1．生物电的发现

所有生物都有生物电现象，生物电是指生命过程中产生的电流或电压。首先发现生物电的是一位意大利的生物学家伽伐尼（L．A．Galvani，1737-1798）。1780年11月某天他偶然发现，当金属刀的刀尖碰到被解剖的青蛙腿外露的神经时，蛙腿会发生抽搐现象，这是什么原因呢？几年后，在伦敦的博物馆，他看到了展示的“电鳗”，当人用两只手同时接触这种鱼的头部和尾部时，会产生一种被电麻的感觉，这说明“电鳗”能放电，于是他立刻想到蛙腿的抽搐，难道这不正反映了青蛙体内存在着一种生物电吗？经过了一系列研究，他证实了生物电的存在。1792年，他发表了著名论文《论肌肉运动中的电力》，引起世人瞩目。实验已揭示，不仅动物，所有生物都有生物电活动，生物电现象是自然界普遍存在的一种电现象。

2．人体生物电产生的原因

目前被公认的一种基本观点是：生物电来源于细胞的功能。细胞是有细胞膜、细胞核和细胞质组成。细胞膜的结构很复杂，它一方面把细胞与外界环境分开，同时膜上又存在一些孔道，允许细胞与周围环境交换某些物质。实验测得在细胞内、外存在多种离子，膜内主要是钾离子（K⁺）及一些大的负离子基团（A^-）（A^-不能通过细胞膜），膜外主要是钠离子（Na⁺）和氯负离子（Cl^-）。在不受外界刺激的静息状态下，实验测得活细胞的细胞膜外部带正电、内部带负电，即膜内侧电位约为-90～70毫伏。这种电位称为静息电位。

当细胞受外界刺激时，能作出主动反应，称为细胞的兴奋。生理学上将那些兴奋较强的组织，如神经、肌肉和腺体等统称为可兴奋组织。它们的细胞所作出的主动反应是表现在当外界刺激强度达到一定阈值时，细胞膜对离子的通透性会发生突然变化，最后使电位发生改变。细胞内的电位可从负电位突然变为正电位（约20～30毫伏），大约在不到1豪秒的时间内，很快又恢复到原来的静息电位。这种变化的电位称为动作电位。

有些细胞（如神经细胞和心机细胞）不仅在外界刺激下能产生动作电位，而且有传导兴奋的功能。神经系统正是靠传导各种兴奋对人体各器官的生理过程起到了调节作用，使人体生命活动正常进行。

3．人体生物电与心电图

①心电图（electrocardiogram）

心脏在每个心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋，伴随着生物电的变化，通过心电描记器从体表引出多种形式的电位变化的图形（简称ECG）。心电图是心脏兴奋的发生、传播及恢复过程的客观指标。

②心电图的检查意义

用于对各种心律失常、心室心房肥大、心肌梗死、心律失常、心肌缺血等病症检查。

③原理

心脏周围的组织和体液都能导电，因此可将人体看成为一个具有长、宽、厚三度空间的容积导体。心脏好比电源，无数心肌细胞动作电位变化的总和可以传导并反映到体表。在体表很多点之间存在着电位差，也有很多点彼此之间无电位差是等电的。

心脏电活动按力学原理可归结为一系列的瞬间心电综合向量。在每一心动周期中，作空间环形运动的轨迹构成立体心电向量环。应用阴极射线示波器在屏幕上具体看到的额面、横面和侧面心电图向量环，则是立体向量环在相应平面上的投影。心电图上所记录的电位变化是一系列瞬间心电综合向量在不同导联轴上的反映，也就是平面向量环在有关导联轴上的再投影。投影所得电位的大小决定于瞬间心电综合向量本身的大小及其与导联轴的夹角关系。投影的方向和导联轴方向一致时得正电位，相反时为负电位。用一定速度移行的记录纸对这些投影加以连续描记，得到的就是心电图的波形。心电图波形在基线（等电位线）上下的升降，同向量环运行的方向有关。和导联轴方向一致时，在心电图上投影得上升支，相反时得下降支。向量环上零点的投影即心电图上的等电位线，该线的延长线将向量环分成两个部分，它们分别投影为正波和负波。因此，心电图与心向量图有非常密切的关系。心电图的长处是可以从不同平面的不同角度，利用比较简单的波形、线段对复杂的立体心电向量环，就其投影加以定量和进行时程上的分析。

4．人体生物电与脑电图

①脑电图

将人脑的电活动经过头皮电极引导、放大并显示或记录下来的图形，称为脑电图（EEG）。

②脑波的分类

脑电图主要由各种节律性电活动组成。根据频率（周/s或Hz）将脑波进行分类：

α波：频率8～13Hz，波幅为10～100μV，是成年人安静闭目状态下的正常波形，在顶、枕区α活动最为明显，数量最多，而且波幅也最高。

β波：频率为14～30Hz，波幅为5～25μV，在额、颞、中央区β活动最为明显；其指数约为25%。

θ波：频率为4～7Hz，波幅为20～100μV，表示大脑处于深挚思维或灵感思维状态，是学龄前儿童的基本波形，成年人瞌睡状态也会出现。

δ波：频率为0．5～3Hz，波幅为20～200μV，表示大脑处于无梦深睡状态，是婴儿大脑的基本波形，在生理性慢波睡眠状态和病理性昏迷状态也会见到。

频率的个体差异很小，波幅的个体差异较大。

影响脑波的因素很多。正常脑波与年龄大小有密切关系，年龄越小，快波越少，而慢波越多，且伴有基线不稳；年龄越大，则快波越多，而慢波越少。但是，在50岁以后，慢波又继续回升，且伴有不同程度的基本频率慢波化。脑波更受到意识活动、情绪表现以及思维能力等精神因素的影响。

α指数（α波占全部脑波百分比，安静、闭目时为75%）可以作为情绪表现的指标，情绪稳定而思维广博的人，α指数较高，情绪不稳定而狭隘偏激的人α指数则甚低。α波易受外界刺激干扰，在睁眼时，α波会减弱或消失，即便是在黑暗的环境中，睁眼也会如此。当人处于“怎么”“什么”“为什么”的惊疑状态时，由于网状结构上行激活作用的增强而导致去同步化，所以α活动也会受到抑制；若外界刺激持续存在，它又可以逐渐恢复。α波的峰与两侧的谷大体上可连成为等腰三角形，若峰顶向左或右移位，破坏了等腰形态，则提示中枢处于疲劳状态。α活动可以反映一个人的某些心理品质，如α节律优势者，易与人合作。

β波不受睁、闭眼的影响。在睁眼视物、情绪紧张、焦虑不安、惊疑恐惧或服用安定等药物时，β波活动急剧增多。β活动也与人的某些心理品质有关。β节律优势的人常表现为：精神紧张、情绪不稳、感情强烈、易于冲动、固执己见、不受约束、善于独立的执行任务；长于抽象思维，喜欢依靠“推理”解决问题，还表现出持久力差，易于疲劳的特点。

5．人体生物电与人工心脏起搏器

心肌是可兴奋组织，心脏有节律的跳动（收缩和舒张）正是心肌兴奋的结果。在心肌细胞中，有一类细胞在未受到外界刺激下，也能够自动产生周期性动作电位，这种细胞称为起博细胞，每分钟自动兴奋的次数称为起博频率，这种自动起博的特性称为心脏的自律性，这种自律性是不受神经系统所支配的。正常情况下，成人心脏的起博频率为每分钟70次左右。

当心脏兴奋的自律性受到破坏，或心肌细胞传导兴奋的功能出现故障时，将影响心脏的起博，导致泵血功能失调，甚至危及人体生命。人工心脏电起博，就是利用一定大小的脉冲电流来刺激心脏，使心脏按一定的频率收缩和舒张，达到人工起博的目的。一般脉冲的频率是每分钟72次左右，要求稳定；脉冲波形是方波，脉冲幅度为5伏，脉冲宽度为0．5毫秒。心脏起博器包括三部分组成：（1）脉冲发生器，产生一定要求的脉冲电流；（2）与心脏组织相接触的刺激电极，脉冲电流通过它来刺激心肌；（3）起博器能源，对于埋藏在体内的起博器来讲，能源就非常关键，要求具有轻、小、寿命长和密闭好等优点。

参考文献：

倪光炯，王炎森，钱景华等编著．改变世界的物理学[M]．上海：复旦大学出版社．1999，（12）：326～328．