电场对神经元的生物学效应

除了调制膜电位以外，电磁场对神经组织可能还有其他的物理效应。急性作用可能有：Ca2+和一氧化氮（NO）内流的增加，甚至脑的机械振动（vibration）。它们中的某些效应可能有助于解释有关的实验事实。在影响神经元功能方面，正弦波（sinusoidal）电场比直流电场更有效。低到0.7 mV/mm、60 Hz、作用10 s的电场，在其后的8 min内可以渐进性地增加CA1的反应，而与电场的朝向无关。这是一种很类似于直流电对活体皮层活动的长时程影响、对传入串刺激所引起LTP的影响。重复给予交流电场，可以增加海马脑薄片的兴奋性，达到使它产生同步（癫痫性）爆发的程度。而且，这依赖于NMDA受体的激活，提示与由通常刺激引起的点燃（kindling）有相似之处，并可能在突触可塑性如LTP中起作用［1］。

电场似乎可以诱导麻醉。20～5000 Hz的方波或正弦波作用于脑，可以允许做大手术，但这并非普遍的经验。猴的实验研究显示，约30 mV/mm的电场可使动物对感觉刺激不反应。有猫的实验显示，3500～4500 Hz的电场既有麻醉作用，又有镇痛作用；而较慢的频率则仅有镇痛作用。所用的电场强度足以改变神经元的兴奋性。正是这样一个不寻常的现象，却有相对直截了当的细胞机制［1］。

中枢神经系统神经元一部分群体的活动，可以改变邻近不活动成分的兴奋性。其最早证据来自猫脊髓。通过刺激脊髓腹根，阈下逆向激活运动神经元，可导致细胞内负电位达数毫伏。当细胞内负电位耦合于另一个由细胞内注入电脉冲的阈下激活时，可以引发一个动作电位。阈值的减少可达10%～15%，而且仅仅发生在同一运动神经元池内的神经元上。效应的时程很短，仅约1 ms，这与相互靠近轴突跨膜去极化所可引起的兴奋性变化的时程相一致，也与以前所描写过的毛特纳细胞、浦肯野细胞的情况相一致。在那些情况下，由于减少了细胞外空间或增加了细胞外电阻，神经元活性导致大的细胞外电位。在脊髓中，运动神经元成簇，它们的胞体又在同一部位，它们的树突在脊髓内延伸相当的距离，使得所产生的细胞外电流可以叠加起来。逆向刺激时，胞体提供了一个相对致密的电流汇，其相应的电流源则在广泛的树突树上面。像海马、新大脑皮层这种具有片层状排列的结构，也即具有共同走向、神经元作致密包装的结构，较之脊髓的运动神经元池，可以提供更大的电场。它们可能提供产生电场效应的材料。诱发的场电位可以达到10 mV/mm，这个数值已经大于为调制海马和新大脑皮层神经元兴奋性所需的电场强度；即使由胶质细胞来缓冲钾的稳定电位梯度，也可达到＜4 mV/mm，这也可以调制神经元的兴奋性（细胞外电位梯度和细胞外钾离子浓度的关系是0.3～2.2 mV/mmol/L）。没有一种电场可能使神经元从静息电位（-65～-70 mV）达到它的阈值（-55 mV），但是当有其他因素把神经元推进到它的阈值附近时，这些电场就变成有意义的了。电场相互作用提供最后的推动，使神经元产生锋电位。关于无脊椎动物轴突假突触相互作用的许多早期研究，在实验条件下增加了神经元的兴奋性。这些研究经常减少细胞外钙，甚至用枸橼酸钠螯合钙，从而增加轴突的兴奋性，剥夺细胞膜上的电荷［1］。

还要讨论一下神经元对电刺激的敏感性。在这里讨论电刺激敏感性是为了容易解释当神经元之间有电场、电位差发生时，是否有可能刺激邻近的神经元。

在生理学实验室里面常用电刺激，所用电流往往很大，它对于按照一定方向排列的神经元素产生去极化效应。多数电生理学教科书都讲，通过双极性电极刺激神经干的单根轴突，电流会如何使神经去极化并在阴极下使神经兴奋。在许多更加复杂的结构如脑里面，电流流进去并刺激神经元并非一目了然，对此必须加以仔细分析。刺激神经组织时所用的电流，比某些生物学系统能够产生的要大得多，然而电鳗是一个例外。脑所产生的微弱电流能造成一个细胞外电场，可达10 mV级。关键问题是，电场是否足够大，是否能改变神经元的特性［1］。

电场作用于传导介质，例如细胞外液，引起电流流动，电场梯度等于电流乘上一个常数，即特异比阻，如39℃时为56 Ω·cm。脑有不同的比阻，新大脑皮层的比阻估计约为260～360 Ω·cm。细胞外空间或“细胞外容积分数”的估计值，可以用离子选择性电极测定不透过标记物而得到，这个分数大约是0.17～0.22。脑组织是一个复杂的电复合体，因为神经元有长的突起，它不是按随机的方向排列，而且有大范围的特征与尺度的不同。这就使得在不同位置、不同方向上进行测量时，在电导性方面具相当程度的不均匀性及异向性。这种非均匀的电阻性是由于包围细胞内区隔的细胞膜的高电阻所造成的。在细胞外测量比阻依赖于几个因素。第一个因素是组织被细胞外间隙所占据的比。细胞外电流大部分流过胶质细胞的合胞体，考虑细胞外空间时应考虑胶质细胞。第二个因素是神经元外空间的几何形状。比之排列成直的通道，如果它是弯曲的，比阻会高一点，这种区别曾被描写为“弯曲因素”。第三，如果相对于其长度常数，神经元素很长，则某些细胞外电流将会进入细胞内空间，因此减少电流密度和比阻。后一种情况似乎相对不太重要，因为随着记录技术的提高，完整神经元的估计电紧张常数在缩短。在神经纤维束以及某些脑区，神经元素的排列有共同的走向和弯曲因素，以及部分的细胞内电流通路，使得比阻可以随排列方向而变异，即是异向性的，因而在神经的轴向，其电阻低，在大脑皮层灰质，可以低到横向的1/10。局部细胞外空间的减少，加上弯曲性的增加，使得大鼠海马致密包装的细胞体这一层的比阻增加，增加的比阻可以比邻近神经组织高一倍以上。这种效应在海马CA1区特别明显，其细胞外容积的分量可低到0.12，而脑区的正常范围是0.17～0.22，CA3是0.18，齿状回颗粒细胞层是0.15，啮齿类CA1区细胞体的紧密包装可能是其原因。这或许是解释CA1区产生非化学突触同步化的一个因素［1］。

脑结构对电场的敏感性如何，也成为一个公共卫生方面的问题。社会上存在着争论，电气工人站在高压电线上，以及手机个人用户频繁使用视频显示器（visual display unit，VDU），对人体是否有影响。毫无疑问，这两种情况下的许多问题出自心理学和社会学的因素，而对于VDU来讲是由于早期的文字处理机和办公用具的人体工学设计不合理。然而一些简单的制备例如脑薄片和无脊椎动物神经元，它们对这些因素的灵敏度就不能归之于上述机制了。因此产生了一种可能性，那就是，环境电场可以影响脑功能。测定一下分离神经结构对于电场影响的敏感度如何，这比较简单，更复杂的是要测定环境电场诱导活体脑活动变化的电场强度，而且测量它们所导致的行为后果。如果采用活体麻醉的大鼠，用15和30 Hz的交流电电场，空间中有100 V/m的电场强度，则可以引起小但是明显的自发性放电神经元的同步，而50 Hz的不行。这些是英国电功率线的频率范围（power-line frequency in the United Kingdom）。曾经估计，相应于大鼠脑的有效电场为10-5 V/m，此数字远小于可以调制离体神经元活性的电场数值。更大一点的电场例如103 V/m，可引起对正常活动动物行为的可觉察效应。被感觉到的这些效应可能足够大，比如头发的机械运动，但可以排除由快速气流流动所引起的行为反应。这种电场强度接近于预计在脑内产生毫伏/米级的电场，但即使如此，仍然低于离体实验所发现的阈值，当然仍须做直接测量真正电位梯度的实验［1］。

由于对磁场和电场组成成分的频率、调制、幅度和朝向等的组合没有限制，因此对电场和磁场的生物效应的分析变得复杂化了。电磁场可通过几个物理学途径影响组织，例如50～200 Hz范围的电磁场可引起脑组织的机械振动、较低频率的以及调制的射频，可引起离体脑组织的钙释放；爆发性射频辐射可引起培养小脑的一氧化碳（CO）释放。最后，电磁场与健康的相关并不局限于中枢神经系统，文献曾报道过电磁场对肿瘤、对细胞信号转导、对免疫以及对松果体功能的影响，还有对外周神经功能的影响。电磁场对于内分泌特别是对于松果体的影响，可能对公共卫生具有特殊的意义，例如临床上抑郁症发病的情况［1］。