一、興奮性和刺激引起興奮的條件
�。ㄒ�)興奮性和興奮含義及其變遷
上世紀(jì)中后期的生理學(xué)家用兩棲類動(dòng)物做實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)青蛙或蟾蜍的某些組織在離體的情況下，也能在一定的時(shí)間內(nèi)維持和表現(xiàn)出某些生命現(xiàn)象。這些生命現(xiàn)象的表現(xiàn)之一是：當(dāng)這些組織受到一些外加的刺激因素（如機(jī)械的、化學(xué)的、溫?zé)岬幕蜻m當(dāng)?shù)碾姶碳?作用時(shí)，可以應(yīng)答性出現(xiàn)一些特定的反應(yīng)或暫時(shí)性的功能改變。這些活組織或細(xì)胞對(duì)外界刺激發(fā)生反應(yīng)的能力，就是生理學(xué)最早對(duì)于興奮性（excitability)的定義。例如，把蟾蜍的腓腸肌和支配它的神經(jīng)由體內(nèi)剝離出來，制成神經(jīng)-肌肉標(biāo)本，這時(shí)如果在神經(jīng)游離端一側(cè)輕輕地觸動(dòng)神經(jīng)，或通以適當(dāng)?shù)碾娏�，那么在�?jīng)過一個(gè)極短的潛伏期后，可以看到肌肉出現(xiàn)一次快速的縮短和舒張；如把刺激直接施加于肌肉，也會(huì)引起類似的收縮反應(yīng)；而且只要刺激不造成組織的損傷，上述反應(yīng)可以重復(fù)出現(xiàn)。這就是神經(jīng)和肌肉組織具有興奮性能證明。實(shí)際上，幾乎所有活組織或細(xì)胞都具有某種程度的對(duì)外界刺激發(fā)生反應(yīng)的能力，只是反應(yīng)的靈敏度和反應(yīng)的表現(xiàn)形式有所不同。在各種動(dòng)物組織中，一般以神經(jīng)和肌細(xì)胞，以及某些腺細(xì)胞表現(xiàn)出較高的興奮性；這就是說它們只需接受較小的程度的刺激，就能表現(xiàn)出某種形式的反應(yīng)，因此稱為可興奮細(xì)胞或可興奮組織。不同組織或細(xì)胞受刺激而發(fā)生反應(yīng)時(shí)，外部可見的反應(yīng)形式有可能不同，如各種肌細(xì)胞表現(xiàn)機(jī)械收縮，腺細(xì)胞表現(xiàn)分泌活動(dòng)等，但所有這些變化都是由刺激引起的，因此把這些反應(yīng)稱之為興奮（excitation)。人和高等動(dòng)物的細(xì)胞和組織一樣具有興奮性，但在離體情況下要保持它們的興奮性，需要嚴(yán)格的環(huán)境條件，因此在研究組織的興奮性時(shí)，常用較低等動(dòng)物的組織作為觀察對(duì)象。
隨著電生理技術(shù)的發(fā)展和資料的積累，興奮性和興奮的概念有了新的含義。大量事實(shí)表明，各種可興奮細(xì)胞處于興奮狀態(tài)時(shí)，雖然可能有不同的外部表現(xiàn)，但它們都有一個(gè)共同的、最先出現(xiàn)的反應(yīng)，這就是受刺激處的細(xì)胞膜兩側(cè)出現(xiàn)一個(gè)特殊形式的電變化（它由細(xì)胞本身所產(chǎn)生,不應(yīng)與作為刺激使用的外加電刺激相混淆)，這就是動(dòng)作電位；而各種細(xì)胞所表現(xiàn)的其他外部反應(yīng)，如機(jī)械收縮和分泌活動(dòng)等，實(shí)際上都是由細(xì)胞膜的動(dòng)作電位進(jìn)一步觸發(fā)和引起的。在神經(jīng)細(xì)胞，特別是它的延續(xù)很長(zhǎng)、起著信息傳送作用的軸突（神經(jīng)纖維)，在受刺激而興奮時(shí)并無(wú)肉眼可見的外部反應(yīng)，其反應(yīng)只是用靈敏的電測(cè)量?jī)x器才能測(cè)出的動(dòng)作電位。在多數(shù)可興奮細(xì)胞（以神經(jīng)和骨骼肌、心肌細(xì)胞為主)，當(dāng)動(dòng)作電位在受刺激部位產(chǎn)生后，還可以沿著細(xì)胞膜向周圍擴(kuò)布，使整個(gè)細(xì)胞膜都產(chǎn)生一次類似的電變化。既然動(dòng)作電位是大多數(shù)可興奮細(xì)胞受刺激時(shí)共有的特征性表現(xiàn)，它不是細(xì)胞其他功能變化的伴隨物，而是細(xì)胞表現(xiàn)其他功能的前提或觸發(fā)因素，因此在近代生理學(xué)中，興奮性被理解為細(xì)胞在受刺激時(shí)產(chǎn)生動(dòng)作電位的能力，而興奮一詞就成為產(chǎn)生動(dòng)作電位的過程或動(dòng)作電位的同義語(yǔ)了。只有那些在受刺激時(shí)能出現(xiàn)動(dòng)作電位的組織，才能稱為可興奮組織；只有組織產(chǎn)生了動(dòng)作電位時(shí)，才能說組織產(chǎn)生了興奮。這樣的理解顯然比原定義更嚴(yán)格些。
據(jù)此定義，可以對(duì)上述神經(jīng)-肌標(biāo)本的現(xiàn)象描述如下：當(dāng)刺激作用于坐骨神經(jīng)某一點(diǎn)時(shí)，由于神經(jīng)纖維具有興奮性而出現(xiàn)興奮，即產(chǎn)生了動(dòng)作電位，此動(dòng)作電位（常稱為神經(jīng)沖動(dòng))沿著神經(jīng)纖維傳向它們所支配的骨骼肌纖維，通過神經(jīng)-肌接頭處的興奮傳遞（即ACh參加的跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)換)，再引起骨骼肌細(xì)胞興奮而產(chǎn)生動(dòng)作電位，以后是動(dòng)作電位沿整個(gè)肌細(xì)胞膜傳遍整個(gè)肌細(xì)胞，并觸發(fā)了細(xì)胞內(nèi)收縮蛋白質(zhì)的相互作用，表現(xiàn)出肌肉一次快速的收縮和舒張。
�。ǘ�)刺激引起興奮的條件和閾刺激
具有興奮性的組織和細(xì)胞，并不對(duì)任何程度的刺激都能表現(xiàn)興奮或出現(xiàn)動(dòng)作電位。刺激可以泛指細(xì)胞所處環(huán)境因素的任何改變；亦即各種能量形式的理化因素的改變，都可能對(duì)細(xì)胞構(gòu)成刺激。但實(shí)驗(yàn)表明，刺激要引起組織細(xì)胞發(fā)生興奮，必須在以下三個(gè)參數(shù)達(dá)到某一臨界值：刺激的強(qiáng)度、刺激的持續(xù)時(shí)間以及刺激強(qiáng)度對(duì)于時(shí)間的變化率（即強(qiáng)度對(duì)時(shí)間的微分)；不僅如此，這三個(gè)參數(shù)對(duì)于引起某一組織和細(xì)胞的興奮并不是一個(gè)固定值，它們存在著相互影響的關(guān)系。在實(shí)驗(yàn)室中，常用各種形式的電刺激作為人工刺激，用來觀察和分析神經(jīng)或各種肌肉組織的興奮性，度量興奮性在不同情況下的改變。這是因?yàn)殡姶碳た梢苑奖愕赜筛鞣N電儀器（如電脈沖和方波發(fā)生器等)獲得，它們的強(qiáng)度、作用時(shí)間和強(qiáng)度-時(shí)間變化率可以容易地控制和改變；并且在一般情況下，能夠引起組織興奮的電刺激并不造成組織損傷，因而可以重復(fù)使用。
為了說明刺激的各參數(shù)之間的相互關(guān)系，可以先將其中一個(gè)參數(shù)固定于某一數(shù)值，然后觀察其余兩個(gè)的相互影響。例如，當(dāng)使用方波刺激時(shí)，由于不同大小和持續(xù)時(shí)間的方波上升支都以同樣極快的增加速率達(dá)到某一預(yù)定的強(qiáng)度值，因而可以認(rèn)為上述第三個(gè)參數(shù)是固定不變的，而每一方波電刺激能否引起興奮，就只決定于它所達(dá)到的強(qiáng)度和持續(xù)的時(shí)間了。在神經(jīng)和肌組織進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，在強(qiáng)度-時(shí)間變化率保持不變的情況下，在一定的范圍內(nèi)，引起組織興奮所需的最小刺激強(qiáng)度，與這一刺激所持續(xù)的時(shí)間呈反變的關(guān)系；這就是說，當(dāng)刺激的強(qiáng)度較大時(shí)，它只需持續(xù)較短的時(shí)間就足以引進(jìn)組織的興奮，而當(dāng)刺激的強(qiáng)度較弱時(shí)，這個(gè)刺激就必須持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間才能引起組織的興奮。但這個(gè)關(guān)系只是當(dāng)所用強(qiáng)度或時(shí)間在一定限度內(nèi)改變時(shí)是如此。如果將所用的刺激強(qiáng)度減小到某一數(shù)值時(shí)，則這個(gè)刺激不論持續(xù)多么長(zhǎng)也不會(huì)引起組織興奮；與此相對(duì)應(yīng)，如果刺激持續(xù)時(shí)間逐資助縮短時(shí)，最后也會(huì)達(dá)到一個(gè)臨界值，即在刺激持續(xù)時(shí)間小于這個(gè)值的情況下，無(wú)論使用多么大的強(qiáng)度，也不能引起組織的興奮。
上述情況給比較不同組織的興奮性高低或測(cè)量同一組織在不同生理或病理情況下的興奮性改變時(shí)造成了許多困難。如果不仔細(xì)思考，可以認(rèn)為那些用較小的刺激強(qiáng)度就能興奮的組織具有較高的興奮性；據(jù)上述，這個(gè)強(qiáng)度小的程度，還要決定這個(gè)刺激的持續(xù)時(shí)間和它的強(qiáng)度-時(shí)間變化率。因此，簡(jiǎn)單地用刺激強(qiáng)度這一個(gè)參數(shù)表示不同組織興奮性的高低或同一組織興奮性的波動(dòng)，就必須使所用刺激的持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度-時(shí)間變化率固定某一（應(yīng)是中等程度的)數(shù)值；這樣，才能把引起組織興奮、即產(chǎn)生動(dòng)作電位所需的最小刺激強(qiáng)度，作為衡量組織興奮性高低的指標(biāo)；這個(gè)刺激強(qiáng)度稱為閾強(qiáng)度或閾刺激，簡(jiǎn)稱閾值（threshold)。強(qiáng)度小于閾值的刺激，稱為閾下刺激；閾下刺激不能引起興奮或動(dòng)作電位，但并非對(duì)組織細(xì)胞不產(chǎn)生任何影響。
�。ㄈ�)組織興奮及其恢復(fù)過程中興奮性的變化
體內(nèi)不同組織具有不同的興奮性；而且同一組織在不同生理和病理情況下，強(qiáng)環(huán)境中離子成分特別是鈣離子、酸堿度、溫度的改變，以及存在著特殊毒物或藥物等情況，都可以引起興奮性的改變。但一個(gè)普遍存在于各種可興奮細(xì)胞的現(xiàn)象是，在細(xì)胞接受一次刺激而出現(xiàn)興奮的當(dāng)時(shí)和以后的一個(gè)短時(shí)間內(nèi)，它們的興奮性將經(jīng)歷一系列有次序的變化，然后才恢復(fù)正常。這一特性說明，在細(xì)胞或組織接受連續(xù)刺激時(shí)，有可能由于它們接受前一刺激而改變了對(duì)后來刺激的反應(yīng)能力，因而是一個(gè)有重要功能意義的生理現(xiàn)象。
為了示證這一特性，可以讓兩個(gè)刺激連續(xù)作用于組織，這時(shí)讓第一個(gè)刺激的強(qiáng)度相當(dāng)于閾強(qiáng)度，以便使它能引起組織興奮，并以此閾強(qiáng)度的值作為該組織興奮性的“正�！睂�(duì)照值；對(duì)于第二個(gè)刺激，在實(shí)驗(yàn)中要能任意地選定它們和第一刺激的間隔，并且可以按需要改變它們的強(qiáng)度。這樣，可以檢查組織在因第一個(gè)刺激后的不同時(shí)間內(nèi)，接受新刺激的能力是否發(fā)生了改變。實(shí)驗(yàn)證明，在組織接受前面一個(gè)刺激而興奮后一個(gè)較短的時(shí)間內(nèi)，無(wú)論再受到多么強(qiáng)大的刺激，都不能再產(chǎn)生興奮；即在這一時(shí)期內(nèi)出現(xiàn)的任何刺激均“無(wú)效”；這一段時(shí)期，稱為絕對(duì)不應(yīng)期。在絕對(duì)不應(yīng)期之后，第二個(gè)刺激有可能引起新的興奮，但使用的刺激強(qiáng)度必須大于該組織正常的閾強(qiáng)度；這個(gè)時(shí)期稱為相對(duì)不應(yīng)期。上述絕對(duì)和相對(duì)不應(yīng)期的存在，反映出組織在一次興奮后所經(jīng)歷的興奮性改變的主要過程；即在絕對(duì)不應(yīng)期內(nèi)，由于閾強(qiáng)度成為無(wú)限大，故此時(shí)的興奮性可認(rèn)為下降到零；在相對(duì)不應(yīng)期內(nèi)，興奮性逐漸恢復(fù)，但仍低于正常值，此時(shí)需使用超過對(duì)照閾強(qiáng)度的刺激強(qiáng)度，才能引起組織的興奮；到相對(duì)不應(yīng)期結(jié)束時(shí)，興奮性才逐漸恢復(fù)到正常。用更精密的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在相對(duì)不應(yīng)期內(nèi)之后，組織還經(jīng)歷了一段興奮性先是輕度增高，繼而又低于正常的時(shí)期，分別稱為超常期和低常期。以上各期的長(zhǎng)短，在不同細(xì)胞可以有很大差異；一般絕對(duì)不應(yīng)期較短，相當(dāng)于或略短于前一刺激在該細(xì)胞引起的動(dòng)作電位主要部分的持續(xù)時(shí)間，如它在神經(jīng)纖維或骨骼肌只有0.5~2.0ms左右，在心肌細(xì)胞可達(dá)200~400ms；其他各期的長(zhǎng)短變化較大，易受代謝和溫度等因素的影響。在神經(jīng)纖維，相對(duì)不應(yīng)期約持續(xù)數(shù)毫秒，超常期和低常期可達(dá)30~50ms。
組織在每次興奮后都要發(fā)生一系列興奮性的改變，如果在這期間組織受到新的刺激，它的反應(yīng)能力將異于“正�！�。既然絕對(duì)不應(yīng)期的持續(xù)時(shí)間相當(dāng)于前次刺激所引起的動(dòng)作電位主要部分的持續(xù)時(shí)間，那么在已有動(dòng)作電位存在的時(shí)期就不可能產(chǎn)生新的興奮或動(dòng)作電位，亦即細(xì)胞即便受到連續(xù)的快速刺激，也不會(huì)出現(xiàn)兩次動(dòng)作電位在同一部位重合的現(xiàn)象；由于同樣的理由，不論細(xì)胞受到頻率多么高的連續(xù)刺激，它在這一細(xì)胞所能引起的興奮或動(dòng)作電位的次數(shù)，總不會(huì)超過某一個(gè)最大值；因?yàn)槁溆谇耙淮碳にa(chǎn)生的絕對(duì)不應(yīng)期內(nèi)的后續(xù)刺激將“無(wú)效”，因此這個(gè)最大值理論上不可能超過該細(xì)胞和組織的絕對(duì)不應(yīng)期的倒數(shù)。例如，蛙的有髓神經(jīng)纖維的絕對(duì)不應(yīng)期或動(dòng)作電位的持續(xù)時(shí)間約為2ms，那么此纖維每秒鐘內(nèi)所能產(chǎn)生的動(dòng)作電位的次數(shù)不可能超過500；實(shí)際上神經(jīng)纖維在體內(nèi)自然情況下所能產(chǎn)生和傳導(dǎo)的神經(jīng)沖動(dòng)的頻率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于它們理論上可能達(dá)到的最大值。
