大脑的正常工作，离不开神经细胞之间的交流。解读神经细胞的“语言”是我们认识大脑的关键。一个神经细胞发出的信号是如何被另一个细胞捕获的？又会产生什么样的电生理活动？结合我做过的科学实验，我将为读者们介绍大脑电生理活动的最基本组件——离子通道，帮助大家更好地了解神经细胞的通讯方式。
细胞是生命的基本组成部分。我们身体的单个细胞既是独立的功能单位，又是需要协同运作的有机体(如大脑和心脏)的一部分。细胞由细胞膜包裹，形成一层清晰的物理边界，以分隔细胞内容物与外部（细胞外）环境及其他细胞。细胞膜的存在使得每个细胞都能维持稳定的内部环境，以执行其自身的特殊功能。
神经细胞是大脑的基本组成部分，它们的交流靠的是“电语言”。在每一个给定时刻，每个神经细胞都会表现出特定的电活动，产生一组短暂的电脉冲，称为峰电位。在大脑活动的过程中，整个神经细胞网络会不断地产生峰电位，如同奏响一首和谐的“电交响乐”。这样的电活动与我们丰富的行动、思想、感情和记忆密切相关。
为了奏响这曲“电交响乐”，神经细胞是如何相互沟通的？
事实上，神经细胞之间的交流比其他细胞类型之间的交流复杂得多，因为它涉及到化学和电学两部分。这种交流发生在细胞之间的接触位置（称为突触）。该过程包括两个基本步骤。首先，由发送细胞分泌（释放）一种叫做神经递质的化学物质，使其进入细胞外间隙（发送细胞和接收细胞之间的间隙）。接着，神经递质扩散到达接收细胞，与其细胞膜上的特异受体相结合，触发跨越细胞膜的离子流动，进而促使接收细胞产生电活动。
大脑中的大部分电活动由四种离子产生，其中三种带正电（钠-Na+、钾-K+和钙-Ca2+），一种带负电（氯-Cl-）。离子可以通过神经细胞膜进出细胞，改变细胞膜两侧的电势。电势的快速变化会形成峰电位，这是神经细胞之间交流所用的“语言”的基本单位。
我们发现，当环境中不存在神经递质时，没有电流通过离子通道，只能观察到轻微的背景噪音。当神经递质与膜受体结合之后，离子通道迅速呈阶梯状打开，让几皮安的微小电流穿过细胞膜。信号接收细胞释放神经递质之后，离子通道随之关闭。我们发现，离子通道的打开或关闭只维持几毫秒。由于神经递质分子分别随机地与离子通道结合，离子通道保持开放或闭合的时间，以及在两种状态之间切换的时间间隔各不相同。
通过测量流经膜片的微小电流并进行计算，我们估计每毫秒大约有10,000个离子穿过膜片。这告诉我们，离子通道的开放才是离子穿过细胞膜的机制，而不是通过转运分子！转运分子是无法以如此快的速度运送离子穿过细胞膜的。这是一个重要的发现，它证实了离子通道的存在和功能，表明离子通道是神经细胞产生峰电位等电活动的基本机制。
理解膜离子通道的功能是一个重要课题，因为许多神经系统（以及心脏和其他组织）的障碍由离子通道功能障碍引发，这类疾病统称离子通道病。因为发现膜离子通道及其功能，我和同事埃尔温·内尔教授获得了1991年的诺贝尔生理医学奖。