科学的科普（13）追本逐元（4）生物电流和沸腾的十九世纪

张武昌 2024年8月18日星期日

1771年，意大利生理学家、解剖学家伽伐尼(Luigi Galvani，1737~1798)发现蛙腿肌肉接触金属刀片时候会发生痉挛。他于1791年发表了实验结果，这标志着电化学(和电生理学)的诞生。蛙腿也成为灵敏的电流计。

心电图

卡洛.马泰乌奇(Carlo Matteucci,1811 - 1868) 将蛙腿连到青蛙的心脏上，发现心脏每搏动一次，蛙腿就抽搐一下。于是马泰乌奇推测心跳可能是电力驱动的。 

1869年，一位叫亚历山大.缪尔黑德Alexander Muirhead的医生是电报机的狂热爱好者，他将一位病人的手腕放进了电报记录机的线圈里，发现线圈竟然感应出了电流，电报记录机的记录纸上出现了波形，这是人类历史上的第一个心电图。 

心脏的右心房顶部有窦房结Sinoatrial node (SA node)，是一大堆脂肪和胶原蛋白包裹的特殊细胞，称为起搏细胞pacemaker cells，可以有规律的放电，控制心脏的各个心室按顺序搏动。

起搏细胞的工作不受大脑的控制。脑死亡以后，其他器官崩溃之前，心脏都能继续运作。

起搏细胞如此重要，所以生物进化出脂肪和胶原细胞对其进行保护，抗击震动和屏蔽电磁，确保不受外界干扰。

1875年，法国科学家李普曼( Gabriel Jonas Lippmann , 1845～1921) 发明了一种极灵敏的汞毛细管电流计 Lippmann electrometer，它像一个水银温度计一样有一根竖直的水银柱，当电流通过时，水银表面张力变化，水银柱的高度产生起伏。这种电流计非常敏感，所以能感知人体表面轻微的电压变化，非常适合于记录迅速变化着的生物电活动。 

1887年，英国的瓦莱（Augustus Desire Waller，1856～1922）将手泡到盐水里，两手连接电流计，发现水银柱发生了高高低低的波动，然后将照相底片匀速从水银柱后面经过，就记录下水银柱高度的变化，产生人类第一份心电图。 

瓦莱带着这个心电检测设备四处巡演，

他的小狗Jimmy成为他的好助手，很享受的将爪子泡在盐水里。

有的人自愿测量。

1889年，荷兰生理学家威廉.埃因托芬看了瓦莱的表演，认真分析了这些高高低低代表的含义，设计了检测心电图时的电极位置，发明了在人体三个部位安放电极的检测方法，后来被称为埃因托芬三角，但是当时还是盐水泡手泡脚。埃因托芬使用电流的磁效应，加大磁场的强度，使微弱的电流也能导致导线的大幅移动，因此装置很大。

1924年埃因托芬获得诺贝尔奖。他的三角法一直沿用至今。

脑电图  脑机接口

1875年，英国学者RichardCaton在家兔暴露的大脑皮质表面安放2枚电极，由其间连接的电流计观察到有电流通过，他判断这种电活动与脑的功能有关，随后，他用犬等做了几次类似观察。

1890年，波兰的A.Beck观察到当给予光刺激时，在犬的视觉区皮层出现较大的电位变动，不给予光刺激时，则只有小的电位变动。同年，E.Fhischlvon Marxow也观察到了同样的事实,并指出这种电位变化亦可在硬脑膜或头颅上记录到。

人的头皮上可以通过电极采集到电信号。这些电信号是非常微弱的，只有几十微伏。1924年德国医生汉斯·伯杰Hans Berger 首次在人头皮上记录到这种信号，并将其命名为脑电图electroencephalogram(EEG)。伯杰被称为脑电图之父。

最初是在头皮安放电极。

现在已经发展到开颅后，在头骨上开个孔。

将硬币大小的脑机接口镶嵌到脑组织中，导线插入大脑皮层，获得更纯净更直接更深层的脑电信号。

1978年，一个盲人的视觉皮层被植入了一个68电极的阵列，摄像机的信号导入大脑，患者看到了图像。

运动

1970年代，脑机接口进入人们视野，脑机接口（Brain-Machine Interface，BMI [10]；Brain Computer Interface，BCI），指在人或动物大脑与外部设备之间创建的直接连接，实现脑与设备的信息交换。脑机接口技术开始时，美国为了帮助残疾军人生活自理，研究运动脑机接口技术。到90年代以后，开始有阶段性成果出现。

2004年，美国的一家公司Blackrock neurotech完成了人体芯片植入手术，

2006年提出人脑用的脑机接口。

2008年，第一个猴脑控制的机器人。脑内植入电极的猴子，可以通过电极控制机械手抓取食物送入自己口中。

2012年，第一个人脑控制的机械手抓取食品送入口中。

2016年，有了触角感觉。

2016年，人脑控制瘫痪上肢。

2020年，浙江大学完成脑机接口植入，72岁的瘫痪老人通过意念操控设备完成吃喝。

语言

Phil Kennedy在20世纪80年代末开始研究脑机接口技术，为了研究事业，2014年，在自己的脑子中植入电极，术后丧失了说话能力，过了一段时间才恢复说话能力，然后采集了脑神经信息。此后，在植入几个星期后，电极被取出，健康没有受到影响。

2019年根据神经信号合成人工语音。

这一领域正在快速发展，是科技制高点，国际上正在进行激烈的竞争，我国与国外基本并驾齐驱。

皮电和测谎仪

1849年，Dubois-Reymond在德国发现皮肤具有电活性。 他的受试者的四肢放在硫酸锌溶液中，他注意到了电流。 它发生在一只肌肉放松而另一只肌肉收缩的时候。

皮肤电反应（GSR）最早是在1888年观察到的。1888年，法国神经学家Fere报道，不同的物理和情绪刺激可以诱发皮肤电活动的变化，Fere认为，与感觉和情绪刺激相关的情况说明皮肤电反应是神经兴奋的指标，换句话说，皮肤电反应是测量唤醒的指标。

Vigourous（1879，1888）测量不同病人的皮肤电阻，以此协助对病人的疾病的临床诊断。跟他在同一个实验室的Fere（1888）发现不同的刺激，例如，视觉的，听觉的，味觉的，嗅觉的等，可引起皮肤电阻的不同变化。Tarchanoff（1890）报告，在不通过电流的情况下，从放置在皮肤上的两点之间，也可以引出电位差。

前者被称作外加电流法（Exosomatic Method），后者被称作内在电位法（Endosomatic Method）。前者至今仍是研究皮肤电活动最常使用的方法。

1971年，Lykken和Venables提出了记录皮肤电导和测量数据的标准化方法，这也标志着皮肤电反应（GSR）研究的开端。

第一个尝试利用科学仪器“测谎”的人，叫西萨重·隆布索（Ceu are Lombroso）。1895年，他研制出一种“水力脉搏记录仪”，通过记录脉搏和血压的变化判断嫌疑人是否与此案有关，而且成功侦破了几起案件。1945年，约翰·里德（John Reid）总结了前人的工作，设计出能检测血压、脉搏、呼吸和皮肤电阻变化以及肌肉活动的多参量心理测试仪，这种测谎仪器称为“里德多谱描记仪”，也就是第二代测谎仪，成为现代多参量心理测试仪的基础。60年代初，由于电子技术飞速发展，出现了现代记录仪和多导仪。热敏电阻、光敏电阻和压电晶体均可作为换能器。

人在说谎时生理上的确发生着一些变化，这些生理参量由于受植物神经系统支配，所以一般不受人的意识控制，而是自主的运动，在外界刺激下会出现一系列条件反射现象。其中皮电最敏感，因此是测谎的主要依据。

胃电图

1922年 Alvarez 报道，从一个病人的腹壁上记录到胃电活动。此后70多年来,人们一直努力于胃电研究，希望胃电记录能像心电图那样对胃动力性疾病的判断或治疗起指导作用。

1960年代末和1970年代,一些研究者于剖腹术中在浆膜下缝埋电极，记录胃电活动，或经口插管将电极送入胃内，经粘膜吸引法进行人体的胃肌电活动研究。80年代发展了无创伤、非侵入性体表电极的记录，并克服信息微弱、容易受干扰等问题，使体表胃电记录(又称为胃电图)。

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