電刺激可以直接改變神經細胞外的電荷分布，以此引發神經元放電。

直觀來看，電刺激隻能激活一定範圍内的神經元。而這個範圍，由電流刺激大小決定。

然而，事實比想象中的複雜。

電刺激不僅可以激活近在咫尺的神經元，同樣可以激活“遠在天邊”的神經元，距離遠超出電流直接作用的範圍。其原因根植于神經元的逆向動作電位（antidromic action potential）。

正常生理條件下，動作電位的路起于軸丘。軸丘是神經元胞體上一個特化的部位，是軸突這條高速公路的始發站。

軸丘（Axon Hillock）

軸丘上的電壓門控離子通道要遠密于胞體其他部位，這極大易化了動作電位的生成。動作電位在軸丘誕生後，會沿着軸突一路傳遞到軸突末端。動作電位的這種傳播方式稱為順行傳播（orthodromic）。

在科學家的實驗世界裡，“倒行逆施”的事情經常發生，動作電位也沒能逃脫這一命運。

當科學家輸入電流到屬陰的電極尖端時，神經細胞外的陰離子增多，電勢降低。這不僅作用于附近的神經元胞體，使其上的電壓門控鈉離子通道開放。同樣，低電勢也會作用于附近的軸突末端、過路的軸突，開放其膜上的電壓門控鈉離子通道。當電流刺激足夠大時，軸突上也會生出一個動作電位，并可以逆向傳給胞體，這種傳播方式稱為逆行傳播(antidromic)。這在正常生理條件下極少發生。

逆行動作電位從軸突産生，傳向胞體

逆行動作電位的存在賦予了電刺激“隔山打牛”的能力——激活遙遠國度的神經元。

理論上說，如果一個神經元的軸突恰好經過電刺激的勢力範圍，那麼軸突就會産生動作電位。動作電位會逆行至神經元胞體，進而使神經元興奮。

電刺激軸突，生成的動作電位可逆行至胞體。

但畢竟生命科學是一門實驗學科，科學家一直信奉眼見為實，理論為虛。

最常用的動作電位記錄手段是微電極記錄。高電阻的電極尖端可以拾取周圍一小片範圍内電信号，經過高通濾波後，高頻的動作電位可顯露真身。但電刺激本身就是一個很強的電信号，會淹沒動作電位的微小波動。所以，要驗證這一理論，需要另外的記錄手段。

鈣成像是一種絕佳的方法，可見光和電流刺激是兩個沒有交集的觀測通道。

雙光子顯微鏡下的電極和神經元

動作電位發生期間，細胞膜上的鈣離子通道會打開，鈣離子内流，細胞内鈣離子濃度會瞬間升高。因此，胞内鈣離子濃度是檢測動作電位的一個間接指标。

科學家利用鈣指示劑檢測鈣離子濃度變化。最常用的鈣指示劑是GCaMP，GCaMP是一種經過基因編輯的融合蛋白。當鈣離子與之結合後，它會發出耀眼的綠色熒光。科學家将GCaMP表達在神經元裡，當動作電位發生時，顯微鏡便可記錄到神經元胞體的熒光增強。

動作電位發生時，GCaMP熒光增強

要證明局部的電流刺激能通過激活路過的神經纖維，從而激活神經纖維的主人，其實很棘手。

因為無法測量電流刺激直接作用的範圍，所以無法判斷一個神經元的興奮是由直接的電流刺激引起，還是由于激活軸突，動作電位逆向傳給胞體引起的。

再者，也不能根據神經元離電流刺激中心的距離來判斷，因為不同神經元阈值有高有低。對于一個在遠處閃閃發亮的神經元，原因可能有兩種。一種可能，它是一個阈值非常低的神經元，雖然電流刺激已是強弩之末，但仍然能直接激活神經元。另一種可能，它的軸突穿過電流刺激中心，被電流激活，爾後動作電位逆向傳播至胞體。

2009年的時候，Clay Reid教授設計了一個巧妙的實驗，證明了在體電流刺激可以激活軸突，進而逆向激活胞體。

Clay Reid

Clay Reid将刺激電流降到很低，隻有10微安，這跟以前改變動物感知實驗中的電流強度一緻。低電流隻激活較少的神經元，少量神經元的興奮也可以減少突觸傳遞引發的“二手”動作電位。

Clay Reid的實驗操作很簡單，将電極尖端在小鼠腦子裡移動一個極其微小的距離，15微米，跟一個典型的神經元胞體不相上下。

小鼠大腦神經元胞體直徑約10微米到30微米

如果興奮的神經元都是由于電流直接激活胞體引起的，那麼電極移動如此微小的距離，不會對激活的神經元産生影響。也就說，電極移動前後，原來被激活的神經元仍然興奮，原來沒被激活的神經元依舊沉默。

如果興奮的神經元中大多是源于軸突激活，那麼，電極尖端微小距離的移動，實際上已經跨越了數十條細小的神經纖維。電極移動前後，受影響的神經纖維已經千差萬别，被激活的神經元群體也因此會有天壤之别。

實驗結果表明，刺激電極移動微小的距離，閃光的神經元群體幾乎完全不同。這也就證明了在體電流刺激可以引發逆向傳播的動作電位。

刺激電極移動微小距離，激活的神經元群體空間模式變化很大。

更直接的證據是，Clay Reid記錄到了1毫米外的神經元閃光，這個距離遠遠超出了微弱電流刺激的作用範圍。

反向傳播的動作電位使得電刺激的作用域變得複雜，不僅可以激活局部的神經元，也可以激活軸突路過電極的神經元。這一性質常常被科學家用來鑒定投射神經元，下篇文章繼續。

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