霍奇金：神经科学界的麦克斯韦

雏莺初啼

艾伦·霍奇金（Alan Hodgkin，1914～1998）从小就喜欢生物学，在中学时代就对鸟类行为进行了认真观察。他和比他高3届的戴维·拉克（David Lack）合作，对夜鹰的繁殖习性进行了仔细研究，后来由后者总结成文正式发表。

艾伦 · 霍奇金

1932年，霍奇金赢得了剑桥大学的奖学金，进入剑桥大学三一学院。当时的课程分成2个阶段，第1阶段可以选择3门科学课程，在其导师、动物学家卡尔·潘廷（Carl Pantin）的建议之下，他选读了生理学、动物学和化学。由于对生理学有了浓厚的兴趣，当第2阶段只能选1门科学时，他选了生理学。同时，他还接受了潘廷的建议，自学数学。其实还在他正式入学之前，他就数度访问了他未来的教授们，后来他回忆说：“他（潘廷）说，在我中学的最后一学期，我不应该再学生物学，而应该专注于数学、物理和德语。他还告诉我，我应该继续学习数学——这是我在余生中一直努力在做的事情，至少是直到几年之前。”所以当他开始进入研究领域时，他成了那个时代同时也精通数学的极少数生物学家之一，精通数学对他未来的成就起到了重要作用。

三一学院在生理研究方面有很强的传统，特别是神经作用的机制更一直是一些教授非常感兴趣的课题。其中一位名叫基斯·鲁卡斯（Keith Lucas）的教授，是霍奇金父亲的好友，在第一次世界大战中牺牲了，他观察到神经纤维发放的神经脉冲是“全或无”的。霍奇金对卢卡斯的论文更感到亲切和好奇。这些教授的工作对霍奇金以后的研究有很大影响，其中一些人还成了他的终生好友。

在大学的最后一年，霍奇金进行了关于神经传播的“局部回路理论”(local-circuit theory）的实验研究，他一生在神经科学方面的探索就此开启。到第二年，他完成了研究课题。由于成绩卓越，当年就通过评定成为三一学院的初级研究员（一般需要大学毕业三年）。“局部回路理论”认为，有电流沿神经纤维内部流动，其中有一部分通过膜逸出，并在此点起刺激的作用。这一理论虽然早在1872年就由卢迪马尔·赫尔曼（Ludimar Hermann）提出来了，但是一直没有实验证据。其实霍奇金的初衷倒还不在此。当时朱利叶斯·伯恩斯坦（Julius Bernstein）的膜学说在神经脉冲产生机制方面占主导地位，该学说认为，在脉冲发生时神经细胞膜两侧的电位变化是由于神经细胞膜对离子的通透性极大地增加了，这表现为电阻下降，霍奇金想做的就是检测这一点。

1937年，霍奇金受到洛克菲勒基金会的资助，到美国访问工作1年。在此期间，他也应邀访问了肯尼思·科尔（Kenneth Cole）的实验室。这次访问对他最大的影响之一是熟悉了他以后最钟爱的实验材料—乌贼的巨神经纤维。这种神经纤维的直径粗达0.5毫米，几乎是哺乳动物中最粗的神经纤维的40倍。这就使得当时在其他神经纤维上无法进行的一些实验可以用这种材料来做。在一个实验中科尔发现，在神经脉冲发生的过程中，膜电容并没有什么变化，而和膜电容并联的电导升到了最高值。这正是霍奇金想在蛙神经上寻求而未能得到的结果。这一结果说明，当时流行的认识，即认为在神经脉冲发生时膜对各种离子完全通透的想法是不对的。

霍奇金此次美国之行的另一大“收获”是遇到了未来的妻子玛尼·劳斯（Marni Rous），她是一位科学家的女儿。尽管霍奇金当时求婚未成，但播下了爱情的种子。7年之后，当他第2次访美时终于抱得美人归，成就一对模范伉俪。

珠联璧合

1938年夏，霍奇金从美国回到剑桥，被任命为生理学助理讲师，并在三一学院任教。他在1938～1939这一学年里的科研，主要是根据他在美国学到的知识建立起一套电生理研究设备，继续在美国没有完成的实验，同时也开始了两项新研究。这两项研究由于二战爆发而被推迟到战后才得以完成。

其中一项是记录蟹和龙虾神经纤维在施加阈下电刺激（低于感受器可以感觉的水平的刺激）时所引起的电变化，并用电缆方程来描写这种电变化，结果相当完美。电缆方程原来是用来描写越洋海底电缆的电变化的，把电缆考虑成中心是有一定电阻的导体，而外表则是由一定的漏电电导和电容并联而成的绝缘层，所以他们实际上就是把没有神经脉冲发放时的神经纤维当成了类似的电缆来处理。当时他们所没有考虑到的是，当刺激强度继续增强到一定程度后所引起的细胞膜上不同离子通道电导的非线性变化。考虑到这一点，加上实验测定这些变化并给予数学描述，奠定了他日后获得诺贝尔奖的基础。

另一项研究是，把蟹和龙虾的轴突浸在油中，然后把一根电极放到轴突的断面上，从而接触到轴浆，把另一根电极放到神经的外表面上。这样，就可以大致测量静息电位和动作电位（也就是神经脉冲）。结果发现，动作电位的幅度大大超过了静息电位。这清楚地表明，动作电位绝不像伯恩斯坦理论所说的那样仅仅只是让所有离子都能通过膜，从而消除静息电位，而是使膜电位的极性发生了翻转。其实在他之前也有过在蛙肌肉上进行这方面实验的简单报道，只是他不知道而已。由于这两种动物的轴突直径都很细，当时也还没有发明微电极，测量到的膜电位只能是比较近似的，很难做进一步的定量分析。

安德鲁·赫胥黎

1939年，他的学生安德鲁·赫胥黎（Andrew Fielding Huxley，1917～2012）参加到他的研究中来了。赫胥黎在1935年进入剑桥求学时，兴趣在数理化，但是学校要求他还必须选修另一门课程，他选了生理学，不料由此迷上了它。霍奇金是他大学四年级时的任课老师。一位精通数学的生理学家和一位热爱生物的数理专业学生组成了一对黄金搭档。他们的合作从二战前持续到战后，两位未来的诺贝尔奖得主在同一个研究组中一起工作到1952年，并且保持终身的友谊，这在神经科学史上也是不多的。

1939年，霍奇金和赫胥黎用插入神经的电极（左）第一次在枪乌贼巨轴突上精确记录到的动作电位（右）。

在进一步研究前面所讲的问题时，霍奇金想到了他在美国用过的大西洋枪乌贼的巨神经。对于这样粗大的神经，他们可以把一根很细的电极插进去10～30毫米，只要小心就不会碰到细胞膜，所以除了插进去的端点有些损伤之外，神经是完好的。把另一个电极放置在浸浴神经的盐水中，就可以直接记录到跨膜电活动（上图）。结果发现，神经纤维静息时，膜内要比膜外负50毫伏左右；然而在产生神经脉冲时，膜内电位迅速上升100毫伏，也就是说有1个40～50毫伏的超射（跨膜电位超过零电位而呈瞬时的内正外负的现象），更精确地证实了他在蟹和龙虾神经上的发现。这个发现在《自然》(Nature）杂志上做了简短的报道。

正当他们想继续深入研究时，二战爆发了，两人不得不投笔从戎，把研究搁置了下来。霍奇金先是研制飞行员用的氧气面罩，后来又从事改进防空雷达。他们原以为这只是暂时的搁置，不料一搁置竟长达8年！不过，这段经历对他们战后的成就也并非全无好处。霍奇金熟悉了反馈控制系统—有5年时间他做的几乎就是一位物理学家的工作；而赫胥黎则熟练了解数学方程。在战争期间他们也曾数度会晤，在1945年全文发表了他们战前的研究结果，并对神经脉冲会有这种超射提出了不下4种不同的解释，可惜没有一种是对的。直到同年稍晚的时候，他们才找到了原因。

攀登顶峰

二战结束，霍启金和赫胥黎又回到剑桥重新开始被战争中断的研究—为什么神经脉冲会有超射。如前文所说，伯恩斯坦的膜理论认为，在静息时膜内电位为负是因为细胞膜只对钾离子略有通透性，而对其他离子都不通透。由于神经细胞内的钾离子浓度要比细胞外高得多，因此，钾离子就要带着正电荷向外扩散，从而使细胞内的电位变负。伯恩斯坦认为，当发生神经脉冲时，细胞膜突然让所有的离子都可以通过细胞膜，这样就使细胞膜两侧的电位差降低到很小的值。因此，这种理论解释不了为什么神经脉冲会有超射。

1945年10月，赫胥黎听了奧古斯特·克罗（August Krogh）有关离子穿越生物膜的一个报告。他讲到细胞膜两侧的钠离子也能进行交换，这和以前认为细胞膜对钠离子绝对没有通透性的说法不同。而这意味着需要有某种“钠泵”不断逆着电化学梯度，把扩散进细胞的钠离子送回细胞外。赫胥黎想，是不是有可能在脉冲发生时，钠泵暂时受到干扰而使钠离子不断进入细胞内，从而造成了超射呢？当他把这一想法告诉霍奇金时，霍奇金立刻指出，如果钠离子进入细胞内的速率大到能解释神经脉冲产生时膜内电位的迅速上升的话，那么平时要把这样多的钠离子泵出神经细胞所需要的能量就会远远超过我们所知道的神经对氧的消耗量，因此这种假设不能成立。于是他们考虑，是否可能用脉冲发生时细胞膜对钠离子的通透性迅速提高来解释神经脉冲超射的可能性。

1947年夏，霍奇金重建了他的实验室，并邀请赫胥黎加入，但后者正准备结婚而没能参加。当时和霍奇金合作研究的，是后来也获得了诺贝尔奖的伯纳德·卡茨（Bernard Katz）。在这段时间里，霍奇金发现，当把神经纤维放到没有钠离子的溶液里时，就不能产生神经脉冲，如果溶液中的钠离子浓度很低，那么神经脉冲的超射也小，而如果钠离子浓度很高，超射也大，并且这些效应都是可逆的。这些结果都支持了他们的想法。

霍奇金在战前对蟹神经纤维所作的小刺激下局部反应的实验表明，发生神经脉冲时的通透性增大并非一蹴而就，而是随着膜内电位的变化逐渐改变的。当膜内电位升高时，通透性增大，这又引起膜内电位进一步升高，如此持续下去总会到达某一点产生爆炸性增长。这样就有可能解释神经脉冲是如何产生的。因此，关键是要知道膜内电位和膜对各种离子通透性之间的定量关系，而膜对某种离子的通透性可以用这种离子所形成的电流通过膜时的电导来表征。

初看起来，电位和电导似乎是一个只用欧姆定律就能解决的问题。不过其中的困难是，在神经细胞膜的情况下，这两者互为因果，都在迅速变化之中，使实验者没有时间从容测量这两个量。如何解决这个难题，就要看研究者的智慧了。霍奇金想到了一种方案：把一根很长的导线插到神经纤维里（乌贼巨轴突的优越性因而显示出来—如果神经纤维太细，在当时的技术条件下就无法做到这一点），通过它可以向细胞里注入电流以改变细胞内的电位；同时，用另一个电极测量这个电位并通过一台反馈放大器控制输入电流，就可以使膜内电位维持在某个数值上。这样，只要同时测量通过细胞膜的电流，就能间接测量到神经细胞膜的电阻了。这种方法后来就被称为“电压钳位”。同一时期，美国的科尔也有同样的想法，而且造出这样的设备还在霍奇金之前，但是并未充分利用。霍奇金在1948年再度访美时，也参观了科尔的实验室，看到了这种设备，他还告诉科尔他所做的改变神经纤维外溶液中钠离子浓度对神经脉冲幅度影响的实验。不过公允地说，电压钳位的思想是他们两位彼此独立地提出的。

1948年，万事俱备，霍奇金和卡茨开始了实验，稍后赫胥黎也参加了进来。 1949年，霍奇金和赫胥黎开始了一系列电压钳位的实验，他们研究了当改变神经纤维外溶液中钠离子浓度并把细胞内的电位从某个固定电位改变到另一个固定电位时流过细胞膜的电流。不过，要分析实验结果却大费周章。这是因为当时没有现在这样的计算机可以实时地记录数据，他们不得不手工在阴极射线管的弯曲表面上描绘记录，数据处理也是由赫胥黎用一台手摇的计算器来做的。霍奇金后来回忆说：“我们在1951年3月之前就已确定了所有的方程和常数，并希望在剑桥大学的计算机上解方程。然而，在什么都还没有来得及做之前，我们得悉计算机EDSAC 1将停止服务6个月左右，以进行了重大改进。赫胥黎用一台布朗斯（Brunsviga）牌的机械手摇计算器手工求取微分方程的数值解，从而克服了困难。他花了大约3周时间才算出了传播的神经脉冲，安德鲁真是花了大力气啊！”

赫胥黎用来计算霍奇金-赫胥黎方程的手摇计算器

他们的一个卓越成就是，把透过细胞膜的离子流中的钾离子流和钠离子流区分了开来。其思想十分巧妙。他们首先是在生理条件下测量出钾-钠离子流，然后把细胞外液中的钠离子浓度降低到和细胞内的钠离子浓度一样，这样就消除了钠离子流，测量到的就是纯钾离子流。然后，从钾-钠离子流中减去钾离子流，得到的结果就是钠离子流。当然这样做的前提假设是钾离子流和钠离子流彼此独立，这一点通过以后的实验才被充分证实。

根据所有这些实验结果，他们终于建立起了一个描述神经脉冲产生的数学模型—霍奇金-赫胥黎模型，这是一组联立的非线性微分方程组。解这些方程不仅能得出他们电压钳位的实验结果，而且还能得出在没有钳位时神经脉冲的产生和传播过程。解方程计算所得的神经脉冲波形和实验实测得到的波形非常接近，这极大地支持了他们的理论。这一理论就像物理学中的麦克斯韦方程组那样，不仅能描写静电场和静磁场等情况，而且还能预测电磁波的产生和传播，无怪乎人们把他们称为神经科学上的麦克斯韦。正是这一工作奠定了他们荣获1963年诺贝尔生理学或医学奖的基础。这一工作也为如何根据现象描述和数学建模阐明一时还难以直接观察到的内部机制确定了一个范例，是计算神经科学的经典成就。在他们开始工作时，离子通道还只是一种假设，正是他们的工作开辟了后人对离子通道的大量研究，并最终产生另外两个诺贝尔奖。

按照霍奇金-赫胥黎方程计算所得的神经脉冲波形（上）和实验实测所得的神经脉冲波形（下）非常接近。

万世师表

霍奇金不仅以其研究留下了浓彩重墨的一笔，而且还以其治学之道为后世学子树立了榜样。赫胥黎在一篇纪念霍奇金的文章中深情地说道：“在科学上我一直以他为榜样，我能在开始我的科学生涯时得以和他在一起是我的福分。”