为五分之一秒。在其他类型的细胞和植物中，动作电位可能持续三秒或更长时间[3]。

细胞的电特性是由细胞周围的质膜的结构决定的。细胞膜由内嵌更大的蛋白质分子的脂双分子层组成。这种脂双分子层对带电离子的运动产生很强的阻力，因此产生绝缘作用。而质膜内嵌的大蛋白质可作离子的跨膜通道。驱动动作电位的通道蛋白随细胞内外电压差的变化，而在闭合和开放状态的构象之间转换。这些电压敏感蛋白被称为电压门控离子通道。

典型的神经元过程

典型动作电位的近似图显示了动作电位经过细胞膜上一点时的各个阶段。膜电位开始时（时间零点）约为−70 mV。在时间 = 1 ms 时施加刺激，这会将膜电位提高到 −55 mV（阈值电位）以上。施加刺激后，膜电位在时间= 2 ms 时迅速上升到 +40 mV 的峰值电位。在时间 = 3 ms 时膜电位又快速下降并过冲至 −90 mV，最后在时间 = 5 ms 时重新建立 −70 mV 的静息电位。

动物身体组织中的细胞都是电极化的——换句话说，它们维持一个跨细胞质膜的电压差，即所谓的膜电位。这种电极化是嵌入在质膜的蛋白质结构（称为离子泵和离子通道）之间复杂的相互作用中产生的。神经元细胞膜上的离子通道在不同的细胞部位而类型不同，因而树突、轴突和胞体具有不同的电特性。因此，神经元质膜仅在某些部位是可兴奋的（能够产生动作电位）。近年的研究表明，神经元最易兴奋的部位是轴丘（axon hillock，轴突出离胞体的部位）后的部位，称为轴突始段（axonal initial segment），但在大多数情况下轴突和胞体也是可兴奋的[4]。

可兴奋的细胞膜片都有两个重要的膜电位：未受干扰时细胞维持的静息电位（resting potential），和更高值的阈电位。典型神经元的轴丘的静息电位约为 -70 mV，阈值电位约为 -55 mV。神经元的突触输入导致膜去极化或超极化，即它们使膜电位升高或降低。当去极化累积到足以使膜电位达到阈电位时，就会触发动作电位。动作电位被触发时，膜电位猝然上升，随后同样猝然下降，且常降到静息电位以下一段时间。动作电位的波形是固定不变的，这意味着在给定的细胞中，所有动作电位的升降幅度和时间过程大致相同（本文后面将讨论例外情况）。在大多数神经元中，整个过程发生在千分之一秒左右。很多类型的神经元不断地以每秒 10-100 次的速度发放动作电位。而有些类型更安静的细胞，可能持续几分钟或更长时间而不发生任何动作电位。

生物物理基础

动作电位因细胞膜上特殊类型的电压门控离子通道产生[5] 。电压门控离子通道是一种跨膜蛋白，有三关键性质：

  1. 它能够呈现多种构象。
  2. 至少一种构象能在膜上形成通道，以渗透特定种类的离子。
  3. 构象之间的转换受到膜电位的影响。

因此，电压门控离子通道在膜电位处于某些水平时倾向于打开，在其他水平时倾向于关闭。然而，膜电位和离子通道的状态之间在大多数情况下是一种概率关系，并且存在时间延迟。离子通道在不可预测的时间在不同构象之间切换：膜电位决定状态切换速率和单位时间每种切换类型的概率。

动作电位沿着轴突传导

电压门控离子通道能够产生动作电位，是因为它们能够产生正反馈回路：膜电位控制离子通道的状态，而离子通道的状态控制膜电位。因此，在某些情况下，膜电位的上升会导致离子通道打开，又导致膜电位的进一步上升。当这种正反馈循环（Hodgkin 循环）爆发性地进行时，就会产生动作电位。电压门控离子通道的生物物理特性决定了动作电位的时间和幅度轨迹。存在几种能产生动作电位所必需的正反馈回路的离子通道。电压门控性钠通道负责神经传导的快速动作电位。肌细胞和某些类型的神经元的稍慢的动作电位是由电压门控钙通道产生的。每种类型都有多种变体，具有不同的电压灵敏度和不同的时间动力学。

研究最多的电压依赖型离子通道是快速神经传导中的钠通道。这些钠离子通道有时被称为 Hodgkin-Huxley 钠离子通道，因为它们是 Alan Hodgkin 和 Andrew Huxley 在他们获得诺贝尔奖的关于动作电位的生物物理研究中首先描述的，但更方便地被称为 NaV 通道（“ v”代表“电压”）。NaV 通道有三种可能的状态，即失活（deactivated）、激活（activated）和灭活（inactivated）。这些通道处于激活状态时，允许钠离子通过。当膜电位低时，通道大部分时间处于失活（关闭）状态。如果膜电位升高到某一水平以上，通道转换到激活（开放）状态的概率增加。膜电位越高，激活的可能性就越大。通道一旦被激活，最终会转换到灭火（关闭）状态，并倾向在一段时间内保持灭活状态；如果膜电位再次变低，通道最终会转换到失活状态。在动作电位发生过程中，大多数这种类型的通道经历失活→激活→灭活→失活的循环过程。然而这只是群体平均行为——理论上单个通道可在任何时刻发生任何转换。然而，通道从灭活状态直接转换到激活状态的概率极低：处于灭活状态的通道是不应的，直到它回到灭活状态。

这些的结果是，NaV 通道的动力学决定于状态转换矩阵，其中转换速率以一种复杂的方式依赖于电压。由于这些通道本身在决定电位中起着重要作用，系统的全局动力学可能很难计算出来。为了解决这个问题，Hodgkin 和 Huxley 为决定离子通道状态的参数建立了一组微分方程，称为 Hodgkin-Huxley 方程（Hodgkin-Huxley equations）。这些方程在后续的研究被修正了很多，但构成很多动作电位生物物理学的理论研究的起点。

动作电位过程中的离子移动。图注：a）钠离子（Na+）、b）钾离子（K+）、c） 钠通道、d）钾通道、e）钠钾泵。在动作电位发生的过程中，神经元质膜的通透性发生变化。在静息状态（1），钠离子和钾离子能有限地跨膜通过，神经元内部具有净负电荷。一旦触发动作电位，神经元去极化（2）激活钠通道，允许钠离子通过细胞膜进入细胞，导致神经元相对于细胞外液的净正电荷。达到动作电位峰值后，神经元开始复极化（3），其中钠通道关闭，钾通道打开，允许钾离子穿过膜进入细胞外液，使膜电位恢复为负值。最后，有一个不应期（4），在此期间，电压依赖的离子通道失活，而 Na+ 和 K+ 离子返回到其在膜上的静息状态分布（1），并且神经元准备重复该过程产生下一个动作电位。

随着膜电位的增加，钠离子通道打开，允许钠离子进入细胞。随后钾离子通道打开，允许钾离子流出细胞。钠离子内流增加了细胞中带正电荷的阳离子的浓度，导致去极化，这时细胞的电位高于细胞的静息电位。钠离子通道在动作电位峰值处关闭，而钾离子继续流出细胞。钾离子外流会降低细胞的膜电位或使细胞超极化。膜电位比静息电位高一点时，钾电流超过钠电流，而恢复到正常的静息值，通常为 -70 mV。然而，如果电位增加超过一个关键阈值，通常高于静息值 15 mV，钠电流将占主导地位。这就导致了一种失控的情况，即钠电流的正反馈激活了更多的钠通道。因此，细胞发放，产生动作电位。神经元诱发动作电位的频率通常被称为发放频率或神经放电频率。

在动作电位过程中，电压门控通道的开放所产生的电流通常明显大于起初的刺激电流。因此，动作电位的幅度、持续时间和波形在很大程度上取决于可兴奋膜的性质，而不是刺激的幅度或持续时间。动作电位的这种全或无的特性使它有别于受体电位（receptor potentials）、电紧张电位（electrotonic potentials）、阈下膜电位振荡（subthreshold membrane potential oscillations）和突触电位（synaptic potentials）等随刺激强度变化的级量电位（graded potential）。取决于电压门控通道的类型、漏电通道、通道分布、离子浓度、膜电容、温度等因素，许多细胞类型和细胞分区中存在多种动作电位类型。

与动作电位有关的主要离子是钠离子和钾离子；钠离子进入细胞，钾离子流出，恢复平衡。只需相对很少的离子跨膜就能引起膜电位剧烈的变化。因此，在动作电位期间交换的离子对内部和外部离子浓度的改变微不足道。少数跨膜的离子通过钠钾泵（sodium–potassium pump）的连续作用再次泵出，钠钾泵与其他离子转运蛋白一起，维持了跨膜离子浓度的正常比例。钙离子和氯离子参与了几种类型的动作电位，比如分别参与心肌动作电位和单细胞的伞藻的动作电位。

虽然动作电位是在可兴奋的膜片上局部产生的，但由此产生的电流可以触发相邻膜片上的动作电位，促成多米诺骨牌般的传播。与被动传播的电位（电紧张电位）不同，动作电位沿着可兴奋的细胞膜重新产生，并且不衰减地传播[6]。轴突的有髓鞘区域不可兴奋，不产生动作电位，信号被动地以电紧张电位的形式传播。在郎飞节，即规律性间隔的无髓鞘膜片，产生动作电位来增强信号。这种类型的信号传播被称为跳跃式传导，是在信号传播速度和轴突直径之间的折衷。轴突末梢的去极化通常触发神经递质释放进入突触间隙。此外，在新皮层广泛存在的锥体神经元的树突中也记录到了反向传播的动作电位[lower-alpha 3]。这些都被认为脉冲时序依赖的突触可塑性（STDP, Spike-timing-dependent_plasticity）中起着重要作用。

在 Hodgkin-Huxley 膜电容模型中，动作电位的传输速度没有定义，而是假设附近区域受邻近通道释放的离子干扰而去极化。离子扩散和半径的测量表明这是不可能的。此外，对熵变和时序的测量中的矛盾，对电容模型是独立工作的产生质疑。另外，Gilbert Ling 的吸附假说认为活细胞的膜电位和动作电位是由于活动离子吸附在细胞的吸附位点上.[7]。

动作电位的电性质的成熟

神经元产生和传播动作电位的能力在发育过程中发生变化。神经元在电流脉冲作用下的膜电位变化量是膜输入电阻的函数。随着细胞的生长，膜上添加了更多的通道，导致输入电阻减小。一个成熟的神经元在突触电流的作用下，膜电位也会发生更短时间的变化。雪貂外侧膝状核的神经元在 P0 时比在 P30 时有更长的时间常数和更大的电压偏转[8] 。动作电位持续时间减少的一个后果是，可以保持高频刺激的反应信号的保真度。高频刺激后，未成熟神经元更容易发生突触抑制而非增强[8] 。

在许多生物体的早期发育过程中，动作电位实际上最初是由钙电流而不是钠电流携带的。发育过程中钙离子通道的开闭动力学比电压门控钠离子通道的开闭动力学要慢，而电压门控钠离子通道是成熟神经元的动作电位。钙离子通道的开放时间越长，动作电位的速度就会比成熟神经元慢得多[8] 。非洲爪蟾（Xenopus）神经元最初的动作电位需要 60-90 毫秒。在发育过程中，这个时间减少到 1 毫秒。这种急剧下降有两个原因。首先，向内的电流主要由钠离子通道输送 [9] 。其次，延迟整流器——一种钾离子通道电流——增加到最初强度的 3.5 倍 [8] 。

为了使钙离子依赖的动作电位转变为钠离子依赖的动作电位，膜上必须增加新的通道。如果非洲爪蟾神经元生长在有 RNA 合成抑制剂或蛋白质合成抑制剂的环境中，这种转变就被阻止了 [10]。甚至细胞本身的电活动也可能在通道的表达中发挥作用。如果阻断非洲爪蟾心肌细胞的动作电位，通常发生的钠和钾电流密度增加就会被阻止或延迟 [11]。

在不同物种中都可观察到这种电特性的成熟过程。非洲爪蟾的钠和钾电流在神经元进入有丝分裂的最后时相后急剧增加。大鼠大脑皮层神经元的钠电流密度在刚出生的 2 周内增加 600% [8]。

神经传递

神经元的解剖学

有几类细胞可以产生动作电位，比如植物细胞、肌肉细胞和心脏中的特化细胞（在这些细胞中发生心肌动作电位）。然而，最主要的兴奋性细胞是神经元，其亦具有最简单的动作电位机制。

神经元是电兴奋型细胞，一般包含一个或多个树突、一个胞体、一个轴突以及一个或多个轴突末梢。树突是细胞的突起，其主要功能是接收突触信号。突触上的突起被称为树突棘，用来捕获突触前神经元释放的神经递质。其上分布有高密度的配体门控离子通道。这些棘有一个细细的颈部，连接球状突起和树突。这确保树突棘内部发生的变化不太可能影响邻近的树突棘。树突棘除了极少数例外情况（见 LTP），可以作为一个独立的单位工作。树突从胞体延伸出来，胞体是细胞核和许多“正常”的真核细胞器的所在。与树突棘不同，胞体的表面布满了电压可激活的离子通道。这些通道帮助传输由树突产生的信号。从胞体延伸出来的是轴丘。这个区域的特征是有非常高浓度的电压激活钠离子通道。一般认为它是动作电位的起始区，或触发区。在树突棘处产生的多个信号，经胞体传输而汇聚于此。轴丘之后便是轴突。这是一个从胞体中延伸出来的细管状突起。轴突被髓鞘（myelin）绝缘。髓鞘由神经胶质细胞组成，在外周神经系统是施万细胞，在中央神经系统为少突胶质细胞。虽然神经胶质细胞不参与电信号的传递，但可以与神经元通讯和提供重要的生化支持。具体来说，髓鞘绕着轴突多重包裹，形成一层厚厚的脂肪层，阻止离子进入或逃离轴突。这种绝缘可以避免信号发生剧烈的衰减，并确保信号更快速地传播；但同时会限制轴突表面，使其没有离子通道。因此，在轴突上每隔一段就会有块不带绝缘层的膜片。这些郎飞结（nodes of Ranvier）可以被认为是“迷你轴丘”，因为其目的是增强信号，以避免明显的信号衰减。在最远端，轴突失去绝缘的髓鞘，并开始分支成几个轴突末梢。这些突触前末梢，或称突触扣结，是突触前细胞轴突内的一个特殊区域，其中包含神经递质，这些神经递质被包装在称为突触小泡的膜包裹的小球内。

动作电位的触发

当动作电位传至突触前轴突末端（上部）时，它会导致神经递质分子的释放，这些分子打开突触后神经元中的离子通道（底部）。输入引起的兴奋性和抑制性突触后电位在突触后神经元中整合引起新的动作电位。

动作电位沿轴突传播并终于突触扣结之前，要先在轴丘触发。触发的基本条件就是轴丘的膜电位提高到动作电位发放的域值以上。存在几种去极化的方式。

动作电位的动力学

动作电位多是由突触前神经元引起的兴奋性突触后电位（excitatory postsynaptic potentials）引起的。一般地，神经递质分子由突触前神经元释放后，与突触后细胞上的受体结合。这种结合打开了各种类型的离子通道，能够改变细胞膜的局部通透性，从而改变膜电位。如果这种结合提高膜电位（去极化），则突触是兴奋性的；而如果这种结合降低膜电位（使细胞膜超极化），它就是抑制性的。无论是升高还是降低，膜电位的变化都会被动传播到邻近区域的膜上（如电缆方程（cable equation ）及其改进所刻画的），并且通常随着与突触的距离以及与神经递质结合后的时间呈现指数衰减。少量兴奋性电位可传至轴丘，并且（在极少情况下）使膜足够去极化以引发新的动作电位。更常见的是，从多个突触传来的兴奋性电位必须几乎同时作用才能引发一个新的动作电位。当然，这种共同作用也可能被反作用的抑制性突触后电位（inhibitory postsynaptic potentials）所阻。

神经传导也可通过电突触（electrical synapse）进行。兴奋性细胞之间以缝隙连接（gap junction）的形式直接相连，动作电位可以从一个细胞直接传递到下一个细胞。离子在细胞之间的自由流动使得非化学介导的快速传输成为可能。整流通道确保动作电位通过电突触单向移动。电突触存在于所有神经系统，包括人脑中，尽管它们只占很少部分。

“全或无”律

动作电位的幅度（amplitude）与引起动作电位的电流的大小无关。换句话说，更大的电流不会产生更大幅度的动作电位。因此，动作电位被称为全或无（all-or-none）信号，因为它们要么完全发生，要么根本不发生。[lower-alpha 4][lower-alpha 5][lower-alpha 6] 这与受体电位不同，受体电位的幅度取决于刺激的强度。这两种情况下，动作电位的频率都与刺激的强度相关。

感觉神经元

在感觉神经元（sensory neurons）中，压力、温度、光或声音等外部信号与离子通道的开关相耦联，进而改变细胞膜的离子通透性和电位。这些电位变化可以是兴奋性的（去极化）或抑制性（超极化）的，在某些感觉神经元中，不同突触电位的合力使轴丘足够去极化以引起动作电位。比如分别在人类嗅觉和触觉中至关重要的嗅觉感觉神经元和迈斯纳氏小体（Meissner's corpuscle）。然而，并不是所有的感觉神经元都将外部信号转换成动作电位，有些甚至没有轴突。而是将信号转换成一种神经递质的释放，或者转换成连续的级量电位，这两种都可以刺激后续的神经元发放动作电位。例如，人耳中的毛细胞将传入的声音转换成机械门控离子通道（mechanically gated ion channels）的开关，这可导致神经递质分子的释放。同样，在人类视网膜中，第一层光敏感的感光细胞以及第二层的双极细胞（bipolar cells）和水平细胞（horizontal cells）不产生动作电位；只有一些无长突细胞（amacrine cell）和第三层的神经节细胞（ganglion cells）产生动作电位，并沿视神经传递。

起搏电位

在起搏电位中，细胞自发地去极化（斜向上的直线），直到它发放动作电位。

感觉神经元中，动作电位是由外部刺激引起的。然而，一些兴奋性细胞不需要这样的刺激就可以发放动作电位：它们自发地使轴丘去极化，以特定的速率发放动作电位，像内部时钟一样。这种细胞的电位变化称为起搏电位（pacemaker potentials）。心脏窦房结（ sinoatrial node）的心肌起搏细胞（cardiac pacemaker cells）就是一个很好的例子。[lower-alpha 7] 虽然这种起搏电位有其自然节奏，但可以通过外部刺激进行调节；例如，药物以及交感神经和副交感神经发出的信号可以改变心率。外部刺激不是引起细胞动作电位的连续性发放，仅是改变其节奏。某些情况下，存在对发放频率更为复杂的调节，引起特定的动作电位模式，比如爆发（bursting）。

动作电位的相位

动作电位可分为五个阶段：上升相（the rising phase）、峰值相（the peak phase）、下降相（the falling phase）、下冲相（the undershoot phase）和不应期（the refractory period）。在上升相，膜电位去极化（正向变化）。去极化停止的点称为峰值相。在这个阶段，膜电位达到了最大值。在这之后就是下降相，膜电位负向变化，下降趋于静息电位。下冲（undershoot）或后超极化（afterhyperpolarization）相是膜电位短暂变得比静息时还负（超极化）的时期。最后，不能或很难继续发放动作电位的时期被称为不应期，可与其他阶段存在重叠。

动作电位的过程是由两个耦合的效应决定的。首先，膜电位的变化引起电压敏感离子通道的开关，进而改变了膜对这些离子的渗透性。其次，根据戈德曼方程（Goldman equation），这种渗透性的变化改变了平衡电位 Em，从而改变了膜电位。[lower-alpha 8] 因此，膜电位影响渗透性，其又进一步影响膜电位。这就为正反馈（positive feedback）创造了条件，而正反馈正是动作电位上升相的关键。更复杂的是，一个离子通道可能有多个内“门”，对 Vm 以相反的方式或不同速率做出反应。[lower-alpha 9] 例如，尽管提高 Vm 能打开电压敏感钠通道中的大多数门，但它也缓慢地关闭通道的“失活门（inactivation gate）”。因此，当 Vm 突然升高时，钠离子通道一开始打开，然后因较慢的失活而关闭。

Alan Lloyd Hodgkin 和 Andrew Huxley 在 1952 年建立了动作电位各个阶段的电压和电流的精确模型 [lower-alpha 9] 并因此获得 1963 年诺贝尔生理学或医学奖。[lower-Greek 1] 然而，他们的模型只考虑了两种类型的电压敏感性离子通道，并对齐提出几个假定条件，比如，通道内的各门的打开和关闭是相互独立的。实际上，离子通道有很多种类型，[12] 且并不总是独立打开和关闭的。[lower-alpha 10]

刺激和上升相

动作电位通常因刺激提高了 Vm 等因素使轴丘足够去极化而发生。这种去极化通常是由细胞注入额外的钠离子等阳离子引起的；这些阳离子有多种来源，如化学突触、感觉神经元或起搏电位。

对于处于静息状态的神经元来说，细胞外液的钠离子和氯离子浓度高于细胞内液中，而细胞内液的钾离子浓度高于细胞外液。使离子从高浓度向低浓度移动的浓度差，以及静电作用（相反电荷的吸引）决定离子流出或流入神经元。由于细胞的 K+ 外流，神经元内部相对于外部带负电。神经元的细胞膜对 K+ 的渗透性比其他离子更强，使得这种离子能够选择性地顺着浓度梯度流出细胞。这种浓度梯度以及神经元膜上的钾离子泄漏通道（potassium leak channel）导致钾离子外流，使静息电位接近 EK ≈ -75 mV。由于钠离子在细胞外的浓度较高，当钠离子通道打开时，浓度差和电位差都驱使其进入细胞。去极化打开了细胞膜上的钠通道和钾通道，允许离子分别流入和流出轴突。如果去极化很小（比方说，把 Vm 从 -70 mV 增加到 -60 mV），外向的钾电流大过内向的钠电流，膜复极化回到正常的静息电位 -70 mV 左右。然而，当去极化足够大时，内向钠电流的增加大于外向钾电流，出现了失控（正反馈）现象：内向钠电流越大， Vm 越是升高，其反过来又进一步增加内向钠电流。足够强的去极化（ Vm 的增加）使电压敏感的钠通道开放，钠的渗透性增加使 Vm 趋向钠平衡电位 ENa ≈ +55 mV。电位增加进而导致更多的钠离子通道打开，这使得 Vm 更趋近 ENa。这种正反馈持续到钠离子通道完全打开，Vm 接近 ENa。Vm 和钠通透性的骤然上升与动作电位的上升相是对应的。

这种失控状态的临界阈值电位通常在 -45 mV 左右，但这取决于轴突最近的活动。刚发放过动作电位的细胞不能立即发放新的动作电位，因为 Na+ 通道还没有从失活状态恢复过来。不能发放新的动作电位的这段时间叫做绝对不应期（absolute refractory period）。在部分的离子通道恢复后，轴突可以被刺激产生新的动作电位，但需要更高的阈值电位，即需要更强的去极化，比如 -30 mV。很难触发动作电位的时期称为相对不应期（relative refractory period）。

峰值相

随着钠离子通道最大程度地开放，上升相的正反馈变慢并停止。在动作电位峰值，钠离子的渗透性最大，膜电位 Vm 几乎等于钠离子的平衡电压 ENa。然而，最初打开钠离子通道的膜电位上升也通过关闭通道孔而慢慢关闭通道；钠离子通道失活。这降低了细胞膜钠离子相对于钾离子的通透性，使膜电位重新回到静息值。同时，膜电位上升打开了电压敏感性钾离子通道，膜的钾离子通透性增加促使 Vm 向 EK 方向变化。这些钠离子与钾离子的通透性的变化使 Vm 迅速下降，使膜复极化，产生动作电位的“下降相”。

后超极化

去极化电位使额外的电压依赖性钾离子通道打开，但当膜恢复至正常的静息电位时，其中一些通道不会立即关闭。此外，在动作电位过程中，钙离子内流会引起更多的钾离子通道打开。细胞内钾离子浓度短暂地变得极低，使膜电位 Vm 更加接近钾离子平衡电位 EK，甚至低于静息膜电位。因此，存在一个下冲（undershoot）或超极化（hyperpolarization）称为后超极化，持续到膜的钾离子通透性恢复到正常值，恢复膜电位到静息状态。

不应期

每个动作电位后都接着一个不应期，这个不应期可以分绝对不应期和相对不应期。在绝对不应期，完全不能触发新的动作电位；在随后的相对的不应期，需要异常强的刺激才能引发动作电位。两个不应期是由钠离子和钾离子通道的分子状态变化造成的。在动作电位后关闭的钠通道进入“失活”状态，不管膜电位如何钠通道都不能被打开ーー这就产生了绝对不应期。即使有足够数量的钠离子通道已经过渡到其静息状态，但往往仍有部分的钾离子通道是开放的，这使得膜电位很难去极化，从而导致相对不应期。因为钾离子通道的密度和亚型在不同类型的神经元之间可能有很大的差异，相对的不应期的持续时间是高度可变的。

因为绝对不应期，动作电位沿轴突的传播是单向的。动作电位传播中的任一时刻，轴突上正在发放的位置后面是不应激的，而前方的膜片因为近期没有被激活，能够被动作电位的去极化刺激。

动作电位的传播

轴丘产生的动作电位像波一样沿轴突传播。动作电位的膜内向电流会沿着轴突扩散，并使邻近的细胞膜去极化。足够强的去极化则会引起邻近的膜片发放类似的动作电位。Alan Lloyd Hodgkin 在 1937 年证明了这种基本的机制。他发现挤压（crushing）或冷却（cooling）神经节段，从而阻断动作电位，而传至阻断部位一侧的动作电位可以引发另一侧的动作电位，只要阻断的节段足够短。[lower-alpha 11]

细胞膜片上一旦发生动作电位，膜片需要时间恢复才能再次激活。在分子水平上，这个绝对不应期对应于电压激活的钠离子通道从失活状态恢复、回到关闭状态所需的时间。神经元中存在多种类型的电压激活钾通道。其中一些迅速失活（A 型电流），一些缓慢失活或从不失活；这种变异性保证了：即使一些钾离子通道因去极化而失活，总有电流使膜复极化。另一方面，去极化较强时，神经元所有的电压激活钠通道在几毫秒内失活，从而使去极化不可能再发生，直到相当一部分的钠通道恢复到关闭状态。绝对不应期虽然限制了动作电位的发放频率，但确保了其沿轴突单向传播。动作电位产生的电流会沿轴突双向扩布。然而，只有未发放的轴突部位才能产生动作电位的反应；刚发放过的部位不反应，直到动作电位移动到不再能刺激该部位的安全范围。在通常的正向传导（orthodromic conduction）中，动作电位从轴丘向突触扣结（轴突末梢）传导，向相反方向传导的反向传导（antidromic conduction）现象非常罕见。不过，如果实验中从中间刺激轴突，两边的轴突都是“新鲜的”，即未被刺激，那么就会产生两个动作电位，一个传向轴丘，另一个传向突触扣结。

髓鞘和跳跃式传导

为了在神经系统中快速高效地传递电信号，某些神经元的轴突上覆有髓鞘（myelin sheath）。髓鞘是多层膜，将轴突逐段包裹起来，段的间隔被称为郎飞结。它由专门的细胞产生：周围神经系统中是施万细胞（Schwann cells），中央神经系统中是少突胶质细胞（oligodendrocytes）。髓鞘减少了膜电容，并增加结间段的膜电阻，从而让动作电位在郎飞结之间快速、跳跃式的移动。[lower-alpha 12][lower-alpha 13][lower-alpha 14] 髓鞘形成（myelination）主要存在于脊椎动物，不过一些无脊椎动物也有类似的系统，比如某些种类的虾。[lower-alpha 15] 脊椎动物中并不是所有的神经元都有髓鞘；例如，组成自主神经系统的神经元的轴突一般都没有髓鞘。髓鞘阻止了离子从髓鞘包裹的轴突部位出入。一般地，髓鞘增加了动作电位的传导速率，使其能效更高。不管是否跳跃，动作电位的平均传导速率范围从 1 米每秒（m/s）到 100 m/s 以上，一般而言，随轴突直径的增大而增大。[lower-alpha 16]

动作电位不能在有髓鞘的轴突段的膜上传播。不过，电流经细胞质传输，足以使后面的一两个郎飞结去极化。就是说，一个郎飞结的动作电位产生的离子电流在下一个郎飞结引起另一个动作电位；动作电位的这种看似在郎飞结之间“跳跃”被称为跳跃式传导。跳跃式传导的机制在 1925 年就由 Ralph Lillie 提出，[lower-alpha 17] 但其首个实验证据来自 Ichiji Tasaki [lower-alpha 18] 和 Taiji Takeuchi [lower-alpha 19][13] 以及 Andrew Huxley 和 Robert Stämpflii。[lower-alpha 20] 而在无髓鞘的轴突，动作电位在紧邻的膜上引起另一个动作电位，并像波一样沿着轴突不断地移动。

猫的有髓鞘和无髓鞘轴突的传导速率的比较。有髓鞘神经元的传导速率 v 与轴突直径 d 大致呈线性变化（即 v ∝ d），[lower-alpha 16] 而无髓鞘神经元的速度大致与平方根呈线性变化（v ∝√d）。[lower-alpha 21] 红色和蓝色曲线是实验数据的拟合，而虚线是其理论外推。

髓鞘具有两个重要的优势：传导速率快和能效高。粗于一个最小直径（大约 1 微米）的轴突，髓鞘通常能让动作电位的传导速率增加十倍。[lower-alpha 22] 反之，相同的传导速率，有髓鞘的神经纤维比无髓的更细。例如，有髓鞘的蛙轴突和无髓鞘的乌贼巨轴突（squid giant axon）的动作电位传导速率大致相同（25 米/秒），但是青蛙的轴突直径要小 30 倍，横截面积要小 1000 倍。此外，因为离子电流被局限于郎飞结，离子的跨膜“泄漏”要少得多，节省了新陈代谢能量。考虑到人类神经系统消耗大约 20% 的身体代谢能量，这种节省有显著的选择优势（selective advantage）。[lower-alpha 22]

髓鞘包裹的轴突节段的长度对跳跃式传导的成功至关重要。它们应尽可能长，以最大限度地提高传导速率，但不能太长，以至于传过去的信号太弱，无法在下一个郎飞结触发动作电位。在自然界中，有髓鞘节段通常足够长，使信号被动传播至少两个结点而仍有足够的强度在第二、三结点触发动作电位。因此，跳跃式传导的安全系数很高，可以绕过损伤的郎飞结继续传播。然而，动作电位可能在安全系数较低的某些位置过早终止，即使在无髓神经元中也是如此；一个常见的例子是轴突分支成两个轴突的分支点。

有些疾病会降解髓鞘，破坏跳跃式传导，降低动作电位的传导速率。[lower-alpha 23] 其中最被人所知的是多发性硬化症（multiple sclerosis），髓鞘的降解削弱协调运动。[14]

电缆学说

电缆理论对神经元纤维的简化图。连接的 RC 电路对应于被动的神经突相邻的节段。（与胞内阻抗 ri 对应的）胞外阻抗 re 未显示，因其通常小到可以忽略不计；细胞外液可以认为是处处电位相等。

轴突内电流的流动可以用电缆理论（cable theory）[15] 及其细化模型，如房室模型（compartmental model）来定量描述。[16] 电缆理论是 Lord Kelvin 在 1855 年提出的，用来对跨大西洋电报电缆进行建模 [lower-alpha 24]，并于 1946 年被 Hodgkin 和 Rushton 证明对描述神经元也很有用。[lower-alpha 25] 简单的电缆理论中，神经元被看作是一个电被动的完美圆柱形的传输电缆，可用一个偏微分方程（partial differential equation）来描述[15]

[math]\displaystyle{ \tau \frac{\partial V}{\partial t} = \lambda^2 \frac{\partial^2 V}{\partial x^2} - V }[/math]

其中 V(x, t) 是时间 t 和沿神经元长度的位置 x 的跨膜电压，其中 λ 和 τ 是特征长度和时间尺度，对刺激的反应的电位以这些尺度发生衰减。参考右边的电路图，这些尺度可以通过单位长度的电阻和电容来确定。

[math]\displaystyle{ \tau =\ r_m c_m \, }[/math]
[math]\displaystyle{ \lambda = \sqrt \frac{r_m}{r_\ell} }[/math]

这些时间尺度和长度尺度可用于理解无髓鞘纤维中传导速率对神经元直径的依赖关系。比如，时间尺度 τ 随着膜电阻 rm 和膜电容 cm 的增大而增大。随着电容的增加，（根据公式 Q = CV）必须转移更多的电荷才能产生给定的跨膜电压；随着电阻的增加，每单位时间转移的电荷越少，则越慢恢复平衡。同样，如果轴突的单位长度的内阻 ri 较小（比如由于半径较大），空间衰减长度 λ 变长，动作电位的传导速率应该增加。如果跨膜电阻 rm 增大，减少平均跨膜“泄漏”电流，同样导致 λ 变长，增加了传导速率。

动作电位的终止

化学突触

一般而言，到达突触扣结（synaptic knobs）的动作电位会使神经递质释放到突触间隙。[lower-alpha 26] 神经递质是可以打开突触后细胞离子通道的小分子；大多数轴突的所有末梢都有相同的神经递质。传来的动作电位打开了突触前膜上的电压敏感性钙通道，钙内流导致充满神经递质的突触囊泡（vesicle）迁移到细胞表面，并将其内容物释放到突触间隙（synaptic cleft）。[lower-alpha 27] 引起破伤风（tetanus）的破伤风痉挛毒素（tetanospasmin）和引起肉毒中毒（ botulism）的肉毒杆菌毒素（botulinum toxin）等神经毒素会抑制这一复杂的过程。[lower-alpha 28]

兴奋性细胞之间的电突触让离子从一个细胞直接流到另一个细胞，比化学突触快得多。

电突触

有些突触不用“中间人”——神经递质，而将突触前细胞和突触后细胞连接起来。[lower-alpha 29] 当动作电位达到这样的突触时，流入突触前细胞的离子电流可以穿过两个细胞膜的屏障，通过称为连接子（connexon）的孔进入突触后细胞。[lower-alpha 30] 因此，突触前动作电位的离子电流可以直接刺激突触后细胞。电突触允许更快的传递，因为它们不需要神经递质在突触间隙中的缓慢扩散。因此，当快速反应和同步性协调非常重要的地方，就会使用电突触，例如在逃跑反射、脊椎动物的视网膜和心脏中。

神经肌肉接头

化学突触有个特例，就是运动神经元轴突末梢与肌纤维形成的神经肌肉接头（neuromuscular junction）。[lower-alpha 31] 运动神经元释放神经递质乙酰胆碱（acetylcholine），结合到肌膜（sarcolemma）上的内在膜蛋白乙酰胆碱受体（acetylcholine receptor）。[lower-alpha 32] 不过，乙酰胆碱结合后又很快解离并被位于突触中的乙酰胆碱酯酶（acetylcholinesterase）水解。这种酶能迅速减少对肌肉的刺激，从而使肌肉收缩的程度和时间受到精细的调控。一些毒药，例如神经毒剂沙林（sarin）和塔崩（tabun），[lower-alpha 33] 以及杀虫剂二嗪农（diazinon）和马拉硫磷（malathion），会使乙酰胆碱酯酶失活，从而阻断这种控制。[lower-alpha 34]

其他细胞类型

心肌动作电位

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心肌动作电位的阶段。电压的急剧上升（“0”）对应于钠离子的内流，而两个下降（分别为“1”和“3”）对应于钠通道失活和复极化的钾离子外流。特征性平台（“2”）是由电压敏感性钙通道的打开产生的。

心肌动作电位与神经元动作电位的不同之处在于，心肌动作电位有一个延长的平台期，即膜会保持几百毫秒高电位之后，才被钾电流复极化。[lower-alpha 35] 这个平台是慢速钙通道打开的作用，使膜电位在钠通道失活之后，仍保持在其平衡电位附近。

心肌动作电位在协调心脏收缩中起着重要作用。窦房结的心肌细胞提供了同步心脏的起搏电位。[lower-alpha 35] 这些细胞的动作电位传导到并通过房室结（atrioventricular node）——心房和心室之间唯一的传导通路。房室结的动作电位通过希斯氏束（bundle of His）传递到浦肯野纤维（Purkinje fibers）。相对的，心肌动作电位的异常ーー无论是由于先天性基因突变还是损伤ーー都可能导致人类疾病，尤其是心律失常。[lower-alpha 35] 几种抗心律失常药物作用于心肌动作电位，如奎尼丁（quinidine）、利多卡因（lidocaine）、 β 受体阻滞剂（beta blockers）和维拉帕米（verapamil）。[lower-alpha 36]

肌肉动作电位

正常的骨骼肌细胞的动作电位与神经元的动作电位相似。动作电位是细胞膜（肌膜）去极化的结果，这种去极化开启了电压敏感的钠通道；这些电压敏感的钠通道失活，膜通过钾离子外向复极化。动作电位之前的静息电位通常是 -90mV，比典型的神经元稍微负。肌肉动作电位持续时间约为 2-4 ms，绝对不应期约为 1-3 ms，肌肉传导速率约为 5 m/s。动作电位释放钙离子，释放原肌球蛋白（tropomyosin），使肌肉收缩。肌肉动作电位是由突触前神经元动作电位传至神经肌肉接头引起的。神经肌肉接头是很多神经毒素的共同靶点。[lower-alpha 33]

植物动作电位

植物和真菌细胞[lower-alpha 37] 也是电兴奋性的。与动物动作电位的根本区别在于，植物细胞的去极化不是通过摄入带正电的钠离子，而是通过释放带负电的氯离子来完成的。[lower-alpha 38][lower-alpha 39] 1906 年，J. C. Bose 发表了对先前由 Burdon-Sanderson 和 Darwin 发现的植物动作电位 [17] 进行首次测量的结果。细胞质中钙离子的增加可能是阴离子释放进入细胞中的原因。因此，钙是离子移动的前体，比如大麦（barley）叶中负氯离子的内流和正钾离子的外流时。[18]

钙离子的初始注入也使细胞些许去极化，导致电压门控离子通道打开并让氯离子扩散产生完全的去极化。

一些植物（例如捕蝇草（Dionaea muscipula，也叫 Venus flytrap））使用钠门控的通道操作运动，本质上是“计数”。捕蝇草可以在北卡罗来纳州和南卡罗来纳州的亚热带湿地见到。[19] 当土壤养分不足时，捕蝇草依靠昆虫和动物为食。[20] 尽管对这种植物进行了研究，但对于捕蝇草以及一般的食肉植物的分子机制还缺乏了解。[21]

不过，已经有很多关于捕蝇草的动作电位及其对捕蝇草的运动和机械原理的作用研究。首先，捕蝇草的静息膜电位（-120 mV）低于动物细胞（通常为 -90 mV 至 -40 mV）。[21][22] 更低的静息电位使得动作电位更容易触发。因此，当昆虫落在植物的陷阱叶上时，会触发一个毛状的机械感受器。[21] 这个受体激活一个持续约 1.5 毫秒的动作电位。[23] 最终，这会导致钙离子进入细胞，使细胞稍微去极化。

然而，一次触发不会让捕蝇草闭合，而是需要 2 根或更多的感觉毛被激活。[20][21] 只有一根感觉毛被触发，这个激活会被视为假阳性而无反应。而且第二根毛必须在一定的时间间隔（0.75 s - 40 s）内被激活，才能与前次激活一起算。[21] 因此，一次触发让钙信号开始积累并缓慢下降，而第二个动作电位在特定时间内发放，让钙信号达到钙阈值而使细胞去极化，并在一秒内闭合陷阱叶。[21]

与随后的阳性的钾离子释放一样，植物的动作电位与盐（KCl）的渗透流失（osmotic loss）有关。然而，动物的动作电位是渗透中性的，因为等量的钠内流和钾外流在渗透压上相互抵消。植物细胞[lower-alpha 40]中电和渗透关系的相互作用似乎起源于盐度（salinity）变化条件下动植物共同的单细胞祖先的电兴奋性的渗透作用。此外，现在的快速信号传递功能认为是后生动物（metazoan）细胞在更稳定的渗透环境中的更新的发展。[24] 动作电位在一些维管植物比如含羞草（Mimosa pudica）中我们熟悉的信号传递功能，可能是独立于后生动物兴奋性细胞而产生的。

不同于上升相和峰值，下降相和后超极化似乎主要依赖于非钙离子的阳离子。为了启动复极化，细胞需要将钾离子通过细胞膜上的被动运输机制输出到胞外。不像神经元中钾离子的移动决定膜电位下降，植物细胞完全复极化时，需要消耗 ATP 能，帮助细胞利用称为氢钾 ATP 酶（ H+-ATPase）的转运蛋白释放氢。[25][21]

分类学分布和进化优势

多细胞生物，包括植物、昆虫等无脊椎动物、爬行动物和哺乳动物等脊椎动物都存在动作电位。[lower-alpha 41] 海绵似乎是没有动作电位传递的主要多细胞真核生物门类，尽管一些研究表明这些生物也有一种电信号的形式。[lower-alpha 42] 尽管神经传导速率随轴突直径和髓鞘形成而发生显著变化，但静息电位、动作电位的大小和持续时间并没有随着进化而发生很大变化。

代表性动物的动作电位（AP）的比较
动物 细胞类型 静息电位（mV） AP 增量（mV） AP 持续时间 （ms） 传导速率 （m/s）
乌贼 巨大轴突 −60 120 0.75 35
蚯蚓 中间大神经纤维 −70 100 1.0 30
蟑螂 大神经纤维 −70 80–104 0.4 10
蛙 坐骨神经轴突 −60 to −80 110–130 1.0 7–30
猫 脊髓运动神经元 −55 to −80 80–110 1–1.5 30–120

鉴于动作电位在整个进化过程中的保守性，它似乎赋予生物某些进化优势。动作电位的一个功能是在生物体内进行快速的远距离信号传导，传导速率可逾 110 米/秒，即声速的三分之一。相比之下，血液携带的激素分子在大动脉中的运动速度约为 8 米/秒。一个功能是对力学活动，例如心脏收缩，进行严格的协调。第二个功能是动作电位的产生相关的计算。动作电位作为一种全或无信号，不随传输距离衰减，与数字电子技术具有相似的优点。各种树突信号在轴丘的整合以及通过域值二值化（thresholding）产生动作电位的复杂序列是另一种形式的计算，在生物中用来形成中央模式发生器（central pattern generator），为人工神经网络带来启示。

目前认为生活在大约 40 亿年前的原核/真核生物的共同祖先，就已具有电压门控通道。在之后的某个时候，被转而用来提供一个通讯机制。即使现代的单细胞细菌也可以利用动作电位与生物膜（biofilm）中的其他细菌进行通讯。[26]

实验方法

长鳍近海的枪乌贼（Doryteuthis pealeii）的巨大轴突对于科学家了解动作电位至关重要。[27]

研究动作电位需要开发新的实验方法。在 1955 年之前初步工作主要是由 Alan Lloyd Hodgkin 和 Andrew Fielding Huxley 进行的，他们因神经传导的离子机制的工作，与 John Carew Eccles 一起被授予 1963 年的诺贝尔生理学或医学奖。这些工作围绕三个目标：从单个神经元或轴突中分离出信号，开发快速、灵敏的电子设备，以及缩小电极以记录单个细胞里的电位。

第一个问题通过研究枪乌贼（Loligo forbesii 和 Doryteuthis pealeii, 当时被归类为 Loligo pealeii）神经元中发现的巨大轴突得以解决。[lower-alpha 43] 这些轴突直径很大（约 1 毫米，比一个典型的神经元大 100 倍），肉眼可见，因此很容易提取和操作。[lower-alpha 9][lower-alpha 44] 不过，它们并不代表所有的兴奋性细胞，人们也研究了多种其他的动作电位系统。

第二个问题随着电压钳（voltage clamp）[lower-alpha 45] 关键性的开发得以解决，让实验者可以对动作电位的离子电流进行单独研究，并消除了电子噪声的主要来源——与膜电容 C 关联的电流 IC。因为电流等于C 乘以跨膜电压 Vm 的变化率，所以解决方案就是设计一个电路，让 Vm 保持固定（零变化率），不管跨膜电流的变化。因此，使 Vm 保持固定所需的电流是流过膜的电流直接取反。电子设备的其他进步包括法拉第笼（Faraday cages）和具有高输入阻抗的电子器件的使用，这样测量本身就不会影响被测量的电位。

第三个问题是如何获得足够小的电极来记录单个轴突内的电位而不对其造成干扰，这个问题在 1949 年因玻璃微电极的发明而得以解决。[lower-alpha 46] 玻璃电极很快被其他研究人员所采用。[lower-alpha 47][lower-alpha 48] 这种方法改进后可以生产出细到 100 Å（10 nm）且有高输入阻抗的电极端部。[28] 动作电位也可用置于神经元附近的小金属电极、或电解质氧化物半导体场效应晶体管（EOSFET）的神经芯片（neurochip）进行记录，或利用 Ca2+ 或电压敏感的染料进行光学记录。[lower-alpha 49]

电压钳电极揭示了，离子通道有两个状态：开放（高电导）和关闭（低电导）。

玻璃微电极测量的是很多离子通道的总电流，在 1970 年代 Erwin Neher 和 Bert Sakmann 发明的膜片钳（patch clamp）使研究单个离子通道的电学性质成为可能。两位科学家因此被授予 1991 年诺贝尔生理学或医学奖科学奖。[lower-Greek 2] 膜片钳技术证实了离子通道具有分立的电导状态，如打开状态、关闭状态和失活状态。

近年来发展了光学成像（optical imaging）技术，通过同时多点记录或超空间分辨率来测量动作电位。利用电压敏感染料（voltage-sensitive dyes），可以光学记录小块心肌细胞（cardiomyocyte）膜的动作电位。[lower-alpha 50]

神经毒素

河豚中的河豚毒素是一种致命的毒素，其抑制电压敏感性钠通道，阻止动作电位

天然和人工合成的几种神经毒素（neurotoxins）能阻断动作电位。来自河豚（pufferfish）的河豚毒素（tetrodotoxin）和来自沟鞭藻（Gonyaulax）的石房蛤毒素（saxitoxin）通过抑制电压敏感性钠通道来阻断动作电位；[lower-alpha 51] 类似地，非洲黑曼巴（black mamba）蛇的树眼睛蛇毒素（dendrotoxin）抑制电压敏感性钾离子通道。这些离子通道抑制剂有重要的研究用途，让科学家可以随意关闭特定的通道，从而分离出其他通道的作用；也可以用于通过亲和色谱法（affinity chromatography）来纯化离子通道或测定其浓度。然而，这些抑制剂也是有效的神经毒素，被考虑用于化学武器。针对昆虫离子通道的神经毒素一直用作有效的杀虫剂，例如人工合成的氯菊酯（permethrin），其延长了与动作电位相关的钠通道的激活。昆虫的离子通道与人类的离子通道不同，因此对人类几乎没有副作用。

动作电位研究的历史

Hand drawn figure of two Purkinje cells side by side with dendrites projecting upwards that look like tree branches and a few axons projected downwards that connect to a few granule cells at the bottom of the drawing.
Santiago Ramón y Cajal 于 1899 年绘制两个浦肯野细胞（标记为A）的图像。树突的大分支汇入胞体，单个轴突从中出来，大致向下移动，并带有几个分支点。标记为 B 的较小细胞是颗粒细胞。

电在动物神经系统中的作用最早是由 Luigi Galvani 在解剖的青蛙中观察到的，他在 1791 年到 1797 年研究了这一现象。Galvani 的研究结果促成Alessandro Volta 发明了伏打电堆（voltaic pile）——已知最早的电池——他用这种电池研究了动物电（如电鳗）以及对直流电压的生理反应。[lower-alpha 52]

19 世纪的科学家研究了电信号在整个神经（nerves）（即神经元束）中的传播，并证明神经组织是由细胞组成的，而不是一个互相连接的管网（reticulum）。Carlo Matteucci 继续 Galvani 的研究，证明细胞膜上存在电压，可以产生直流电。受 Carlo Matteucci 的工作启发，德国生理学家 Emil du Bois-Reymond 在1843 年发现了动作电位。[29] 动作电位的传导速率最早是在 1850 年由 Hermann von Helmholtz 测量的。[30] 为了证明神经组织是由独立的细胞组成的，西班牙物理学家 Santiago Ramón y Cajal 和他的学生们使用 Camillo Golgi 开发的染色剂揭示了大量的神经元形状，他们煞费苦心地进行了绘制。由于他们的发现，Golgi 和 Ramón y Cajal 获得了 1906 年的诺贝尔生理学奖。[lower-Greek 3] 他们的工作解决了 19 世纪神经解剖学中长期存在的争议；高尔基自己则坚持神经系统的管网模型。

钠钾泵在 E2-Pi 状态下的带状图（Ribbon diagram）。推测的脂双层边界显示为蓝色（胞内）和红色（胞外）的面。

20 世纪是电生理的重要时期。Julius Bernstein 于 1902 和 1912 两次提出动作电位是由轴突膜对离子的渗透性的改变引起的假说。[lower-alpha 53] Ken Cole 和 Howard Curtis 证实了 Bernstein 的假说，他们发现在动作电位期间膜电导增加。[lower-alpha 54] 1907年，Louis Lapicque 提出，动作电位因膜电位跨过阈值而产生，[lower-alpha 55] 这后被证明是离子电导的动力系统的产物。1949年，Alan Hodgkin 和 Bernard Katz 完善了 Bernstein 的假说，他们认为轴突膜对不同的离子可能有不同的通透性；特别是，他们证明了钠通透性在动作电位中关键作用。[lower-alpha 56] 他们首次实际记录了神经元膜上的介导动作电位的电学变化。[lower-Greek 4] 这一系列的研究最终产生了 Hodgkin、Katz 和 Andrew Huxley 在 1952 年 5 篇论文，他们应用电压钳技术来确定轴突膜的钠离子和钾离子的通透性对电压和时间的依赖关系，从而能够定量地重现动作电位。[lower-alpha 9] Hodgkin 和 Huxley 在数学模型中，刻画了可能存在于包括“开放”、“封闭”和“失活”的几种不同的状态的不同离子通道的性质。他们的假说在 20 世纪 70 年代中期和 80 年代得到 Erwin Neher 和 Bert Sakmann 的证实，他们发明了膜片钳（patch clamping）技术来检测单个离子通道的电导状态。[lower-alpha 57] 在 21 世纪，通过原子分辨率的晶体结构，[lower-alpha 58] 荧光距离测量[lower-alpha 59] 和冷冻电子显微的研究，[lower-alpha 60] 研究人员开始了解这些电导状态的结构基础，以及通道对离子种类的选择性。[lower-alpha 61]

也是 Julius Bernstein 首次将能斯特方程（Nernst equation ）引入描述跨膜静息电位；David E. Goldman 在 1943 年将这个方程推广到了以他的名字命名的戈德曼方程（Goldman equation）。[lower-alpha 8] 钠钾泵在 1957 年被鉴定出来 [lower-alpha 62][lower-Greek 5]，其性质逐渐被阐明，[lower-alpha 63][lower-alpha 64][lower-alpha 65] 最终用 X 射线晶体学（X-ray crystallography）测定其原子分辨率的结构。[lower-alpha 66] 相关的离子泵的晶体结构也已经被解析，为理解这些分子机器的工作原理提供了更广阔的图景。[lower-alpha 67]

定量模型

动作电位的 Hodgkin–Huxley 模型的等效电路。Im 和 Vm 分别表示通过一小块膜的电流和两端的电压。Cm 代表膜片的电容，四个 g 代表四种离子的电导率。左边的两个电导，钾（K）和钠（Na），带箭头表示其可随施加的电压而变化，对应于电压敏感性离子通道。右侧的两个电导有助于决定静息膜电位。

数学和计算模型对于理解动作电位是必不可少的，通过将模型产生的预测与实验数据进行比对，为理论提供严格的检验。早期的神经模型中最重要且最准确的是 Hodgkin-Huxley 模型（Hodgkin–Huxley model），它用四个常微分方程（ODEs）的方程组来描述动作电位。[lower-alpha 9] 与自然中实际的神经膜相比， Hodgkin-Huxley 模型可以说是一个带有限制条件的简化模型 [31]，不过其复杂性还启发了几个更为简化的模型，[lower-alpha 68] 例如 Morris-Lecar 模型l[lower-alpha 69] 和 FitzHugh-Nagumo 模型，[lower-alpha 70] 这两个模型都只有两个关联的常微分方程。Hodgkin-Huxley 模型和 FitzHugh-Nagumo 模型及其类似模型，如 Bonhoeffer-Van der Pol 模型，[lower-alpha 71] 已经在数学、[32][lower-alpha 72] 计算、[33] 和电子学 [lower-alpha 73] 中有很好的研究。然而，发生器电位（generator potential）和动作电位的简单模型并不能准确地再现近阈值的神经脉冲的频率和波形，尤其是对于帕西尼氏小体（Pacinian corpuscle）[34] 之类的机械感觉受体。更现代的研究侧重于更大的、更为整合的系统；通过将动作电位模型与神经系统其他部分（如树突和突触）的模型结合起来，研究人员可以研究神经计算和简单反射，如逃逸反射和其他由中枢模式发生器控制的反射。[35][lower-alpha 74]

References

Footnotes

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Books

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Further reading

External links

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  • Action potential propagation in myelinated and unmyelinated axons at Blackwell Publishing
  • Generation of AP in cardiac cells and generation of AP in neuron cells
  • Resting membrane potential from Life: The Science of Biology, by WK Purves, D Sadava, GH Orians, and HC Heller, 8th edition, New York: WH Freeman, .
  • Ionic motion and the Goldman voltage for arbitrary ionic concentrations at The University of Arizona
  • A cartoon illustrating the action potential
  • Action potential propagation
  • Production of the action potential: voltage and current clamping simulations
  • Open-source software to simulate neuronal and cardiac action potentials at SourceForge.net
  • Introduction to the Action Potential, Neuroscience Online （electronic neuroscience textbook by UT Houston Medical School）
  • Khan Academy: Electrotonic and action potential


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