离子通道的研究方法有哪些

A. 生物膜离子通道的其它相关

离子通道研究的前沿是试图从分子水平揭示通道蛋白的空间构象、构象变化与通道门控动力学之间的关系。
N-AchR通道
已测定了受体蛋白质分子量是250000，并测定了它的全部氨基酸序列，确证该受体通道由、α、γ和δ5个亚基组成，这4种亚基有相似的氨基酸顺序，但只有α亚基上有 α-BGTX的特异结合位点。一种构象模型是：5个亚基各有若干个α螺旋跨膜排列，共同形成五瓣状的蛋白质复合物，两个α亚基间是亲水的离子通道，通道开口约25埃，中间是6～7埃的狭窄孔道，其中排列有负电性氨基酸残基侧链。当两个 Ach分子分别结合于两个α亚基特定位点后，引起局部构象变化，使通道开放。
钠通道
从电鳗电板分离的钠通道蛋白质分子量是208321，是由1820个氨基酸组成的多肽序列，可分为4个相似的区段，每个区段中分别有较集中的正电性和负电性的氨基酸序列节段。多种钠通道构象模型的共同特征是：由多个α螺旋跨膜排列组成通道，通道内侧应富含极性的氨基酸残基侧链，每个通道的控制部分由离子选择性滤器、活化闸门和失活闸门3部分组成，其实体是氨基酸侧链的极性基团。膜电位变化时，电场诱导极性基团运动，使通道局部构象发生变化，导致通道的开放、失活或关闭，并产生门控电流。关于关闭、活化和失活3种状态之间的转化，有两种观点：一种认为通道从关闭态必须经活化态才能转化为失活态（偶联方式），另一种认为从关闭态可以直接转化为失活态（非偶联方式），目前非偶联方式得到较多的实验事实支持。 1、选择性：指一种通道优先让某种离子通过，而另一些离子则不容易通过该种通道的特性。例如钠通道开放时，钠离子可通过，而钾离子则不能通过。
2、开关性：离子通道存在两种状态，即开放和关闭状态。多数情况时，离子通道是关闭的，只在一定的条件下开放。通道由关闭状态转为开放的过程称为激活，由开放转为关闭状态的过程称为失活。通道的开放与激活过程有一定的速率，通常很快，以毫秒（ms) 计算。 离子通道的开放和关闭，称为门控。根据门控机制的不同，将离子通道分为三大类：
⑴电压门控性，又称电压依赖性或电压敏感性离子通道：因膜电位变化而开启和关闭，以最容易通过的离子命名,如钾、钠、钙、氯通道四种主要类型，各型又分若干亚型。
⑵配体门控性，又称化学门控性离子通道。由递质与通道蛋白质受体分子上的结合位点结合而开启，以递质受体命名，如乙酰胆碱受体通道、谷氨酸受体通道、门冬氨酸受体通道等非选择性阳离子通道一系由配体作用于相应受体而开放，同时允许钠、钙 或钾通过。
⑶机械门控性又称机械敏感性离子通道是一类感受细胞膜表面应力变化，实现胞外机械信号向胞内转导的通道，根据通透性分为离子选择性和非离子选择性通道，根据功能作用分为张力激活型和张力失活型离子通道。
此外，还有细胞器离子通道，如广泛分布于哺乳动物细胞线粒体外膜上的电压依赖性阴离子通道，位于细胞器肌质网或内质网，膜上的受体通道、受体通道。
电压门控钙通道（VGC) 分为L 型（Long - lasting) 、N 型（No - Long lasting,non - tsansient) 、T 型（Transient) 和P/ Q 四个亚型.
L 型通道：电导较大、失活慢、持续时间长、需要强的去极化才能激活，在心血管、内分泌和神经等多种组织中表达，参与电- 收缩耦联和调控代谢。
T型通道：电导小、失活快、弱的去极化电流即能激活，它主要分布在心脏和血管平滑肌，触发起搏电活动。
N 型通道：失活较快、需强的去极化电流激活，目前仅在神经组织中发现，主要触发交感神经递质的释放。
P/ Q 通道：具有相同的α1亚单位（α1A) 统称为P/ Q 型钙通道。P/ Q 型钙通道在神经递质释放过程中有重要作用。
钾通道：一种广泛存在于细胞膜上的钾离子选择性通过的蛋白复合体，在结构和功能上形成通道的一大家庭。钾离子通道一般可分为四个基本类型：电压门控钾通道（Voltage - gated K+ Channels,KV) 、钙激活钾通道（Calcium - activated K+ Channels,KCa) 、三磷酸腺苷敏感性钾通道（ATP – Sensitive K+ Channels,KATP) .
电压门控钾通道又分为：内向整流钾离子通道（Inward rectifier K+ Channds,Kir）、延迟外向整流钾通道、瞬时外向钾通道。 ⑴提高细胞内钙浓度，从而触发肌肉收缩、细胞兴奋、腺体分泌、钙依赖性离子通道开放和关闭、蛋白激酶的激活和基因表达的调节等一系列生理效应。
⑵在神经、肌肉等兴奋性细胞，钠和钙通道主要调控去极化，钾主要调控复极化和维持静息电位，从而决定细胞的兴奋性、不应性和传导性。
⑶调节血管平滑肌舒缩活动，其中有钾、钙、氯通道和某些非选择性阳离子通道与参与。
⑷参与突触传递。
⑸维持细胞正常体积，在高渗环境中，离子通道和转运系统激活使钠、氯和水分进入细胞内而调节细胞体积增大。在低渗环境中，钠、氯和水分流出细胞而调节细胞体积减少。 编码离子通道亚单位的基因发生突变/ 表达异常或体内出现针对通道的病理性内源性物质时，使通道的功能出现不同程度的削弱或增强，从而导致机体整体生理功能的紊乱，出现某些先天性和后天获得性疾病。
可分为先天性离子通道病（geneticchannelopathy) 和获得性离子通道病（acquiredchannelopathy），其中后者既可由基因表达异常引起，又可由出现抗体等物质导致。
根据通道的类型可分为电压门控性离子通道病（voltage-gated channelopat hy) 和配体门控性离子通道（ligandgatedchannelopathy) 等，后者也是“受体病（receptor diseases) ”的一种。
根据离子通道功能的改变不同可分为：功能增益性离子通道病和功能削弱性离子通道病等；
根据离子通道病变累及的系统可分为：神经肌肉系统离子通道病（如钾通道突变所致的BFNC（benign familial neonatal convulsions）等） 、心血管系统离子通道病（如长Q T 综合征） 、泌尿系统离子通道病（如Bartter 综合征） 、呼吸系统离子通道病（如肺囊性纤维化等） 等。
1、钾通道病：钾离子通道在所有可兴奋性和非兴奋性细胞的重要信号传导过程中具有重要作用，其家族成员在调节神经递质释放、心率、胰岛素分泌、神经细胞分泌、上皮细胞电传导、骨骼肌收缩、细胞容积等方 面发挥重要作用。已经发现的钾通道病有良性家族性新生儿惊厥、1型发作性共济失调、阵发性舞蹈手足徐动症伴发作性共济失调、癫痫、长QT综合征等。
2、钠通道病：钠离子通道在大多数兴奋细胞动作电位的起始阶段起重要作用，已经发现的钠通道病有高钾型周期性麻痹、正常血钾型周期性麻痹、先天性肌无力等。
3、钙通道病钙离子通道广泛存在于机体的不同类型组织细胞中，参与神经、肌肉、分泌、生殖等系统的生理过程。已经发现的钙通道病有家族性偏瘫型偏头痛、低钾型周期性瘫痪、共济失调、肌无力综合征等。
4、氯通道病：氯离子通道广泛分布于机体的兴奋性细胞和非兴奋性细胞膜及溶酶体、线粒体、内质网等细胞器的质膜，在细胞兴奋性调节、跨上皮物质转运、细胞容积调节和细胞器酸化等方面具有重要作用。已经发现的氯通道病有先天性肌强直、隐性遗传全身性肌强直、囊性纤维化病、遗传性肾结石病。 病变中的离子通道改变是指由于某一疾病或药物引起某一种或几种离子通道的数目、功能甚至结构变化。
如老年性痴呆症（AD）：大量的研究发现患者体内的一些内源性致病物质如β淀粉样蛋白、β淀粉样蛋白前体、早老素蛋白 与钾通道、钙通道功能异常密切相关，可能通过影响钾通道、钙通道的本身结构和或调节过程等，参与患者早期记忆损失、认知功能下降等症状的出现。
如脑缺血：缺血后能量代谢紊乱，细胞内ATP合成下降，突触间隙的谷氨酸剧增，谷氨酸作用NMDA受体，引起受体依赖性钙通道开放，钙内流增加，导致神经细胞内钙超载谷氨酸还可经非NMDA途径使钠通道开放，引起钠内流增加，随即引起氯和水内流，导致神经细胞急性渗透性肿胀。 绝大多数钠通道为电压门控性通道，主要是维持细胞膜的兴奋性和传导性。
分布密度不等，每平方微米几百个到几千个。
重要特性：对钠高度选择性、电压依赖性、激活和失活速度快
有激活闸门、失活闸门、电压感受器
药物有3类：
钠通道阻滞剂：河豚素（TTX）、甲藻毒素等
促进激活的药物：箭毒蛙毒素、藜芦碱等
促进失活的药物：局麻药、聚L-精氨酸等
阻滞或促进钠通道失活的药物抑制快钠内流，促进激活或抑制失活的药物增大钠内向电流。 钾通道分布广泛，有数十种类型；
⑴瞬时外向钾通道：广泛存在心肌细胞
生理特性：电压依赖性、时间依赖性、频率依赖性、失活。表现为瞬时外向电流（Ito），随后关闭。Ito是参与心肌复极主要离子流。
⑵延迟外向整流钾通道：延迟外向整流钾通道电流（Ik）可分为快激活整流钾电流（Ikr）和慢激活整流钾电流（Iks)
生理特性：延迟整流性、时间依赖性、电压依赖性。参与心肌动作到位复极化过程，是抗心律失常药物作用重要分子靶标，如Ⅲ类抗心律失常药胺碘酮等
⑶内向整流钾通道（Kir）
分布心肌、骨骼肌、平滑肌、内分泌细胞等
生理功能：维持细胞静息电位、调节血管平滑肌舒缩等。
四乙胺、Zn、Cd、Cs、Ba等离子为非特异性阻断剂；苯吡喃的衍生物是特异性阻断剂。
⑷钙激活钾通道（Kca）
广泛分布于除心肌以外的各组织细胞，是一个大家族，分3个亚类：大电导型（BKca） 、中电导型（IKca）和小电导型（SKca）。BKca调节血管平滑肌起重要作用，其阻断剂有：iberiotoxin,charybdotoxin。
⑸ATP敏感性钾通道（KATP）
分布于胰腺细胞、神经元、平滑肌等
阻断剂：磺酰脲类降糖药等.
KATP可能抗缺血损伤的药物作用靶标。 钙通道阻滞剂和钙通道激活剂。
⑴钙通道阻滞剂
发展极其迅速，有数十种，主要用于心血管病治疗。国际药理学会分类：
一类：选择性作用于L-型钙通道明确位点的药物，根据化学结构又分为：Ia类：二氢吡啶类如硝笨地平；Ib类：地尔硫桌类如地尔硫卓类；Ic类：苯烷胺类如维拉帕米；Id类如粉防己碱等。
二类：选择性作用于其它电压门控钙通道的药物；如作用于T通道药物苯妥英、右美沙芬等；作用于N通道的芋螺毒素，作用于P通道的蜘蛛毒素
⑵钙通道激活剂
增加钙内流、促进递质和激素分泌，引起心肌和平滑肌收缩。主要作为工具药。 电压依赖性氯通道、容积激活性氯通道、钙激活性氯通道、配体激活性氯通道等。

B. 脑科学的主要研究方法

①运用微电极细胞外记录、细胞内记录技术对单个神经元活动分析。片膜钳技术对离子通道进行深入的研究。
②细胞外记录：30年代后期发展起来的。用金属丝电极1-5微米记录幅度较大的瞬间性动作电位，对神经元的功能起了重要作用。
③细胞内记录：0.1～0.5微米的玻璃电极，内充高浓度氯化钾或醋酸钾以导电。能记录动作电位，小的分级电位，同时能监视膜电位的变化。此外，能注入物质，进行形态学分析。缺点是造成细胞损伤，记录时间、小细胞受限。
④膜片钳技术：70年代后期，Neher 和Sakmann 发展了一种新的纪录方法，可以用来记录单个离子通道的活动。 ①重组DNA技术：分析离子通道蛋白的结构和功能、生理特性；
②应用单克隆抗体和遗传突变体。 20世纪中页贝塔朗菲创立了一般系统论，1993年Zieglgansberger W和Tolle TR发表神经系统疾病研究的系统生物学方法，随着生物信息学的发展、基因组计划的成功，以及神经系统的细胞信号传导与基因表达调控的研究，系统生物学采用实验、计算与工程的系统论方法，成为脑科学研究的发展现代趋势。

C. 什么是离子通道

离子通道是各种无机离子跨膜被动运输的通路。

生物膜对无机离子的跨膜运输有被动运输（顺离子浓度梯度）和主动运输（逆离子浓度梯度）两种方式。被动运输的通路称离子通道，主动运输的离子载体称为离子泵。生物膜对离子的通透性与多种生命活动过程密切相关。

例如，感受器电位的发生，神经兴奋与传导和中枢神经系统的调控功能，心脏搏动，平滑肌蠕动，骨骼肌收缩，激素分泌，光合作用和氧化磷酸化过程中跨膜质子梯度的形成等。

离子通道的功能特征：

离子通道依据其活化的方式不同，可分两类：一类是电压活化的通道，即通道的开放受膜电位的控制，如Na+、Ca2+、Cl-和一些类型的K+通道；另一类是化学物活化的通道，即靠化学物与膜上受体相互作用而活化的通道，如 Ach受体通道、氨基酸受体通道、Ca2+活化的K+通道等。

各种生物材料中，与电兴奋相关的Na+通道有相似的基本特征。通道活化时间常数小于1毫秒，失活时间常数为数毫秒，Na+电流的反转电位约+55毫伏。单通道电流记录显示，Na+单通道电导为4～20pS，平均开放寿命数毫秒。

以上内容参考：网络—离子通道

D. 兴奋的离子通道

50年代以来有关细胞兴奋性研究的主要进展之一，就是确认Na+、K+等离子的跨膜被动转运，是通过镶嵌在膜上的某些特殊蛋白质来完成的，这些蛋白质被称为通道。它们分别对某种离子有选择性的通透能力，并且通过自己的“开放”或“关闭”等状态的改变而影响和决定膜对某种离子的通透性。60年代以来，陆续发现一些毒物或药物能够选择性地阻断膜对某些离子的通透，如河豚毒可以专一地阻断膜对Na+的通透而不影响K+的通透，四乙基铵则可影响K+的通透而不影响Na+的通透。很可能离子的通透与膜上的某些特殊结构有关，Na+、K+通过膜的途径也不同。有人用同位素标记的河豚毒做实验，发现它们只和细胞膜上散在的一些蛋白质分子作1∶1的结合，并由此算出Na+通道的数目。Na+通道在枪乌贼巨大轴突膜上的密度约为每平方微米550个，在兔迷走神经纤维膜上约为100个，在一些有髓鞘神经纤维朗氏结处的膜上约有104～105个。如果把计算所得的Na+通道数和膜兴奋时的Na+内流作比较，则可得到兴奋时每秒钟将有多于107个Na+流过Na+通道。这个速率超过钠泵主动转运Na+速度的105倍，比体内一般酶反应的转换率快100倍。再加上此速率的温度系数较低，Q10（即温度每增加10度速率增加的倍数）与Na+在水中自由扩散系数的Q10相近似，设想当膜对Na+的通透性增加时，在Na+通道蛋白质大分子结构中出现了某种水相孔洞，离子通道可能是一种受控的孔道。Na+通道蛋白质现已被分离提纯，对它的分子结构和特性已有不少认识。 从而知道，钠离子通道蛋白由1820个氨基酸组成，分子量为26～30万。通道对离子的选择性首先是其对离子几何形状的选择。只有当离子的横截面不大于3×5埃时才有可能通过钠通道，推测钠通道的最窄部位的横截面将只有3×5埃。然而在大小相同的正离子之间通透性仍有很大差异，这将与通道最窄部带电基团与各种正离子相互作用的情况有关。 至于通道的开关，早在50年代A．L．霍奇金和A．F．赫胥黎从膜电位控制的离子通透性变化就推测有带电的门粒子存在。静息时它们处于“关”状态，通道关闭；当兴奋时，膜电位去极化，它们转为“开”状态，通道开放，允许离子通过。可以想象，这些门粒子的转移必然伴有带电粒子在电场中的运动。已有实验表明在离子流之前确实有一个很小的“闸门电流”。
上面所讲的K+、Na+通道是一种受电压控制的离子通道，在可兴奋膜上还有一种化学兴奋的离子通道，其中了解得最多的是神经肌肉接头后膜上的乙酰胆碱（ACh）受体通道。这种离子通道在递质ACh作用下开放，卡茨和米勒迪（1970）最早发现ACh噪声，并将它与ACh受体通道的开关动力学联系起来。离子通道的重要特性之一，就是它们在一定条件下以一定的概率随机地开放和在相同条件下又以一定的概率随机地关闭或失活。假定通道只有开放与关闭两种状态，则从测定膜电流噪声功率谱就可求得ACh受体单通道的电导（γ）与平均开放时间（τ）。同样的方法也可对K+、Na+等受电压控制的离子通道进行类似的测量。总的说来，离子单通道电导γ的量值从不足1ps（10-12西门子）到几百ps（10-12西门子），而平均开放时间τ在几毫秒到几百毫秒之间。这种方法称为噪声分析法。
噪声分析虽然使我们有可能对离子单通道的特性进行定量的研究。但噪声分析受模型影响很大，同样的测试结果由于模型假设的不同，用不同的理论曲线去拟合而得到不同的特性值。E．内尔和B．萨克曼等人（1976）工作发展起来的斑片钳与10亿欧姆封接技术，使我们有可能直接从离子单通道记录其开关时的微弱电流变化（10-12安培），研究其动力学变化。这方面工作发展很快，所有已知的离子流差不多都先后记到了相应的离子单通道电流：K+单通道、Na+单通道、Ca2+单通道、Ca2+激活的K+单通道、Ca2+激活的无离子选择性单通道、内向整流K+单通道、ACh单通道和谷氨酸单通道等。总之，离子通道的概念已成为描述膜的兴奋性时的一个最常用的概念，对兴奋的一般研究已经从宏观的膜电流变化深入到对通道蛋白质的结构与功能，包括生化上的分离提纯与功能上的重组在内的分子水平上的精细研究（见生物膜离子通道）。

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项目的中心议题涉及到计算系统 (物理的或生物的)的物理结构、动态操作及其所能有效解决的计算问题之间的关系的一个交叉领域。相比美国、日本和欧洲，我国的脑研究可以说只是刚刚起步。不仅系统化研究不够，而且研究人员少、研究经费不足。更不用说和应用科学相结合，自然也就谈不到对于应用
科学(如：计算机和自动化技术) 的促进作用。

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一、脑科学研究简介

脑是神经系统中最重要的部分。神经系统的产生是动物为了更有效地适应自然界、为了自身的生存和繁衍，在激烈的生存竞争中进化的结果。神经系统越是进化，脑的功能就越是高级，而生物体适应自然和利用自然的本领也就越大。本质上讲，脑是一个实施信息处理的器官。自然界的信息对于动物的生存和繁衍非常重要，越是能够充分利用外界信息的动物，在生存和繁衍上就越是有利。这里极端的例子就是人。人类的大脑除了具有和基本的生存相关的功能以外，还具有发现和利用自然界基本规律的能力。而脑科学研究的目的，就是要发现生物的大脑、尤其是人的大脑处理和利用信息的机制。而这些机制的发现
，将为人类更充分地利用各种信息资源、提高生产效率和生活水平提供前所未有的更为广泛有效的解决办法。
脑科学研究以前属于生物基础科学研究，但随着数理科学大量地渗透进这个领域，现在的脑科学研究已经不再是先前孤立的生物学基础研究。在脑的生物学研究的基础上，对生物学实验数据的分析大量使用数学和物理学的方法，是为了更精确和深入地了解大脑活动的原理。而对于大脑活动原理的了解，又促进了信息技术和自动化技术的进步，进而对人类社会的经济和生活产生重大的影响。以下对此加以略微详细的概述。

二、脑科学基础研究的进展(生物学部分)

从细胞学的角度看，脑是由众多的神经细胞相互连接而构成的器官。神经细胞间通过脉冲放电和神经递质来相互传递信息。从动物的行为上看，脑是个体行为和群体行为产生的源泉。由于脑是一个复杂的开放系统，所以对于脑的研究必然是多层次、多学科性质的研究。

对于单个神经细胞而言，目前的研究主要集中于其上的离子通道的结构和功能。所用的方法有分子生物学、神经电生理学和药理学等方法。

在脑内，神经细胞必须通过互相连接，组成许多大小不一的网络(生物神经网络)才能够发挥它们的作用。因此，对于由少量神经细胞组成的局部小回路(小网络)，目前的研究主要集中于突触(神经细胞互相连接的部位)的可塑性和细胞间的相互关系(兴奋或抑制的模式)。这项研究希望了解的是局部神经回路处理信息的机制。所用的方法主要是神经电生理学和药理学等方法。

脑内局部的小回路互相连接便形成了局部比较大的回路(局部大网络)。一般来说，这样大的局部回路已经具有一定的功能。在脑皮层上，这些局部大回路形成了许多功能区，如视皮层区；而在皮层下，则形成了核团，如基底神经结。这些局部大回路的结构和功能都更复杂，发生障碍后会导致人或动物的功能紊乱，产生疾病。如精神分裂症和帕金森氏病等。这个领域内的研究手段非常多，有分子生物学、神经生理学、药理学、心理学、行为学和临床医学等。

再上一层，大脑内这些局部大回路借助长的神经纤维互相联系，把不同的功能区联系在一起形成一个整体，这样大脑就可以以整体的方式更加灵活有效地处理来自各个方面的信息。这方面的研究手段基本类似于脑内局部大回路的研究方法。

近几年来，分子生物学方法、神经电生理学方法和神经系统成像方法的广泛使用，使人们能够从不同的层次和方面理解脑的工作机制。由于神经细胞之间的通讯方式是神经电脉冲和递质，因此要彻底了解脑的具体工作机制，神经生理学的方法是最重要的和最根本的生物学实验方法。

分子生物学方法、神经电生理学方法、神经系统成像方法以及其他方法的联应用是目前世界上脑科学研究的最新进展。例如，用分子生物学技术了解和改变神经细胞膜上的离子通道的结构，再用神经电生理学方法分析新通道的生理功能，就可以了解离子通道的结构是如何影响神经细胞的功能。又如，使用神经系统成像方法找到某些脑功能相关的区域后，再用系统神经电生理学的方法研究这些相关脑区，是为了更进一步地了解脑是如何具体实现这些功能。
从分子到行为，这期间的跨度非常大，但这个过程中有其内在的逻辑联系。神经细胞的分子结构和功能是脑的基础，但只有这些细胞之间相互连接成庞大的神经网络(从局部小网络到局部大网络，再到整个大脑)，才能够发挥每个神经细胞的功能。神经细胞的正常功能离不开大脑的完整，犹如离开机器的零件不可能有在完整机器上的作用一样。所以，目前脑研究的趋势，已从原来的以还原论方法为主，越来越趋向于系统论的方法。而系统神经科学(包括系统神经电生理学和神经成像方法)的出现，就是这一趋势的结果。
三、脑科学基础研究的进展(数理学部分)

脑的生物学研究重点在于说明大脑“是什么”，并大概地说明“怎么样”和“为什么”。但如果不能够详细和定量化地说明大脑工作的机制，也不能够彻底解决大脑“怎么样”和“为什么”的问题。这就是为什么近二十年来，大量数学物理方法进入脑科学研究领域的原因。

引入数学物理的方法和技术，确实对于脑的研究是非常巨大的进步。其中最引人注目的是计算神经生物学和人工神经网络研究的兴起。

上一部分曾谈到神经生理学的重要性。这里，尤其要指出的是系统神经电生理学对于脑研究的重要意义。对于脑内的回路，从局部小回路到局部大回路，再到整个脑内的系统级回路，细胞间的通讯方式是在神经递质基础上的电脉冲方式。这些递质和电脉冲是神经细胞间互相联系的“语言”。而递质的作用，在神经细胞上则表现为电脉冲的变化。探索脑功能，从另一方面来说，就是探索存在于神经网络上的电脉冲 (局部电位和动作电位)最
终是如何表达成为动物的行为或人的思想、情感等，而其所用的生物学实验方法就是系统神经电生理学方法。

对于神经细胞及其网络上电脉冲现象的分析，引入了许多数学和物理的方法。最基本的是对于单个神经细胞膜的电特性分析；而对于由少量细胞组成的小回路来说，人们建立了一些数学模型，探讨这个小回路的信息处理机制；对于再大一些的神经回路来说，就只能用建立人工神经网络来模拟。具体来说，就是利用神经电生理学实验的数据和解剖学的发现，在这些数学模型或人工神经网络上，模拟重建脑的工作状态，发现脑处理信息的规律，进而用数学的语言定量地加以描述。这方面的进展在系统神经电生理学出现之后，有着越来越快的发展趋势。但这方面的发展并不是孤立的，而是必须和生物学实验有机地结合起来。没有生物学实验数据的支持，这种研究就只是所谓“纯理论”的研究，根本无法了解大脑活动的真实机制，无法发现真正的脑的原理。

通过使用数学物理的方法发现脑的某些可能的原理，再用计算机进行模拟，然后和生物学实验数据相对照，可以使我们对于脑功能的认识从定性上升为定量，进而更深刻地认识到隐藏在大脑各种复杂功能现象背后的新的自然规律。而这些新的自然规律的发现，目前已经而且将来还会，对我们人类社会的经济和生活带来巨大的影响。

四、脑科学基础研究对应用科学、经济和社会的影响

实际上，电子计算机的出现和神经科学有着不可分割的联系。神经纤维上电脉冲传导的“全和无”规律，是目前冯.诺伊曼计算机(我们普通使用的计算机)二进制的基础。对于普通数值计算，目前计算机的能力非常强，但对于象图像识别这样的任务，计算机的能力就非常差。

正是由于脑研究的发展和数学物理方法的应用，人工神经网络的诞生使得计算机处理能力大为提高。象刚才提到的图像识别问题，人工神经网络软件通过学习和训练，就可以轻而易举地实现。还有的如语音识别、文字识别、指纹识别等，只有人工神经网络才能够胜任。但人工神经网络的发展不是一个纯粹数学物理的问题，其在本质上是一个脑科学的问题。

尽管人工神经网络产生了如此巨大的效果，但并不能够说目前的计算机已经具有象人样的智能，相应地，用这种方法来装备机器人，也并不能够认为这种机器人已经更象人了。

但是，脑科学的发展确实对其他领域产生了巨大的影响。最直接的影响是信息科学和自动化技术。然后通过这两个领域，再对人类经济和生活的其他方面产生作用。

大脑通过众多相互连接的神经细胞，实现对各种信息的高速灵活处理。这一点对于信息科学来说相当重要。计算机技术的进步就是不断地向大脑学习的结果。除了计算机的二进制基础以及图像、语音识别技术以外，目前世界各国正在发展的大规模并行处理计算机，就是另外一个例子。计算机的每一个CPU类似于一个神经细胞，通过CPU之间的相互协作，共同完成对于复杂问题的高速求解。计算机的关键作用在于提高效率，包括劳动生产率。所以，基于生物神经网络的人工神经网络对开发更复杂的并行计算机是非常必需的。

在自然界复杂的环境中，动物的生存能力非常强，最重要的原因之一在于它们有一个灵活的脑。而对于我们人类自己制造的机器，就不可能有这种能力。我们的世界是非线性的世界，对于很多问题，答案并不是象直线那样简单明了。所以，对于机器的自动控制来说，并不是一般的数学物理方法就可以完全解决得了的。人工神经网络在这方面的应用，可以大大加强机器自动控制的精确性和灵活性。在这里，具有特殊意义的是机器人和其他智能机器的开发。随着电子技术的进步和人工神经网络的发展，机器人和智能机器的“智力”逐步提高，从而会大幅度地提高社会劳动生产力。

脑科学基础研究对社会经济和生活的影响并不都是一定要通过信息科学和自动化技术才能得以实现。通过医学也可以对社会产生影响。如精神分裂症和帕金森氏病，脑科学研究发现了疾病的发病机理，然后通过药物或手术的方法使病人的健康状况得以改善。而在行为和心理学领域(也属于脑科学研究范畴)的研究进展，对于人们心理卫生来说也有相当大的影响。

综合起来说，脑科学基础研究对于社会经济生活各方面都会产生持久而强烈的影响。计算机技术和自动化技术除了在经济领域有提高生产效率的结果之外，在军事上，可以表现为武器装备的智能化、军事决策系统的自动化以及作战反应的快速化等等。因此，无论从什么角度来看，脑科学基础研究都是目前非常重要的领域。但正如一个离开大脑的单独的细胞不再具备它特有的功能一样，脑科学基础研究只有和其他科学(如：信息科学和自动化技术)紧密结合而不是孤立地进行，才会对社会产生巨大的影响

F. 细胞膜离子通道的研究简史

在生物电产生机制的研究中发现了生物膜对离子通透性的变化。1902年J.伯恩斯坦在他的膜学说中提出神经细胞膜对钾离子有选择通透性。1939年A.L.霍奇金与A.F.赫胥黎用微电极插入枪乌贼巨神经纤维中，直接测量到膜内外电位差。1949年A.L.霍奇金和B.卡茨在一系列工作基础上提出膜电位离子假说，认为细胞膜动作电位的发生是膜对纳离子通透性快速而特异性地增加，称为“钠学说”。尤其重要的是，1952年A.L.霍奇金和A.F.赫胥黎用电压钳技术在枪乌贼巨神经轴突上对细胞膜的离子电流和电导进行了细致地定量研究，结果表明Na+和K+的电流和电导是膜电位和时间的函数，并首次提出了离子通道的概念。他们的模型 (H-H模型）认为，细胞膜的K+通道受膜上4个带电粒子的控制，当4个粒子在膜电场作用下同时移到某一位置时，K+才能穿过膜。另一方面，1955年，卡斯特罗和B.卡茨对神经-肌肉接头突触传递过程的研究发现：突触后膜终板电位的发生，是由于神经递质乙酰胆碱(Ach）作用于终板膜上受体的结果，从而确认了受化学递质调控的通道。60年代，用各种生物材料对不同离子通透性的研究表明，各种离子在膜上各自有专一性的运输机构，曾经提出运输机构是载体、洞孔和离子交换等模型。1973年和1974年，C.M.阿姆斯特朗、F.贝萨尼利亚及R.D.凯恩斯、E.罗贾斯两组分别在神经轴突上测量到与离子通道开放相关的膜内电荷的运动，称为门控电流，确认了离子通道的开放与膜中带电成分运动的依从性。1976年E.内尔和B.萨克曼创立了离子单通道电流记录技术，并迅速得到推广应用，近年用这种技术发现了一些新型离子通道，为深入研究通道的结构和功能提供了有力的工具。80年代初，学者们先后从细胞膜上分离和纯化了一些运输离子的功能性蛋白质，并在人工膜上成功地重建了通道功能，从而肯定了离子通道实体就是膜上一些特殊蛋白质分子或其复合物。近年，科学家应用基因重组技术研究离子通道的结构，1982和1984年，纽莫及合作者先后测定了N型Ach受体和Na+通道蛋白的氨基酸序列。

G. 什么是离子通道

我只在生物上学过钠离子通道,它位于神经纤维上,当神经纤维受到刺激时,钠离子通道会开放,钠离子进入神经纤维内,使神经纤维的电性由内正外负变为外正内负,产生局部电流,传细胞是构成我们这个纷繁复杂的生命世界的基石，即便在我们已经知道自然界存在着诸如病毒那样的生命形式之后，也同样如此。毕竟如病毒之类的生命形式，要想繁衍，还是得找到一个宿主细胞之后，才能生生不息。简言之，细胞就象一个口袋，将生命所需的最基本的一切囊括其中，在太初的混沌浓汤中建立起生命的秩序。

细胞能够做到这一点依赖于一类不溶于水的小分子——脂类化合物，尤其是磷脂。磷脂分子既有水溶性基团又有脂溶性基团，在水分子的作用下，其中亲脂的基团彼此聚集形成一个双分子层，而闭合呈球形。正是它们将生命所需的一切包容在内，而有了细胞内外之别。我们将这层分隔细胞内外的磷脂双分子层称为细胞膜。

生命离不开水，大多数对生命来说至关重要的物质都是水溶性的，比如各种各样的离子、糖类等。这就带来了一个基本的问题，它们要进入细胞就必须越过细胞膜内部亲脂的基团，而这并不容易。反之，对于生命活动中所产生的不需要的水溶性废物要出去，也同样困难。有人说生命就是一场游戏，不过只有胜利者才能继续玩下去。很显然，如果谁能够率先加速这些物质进出细胞，谁就有了生存的优势。而最简单的方法就是在细胞膜上安一个门，给水溶性的物质提供一个专门的通道。对于那些专门用来帮助离子进出细胞的通道，我们就称之为离子通道。

那么通道由谁来提供呢？对于生命来说，最重要的物质有两类，一类是核酸，一类是蛋白质。生命的具体功能主要都是由蛋白质提供，这里也不例外。细胞生产一些特别的蛋白质，它们能够镶嵌在细胞膜上且彼此聚集，中间的孔隙为水分子所占据，这就给那些水溶性的分子或离子提供了一个快速进出细胞的水通道。想象一下把球堆在一起，球与球之间自然会留下孔隙，这对理解离子通道会有所帮助。而孔隙的不同大小，可以允许相应的分子或离子快速进出细胞。

进一步的，细胞通过控制相应通道的开放和关闭，而能够调节相应物质进出细胞的速度，来实现细胞的需要，完成相应的功能。对于我们而言，细胞对几种无机离子（Na+、K+、Ca2+、H＋等）进出的管理，甚至涉及到生命的根基以及某些疾病的机制，比如神经冲动的产生、心脏的节律性跳动、肌肉细胞的收缩、能量的生成（ATP）等等。生命的奇妙每每使我们由然而生赞叹之心，对离子通道的研究，也同样如此。而科学家Erwin Neher 和 Bert Sakman则由于发现了细胞膜上的离子通道而理所当然的获得了1991年的诺贝尔生理学奖。

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导神经冲动.我们学的就这些,还有我在网上找的:

H. 生物膜离子通道的研究简史

在生物电产生机制的研究中发现了生物膜对离子通透性的变化。1902年J.伯恩斯坦在他的膜学说中提出神经细胞膜对钾离子有选择通透性。1939年A.L.霍奇金与A.F.赫胥黎用微电极插入枪乌贼巨神经纤维中，直接测量到膜内外电位差。1949年A.L.霍奇金和B.卡茨在一系列工作基础上提出膜电位离子假说，认为细胞膜动作电位的发生是膜对纳离子通透性快速而特异性地增加，称为“钠学说”。尤其重要的是，1952年A.L.霍奇金和A.F.赫胥黎用电压钳技术在枪乌贼巨神经轴突上对细胞膜的离子电流和电导进行了细致地定量研究，结果表明Na+和K+的电流和电导是膜电位和时间的函数，并首次提出了离子通道的概念。他们的模型 (H-H模型）认为，细胞膜的K+通道受膜上4个带电粒子的控制，当4个粒子在膜电场作用下同时移到某一位置时，K+才能穿过膜。
另一方面，1955年，卡斯特罗和B.卡茨对神经-肌肉接头突触传递过程的研究发现：突触后膜终板电位的发生，是由于神经递质乙酰胆碱(Ach）作用于终板膜上受体的结果，从而确认了受化学递质调控的通道。60年代，用各种生物材料对不同离子通透性的研究表明，各种离子在膜上各自有专一性的运输机构，曾经提出运输机构是载体、洞孔和离子交换等模型。1973年和1974年，C.M.阿姆斯特朗、F.贝萨尼利亚及R.D.凯恩斯、E.罗贾斯两组分别在神经轴突上测量到与离子通道开放相关的膜内电荷的运动，称为门控电流，确认了离子通道的开放与膜中带电成分运动的依从性。1976年E.内尔和B.萨克曼创立了离子单通道电流记录技术，并迅速得到推广应用，近年用这种技术发现了一些新型离子通道，为深入研究通道的结构和功能提供了有力的工具。
80年代初，学者们先后从细胞膜上分离和纯化了一些运输离子的功能性蛋白质，并在人工膜上成功地重建了通道功能，从而肯定了离子通道实体就是膜上一些特殊蛋白质分子或其复合物。近年，科学家应用基因重组技术研究离子通道的结构，1982和1984年，纽莫及合作者先后测定了N型Ach受体和Na+通道蛋白的氨基酸序列。

I. 钙离子通道有哪四种亚型

按照药理学及生物物理学特性将其分为T、L、N、P/Q和R型。

1、L型钙通道

其激活电位为-10mV，激活需要较强的除极；通道被激活后，开放时间长，失活慢，是细胞兴奋过程中外钙离子内流的主要途径。L型钙通道广泛存在于各种细胞中，尤其是心肌和心血管平滑肌细胞，功能上与兴奋-收缩偶联、兴奋-分泌偶联有密切关系。

2、T型钙通道

激活电位为-70mV，激活不需要较强的除极；激活后开放持续时间短，失活快。

3、N型钙通道

强除极时可激活，失活速度中等。仅发现存在于神经组织中，主要触发递质的释放。

(9)离子通道的研究方法有哪些扩展阅读

T型钙通道（transient calcium channel）因其快激活、快失活、慢去活、单通道电容小，以及低电压激活（各组织的T型钙通道激活阈电位不一样，例如窦房结P细胞阈电位约为-60~-70mV）的特性将它们区分。

T型钙通道在中枢与外周神经系统的兴奋性调节中均有着重要的作用，同时也是作为药物靶点研究的热点。