心脏的生物电活动：细胞与膜电位
前面我们认识了心脏及其“电路”的大体解剖，这一节我们将从更细微的结构来认识心脏电活动。人体的各个器官、组织由数以万亿计的细胞构成。心脏主要由心肌细胞构成，其中一些特化的心肌细胞组成“结”“束支”以及“网状结构”，这就构成了传导系统，即心脏的“电路”，与其他心肌细胞相比，特化的心肌细胞具有更高的“自律性”与“兴奋性”，尤其是窦房结细胞，能够比其他心肌细胞更早、更快地产生兴奋。因此，一般脊椎动物的心脏活动都由这种特化的心肌细胞起始。当然，在人体内，心房内的一些“电线”却是由普通的心肌细胞构成，只不过这些细胞的排列方式与众不同，这就具备了电传导优势，构成了电路系统的一部分。本节将重点从细微结构——细胞来阐述心脏的电活动。
首先，我们来认识一下心肌细胞（cardiomyocytes），以及其基本构成及功能。细胞是生物体构成的基本单位，决定了生物体的基本功能。目前我们认识到的生物界中的细胞主要有两种：原核细胞及真核细胞。前者构造简单，细胞器极少，构成的生物是细菌、古菌；后者构造复杂，具有完整的细胞器，构成了我们常规认知的动物、植物，包括人体。心肌细胞是构成动物心脏的基本单位，人体中，心肌细胞的结构与骨骼肌细胞（构成肢体、躯干部肌肉的细胞）类似，一般呈圆柱状，但也有所区别。我们把心脏比喻为房子，那么心肌细胞就像是建造这间房子的一个个水泥、金属等材料颗粒。图1-3-1中所示是电镜下经过染色显示的一个完整心肌细胞，由干细胞培养而来，被细胞膜所包裹；中间蓝色的部分是细胞核，是真核细胞的独有结构，也是整个细胞的核心部分，保存有该生物体的大部分遗传物质，负责维持基因的完整性，通过调控基因来影响细胞乃至器官、机体的功能活动；由膜包裹的、细胞核之外的部分是细胞质，呈溶胶状，包含多种多样的细胞器及80%的水分，也维持着心肌细胞的正常结构与功能运作。细胞质内有丰富的线粒体，这是产生并提供能量的细胞器，通过产生三磷酸腺苷，维持心肌细胞舒缩和膜电位。
图1-3-1 心肌细胞结构示意图
心肌细胞与骨骼肌细胞最大的区别就在于心肌细胞具有自发且有节律的生物电活动，这也是整个心脏电路及电活动的基础。心肌细胞的细胞膜具有跨膜电位，电位的变化直接导致了心肌细胞舒张与收缩，从而引发整个心脏的活动。细胞膜本身是绝缘层，阻抗高，而细胞膜上存在多个跨膜的“离子通道”，影响膜电位的各种电离子，Na+、K+、Ca2+、Cl-等多种离子可以通过这些通道进出细胞，每个通道允许特定的一种或数种离子通过，是为“选择性”。通道的开闭受到阀门的控制，电离子仅能在开放时通过，就像是一道墙把细胞内及细胞外完全分隔开，墙上有数道“门”，开放的时候离子可以在细胞内外流动，关闭的时候则不行。心肌细胞膜与离子通道这样的结构，使得膜内侧及外侧的离子浓度有所区别，称作“浓度梯度”，由于离子都带电，有的带正电荷，有的带负电荷，“浓度梯度”就会造成“电位梯度”，这就是膜电位的形成原理（图1-3-2）。
图1-3-2 心肌细胞膜、离子通道与膜电位形成示意图
事实上，生物电活动在过去是一个很神秘的概念，直到18世纪后期、19世纪初期，随着心电图及脑电图的发现，生物电现象的神秘面纱才逐渐被揭开。1952年，Alan Hodgkin和Andrew Huxley两位先驱发现了细胞膜内侧及外侧存在不同离子，这些离子带电，离子种类及浓度的差异就形成了膜两侧的电位差。在人体内，以电活动为信号的细胞主要就来自神经元以及心脏。神经细胞有着频繁的自发性电活动，这种电活动与心脏的窦房结细胞相像。20世纪末，电生理学家们先在神经细胞上发现了特殊的CNG通道，之后又在神经及心肌细胞中发现了超极化的阳离子通道，这也是窦房结自发电流的重要基础。当然，生物电活动不止存在于神经及心脏中，在骨骼肌中也有发现，不过强度及频率较弱，对功能的影响较小。膜电位的发现与细胞钳技术密切相关。
与心脏整体生物电活动密切相关的是细胞自发电活动，其中很重要的一个概念是动作电位（action potential，AP）。心肌细胞处于静息状态时，K+离子通道处于持续开放的状态，由于细胞内K+浓度远高于胞外，其由内向外流动，因此膜电位呈外正内负的“极化”状态。当心肌细胞发生兴奋，细胞膜上的特定离子通道激活，膜内外两侧的离子发生流动，产生除极化及复极化，膜电位发生一系列变化，就称之为动作电位。自发兴奋从而产生动作电位的能力叫“自律性”，心脏的组织细胞大体分为有自律性及无自律性两种，心脏的电路系统就是具有自律性的部分，能够自发激动，引发动作电位；动作电位可经细胞与细胞间的连接传递扩布，就像前文所描述的，作为“司令官”的窦房结细胞最先形成动作电位，经过电路系统中多条电线的传导，最终引发整个心脏的电活动。
心肌细胞的动作电位一般分为5个时相，大体可分为除极化与复极化两大过程。极化是指静息时膜电位处于高负值的状态。除极化指细胞膜内侧电位由高负值变为0及正值的过程，在该过程中细胞膜“极化状态”快速消失，所以是去除的意思。复极化指膜内侧电位重新恢复到高负值状态的过程，在该过程中细胞膜“极化状态”逐步恢复。0相是快速除极化期，1、2、3相属于复极化，4相是复极化完成后的时期。对于非自律细胞而言，4相是静息期；而对于自律细胞而言，4相是缓慢自发除极期。下面以自律性细胞的代表——窦房结细胞的动作电位为例进行讲解。(https://www.daowen.com)
如图1-3-3所示，曲线纵坐标代表窦房结细胞膜电位，横坐标是时间，图中曲线展示了2次细胞动作电位过程，静息状态下膜电位水平在-60～-40mV，红色曲线是动作电位的0相，由于Ca2+通过通道快速流入细胞内（称作“内流”），细胞外的阳离子减少、细胞内的阳离子增多，导致膜电位由静息时的负值快速上升至0～+20mV，该过程就是快速除极化（或称“去极化”）；膜电位达到最高点之后，转变为青绿色曲线，是动作电位的1、3相（与心室肌细胞不同，窦房结细胞动作电位没有2相），由于K+经通道流出细胞（称作“外流”），使得膜外阳离子增多、膜内阳离子减少，膜电位就由最高点又降低至静息水平（-60～-40mV），该过程称为复极化；之后转变为橙色曲线，这是自律细胞区别于非自律细胞的重要部分，其中窦房结细胞自律性最高，主要由于细胞膜上存在If通道，该通道与普通的离子通道不同，允许多种离子而非单一离子通过，在超极化充分激活状态下，该通道允许混合阳离子（Na+和K+）通过内流入细胞，最早发现时由于该通道与一般选择性离子通道不同，故命名为有趣通道（funny channel），大写的I代表的方向是“内流”，形成的电流称作If电流，当膜电位自动除极化达到一定阈值时，就会引发下一次动作电位，自律性心肌细胞以窦房结细胞为代表，还包括浦肯野纤维细胞，它们都能够在4相自动除极，可以理解为“主动电激动”。
图1-3-3 窦房结细胞动作电位图示
心室肌细胞绝大多数是非自律细胞，动作电位与自律细胞的代表——窦房结细胞有所区别，其0相主要是Na+快速内流引起除极化，此外在复极化过程中还会出现一个“平台期”（动作电位的2相），是由于Ca2+内流与K+外流同时发生造成膜电位在一定时期内处于固定的状态。另外，其4相复极化完成之后不会自动缓慢除极，必须由其他细胞传递过来的电信号激动后才能再进入下一次动作电位，可以理解为“被动电激动”。
在前一节中提到一个很重要的概念——兴奋—收缩耦联，从细胞层面来看，当动作电位去极化发生时，细胞内Ca2+离子浓度会显著增加，进而激活Ca2+敏感的相关蛋白质（以肌钙蛋白为主），利用ATP的能量引起细胞收缩。
在自律细胞的动作电位中，自律性越强，发放电激动的频率会越快，影响自律性强弱的最主要因素就是阈电位和4相自动除极的速度，在图1-3-3中分别以平行于横轴的虚线和曲线中的橙色部分表示，对于某个细胞而言，虚线位置越低、橙色曲线斜率越大（越陡峭），则其自律性越高。人体中的组织都是由一个个细胞构成的，细胞的特性也决定了组织的特性，正常心脏电路系统中，窦房结是“司令官”，其细胞自律性最强，其余的部分自律性都要弱于窦房结，心脏不同部位的细胞动作电位及自律性如图1-3-4所示，图中左侧展示了心脏结构，右侧是对应部位细胞的动作电位，一个动作电位曲线的终末部位（前文所述的“4相”）对自律性的影响最大，曲线末端“向上飘”得越厉害，自律性越高，如窦房结细胞；曲线末端“平平整整”，则无自律性，如大部分心房肌、心室肌细胞。
图1-3-4 心脏电路不同部位的自律性示意图
最后总结一下，心脏电路系统及电活动源自心脏细胞的生物电活动，其主要由动作电位引起，与细胞膜电位的变化密切相关，而细胞膜电位又由细胞内、外侧的离子浓度决定，与细胞膜上的多种离子通道有关。某些病理情况下，非自律细胞的离子通道状态发生改变，也可能出现自律性增强，甚至强于窦房结，临床上就会表现为异位兴奋灶的早搏、心动过速等心律失常，这在第二章中还会详细讲述。