动作电位和电紧张电位（电刺激逆流而上的动作电位）

电刺激可以直接改变神经细胞外的电荷分布，以此引发神经元放电。

直观来看，电刺激只能激活一定范围内的神经元。而这个范围，由电流刺激大小决定。

然而，事实比想象中的复杂。

电刺激不仅可以激活近在咫尺的神经元，同样可以激活“远在天边”的神经元，距离远超出电流直接作用的范围。其原因根植于神经元的逆向动作电位（antidromic action potential）。

正常生理条件下，动作电位的路起于轴丘。轴丘是神经元胞体上一个特化的部位，是轴突这条高速公路的始发站。

轴丘（Axon Hillock）

轴丘上的电压门控离子通道要远密于胞体其他部位，这极大易化了动作电位的生成。动作电位在轴丘诞生后，会沿着轴突一路传递到轴突末端。动作电位的这种传播方式称为顺行传播（orthodromic）。

在科学家的实验世界里，“倒行逆施”的事情经常发生，动作电位也没能逃脱这一命运。

当科学家输入电流到属阴的电极尖端时，神经细胞外的阴离子增多，电势降低。这不仅作用于附近的神经元胞体，使其上的电压门控钠离子通道开放。同样，低电势也会作用于附近的轴突末端、过路的轴突，开放其膜上的电压门控钠离子通道。当电流刺激足够大时，轴突上也会生出一个动作电位，并可以逆向传给胞体，这种传播方式称为逆行传播(antidromic)。这在正常生理条件下极少发生。

逆行动作电位从轴突产生，传向胞体

逆行动作电位的存在赋予了电刺激“隔山打牛”的能力——激活遥远国度的神经元。

理论上说，如果一个神经元的轴突恰好经过电刺激的势力范围，那么轴突就会产生动作电位。动作电位会逆行至神经元胞体，进而使神经元兴奋。

电刺激轴突，生成的动作电位可逆行至胞体。

但毕竟生命科学是一门实验学科，科学家一直信奉眼见为实，理论为虚。

最常用的动作电位记录手段是微电极记录。高电阻的电极尖端可以拾取周围一小片范围内电信号，经过高通滤波后，高频的动作电位可显露真身。但电刺激本身就是一个很强的电信号，会淹没动作电位的微小波动。所以，要验证这一理论，需要另外的记录手段。

钙成像是一种绝佳的方法，可见光和电流刺激是两个没有交集的观测通道。

双光子显微镜下的电极和神经元

动作电位发生期间，细胞膜上的钙离子通道会打开，钙离子内流，细胞内钙离子浓度会瞬间升高。因此，胞内钙离子浓度是检测动作电位的一个间接指标。

科学家利用钙指示剂检测钙离子浓度变化。最常用的钙指示剂是GCaMP，GCaMP是一种经过基因编辑的融合蛋白。当钙离子与之结合后，它会发出耀眼的绿色荧光。科学家将GCaMP表达在神经元里，当动作电位发生时，显微镜便可记录到神经元胞体的荧光增强。

动作电位发生时，GCaMP荧光增强

要证明局部的电流刺激能通过激活路过的神经纤维，从而激活神经纤维的主人，其实很棘手。

因为无法测量电流刺激直接作用的范围，所以无法判断一个神经元的兴奋是由直接的电流刺激引起，还是由于激活轴突，动作电位逆向传给胞体引起的。

再者，也不能根据神经元离电流刺激中心的距离来判断，因为不同神经元阈值有高有低。对于一个在远处闪闪发亮的神经元，原因可能有两种。一种可能，它是一个阈值非常低的神经元，虽然电流刺激已是强弩之末，但仍然能直接激活神经元。另一种可能，它的轴突穿过电流刺激中心，被电流激活，尔后动作电位逆向传播至胞体。

2009年的时候，Clay Reid教授设计了一个巧妙的实验，证明了在体电流刺激可以激活轴突，进而逆向激活胞体。

Clay Reid

Clay Reid将刺激电流降到很低，只有10微安，这跟以前改变动物感知实验中的电流强度一致。低电流只激活较少的神经元，少量神经元的兴奋也可以减少突触传递引发的“二手”动作电位。

Clay Reid的实验操作很简单，将电极尖端在小鼠脑子里移动一个极其微小的距离，15微米，跟一个典型的神经元胞体不相上下。

小鼠大脑神经元胞体直径约10微米到30微米

如果兴奋的神经元都是由于电流直接激活胞体引起的，那么电极移动如此微小的距离，不会对激活的神经元产生影响。也就说，电极移动前后，原来被激活的神经元仍然兴奋，原来没被激活的神经元依旧沉默。

如果兴奋的神经元中大多是源于轴突激活，那么，电极尖端微小距离的移动，实际上已经跨越了数十条细小的神经纤维。电极移动前后，受影响的神经纤维已经千差万别，被激活的神经元群体也因此会有天壤之别。

实验结果表明，刺激电极移动微小的距离，闪光的神经元群体几乎完全不同。这也就证明了在体电流刺激可以引发逆向传播的动作电位。

刺激电极移动微小距离，激活的神经元群体空间模式变化很大。

更直接的证据是，Clay Reid记录到了1毫米外的神经元闪光，这个距离远远超出了微弱电流刺激的作用范围。

反向传播的动作电位使得电刺激的作用域变得复杂，不仅可以激活局部的神经元，也可以激活轴突路过电极的神经元。这一性质常常被科学家用来鉴定投射神经元，下篇文章继续。