2.3 真正生物电信号的发现

在我们的科技发展历史中，科学和技术的发展总是相互促进的，一项伟大的科学发现的取得或科学问题的回答，往往离不开使用新型仪器设备或方法，所以在诺贝尔自然科学奖的获奖历史中，既有对自然界新奇现象的发现或原理的揭示，也有划时代的新型科研工具的发明，比如用于细胞膜上单个离子通道电记录的膜片钳、核磁共振成像、冷冻电镜等。生物电信号的发现亦是如此。既然是一种信号，那就需要特定的仪器和方法来获取此信号。在早先的研究中，Galvani并没有尝试用电流计来记录青蛙肌肉在收缩时的信号。

时间走到50年后的19世纪40年代，德国生理学家Emil du Bois-Reymond借助自己改进设计的电流计和神经电极，成功地从青蛙、鱼的组织以及人体上检测到了肌肉/神经活动产生的微弱电流，标志着生物电真正以信号的形式被呈现和记录下来。Bois-Reymond同时揭示了肌肉收缩和神经兴奋时伴随的快速电活动，即“动作电位”，之所以这样命名，最初可能是因为这种电压信号是伴随“动作”产生的。由于Bois-Reymond是在组织尺度上检测到信号的，这样的信号是“复合动作电位”，即在肌肉收缩时由大量的肌肉细胞或神经里的神经纤维，在一个短暂时间内产生的大量非完全同步的动作电位的时空叠加结果，故有“复合”之意。这种复合动作电位看起来是杂乱无章的脉冲刺的拼接，如图2-2所示。

图2-2　复合动作电位示意图。该图的中间部分显示的是当肌肉收缩时，
在肌肉上检测到的肌电信号，这种肌电信号以复合动作电位的形式呈现。
它的两侧代表没有信号时记录的背景噪声。整个记录时长为1 s

值得注意的是，Bois-Reymond在实验中不仅使用了电流计，还使用了神经电极。正是神经电极采集到了生物组织里的微弱离子电流，并将其转化成电子电流，在导线和电流计回路里流通。所以从严格意义上讲，Bois-Reymond的电流计记录到的电流信号只是一个与复合动作电位（这是一个电压信号）成正比的信号；根据欧姆定律，这个记录到的电流乘以电极阻抗，才是动作电位本身。因为电极是用来检测电压（即两点间的电势差）的，所以神经电极通常是成对使用，称作双极电极。那么，将两个电极放置在生物组织上的不同成对位置上，记录到的信号也就不同。在后面一个多世纪的持续摸索中，科学家们才逐渐开发出了可以用于表面多点同时采样的多电极生物电图谱技术，EEG图谱就是典型的代表。

在Bois-Reymond的实验中，“动物电”能够被观测到有两个重要因素：

1）他改进和使用的电流计和神经电极避免了在实验设置中发生原电池反应，并且他的仪器具有足够的灵敏度，能够将生物组织里的微弱电流检测出来；

2）神经或肌肉组织试样使用自然的方法激活，避免了使用外部电刺激所引起的容易让人误解的干扰信号。

自此，神经肌肉的活动就和动作电位这一生物电信号紧密联系起来了。然而，再过一个世纪左右，人们才真正弄清楚到底是神经或肌肉活动产生了电信号，还是电信号引起了神经或肌肉活动。