← all shorts

Chemistry

Your Brain is a Battery

#072 · 4 min read

A glowing smartphone displays a battery icon, while a silhouette of a head with a glowing brain illustrates the concept that your brain is like a battery.

In 1780, a frog's leg twitched on Luigi Galvani's lab bench in Bologna with no animal attached to it. He had hung it on a copper hook against an iron railing. He thought he had found the spark of life. He had found a battery.

Luigi Galvani spent the next decade arguing that animals generated electricity inside themselves — "animal electricity." His nephew defended the idea. His rival in Pavia, Alessandro Volta, said no: the electricity came from the two metals, and the frog leg was just a sensitive detector. To prove it, Volta in 1800 stacked discs of zinc and copper separated by brine-soaked cardboard and got a steady current with no frog in sight. The voltaic pile was the first battery. Volta won the argument.

He was also wrong. Galvani was right too. Both effects exist, and they are the same effect: electrons moving because two materials sitting at different chemical potentials are connected through a conductor. A copper-zinc cell does it with metals in acid. A neuron does it with sodium and potassium across a fatty membrane. The chemistry is different. The physics is identical.

Action potential propagation animation John Schmidt · CC BY-SA 4.0

The neuron as a wet battery

A neuron at rest is not at rest. It is spending energy continuously to hold itself out of equilibrium. Specialised proteins called sodium-potassium pumps grind through the membrane, shoving three sodium ions out for every two potassium ions in, burning one molecule of ATP per cycle. The result is a membrane with more potassium inside than out and more sodium outside than in — a chemical gradient with stored work in it, just like a charged cell.

Modeling of the Resting Potential
Modeling of the Resting Potential Xuz006 · BY-SA 3.0

The voltage across that membrane is about seventy millivolts. The membrane itself is five nanometres thick. Divide those numbers and the electric field inside a resting neuron comes to roughly fourteen million volts per metre — the field strength inside a lightning bolt, held steady, all the time, in every cell of your brain.

A lithium-ion battery cell opened safely on a laboratory bench
A lithium-ion battery cell opened safely on a laboratory bench Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

When the cell fires, sodium channels snap open. Sodium pours down its gradient into the cell. The voltage flips positive in under a millisecond. Potassium channels open a beat later and the cell discharges. The whole event, called an action potential, propagates down the axon at up to a hundred metres a second. Then the pumps quietly put everything back where it was, paying in ATP.

In the 1950s, Alan Hodgkin and Andrew Huxley worked all of this out by jamming electrodes into the squid giant axon, a freak nerve fibre nearly a millimetre across that a squid uses to flee predators. Their equations, published in 1952, still describe every neuron in your head. They won the Nobel in 1963.

Resting Potential
Resting Potential Christinelmiller · BY-SA 4.0

The other kind of pile

A lithium-ion cell is a more sophisticated version of Volta's stack. Lithium ions sit between layers of graphite at the anode. When the cell discharges, the ions slip out of the graphite, drift across an electrolyte to a layered metal oxide cathode, and tuck themselves into that lattice instead. Each ion leaves an electron behind, and that electron has to take the long way round, through your phone's circuitry, to rejoin its lithium on the other side. Charging shoves them back.

A wet nerve preparation in a physiology lab
A wet nerve preparation in a physiology lab Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

This is the same trick the neuron plays, with the moving parts swapped. Lithium ions for sodium and potassium. A graphite electrode for a phospholipid membrane. An external wire for an axon. Both systems store chemical energy as a separation of charge across a barrier and release it on demand. The brain is rechargeable from glucose; the phone, from the wall.

Your brain runs continuously on about twenty watts. Most of it pays the pumps. A 2001 estimate by David Attwell and Simon Laughlin put roughly half of cortical energy use into restoring the gradients that signalling burns through. Thinking, in a literal sense, is the cost of running the battery down.

Ions locations in resting potential
Ions locations in resting potential Somasimple · BY-SA 4.0

What we still don't know

We do not know how much of conscious experience is bound up in this electrochemistry and how much rides on top of it. The action potentials are clearly the medium. Whether they are the message is a separate question, and not a settled one.

A quiet person reading in dim light while a brain research cap and cables record activity
A quiet person reading in dim light while a brain research cap and cables record activity Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

We do not know how the brain manages its energy budget so efficiently. A modern processor doing nothing close to what a brain does burns ten times the power and needs a fan to stay alive.

Resting potential
Resting potential BruceBlaus. When using this image in external sources it can · CC BY 3.0

We do not know how to build batteries that match neurons on any metric except raw voltage. A neuron self-repairs, runs at body temperature for ninety years, and recharges on a sandwich. The best lithium cells fade after a few thousand cycles and catch fire when punctured.

A frog leg on a copper hook started two sciences at once, and we are still chasing both.

En 1780, la pata de una rana se contrajo sobre la mesa de laboratorio de Luigi Galvani en Bolonia, sin cuerpo alguno unido a ella. La había colgado de un gancho de cobre contra una barandilla de hierro. Creyó haber descubierto la chispa de la vida. Había descubierto una batería.

Luigi Galvani pasó la siguiente década argumentando que los animales generaban electricidad dentro de sí mismos: "electricidad animal". Su sobrino defendió la idea. Su rival en Pavía, Alessandro Volta, dijo que no: la electricidad provenía de los dos metales, y la pata de rana era solo un detector sensible. Para demostrarlo, Volta en 1800 apiló discos de zinc y cobre separados por cartón empapado en salmuera y obtuvo una corriente constante sin una rana a la vista. La voltaic pile fue la primera batería. Volta ganó la discusión.

También estaba equivocado. Galvani también tenía razón. Ambos efectos existen, y son el mismo efecto: electrones que se mueven porque dos materiales situados a diferentes potenciales químicos están conectados a través de un conductor. Una celda de cobre-zinc lo hace con metales en ácido. Una neurona lo hace con sodio y potasio a través de una membrana grasa. La química es diferente. La física es idéntica.

Action potential propagation animation John Schmidt · CC BY-SA 4.0

La neurona como batería húmeda

Una neurona en reposo no está en reposo. Está gastando energía continuamente para mantenerse fuera del equilibrio. Proteínas especializadas llamadas sodium-potassium pumps trabajan a través de la membrana, empujando tres iones de sodio hacia afuera por cada dos iones de potasio hacia adentro, quemando una molécula de ATP por ciclo. El resultado es una membrana con más potasio dentro que fuera y más sodio fuera que dentro: un gradiente químico con trabajo almacenado en él, tal como una celda cargada.

Modeling of the Resting Potential
Modeling of the Resting Potential Xuz006 · BY-SA 3.0

El voltaje a través de esa membrana es de unos setenta milivoltios. La membrana en sí tiene cinco nanómetros de espesor. Divida esos números y el campo eléctrico dentro de una neurona en reposo llega a aproximadamente catorce millones de voltios por metro: la intensidad de campo dentro de un rayo, mantenida constante, todo el tiempo, en cada célula de su cerebro.

A lithium-ion battery cell opened safely on a laboratory bench
A lithium-ion battery cell opened safely on a laboratory bench Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Cuando la célula se dispara, los canales de sodio se abren de golpe. El sodio se vierte por su gradiente hacia el interior de la célula. El voltaje cambia a positivo en menos de un milisegundo. Los canales de potasio se abren un momento después y la célula se descarga. Todo el evento, llamado action potential, se propaga por el axón a hasta cien metros por segundo. Luego, las bombas devuelven silenciosamente todo a donde estaba, pagando en ATP.

En la década de 1950, Alan Hodgkin y Andrew Huxley descubrieron todo esto introduciendo electrodos en el squid giant axon, una fibra nerviosa monstruosa de casi un milímetro de ancho que un calamar utiliza para huir de los depredadores. Sus ecuaciones, publicadas en 1952, todavía describen cada neurona en su cabeza. Ganaron el Nobel en 1963.

Resting Potential
Resting Potential Christinelmiller · BY-SA 4.0

El otro tipo de pila

Una celda de iones de litio es una versión más sofisticada de la pila de Volta. Los iones de litio se asientan entre capas de grafito en el ánodo. Cuando la celda se descarga, los iones se deslizan fuera del grafito, se desplazan a través de un electrolito hacia un cátodo de metal en capas y se acomodan en esa red. Cada ion deja atrás un electrón, y ese electrón tiene que tomar el camino largo, a través de los circuitos de su teléfono, para reunirse con su litio en el otro lado. La carga los empuja de vuelta.

A wet nerve preparation in a physiology lab
A wet nerve preparation in a physiology lab Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Este es el mismo truco que realiza la neurona, con las partes móviles intercambiadas. Iones de litio por sodio y potasio. Un electrodo de grafito por una membrana de fosfolípidos. Un cable externo por un axón. Ambos sistemas almacenan energía química como una separación de carga a través de una barrera y la liberan a demanda. El cerebro es recargable con glucosa; el teléfono, desde el enchufe.

Su cerebro funciona continuamente con unos veinte vatios. La mayor parte paga a las bombas. Una estimación de 2001 realizada por David Attwell y Simon Laughlin atribuyó aproximadamente la mitad del consumo de energía cortical a la restauración de los gradientes que la señalización consume. Pensar, en un sentido literal, es el costo de agotar la batería.

Ions locations in resting potential
Ions locations in resting potential Somasimple · BY-SA 4.0

Lo que todavía no sabemos

No sabemos cuánta experiencia consciente está ligada a esta electroquímica y cuánta cabalga sobre ella. Los potenciales de acción son claramente el medio. Si son el mensaje es una pregunta separada, y no está resuelta.

A quiet person reading in dim light while a brain research cap and cables record activity
A quiet person reading in dim light while a brain research cap and cables record activity Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

No sabemos cómo el cerebro gestiona su presupuesto energético de manera tan eficiente. Un procesador moderno que no hace nada cercano a lo que hace un cerebro quema diez veces más energía y necesita un ventilador para mantenerse vivo.

Resting potential
Resting potential BruceBlaus. When using this image in external sources it can · CC BY 3.0

No sabemos cómo construir baterías que igualen a las neuronas en cualquier métrica excepto en el voltaje bruto. Una neurona se autorrepara, funciona a temperatura corporal durante noventa años y se recarga con un sándwich. Las mejores celdas de litio se desvanecen después de unos pocos miles de ciclos y se incendian cuando se perforan.

Una pata de rana en un gancho de cobre inició dos ciencias a la vez, y todavía las estamos persiguiendo a ambas.

في عام 1780، انتفضت ساق ضفدع على منضدة مختبر لويجي جالفاني في بولونيا، دون أن يكون الضفدع نفسه موجوداً. كان قد علقها بخطاف نحاسي على حاجز حديدي. ظن حينها أنه اكتشف شرارة الحياة، لكنه في الواقع كان قد اكتشف البطارية.

قضى Luigi Galvani العقد التالي في الجدال بأن الحيوانات تولد الكهرباء بداخلها — "الكهرباء الحيوانية". وقد دافع ابن أخيه عن هذه الفكرة، بينما عارضه منافسه في بافيا، Alessandro Volta، قائلاً إن الكهرباء تأتي من المعدنين، وأن ساق الضفدع لم تكن سوى كاشف حساس. ولإثبات ذلك، قام فولتا في عام 1800 بتكديس أقراص من الزنك والنحاس يفصل بينها ورق مقوى مشبع بالمحلول الملحي، وحصل على تيار ثابت دون وجود أي ضفدع. كانت voltaic pile هي أول بطارية في التاريخ، وقد انتصر فولتا في هذا الجدال.

ومع ذلك، فقد كان مخطئاً أيضاً، وكان غالفاني محقاً في الوقت ذاته. فكلا التأثيرين موجودان، وهما في الواقع تأثير واحد: إلكترونات تتحرك لأن مادتين لهما جهدان كيميائيان مختلفان متصلتان عبر موصل. فالخلية النحاسية والزنكية تفعل ذلك باستخدام المعادن في حمض، بينما يفعل العصب ذلك باستخدام الصوديوم والبوتاسيوم عبر غشاء دهني. الكيمياء مختلفة، لكن الفيزياء متطابقة.

Action potential propagation animation John Schmidt · CC BY-SA 4.0

العصب كبطارية مبللة

العصب في حالة الراحة ليس في حالة راحة، بل ينفق الطاقة باستمرار للحفاظ على نفسه بعيداً عن حالة التوازن. إذ تعمل بروتينات متخصصة تسمى sodium-potassium pumps بجد عبر الغشاء، دافعةً ثلاث أيونات صوديوم إلى الخارج مقابل كل أيون بوتاسيوم تدخله إلى الداخل، وتستهلك في ذلك جزيئاً واحداً من ATP في كل دورة. والنتيجة هي غشاء يحتوي على بوتاسيوم بالداخل أكثر من الخارج، وصوديوم بالخارج أكثر من الداخل — أي تدرج كيميائي يختزن عملاً كامناً، تماماً مثل خلية مشحونة.

Modeling of the Resting Potential
Modeling of the Resting Potential Xuz006 · BY-SA 3.0

يبلغ الجهد الكهربائي عبر هذا الغشاء حوالي سبعين مللي فولت، بينما يبلغ سمك الغشاء نفسه خمسة نانومترات. وإذا قسمت تلك الأرقام، فستجد أن المجال الكهربائي داخل العصب في حالة الراحة يصل إلى حوالي أربعة عشر مليون فولت لكل متر — وهي قوة مجال داخل صاعقة برق، تُحفظ ثابتةً، طوال الوقت، في كل خلية من خلايا دماغك.

A lithium-ion battery cell opened safely on a laboratory bench
A lithium-ion battery cell opened safely on a laboratory bench Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

وعندما تطلق الخلية إشارتها، تنفتح قنوات الصوديوم فجأة، فيتدفق الصوديوم مندفعاً عبر تدرجه إلى داخل الخلية. وينقلب الجهد إلى موجب في أقل من ميلي ثانية. وبعد لحظة، تنفتح قنوات البوتاسيوم فتتفرغ الخلية. هذا الحدث بأكمله، والذي يسمى action potential، ينتشر على طول المحور العصبي بسرعة تصل إلى مائة متر في الثانية. ثم تقوم المضخات بهدوء بإعادة كل شيء إلى مكانه، وتدفع الثمن من طاقة ATP.

في خمسينيات القرن العشرين، توصل Alan Hodgkin و Andrew Huxley إلى كل هذا من خلال غرس أقطاب كهربائية في squid giant axon، وهي ليفة عصبية غريبة يبلغ قطرها قرابة المليمتر يستخدمها الحبار للهروب من المفترسات. ولا تزال معادلاتهما، التي نُشرت عام 1952، تصف كل عصب في رأسك. وقد فازا بجائزة نوبل عام 1963.

Resting Potential
Resting Potential Christinelmiller · BY-SA 4.0

النوع الآخر من الأكوام

تعد خلية ليثيوم-أيون نسخة أكثر تطوراً من كومة فولتا. تستقر أيونات الليثيوم بين طبقات الجرافيت عند المصعد (الأنود). وعندما تتفرغ الخلية، تنزلق الأيونات خارج الجرافيت، وتنجرف عبر إلكتروليت إلى مهبط (كاثود) معدني مؤكسد ومكون من طبقات، لتستقر داخل ذلك الشبكي. يترك كل أيون إلكتروناً خلفه، ويضطر هذا الإلكترون إلى سلك الطريق الطويل عبر دوائر هاتفك ليلتحق بذرة الليثيوم على الجانب الآخر. أما الشحن فيدفعها للعودة.

A wet nerve preparation in a physiology lab
A wet nerve preparation in a physiology lab Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

هذه هي الحيلة ذاتها التي يمارسها العصب، مع تبديل الأجزاء المتحركة: أيونات الليثيوم مكان الصوديوم والبوتاسيوم، وقطب الجرافيت مكان الغشاء الفسفوري الدهني، وسلك خارجي مكان المحور العصبي. يخزن كلا النظامين الطاقة الكيميائية كفصل للشحنات عبر حاجز، ويطلقانها عند الطلب. فالدماغ يُشحن من الجلوكوز، والهاتف يُشحن من مقبس الحائط.

يعمل دماغك باستمرار بطاقة تبلغ حوالي عشرين وات، يذهب معظمها لتشغيل المضخات. وفي تقدير عام 2001، أشار ديفيد أتويل وسايمون لافلين إلى أن نصف طاقة القشرة الدماغية تقريباً تُستخدم لاستعادة التدرجات التي يستهلكها الإرسال العصبي. فالتفكير، بمعنى حرفي، هو تكلفة استنزاف البطارية.

Ions locations in resting potential
Ions locations in resting potential Somasimple · BY-SA 4.0

ما لا نزال نجهله

نحن لا نعرف كم من التجربة الواعية مرتبط بهذه الكيمياء الكهربائية، وكم منها يعلو فوقها. من الواضح أن جهود الفعل هي الوسط الناقل، أما كونها هي الرسالة بحد ذاتها، فهذا سؤال منفصل ولم يُحسم بعد.

A quiet person reading in dim light while a brain research cap and cables record activity
A quiet person reading in dim light while a brain research cap and cables record activity Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

نحن لا نعرف كيف يدير الدماغ ميزانيته الطاقية بهذه الكفاءة. فالمعالج الحديث الذي لا يقوم بأي شيء يقترب مما يفعله الدماغ يستهلك عشرة أضعاف الطاقة ويحتاج إلى مروحة للبقاء حياً.

Resting potential
Resting potential BruceBlaus. When using this image in external sources it can · CC BY 3.0

نحن لا نعرف كيف نبني بطاريات تضاهي العصبونات في أي مقياس باستثناء الجهد الخام. فالعصبون يصلح نفسه بنفسه، ويعمل في درجة حرارة الجسم لمدة تسعين عاماً، ويُشحن بوجبة طعام. بينما تتلاشى أفضل خلايا الليثيوم بعد بضعة آلاف من الدورات وتشتعل إذا ثُقبت.

لقد بدأت ساق ضفدع على خطاف نحاسي علمين في آن واحد، وما زلنا نطارد كليهما.

Em 1780, a perna de um sapo contraiu-se sobre a bancada do laboratório de Luigi Galvani, em Bolonha, sem que houvesse qualquer animal ligado a ela. Ele a pendurara num gancho de cobre contra um parapeito de ferro. Pensou ter descoberto a centelha da vida. Havia descoberto uma bateria.

Luigi Galvani passou a década seguinte argumentando que os animais geravam eletricidade dentro de si mesmos — "eletricidade animal". O seu sobrinho defendeu a ideia. O seu rival em Pavia, Alessandro Volta, disse que não: a eletricidade vinha dos dois metais, e a perna de rã era apenas um detector sensível. Para o provar, em 1800, Volta empilhou discos de zinco e cobre separados por cartão embebido em salmoura e obteve uma corrente estável sem nenhuma rã à vista. A voltaic pile foi a primeira bateria. Volta ganhou o debate.

Ele também estava errado. Galvani também tinha razão. Ambos os efeitos existem, e são o mesmo efeito: electrões em movimento porque dois materiais em diferentes potenciais químicos estão ligados através de um condutor. Uma célula de cobre-zinco fá-lo com metais em ácido. Um neurónio fá-lo com sódio e potássio através de uma membrana gordurosa. A química é diferente. A física é idêntica.

Action potential propagation animation John Schmidt · CC BY-SA 4.0

O neurónio como uma bateria húmida

Um neurónio em repouso não está em repouso. Ele está a gastar energia continuamente para se manter fora do equilíbrio. Proteínas especializadas chamadas sodium-potassium pumps trabalham através da membrana, empurrando três iões de sódio para fora por cada dois iões de potássio para dentro, queimando uma molécula de ATP por ciclo. O resultado é uma membrana com mais potássio no interior do que no exterior e mais sódio no exterior do que no interior — um gradiente químico com trabalho armazenado, tal como uma célula carregada.

Modeling of the Resting Potential
Modeling of the Resting Potential Xuz006 · BY-SA 3.0

A voltagem através dessa membrana é de cerca de setenta milivolts. A própria membrana tem cinco nanómetros de espessura. Divida esses números e o campo eléctrico dentro de um neurónio em repouso chega a aproximadamente catorze milhões de volts por metro — a força do campo dentro de um raio, mantida estável, a todo o momento, em cada célula do seu cérebro.

A lithium-ion battery cell opened safely on a laboratory bench
A lithium-ion battery cell opened safely on a laboratory bench Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Quando a célula dispara, os canais de sódio abrem-se de repente. O sódio flui pelo seu gradiente para dentro da célula. A voltagem inverte-se para positivo em menos de um milissegundo. Os canais de potássio abrem-se um pouco mais tarde e a célula descarrega. Todo o evento, chamado action potential, propaga-se pelo axónio a até cem metros por segundo. Depois, as bombas silenciosamente colocam tudo de volta onde estava, pagando com ATP.

Na década de 1950, Alan Hodgkin e Andrew Huxley resolveram tudo isto inserindo eléctrodos no squid giant axon, uma fibra nervosa bizarra com quase um milímetro de diâmetro que uma lula usa para fugir de predadores. As suas equações, publicadas em 1952, ainda descrevem todos os neurónios na sua cabeça. Ganharam o Nobel em 1963.

Resting Potential
Resting Potential Christinelmiller · BY-SA 4.0

O outro tipo de pilha

Uma célula de iões de lítio é uma versão mais sofisticada da pilha de Volta. Os iões de lítio situam-se entre camadas de grafite no ânodo. Quando a célula descarrega, os iões deslizam para fora da grafite, deslocam-se através de um electrólito até um cátodo de óxido metálico em camadas e instalam-se nessa estrutura. Cada ião deixa um electrão para trás, e esse electrão tem de fazer o caminho mais longo, através do circuito do seu telemóvel, para se juntar ao seu lítio do outro lado. O carregamento empurra-os de volta.

A wet nerve preparation in a physiology lab
A wet nerve preparation in a physiology lab Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Este é o mesmo truque que o neurónio utiliza, com as peças móveis trocadas. Iões de lítio por sódio e potássio. Um eléctrodo de grafite por uma membrana fosfolipídica. Um fio externo por um axónio. Ambos os sistemas armazenam energia química como uma separação de carga através de uma barreira e libertam-na quando necessário. O cérebro é recarregável através da glucose; o telemóvel, a partir da tomada.

O seu cérebro funciona continuamente com cerca de vinte watts. A maior parte disso paga as bombas. Uma estimativa de 2001, feita por David Attwell e Simon Laughlin, colocou aproximadamente metade do uso de energia cortical na restauração dos gradientes que a sinalização consome. Pensar, num sentido literal, é o custo de esgotar a bateria.

Ions locations in resting potential
Ions locations in resting potential Somasimple · BY-SA 4.0

O que ainda não sabemos

Não sabemos quanto da experiência consciente está ligado a esta electroquímica e quanto se sobrepõe a ela. Os potenciais de acção são claramente o meio. Se eles são a mensagem é uma questão à parte, e não uma questão resolvida.

A quiet person reading in dim light while a brain research cap and cables record activity
A quiet person reading in dim light while a brain research cap and cables record activity Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Não sabemos como o cérebro gere o seu orçamento de energia de forma tão eficiente. Um processador moderno, fazendo algo que não se aproxima do que um cérebro faz, consome dez vezes mais energia e precisa de uma ventoinha para se manter vivo.

Resting potential
Resting potential BruceBlaus. When using this image in external sources it can · CC BY 3.0

Não sabemos como construir baterias que igualem os neurónios em qualquer métrica, excepto na voltagem bruta. Um neurónio auto-repara-se, funciona à temperatura corporal durante noventa anos e recarrega-se com uma sandes. As melhores células de lítio desvanecem-se após alguns milhares de ciclos e incendiam-se quando perfuradas.

Uma perna de rã num gancho de cobre iniciou duas ciências ao mesmo tempo, e ainda estamos à procura de ambas.

1780年,在博洛尼亚路易吉·伽伐尼的实验室里,一只青蛙腿在没有躯体相连的情况下抽动了一下。他将其悬挂在一枚铜钩上,靠在铁栏杆旁。他以为自己发现了生命的火花,实则发现了一块电池。

Luigi Galvani 在接下来的十年里坚持认为,动物体内会产生电——即“动物电”。他的侄子为这一观点进行了辩护。他在帕维亚的对手 Alessandro Volta 则持反对意见,认为电来自那两种金属,而青蛙腿仅仅是一个灵敏的探测器。为了证明这一点,Volta 在 1800 年将锌片和铜片堆叠在一起,中间用浸过盐水的纸板隔开,在完全没有青蛙的情况下获得了稳定的电流。voltaic pile 成了人类历史上的第一块电池。Volta 赢得了这场争论。

但他同时也错了。Galvani 也是对的。这两种效应都存在,而且它们本质上是同一种效应:当两种处于不同化学势的材料通过导体连接时,电子便会发生移动。铜锌电池通过酸液中的金属来实现,而神经元则是利用穿过脂质膜的钠离子和钾离子来实现。虽然化学机制不同,但物理原理完全相同。

Action potential propagation animation John Schmidt · CC BY-SA 4.0

神经元:一种湿电池

处于静息状态的神经元并非真的在“休息”。它在持续地消耗能量,以维持自身远离平衡态。一种被称为 sodium-potassium pumps 的特殊蛋白质在细胞膜上不停地工作,每消耗一个 ATP 分子,就将三个钠离子泵出细胞,同时将两个钾离子泵入。结果是细胞内的钾离子浓度高于细胞外,而钠离子则反之——这就形成了一个存储了功的化学梯度,正如一块带电的电池。

Modeling of the Resting Potential
Modeling of the Resting Potential Xuz006 · BY-SA 3.0

跨越这层膜的电压大约为七十毫伏。膜本身的厚度只有五纳米。将这两个数值相除,静息神经元内部的电场强度大约为每米一千四百万伏——这相当于闪电内部的电场强度,它始终保持稳定,存在于你大脑的每一个细胞之中。

A lithium-ion battery cell opened safely on a laboratory bench
A lithium-ion battery cell opened safely on a laboratory bench Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

当细胞放电时,钠通道会瞬间开启。钠离子顺着浓度梯度涌入细胞内。电压在不到一毫秒内发生翻转。稍后,钾通道开启,细胞完成放电。整个过程被称为 action potential,它以每秒高达一百米的速度沿着轴突传播。随后,离子泵默默地将一切恢复原位,并为此支付 ATP 作为报酬。

20 世纪 50 年代,Alan HodgkinAndrew Huxley 通过将电极插入 squid giant axon(一种直径近一毫米的怪异神经纤维,鱿鱼用它来逃避捕食者)成功揭示了这一机制。他们于 1952 年发表的方程式至今仍能描述你大脑中的每一个神经元。他们于 1963 年获得了诺贝尔奖。

Resting Potential
Resting Potential Christinelmiller · BY-SA 4.0

另一种电池

锂离子电池是 Volta 电堆的进阶版本。锂离子位于阳极的石墨层之间。当电池放电时,锂离子从石墨中滑出,穿过电解质漂移到层状金属氧化物阴极,并嵌入到该晶格中。每个离子都会留下一个电子,而这个电子必须绕远路,通过你手机的电路,才能在另一侧与它的锂离子重新结合。充电过程则将它们推回原处。

A wet nerve preparation in a physiology lab
A wet nerve preparation in a physiology lab Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

这与神经元的运作方式如出一辙,只是移动的部件不同。锂离子代替了钠离子和钾离子。石墨电极代替了磷脂膜。外接导线代替了轴突。两个系统都是将化学能作为跨越屏障的电荷分离存储起来,并根据需要释放。大脑通过葡萄糖充电,而手机则通过墙上的插座充电。

你的大脑持续运行所需的功率约为二十瓦。其中大部分能量用于驱动离子泵。大卫·阿特威尔(David Attwell)和西蒙·劳克林(Simon Laughlin)在 2001 年的一项估算表明,大脑皮层约有一半的能量用于恢复信号传导所消耗的离子梯度。从字面意义上讲,思考本身就是消耗电池电量的代价。

Ions locations in resting potential
Ions locations in resting potential Somasimple · BY-SA 4.0

我们仍未知的领域

我们尚不清楚意识体验中有多少部分与这种电化学过程紧密相关,又有多少是建立在它之上的。动作电位显然是媒介。至于它们是否就是“信息”本身,则是一个尚无定论的独立问题。

A quiet person reading in dim light while a brain research cap and cables record activity
A quiet person reading in dim light while a brain research cap and cables record activity Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

我们不知道大脑是如何如此高效地管理其能量预算的。一个现代处理器在执行远不如大脑复杂的任务时,所消耗的功率却是大脑的十倍,并且还需要风扇散热才能维持运行。

Resting potential
Resting potential BruceBlaus. When using this image in external sources it can · CC BY 3.0

除了纯电压之外,我们还不知道如何制造能在任何指标上媲美神经元的电池。神经元可以自我修复,在体温下运行九十年,且通过吃个三明治就能充电。而最好的锂电池在充放电几千次后就会衰退,一旦刺破还会起火。

一只挂在铜钩上的青蛙腿同时开启了两门科学,而我们至今仍在追寻这两者的奥秘。

1780 में, बोलोग्ना में लुइगी गैल्वेनी की प्रयोगशाला की मेज पर एक मेंढक की टांग बिना किसी जीव के जुड़ी फड़फड़ाई। उन्होंने इसे एक लोहे की रेलिंग के सहारे तांबे के हुक पर लटकाया था। उन्हें लगा कि उन्होंने जीवन की चिंगारी खोज ली है। उन्होंने एक बैटरी खोज ली थी।

Luigi Galvani ने अगला दशक यह तर्क देने में बिताया कि जीव अपने भीतर बिजली उत्पन्न करते हैं — "जंतु विद्युत" (animal electricity)। उनके भतीजे ने इस विचार का बचाव किया। पाविया में उनके प्रतिद्वंद्वी, Alessandro Volta ने कहा कि ऐसा नहीं है: बिजली दो धातुओं से आ रही थी, और मेंढक की टांग केवल एक संवेदनशील संसूचक (detector) थी। इसे सिद्ध करने के लिए, 1800 में वोल्टा ने नमकीन पानी में भीगे कार्डबोर्ड द्वारा अलग की गई जस्ता (zinc) और तांबे की डिस्क का ढेर लगाया और बिना किसी मेंढक के एक स्थिर धारा प्राप्त की। voltaic pile पहली बैटरी थी। वोल्टा यह बहस जीत गए।

वे गलत भी थे। गलवानी भी सही थे। दोनों प्रभाव मौजूद हैं, और वे एक ही प्रभाव हैं: इलेक्ट्रॉन गति कर रहे हैं क्योंकि दो अलग-अलग रासायनिक विभव (chemical potentials) वाली सामग्रियों को एक चालक के माध्यम से जोड़ा गया है। एक तांबा-जस्ता सेल इसे अम्ल में धातुओं के साथ करता है। एक न्यूरॉन इसे वसायुक्त झिल्ली के पार सोडियम और पोटेशियम के साथ करता है। रसायन विज्ञान अलग है। भौतिकी बिल्कुल समान है।

Action potential propagation animation John Schmidt · CC BY-SA 4.0

एक गीली बैटरी के रूप में न्यूरॉन

विराम अवस्था में एक न्यूरॉन आराम नहीं कर रहा होता है। यह खुद को संतुलन से बाहर रखने के लिए लगातार ऊर्जा खर्च कर रहा होता है। sodium-potassium pumps नामक विशेष प्रोटीन झिल्ली के माध्यम से कार्य करते हैं, जो हर दो पोटेशियम आयनों के अंदर आने के बदले तीन सोडियम आयनों को बाहर धकेलते हैं, और प्रति चक्र ATP का एक अणु जलाते हैं। परिणाम एक ऐसी झिल्ली है जिसके अंदर बाहर की तुलना में अधिक पोटेशियम है और बाहर अंदर की तुलना में अधिक सोडियम है — एक रासायनिक ढाल (chemical gradient) जिसमें संचित कार्य है, बिल्कुल एक आवेशित सेल की तरह।

Modeling of the Resting Potential
Modeling of the Resting Potential Xuz006 · BY-SA 3.0

उस झिल्ली के पार वोल्टेज लगभग सत्तर मिलीवोल्ट है। झिल्ली स्वयं पांच नैनोमीटर मोटी है। उन संख्याओं को विभाजित करें और एक आराम कर रहे न्यूरॉन के अंदर का विद्युत क्षेत्र लगभग चौदह मिलियन वोल्ट प्रति मीटर आता है — बिजली की एक चमक (lightning bolt) के अंदर की क्षेत्र शक्ति, स्थिर रखी गई, हर समय, आपके मस्तिष्क की हर कोशिका में।

A lithium-ion battery cell opened safely on a laboratory bench
A lithium-ion battery cell opened safely on a laboratory bench Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

जब कोशिका सक्रिय होती है, तो सोडियम चैनल झटके से खुल जाते हैं। सोडियम अपनी ढाल के साथ कोशिका में प्रवाहित होता है। वोल्टेज एक मिलीसेकंड से भी कम समय में सकारात्मक हो जाता है। पोटेशियम चैनल थोड़ी देर बाद खुलते हैं और कोशिका विसर्जित (discharge) हो जाती है। पूरी घटना, जिसे action potential कहा जाता है, सौ मीटर प्रति सेकंड तक की गति से एक्सॉन के नीचे प्रसारित होती है। फिर पंप चुपचाप सब कुछ वापस वहीं रख देते हैं, ATP में भुगतान करके।

1950 के दशक में, Alan Hodgkin और Andrew Huxley ने squid giant axon में इलेक्ट्रोड डालकर इस सब का पता लगाया, जो लगभग एक मिलीमीटर चौड़ा एक अजीब तंत्रिका तंतु है जिसका उपयोग स्क्विड शिकारियों से बचने के लिए करता है। 1952 में प्रकाशित उनके समीकरण अभी भी आपके सिर में मौजूद हर न्यूरॉन का वर्णन करते हैं। उन्होंने 1963 में नोबेल पुरस्कार जीता।

Resting Potential
Resting Potential Christinelmiller · BY-SA 4.0

दूसरी तरह की पाइल

एक लिथियम-आयन सेल वोल्टा के ढेर का अधिक परिष्कृत संस्करण है। लिथियम आयन एनोड पर ग्रेफाइट की परतों के बीच बैठते हैं। जब सेल विसर्जित होता है, तो आयन ग्रेफाइट से बाहर निकल जाते हैं, एक इलेक्ट्रोलाइट के पार एक स्तरित धातु ऑक्साइड कैथोड की ओर बहते हैं, और खुद को उस जाली (lattice) में ढाल लेते हैं। प्रत्येक आयन एक इलेक्ट्रॉन पीछे छोड़ देता है, और उस इलेक्ट्रॉन को दूसरी तरफ अपने लिथियम के साथ फिर से जुड़ने के लिए, आपके फोन के सर्किट के माध्यम से, लंबा रास्ता तय करना पड़ता है। चार्जिंग उन्हें वापस धकेलती है।

A wet nerve preparation in a physiology lab
A wet nerve preparation in a physiology lab Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

यह वही तरकीब है जो न्यूरॉन खेलता है, बस गतिशील भागों की अदला-बदली हो गई है। सोडियम और पोटेशियम के लिए लिथियम आयन। फॉस्फोलिपिड झिल्ली के लिए ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड। एक्सॉन के लिए एक बाहरी तार। दोनों प्रणालियाँ रासायनिक ऊर्जा को एक अवरोध के पार आवेश के पृथक्करण के रूप में संग्रहीत करती हैं और आवश्यकता पड़ने पर इसे मुक्त करती हैं। मस्तिष्क ग्लूकोज से रिचार्ज हो सकता है; फोन, दीवार (बिजली के सॉकेट) से।

आपका मस्तिष्क लगातार लगभग बीस वाट पर चलता है। इसका अधिकांश हिस्सा पंपों को चुकाता है। डेविड एटवेल और साइमन लॉफलिन द्वारा 2001 के एक अनुमान के अनुसार, कॉर्टिकल ऊर्जा के उपयोग का लगभग आधा हिस्सा उन ढालों को बहाल करने में चला जाता है जिन्हें सिग्नलिंग जला देती है। सोचना, शाब्दिक अर्थ में, बैटरी खत्म करने की लागत है।

Ions locations in resting potential
Ions locations in resting potential Somasimple · BY-SA 4.0

जो हम अभी भी नहीं जानते

हम नहीं जानते कि सचेत अनुभव का कितना हिस्सा इस इलेक्ट्रोकेमिस्ट्री में बंधा हुआ है और कितना इसके ऊपर सवार है। एक्शन पोटेंशियल स्पष्ट रूप से माध्यम हैं। क्या वे संदेश हैं, यह एक अलग प्रश्न है, और सुलझा हुआ नहीं है।

A quiet person reading in dim light while a brain research cap and cables record activity
A quiet person reading in dim light while a brain research cap and cables record activity Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

हम नहीं जानते कि मस्तिष्क अपने ऊर्जा बजट का प्रबंधन इतनी कुशलता से कैसे करता है। एक आधुनिक प्रोसेसर जो मस्तिष्क जैसा कुछ भी नहीं करता है, दस गुना अधिक बिजली जलाता है और जीवित रहने के लिए पंखे की आवश्यकता होती है।

Resting potential
Resting potential BruceBlaus. When using this image in external sources it can · CC BY 3.0

हम नहीं जानते कि कच्ची वोल्टेज के अलावा किसी भी मानदंड पर न्यूरॉन से मेल खाने वाली बैटरी कैसे बनाई जाए। एक न्यूरॉन खुद की मरम्मत करता है, नब्बे वर्षों तक शरीर के तापमान पर चलता है, और एक सैंडविच पर रिचार्ज होता है। सबसे अच्छी लिथियम सेल कुछ हजार चक्रों के बाद फीकी पड़ जाती हैं और छिद्र होने पर आग पकड़ लेती हैं।

तांबे के हुक पर एक मेंढक की टांग ने एक साथ दो विज्ञान शुरू किए, और हम अभी भी दोनों का पीछा कर रहे हैं।

Pada 1780, kaki katak berkedut di atas meja laboratorium Luigi Galvani di Bologna, tanpa ada tubuh hewan yang melekat padanya. Ia telah menggantungnya pada kait tembaga di atas pagar besi. Ia mengira telah menemukan percikan kehidupan. Padahal, ia telah menemukan baterai.

Luigi Galvani menghabiskan satu dekade berikutnya dengan berargumen bahwa hewan menghasilkan listrik di dalam tubuh mereka sendiri — "listrik hewan." Keponakannya membela gagasan tersebut. Saingannya di Pavia, Alessandro Volta, membantahnya: listrik itu berasal dari dua logam tersebut, dan kaki katak hanyalah detektor yang sensitif. Untuk membuktikannya, pada tahun 1800, Volta menumpuk cakram seng dan tembaga yang dipisahkan oleh karton yang direndam air garam dan memperoleh arus stabil tanpa perlu kehadiran katak. voltaic pile adalah baterai pertama. Volta memenangkan perdebatan itu.

Ia juga keliru. Galvani pun benar. Kedua efek tersebut ada, dan keduanya merupakan efek yang sama: elektron bergerak karena dua material yang berada pada potensial kimia berbeda dihubungkan melalui sebuah konduktor. Sel tembaga-seng melakukannya dengan logam dalam asam. Neuron melakukannya dengan natrium dan kalium yang melintasi membran lemak. Kimianya berbeda. Fisikanya identik.

Action potential propagation animation John Schmidt · CC BY-SA 4.0

Neuron sebagai baterai basah

Neuron saat beristirahat tidaklah benar-benar beristirahat. Ia terus-menerus menghabiskan energi untuk mempertahankan dirinya agar tidak dalam keadaan setimbang. Protein khusus yang disebut sodium-potassium pumps bekerja keras menembus membran, mendorong tiga ion natrium keluar untuk setiap dua ion kalium yang masuk, membakar satu molekul ATP per siklus. Hasilnya adalah membran dengan lebih banyak kalium di dalam daripada di luar dan lebih banyak natrium di luar daripada di dalam — sebuah gradien kimia yang menyimpan usaha di dalamnya, persis seperti sel yang terisi daya.

Modeling of the Resting Potential
Modeling of the Resting Potential Xuz006 · BY-SA 3.0

Tegangan yang melintasi membran itu sekitar tujuh puluh milivolt. Membran itu sendiri tebalnya lima nanometer. Bagilah angka-angka tersebut dan medan listrik di dalam neuron yang beristirahat mencapai sekitar empat belas juta volt per meter — kekuatan medan di dalam sambaran petir, yang dijaga tetap stabil, sepanjang waktu, di setiap sel otak Anda.

A lithium-ion battery cell opened safely on a laboratory bench
A lithium-ion battery cell opened safely on a laboratory bench Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Saat sel aktif, saluran natrium terbuka seketika. Natrium mengalir deras menuruni gradiennya ke dalam sel. Tegangan berbalik menjadi positif dalam waktu kurang dari satu milidetik. Saluran kalium terbuka sesaat kemudian dan sel melepaskan muatannya. Seluruh peristiwa ini, yang disebut action potential, merambat di sepanjang akson dengan kecepatan hingga seratus meter per detik. Kemudian, pompa-pompa tersebut dengan tenang mengembalikan semuanya ke tempat semula, dengan membayar menggunakan ATP.

Pada tahun 1950-an, Alan Hodgkin dan Andrew Huxley memecahkan semua ini dengan menancapkan elektroda ke dalam squid giant axon, serat saraf aneh berukuran hampir satu milimeter yang digunakan cumi-cumi untuk melarikan diri dari predator. Persamaan mereka, yang diterbitkan pada tahun 1952, masih menggambarkan setiap neuron di kepala Anda. Mereka memenangkan Nobel pada tahun 1963.

Resting Potential
Resting Potential Christinelmiller · BY-SA 4.0

Jenis tumpukan lainnya

Sel litium-ion adalah versi yang lebih canggih dari tumpukan Volta. Ion litium berada di antara lapisan grafit pada anoda. Saat sel melepaskan muatan, ion-ion tersebut terlepas dari grafit, melayang melintasi elektrolit menuju katoda logam oksida berlapis, dan menyusup ke dalam kisi tersebut. Setiap ion meninggalkan satu elektron, dan elektron itu harus menempuh jalan yang lebih panjang, melalui sirkuit ponsel Anda, untuk bergabung kembali dengan litiumnya di sisi lain. Pengisian daya mendorong mereka kembali.

A wet nerve preparation in a physiology lab
A wet nerve preparation in a physiology lab Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Ini adalah trik yang sama dengan yang dilakukan neuron, hanya dengan bagian yang bergerak yang ditukar. Ion litium untuk natrium dan kalium. Elektroda grafit untuk membran fosfolipid. Kabel eksternal untuk akson. Kedua sistem menyimpan energi kimia sebagai pemisahan muatan melintasi penghalang dan melepaskannya saat dibutuhkan. Otak dapat diisi ulang dari glukosa; ponsel, dari aliran listrik dinding.

Otak Anda beroperasi terus-menerus dengan daya sekitar dua puluh watt. Sebagian besar energinya digunakan untuk menghidupi pompa-pompa tersebut. Sebuah estimasi tahun 2001 oleh David Attwell dan Simon Laughlin menyebutkan bahwa sekitar setengah dari penggunaan energi kortikal digunakan untuk memulihkan gradien yang terkuras oleh proses pensinyalan. Berpikir, dalam pengertian harfiah, adalah harga yang harus dibayar saat baterai tersebut habis.

Ions locations in resting potential
Ions locations in resting potential Somasimple · BY-SA 4.0

Apa yang belum kita ketahui

Kita tidak tahu seberapa banyak pengalaman sadar yang terikat dalam elektrokimia ini dan seberapa banyak yang bergantung di atasnya. Potensial aksi jelas merupakan medianya. Apakah itu merupakan pesannya adalah pertanyaan terpisah, dan belum ada jawaban yang pasti.

A quiet person reading in dim light while a brain research cap and cables record activity
A quiet person reading in dim light while a brain research cap and cables record activity Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Kita tidak tahu bagaimana otak mengelola anggaran energinya dengan begitu efisien. Prosesor modern yang melakukan pekerjaan yang jauh dari kemampuan otak justru menghabiskan daya sepuluh kali lipat dan memerlukan kipas pendingin agar tidak mati.

Resting potential
Resting potential BruceBlaus. When using this image in external sources it can · CC BY 3.0

Kita tidak tahu cara membuat baterai yang menandingi neuron dalam metrik apa pun kecuali tegangan mentah. Neuron memperbaiki diri sendiri, beroperasi pada suhu tubuh selama sembilan puluh tahun, dan mengisi ulang dayanya dari sebuah roti lapis. Sel litium terbaik memudar setelah beberapa ribu siklus dan terbakar saat tertusuk.

Satu kaki katak di atas kait tembaga memulai dua ilmu pengetahuan sekaligus, dan kita masih mengejar keduanya.

En 1780, sur l'établi de laboratoire de Luigi Galvani à Bologne, une patte de grenouille se contracta, dépourvue de tout corps animal. Il l'avait suspendue à un crochet de cuivre contre une rampe de fer. Il crut avoir découvert l'étincelle de la vie. Il avait découvert une pile.

Luigi Galvani passa la décennie suivante à soutenir que les animaux généraient de l'électricité en eux-mêmes — « l'électricité animale ». Son neveu défendit cette idée. Son rival à Pavie, Alessandro Volta, répondit par la négative : l'électricité provenait des deux métaux, et la patte de grenouille n'était qu'un détecteur sensible. Pour le prouver, en 1800, Volta empila des disques de zinc et de cuivre séparés par du carton imbibé de saumure et obtint un courant constant sans aucune grenouille en vue. La voltaic pile fut la première batterie. Volta gagna le débat.

Il avait tort lui aussi. Galvani avait raison lui aussi. Les deux phénomènes existent, et il s'agit du même phénomène : des électrons qui se déplacent parce que deux matériaux se trouvant à des potentiels chimiques différents sont connectés par un conducteur. Une pile cuivre-zinc le fait avec des métaux dans un acide. Un neurone le fait avec du sodium et du potassium à travers une membrane lipidique. La chimie est différente. La physique est identique.

Action potential propagation animation John Schmidt · CC BY-SA 4.0

Le neurone comme batterie humide

Un neurone au repos n'est pas au repos. Il dépense de l'énergie en permanence pour se maintenir hors de l'équilibre. Des protéines spécialisées appelées sodium-potassium pumps travaillent sans relâche à travers la membrane, expulsant trois ions sodium pour chaque paire d'ions potassium entrante, brûlant une molécule d'ATP par cycle. Le résultat est une membrane avec plus de potassium à l'intérieur qu'à l'extérieur et plus de sodium à l'extérieur qu'à l'intérieur — un gradient chimique emmagasinant du travail, exactement comme une pile chargée.

Modeling of the Resting Potential
Modeling of the Resting Potential Xuz006 · BY-SA 3.0

La tension aux bornes de cette membrane est d'environ soixante-dix millivolts. La membrane elle-même a une épaisseur de cinq nanomètres. Divisez ces chiffres et le champ électrique à l'intérieur d'un neurone au repos atteint environ quatorze millions de volts par mètre — l'intensité du champ à l'intérieur d'un éclair, maintenue constante, tout le temps, dans chaque cellule de votre cerveau.

A lithium-ion battery cell opened safely on a laboratory bench
A lithium-ion battery cell opened safely on a laboratory bench Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Lorsque la cellule se déclenche, les canaux sodiques s'ouvrent brusquement. Le sodium se précipite selon son gradient à l'intérieur de la cellule. La tension bascule vers le positif en moins d'une milliseconde. Les canaux potassiques s'ouvrent un battement plus tard et la cellule se décharge. L'événement complet, appelé action potential, se propage le long de l'axone à une vitesse pouvant atteindre cent mètres par seconde. Ensuite, les pompes remettent tranquillement tout en place, en payant en ATP.

Dans les années 1950, Alan Hodgkin et Andrew Huxley résolurent tout cela en enfonçant des électrodes dans l'squid giant axon, une fibre nerveuse anormale de près d'un millimètre de diamètre qu'un calmar utilise pour fuir ses prédateurs. Leurs équations, publiées en 1952, décrivent encore chaque neurone de votre tête. Ils ont reçu le prix Nobel en 1963.

Resting Potential
Resting Potential Christinelmiller · BY-SA 4.0

L'autre type de pile

Une cellule lithium-ion est une version plus sophistiquée de l'empilement de Volta. Des ions lithium se trouvent entre des couches de graphite à l'anode. Lorsque la pile se décharge, les ions glissent hors du graphite, dérivent à travers un électrolyte vers une cathode en oxyde métallique stratifié, et s'insèrent dans ce réseau à la place. Chaque ion laisse un électron derrière lui, et cet électron doit faire le long chemin, à travers les circuits de votre téléphone, pour rejoindre son lithium de l'autre côté. La charge les repousse.

A wet nerve preparation in a physiology lab
A wet nerve preparation in a physiology lab Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

C'est la même astuce que le neurone utilise, avec les pièces mobiles inversées. Ions lithium pour sodium et potassium. Une électrode en graphite pour une membrane phospholipide. Un fil externe pour un axone. Les deux systèmes stockent de l'énergie chimique sous forme de séparation de charge à travers une barrière et la libèrent à la demande. Le cerveau est rechargeable grâce au glucose ; le téléphone, grâce à la prise murale.

Votre cerveau fonctionne en permanence avec environ vingt watts. L'essentiel est absorbé par les pompes. Une estimation de 2001, réalisée par David Attwell et Simon Laughlin, attribue environ la moitié de la consommation énergétique du cortex à la restauration des gradients que la signalisation épuise. Penser, au sens littéral, est le coût de la décharge de la batterie.

Ions locations in resting potential
Ions locations in resting potential Somasimple · BY-SA 4.0

Ce que nous ignorons encore

Nous ne savons pas quelle part de l'expérience consciente est liée à cette électrochimie et quelle part s'y superpose. Les potentiels d'action sont clairement le médium. S'ils constituent le message est une autre question, qui n'est pas tranchée.

A quiet person reading in dim light while a brain research cap and cables record activity
A quiet person reading in dim light while a brain research cap and cables record activity Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Nous ne savons pas comment le cerveau gère son budget énergétique avec autant d'efficacité. Un processeur moderne ne faisant rien qui se rapproche de ce qu'accomplit un cerveau consomme dix fois plus d'énergie et a besoin d'un ventilateur pour ne pas griller.

Resting potential
Resting potential BruceBlaus. When using this image in external sources it can · CC BY 3.0

Nous ne savons pas construire des batteries qui égalent les neurones sur un quelconque critère hormis la tension brute. Un neurone s'autorépare, fonctionne à la température du corps pendant quatre-vingt-dix ans et se recharge avec un sandwich. Les meilleures cellules au lithium s'affaiblissent après quelques milliers de cycles et prennent feu si elles sont perforées.

Une patte de grenouille sur un crochet de cuivre a lancé deux sciences à la fois, et nous poursuivons toujours ces deux quêtes.

В 1780 году на лабораторном столе Луиджи Гальвани в Болонье дёрнулась лягушачья лапка, к которой не было прикреплено животное. Он подвесил её на медном крючке к железным перилам. Гальвани полагал, что открыл искру жизни. На самом деле он открыл батарею.

Luigi Galvani провёл следующее десятилетие, доказывая, что животные генерируют электричество внутри себя — «животное электричество». Его племянник защищал эту идею. Его соперник из Павии, Alessandro Volta, возразил: электричество возникает из-за двух металлов, а лягушачья лапка — всего лишь чувствительный детектор. Чтобы доказать это, Вольта в 1800 году сложил стопкой диски из цинка и меди, разделённые пропитанным рассолом картоном, и получил постоянный ток без всяких лягушек. voltaic pile стала первой батареей. Вольта выиграл спор.

И всё же он был неправ. Гальвани тоже был прав. Оба эффекта существуют, и это один и тот же эффект: электроны движутся, потому что два материала с разными химическими потенциалами соединены через проводник. Медно-цинковый элемент делает это с помощью металлов в кислоте. Нейрон делает это с помощью натрия и калия по обе стороны жировой мембраны. Химия разная. Физика идентична.

Action potential propagation animation John Schmidt · CC BY-SA 4.0

Нейрон как влажная батарея

Нейрон в состоянии покоя не находится в покое. Он постоянно расходует энергию, чтобы поддерживать себя в состоянии вне равновесия. Специализированные белки, называемые sodium-potassium pumps, работают сквозь мембрану, выталкивая три иона натрия наружу на каждые два иона калия внутрь, сжигая одну молекулу ATP за цикл. Результат — мембрана, внутри которой калия больше, чем снаружи, а натрия больше снаружи, чем внутри — химический градиент, содержащий запасённую работу, точно так же, как в заряженном элементе.

Modeling of the Resting Potential
Modeling of the Resting Potential Xuz006 · BY-SA 3.0

Напряжение на этой мембране составляет около семидесяти милливольт. Сама мембрана имеет толщину пять нанометров. Разделите эти числа, и получится, что напряжённость электрического поля внутри нейрона в покое составляет примерно четырнадцать миллионов вольт на метр — сила поля внутри удара молнии, поддерживаемая постоянно, всё время, в каждой клетке вашего мозга.

A lithium-ion battery cell opened safely on a laboratory bench
A lithium-ion battery cell opened safely on a laboratory bench Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Когда клетка возбуждается, натриевые каналы мгновенно открываются. Натрий устремляется по градиенту внутрь клетки. Напряжение меняется на противоположное менее чем за миллисекунду. Чуть позже открываются калиевые каналы, и клетка разряжается. Всё событие, называемое action potential, распространяется вдоль аксона со скоростью до ста метров в секунду. Затем насосы тихо возвращают всё на свои места, расплачиваясь АТФ.

В 1950-х годах Alan Hodgkin и Andrew Huxley разобрались во всём этом, вонзив электроды в squid giant axon — необычное нервное волокно толщиной почти в миллиметр, которое кальмар использует для спасения от хищников. Их уравнения, опубликованные в 1952 году, до сих пор описывают каждый нейрон в вашей голове. Они получили Нобелевскую премию в 1963 году.

Resting Potential
Resting Potential Christinelmiller · BY-SA 4.0

Батарея другого типа

Литий-ионный элемент — это более сложная версия столба Вольты. Ионы лития находятся между слоями графита на аноде. Когда элемент разряжается, ионы выскальзывают из графита, дрейфуют через электролит к катоду из слоистого оксида металла и занимают места в этой кристаллической решётке. Каждый ион оставляет после себя электрон, и этот электрон должен проделать длинный путь через электрическую схему вашего телефона, чтобы воссоединиться со своим литием на другой стороне. Зарядка проталкивает их обратно.

A wet nerve preparation in a physiology lab
A wet nerve preparation in a physiology lab Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Это тот же трюк, что проделывает нейрон, только с изменёнными движущимися частями. Ионы лития вместо натрия и калия. Графитовый электрод вместо фосфолипидной мембраны. Внешний провод вместо аксона. Обе системы хранят химическую энергию в виде разделения заряда на барьере и высвобождают её по требованию. Мозг подзаряжается от глюкозы, телефон — от розетки.

Ваш мозг непрерывно работает на мощности около двадцати ватт. Большая часть этого расходуется на работу насосов. По оценке Дэвида Аттуэлла и Саймона Лафлина 2001 года, примерно половина энергетических затрат коры головного мозга уходит на восстановление градиентов, которые расходуются на передачу сигналов. Мышление, в буквальном смысле, — это цена разряда батареи.

Ions locations in resting potential
Ions locations in resting potential Somasimple · BY-SA 4.0

Чего мы до сих пор не знаем

Мы не знаем, какая часть сознательного опыта связана с этой электрохимией, а какая надстраивается над ней. Потенциалы действия явно являются средой. Являются ли они самим сообщением — вопрос отдельный и пока не решённый.

A quiet person reading in dim light while a brain research cap and cables record activity
A quiet person reading in dim light while a brain research cap and cables record activity Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Мы не знаем, как мозг управляет своим энергетическим бюджетом столь эффективно. Современный процессор, который даже близко не делает того, что делает мозг, потребляет в десять раз больше энергии и нуждается в вентиляторе, чтобы не сгореть.

Resting potential
Resting potential BruceBlaus. When using this image in external sources it can · CC BY 3.0

Мы не знаем, как создавать батареи, которые соответствовали бы нейронам по любому параметру, кроме чистого напряжения. Нейрон самовосстанавливается, работает при температуре тела девяносто лет и подзаряжается от сэндвича. Лучшие литиевые элементы теряют ёмкость после нескольких тысяч циклов и загораются при проколе.

Лягушачья лапка на медном крючке положила начало двум наукам одновременно, и мы до сих пор продолжаем изучать обе.

Im Jahr 1780 zuckte auf Luigi Galvanis Labortisch in Bologna der Schenkel eines Frosches, ohne dass ein Tier daran befestigt war. Er hatte ihn an einen Kupferhaken gegen ein Eisengeländer gehängt. Er glaubte, den Funken des Lebens entdeckt zu haben. Gefunden hatte er eine Batterie.

Luigi Galvani verbrachte das nächste Jahrzehnt damit, zu argumentieren, dass Tiere Elektrizität in ihrem Inneren erzeugten – „tierische Elektrizität“. Sein Neffe verteidigte diese Idee. Sein Rivale in Pavia, Alessandro Volta, verneinte dies: Die Elektrizität stamme von den beiden Metallen, und das Froschbein sei lediglich ein empfindlicher Detektor. Um dies zu beweisen, stapelte Volta im Jahr 1800 Zink- und Kupferscheiben, die durch in Salzwasser getränkte Pappe voneinander getrennt waren, und erzeugte einen stetigen Strom, ohne dass ein Frosch in Sicht war. Die voltaic pile war die erste Batterie. Volta gewann den Streit.

Er hatte jedoch auch unrecht. Galvani hatte ebenfalls recht. Beide Effekte existieren, und sie sind identisch: Elektronen bewegen sich, weil zwei Materialien mit unterschiedlichen chemischen Potenzialen über einen Leiter verbunden sind. Eine Kupfer-Zink-Zelle bewerkstelligt dies mit Metallen in Säure. Ein Neuron tut dies mit Natrium und Kalium durch eine fettige Membran hindurch. Die Chemie ist unterschiedlich. Die Physik ist identisch.

Action potential propagation animation John Schmidt · CC BY-SA 4.0

Das Neuron als nasse Batterie

Ein ruhendes Neuron ruht keineswegs. Es wendet kontinuierlich Energie auf, um sich außerhalb des Gleichgewichts zu halten. Spezialisierte Proteine, sogenannte sodium-potassium pumps, arbeiten in der Membran und befördern drei Natriumionen nach außen und zwei Kaliumionen nach innen, wobei pro Zyklus ein Molekül ATP verbraucht wird. Das Ergebnis ist eine Membran mit mehr Kalium im Inneren als außen und mehr Natrium außen als innen – ein chemischer Gradient mit gespeicherter Arbeit, genau wie in einer geladenen Zelle.

Modeling of the Resting Potential
Modeling of the Resting Potential Xuz006 · BY-SA 3.0

Die Spannung über dieser Membran beträgt etwa siebzig Millivolt. Die Membran selbst ist fünf Nanometer dick. Teilt man diese Zahlen durcheinander, ergibt sich ein elektrisches Feld im Inneren eines ruhenden Neurons von etwa vierzehn Millionen Volt pro Meter – die Feldstärke innerhalb eines Blitzes, konstant gehalten, die ganze Zeit, in jeder Zelle Ihres Gehirns.

A lithium-ion battery cell opened safely on a laboratory bench
A lithium-ion battery cell opened safely on a laboratory bench Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Wenn die Zelle feuert, schnellen Natriumkanäle auf. Natrium strömt entlang seines Gradienten in die Zelle. Die Spannung kippt in unter einer Millisekunde ins Positive. Ein wenig später öffnen sich Kaliumkanäle und die Zelle entlädt sich. Das gesamte Ereignis, action potential genannt, breitet sich mit bis zu hundert Metern pro Sekunde entlang des Axons aus. Dann bringen die Pumpen alles in aller Stille wieder an seinen Platz und bezahlen dafür mit ATP.

In den 1950er Jahren arbeiteten Alan Hodgkin und Andrew Huxley all dies aus, indem sie Elektroden in das squid giant axon einführten, eine bizarre Nervenfaser mit fast einem Millimeter Durchmesser, die ein Kalmar zur Flucht vor Raubtieren nutzt. Ihre 1952 veröffentlichten Gleichungen beschreiben noch heute jedes Neuron in Ihrem Kopf. Sie erhielten 1963 den Nobelpreis.

Resting Potential
Resting Potential Christinelmiller · BY-SA 4.0

Die andere Art von Batterie

Eine Lithium-Ionen-Zelle ist eine ausgefeiltere Version von Voltas Stapel. Lithiumionen sitzen zwischen Graphitschichten an der Anode. Wenn sich die Zelle entlädt, schlüpfen die Ionen aus dem Graphit, driften durch einen Elektrolyten zu einer geschichteten Metalloxid-Kathode und nisten sich stattdessen in dieses Gitter ein. Jedes Ion hinterlässt ein Elektron, und dieses Elektron muss den langen Weg durch die Schaltkreise Ihres Telefons nehmen, um sich auf der anderen Seite wieder mit seinem Lithium zu vereinigen. Beim Laden werden sie zurückgeschoben.

A wet nerve preparation in a physiology lab
A wet nerve preparation in a physiology lab Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Dies ist derselbe Trick, den das Neuron anwendet, nur mit vertauschten beweglichen Teilen. Lithiumionen statt Natrium und Kalium. Eine Graphitelektrode statt einer Phospholipidmembran. Ein externer Draht statt eines Axons. Beide Systeme speichern chemische Energie als Ladungstrennung über eine Barriere hinweg und setzen sie bei Bedarf frei. Das Gehirn wird durch Glukose wiederaufgeladen; das Telefon über die Steckdose.

Ihr Gehirn läuft kontinuierlich mit etwa zwanzig Watt. Der Großteil davon treibt die Pumpen an. Eine Schätzung von David Attwell und Simon Laughlin aus dem Jahr 2001 ergab, dass etwa die Hälfte der Energie des Kortex für die Wiederherstellung der Gradienten aufgewendet wird, die durch die Signalübertragung aufgezehrt werden. Denken ist im buchstäblichen Sinne der Preis für das Entladen der Batterie.

Ions locations in resting potential
Ions locations in resting potential Somasimple · BY-SA 4.0

Was wir noch nicht wissen

Wir wissen nicht, wie viel von der bewussten Erfahrung in dieser Elektrochemie gebunden ist und wie viel davon darauf aufbaut. Die Aktionspotenziale sind eindeutig das Medium. Ob sie auch die Botschaft sind, ist eine andere, noch ungeklärte Frage.

A quiet person reading in dim light while a brain research cap and cables record activity
A quiet person reading in dim light while a brain research cap and cables record activity Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Wir wissen nicht, wie das Gehirn sein Energiebudget so effizient verwaltet. Ein moderner Prozessor, der nicht annähernd das leistet, was ein Gehirn tut, verbraucht zehnmal so viel Energie und benötigt einen Lüfter, um nicht zu überhitzen.

Resting potential
Resting potential BruceBlaus. When using this image in external sources it can · CC BY 3.0

Wir wissen nicht, wie man Batterien baut, die es mit Neuronen in irgendeiner Hinsicht aufnehmen können, außer bei der rohen Spannung. Ein Neuron repariert sich selbst, arbeitet neunzig Jahre lang bei Körpertemperatur und lädt sich mit einem Sandwich wieder auf. Die besten Lithium-Zellen lassen nach ein paar tausend Zyklen nach und fangen Feuer, wenn sie durchstochen werden.

Ein Froschbein an einem Kupferhaken begründete zwei Wissenschaften zugleich, und wir sind immer noch dabei, beide zu ergründen.

1780년, 볼로냐의 루이지 갈바니 실험대 위에서, 몸통 없이 떼어낸 개구리 다리 하나가 저 혼자 실룩거렸다. 구리 갈고리에 걸려 철 난간에 매달린 채로. 그는 생명의 불꽃을 발견했다고 생각했다. 그가 발견한 것은 전지였다.

Luigi Galvani는 그 후 10년 동안 동물이 스스로 전기를 생성한다는 ‘동물 전기’를 주장했다. 그의 조카는 이 생각을 옹호했다. 파비아에 있던 그의 라이벌 Alessandro Volta는 아니라고 말했다. 전기는 두 금속에서 나오며, 개구리 다리는 민감한 검출기일 뿐이라는 것이다. 이를 증명하기 위해 볼타는 1800년에 아연과 구리 원판을 소금물에 적신 판지로 분리해 쌓아 올려 개구리 없이도 일정한 전류를 얻어냈다. voltaic pile이 바로 최초의 배터리였다. 논쟁은 볼타의 승리로 끝났다.

그러나 그도 틀렸다. 갈바니도 옳았다. 두 효과 모두 존재하며, 사실은 동일한 효과다. 화학적 전위가 다른 두 물질이 도체로 연결될 때 전자가 이동하는 현상이다. 구리-아연 전지는 산 속의 금속으로 이를 수행한다. 뉴런은 지방 막을 가로지르는 나트륨과 칼륨으로 같은 일을 한다. 화학은 다르지만 물리학은 동일하다.

Action potential propagation animation John Schmidt · CC BY-SA 4.0

젖은 배터리로서의 뉴런

휴지 상태의 뉴런은 실제로는 쉬고 있지 않다. 평형에서 벗어난 상태를 유지하기 위해 끊임없이 에너지를 소비한다. sodium-potassium pumps라는 특수 단백질이 막을 통과하며, 칼륨 이온 두 개를 들여보낼 때마다 나트륨 이온 세 개를 밖으로 내보내고, 한 주기마다 ATP 분자 하나를 소모한다. 그 결과 세포 안은 바깥보다 칼륨이 많고, 바깥은 안보다 나트륨이 많은 막이 만들어진다. 이는 마치 충전된 전지처럼 일을 할 수 있는 화학적 기울기, 즉 저장된 일이다.

Modeling of the Resting Potential
Modeling of the Resting Potential Xuz006 · BY-SA 3.0

그 막을 가로지르는 전압은 약 70밀리볼트다. 막 자체의 두께는 5나노미터다. 이 수치들을 나누면, 휴지 상태의 뉴런 내부에는 미터당 약 1,400만 볼트의 전기장이 걸린다. 이는 번개 속 전기장의 세기와 같으며, 여러분의 뇌 세포 하나하나에서 언제나 일정하게 유지된다.

A lithium-ion battery cell opened safely on a laboratory bench
A lithium-ion battery cell opened safely on a laboratory bench Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

세포가 발화하면 나트륨 통로가 순간적으로 열린다. 나트륨이 기울기를 따라 세포 안으로 쏟아져 들어간다. 전압은 1밀리초도 안 되어 양전하로 뒤집힌다. 칼륨 통로는 잠시 후 열리고 세포는 방전된다. action potential이라 불리는 이 전체 사건은 축삭을 따라 초당 최대 100미터의 속도로 전파된다. 그런 다음 펌프들이 조용히 ATP를 지불하며 모든 것을 제자리로 되돌려 놓는다.

1950년대에 Alan HodgkinAndrew Huxleysquid giant axon에 전극을 찔러 넣어 이 모든 것을 밝혀냈다. 이 기이한 신경 섬유는 지름이 거의 1밀리미터에 달하며, 오징어가 포식자를 피해 도망칠 때 사용한다. 1952년에 발표된 그들의 방정식은 지금도 여러분의 머릿속 모든 뉴런을 설명한다. 그들은 1963년에 노벨상을 받았다.

Resting Potential
Resting Potential Christinelmiller · BY-SA 4.0

또 다른 전지

리튬 이온 전지는 볼타의 더미를 더욱 정교하게 만든 것이다. 리튬 이온은 음극의 흑연 층 사이에 자리 잡고 있다. 전지가 방전되면 이온들은 흑연에서 빠져나와 전해질을 가로질러 층상 구조의 금속 산화물 양극으로 이동하여 그 격자 속에 들어간다. 각 이온은 전자 하나를 남기며, 그 전자는 휴대폰의 회로를 따라 길고 먼 길을 돌아 반대편의 리튬과 재결합해야 한다. 충전은 이들을 다시 밀어 넣는다.

A wet nerve preparation in a physiology lab
A wet nerve preparation in a physiology lab Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

이것은 뉴런이 쓰는 것과 똑같은 요령이며, 움직이는 부품만 바뀌었을 뿐이다. 리튬 이온이 나트륨과 칼륨을 대신하고, 흑연 전극이 인지질 막을 대신하며, 외부 전선이 축삭을 대신한다. 두 시스템 모두 장벽을 가로지르는 전하 분리로 화학 에너지를 저장하고 필요할 때 방출한다. 뇌는 포도당으로 재충전하고, 휴대폰은 벽면 콘센트로 재충전한다.

뇌는 약 20와트로 계속 작동한다. 그 대부분은 펌프를 가동하는 데 사용된다. 2001년 데이비드 애트웰과 사이먼 러플린이 추정한 바에 따르면, 대뇌피질 에너지 사용량의 약 절반이 신호 전달로 소모된 기울기를 복구하는 데 쓰인다. 문자 그대로 생각이란 배터리를 소모하는 비용인 셈이다.

Ions locations in resting potential
Ions locations in resting potential Somasimple · BY-SA 4.0

우리가 아직 모르는 것들

의식적 경험 중 얼마나 많은 부분이 이 전기화학에 묶여 있고, 얼마나 많은 부분이 그 위에 얹혀 있는지는 모른다. 활동전위가 그 매체임은 분명하다. 그것이 메시지 자체인지는 별개의 문제이며, 아직 해결되지 않았다.

A quiet person reading in dim light while a brain research cap and cables record activity
A quiet person reading in dim light while a brain research cap and cables record activity Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

뇌가 어떻게 에너지 예산을 그렇게 효율적으로 관리하는지도 모른다. 뇌가 하는 일에 근접하지도 못하는 최신 프로세서는 열 배의 전력을 소모하고, 작동을 유지하기 위해 팬이 필요하다.

Resting potential
Resting potential BruceBlaus. When using this image in external sources it can · CC BY 3.0

우리는 순수 전압을 제외한 어떤 지표에서도 뉴런에 필적하는 배터리를 만드는 방법을 모른다. 뉴런은 스스로 복구하고, 체온에서 90년 동안 작동하며, 샌드위치 하나로 재충전한다. 최고의 리튬 전지도 수천 번의 주기 후에는 성능이 저하되고, 구멍이 나면 불이 붙는다.

구리 갈고리에 매달린 개구리 다리가 두 과학을 동시에 시작했고, 우리는 아직도 그 두 가지를 추구하고 있다.

1780年、ボローニャのルイージ・ガルヴァーニの実験台の上で、カエルの脚が、本体から切り離されたまま、ぴくんと動いた。彼はその脚を銅の鉤に吊るし、鉄の手すりに触れさせていた。彼は生命の火花を見つけたと思った。しかし彼が見つけたのは電池だった。

Luigi Galvaniはその後十年にわたり、動物は体内で電気を生み出している——「動物電気」だと主張した。甥がその考えを擁護した。パヴィアのライバル、Alessandro Voltaは否と言った。電気は二種類の金属から生じており、カエルの脚はただの高感度検出器にすぎない、と。それを証明するため、ボルタは1800年、亜鉛と銅の円板を塩水に浸した厚紙で隔てて積み重ね、カエルを一切使わずに安定した電流を得た。voltaic pileは最初の電池だった。ボルタが論争に勝った。

彼もまた間違っていた。ガルヴァーニも正しかった。どちらの効果も存在し、それは同じ効果である。すなわち、異なる化学ポテンシャルにある二つの物質が導体で結ばれると電子が移動する、という現象だ。銅と亜鉛の電池は酸の中の金属でそれを実現する。ニューロンは脂質膜を隔てたナトリウムとカリウムで実現する。化学は異なる。物理は同一である。

Action potential propagation animation John Schmidt · CC BY-SA 4.0

湿った電池としてのニューロン

静止状態のニューロンは、静止していない。平衡から外れた状態を保つために絶えずエネルギーを消費している。sodium-potassium pumpsと呼ばれる特殊なタンパク質が膜を越えてせっせと働き、カリウムイオン二個を取り込むごとにナトリウムイオン三個を排出し、一サイクルにつきATP一分子を燃やす。その結果、膜の内側にはカリウムが多く、外側にはナトリウムが多い状態——つまり、蓄えられた仕事を含む化学勾配が生まれる。ちょうど充電された電池のように。

Modeling of the Resting Potential
Modeling of the Resting Potential Xuz006 · BY-SA 3.0

その膜を隔てた電圧は約七十ミリボルトである。膜自体の厚さは五ナノメートルだ。これらの数値を割ると、静止したニューロン内部の電場はおよそ一メートルあたり千四百万ボルト——雷の内部の電場強度に相当し、それがあなたの脳の全細胞で、常に、安定して維持されている。

A lithium-ion battery cell opened safely on a laboratory bench
A lithium-ion battery cell opened safely on a laboratory bench Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

細胞が発火すると、ナトリウムチャネルがパッと開く。ナトリウムが勾配に従って細胞内に流れ込む。電圧は一ミリ秒足らずで正に反転する。一拍遅れてカリウムチャネルが開き、細胞は放電する。この一連の出来事はaction potentialと呼ばれ、軸索を毎秒最大百メートルで伝播する。その後、ポンプが静かにすべてを元の場所に戻し、その代償としてATPを支払う。

1950年代、Alan HodgkinAndrew Huxleyは、squid giant axonに電極を突き刺してこのすべてを解明した。この軸索は、イカが捕食者から逃げるために使う、直径一ミリメートル近い異様な神経線維である。1952年に発表された彼らの方程式は、今なおあなたの頭の中のあらゆるニューロンを記述している。二人は1963年にノーベル賞を受賞した。

Resting Potential
Resting Potential Christinelmiller · BY-SA 4.0

もう一つの電堆

リチウムイオン電池は、ボルタの積層をより洗練させたものだ。負極では、リチウムイオンがグラファイトの層間に収まっている。放電時には、イオンがグラファイトから抜け出し、電解質を横切って層状の金属酸化物正極へと漂い、そちらの格子に潜り込む。各イオンは電子を一つ置き去りにし、その電子は遠回りを強いられる——あなたの電話の回路を通って、反対側でリチウムと再会するために。充電はそれらを押し戻す。

A wet nerve preparation in a physiology lab
A wet nerve preparation in a physiology lab Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

これはニューロンが使うのと同じ手口で、動く部品が入れ替わっているだけだ。リチウムイオンがナトリウムとカリウムの代わりを務める。グラファイト電極がリン脂質膜の代わり。外部のワイヤが軸索の代わり。どちらのシステムも、障壁を隔てた電荷の分離として化学エネルギーを蓄え、必要に応じて放出する。脳はグルコースから再充電可能であり、電話は壁のコンセントからだ。

あなたの脳は約二十ワットで連続的に動いている。その大半はポンプの代金だ。2001年のデイヴィッド・アトウェルとサイモン・ラフリンによる推定では、皮質のエネルギー消費のおよそ半分は、信号伝達が燃やした勾配を回復するために使われている。文字通りの意味で、思考とは電池を消耗させるコストなのだ。

Ions locations in resting potential
Ions locations in resting potential Somasimple · BY-SA 4.0

まだわかっていないこと

意識的経験のどれほどがこの電気化学に結びついており、どれほどがその上に乗っているのか、私たちは知らない。活動電位が媒体であることは明らかだ。それがメッセージそのものかどうかは別の問題であり、決着はついていない。

A quiet person reading in dim light while a brain research cap and cables record activity
A quiet person reading in dim light while a brain research cap and cables record activity Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

脳がどのようにしてこれほど効率的にエネルギー収支を管理しているのか、私たちは知らない。脳の行っていることに遠く及ばないことをしている現代のプロセッサでさえ、十倍の電力を消費し、生き延びるためにファンを必要とする。

Resting potential
Resting potential BruceBlaus. When using this image in external sources it can · CC BY 3.0

生の電圧以外のどの指標においてもニューロンに匹敵する電池を、私たちは作る方法を知らない。ニューロンは自己修復し、体温で九十年間動作し、サンドイッチで再充電される。最高のリチウム電池でさえ数千サイクルで劣化し、穴が開けば発火する。

銅のフックにかかったカエルの脚が、同時に二つの科学を始動させた。そして私たちは今もその両方を追いかけている。

Image sources & licenses (8)
  1. Action potential propagation animation (animation) — John Schmidt, CC BY-SA 4.0. Source (commons)
  2. Modeling of the Resting Potential — Xuz006, BY-SA 3.0. Source (openverse)
  3. Resting Potential — Christinelmiller, BY-SA 4.0. Source (openverse)
  4. Ions locations in resting potential — Somasimple, BY-SA 4.0. Source (openverse)
  5. Resting potential — BruceBlaus. When using this image in external sources it can be cited as: Blause, CC BY 3.0. Source (wikipedia)
  6. A neuron in resting potential with a closer view of the charges at a point on the axon. — Christinelmiller, CC BY-SA 4.0. Source (commons)
  7. Diagram of processes which are a part of the resting state of a neuron. — Sarahadam1, Public domain. Source (commons)
  8. Differences in the concentrations of ions on opposite sides of the cellular membrane lead to a voltage called the membrane potential. — smonsays, CC BY-SA 4.0. Source (commons)

Mentioned in this article

Sources

  1. Hodgkin, A. L. & Huxley, A. F. (1952). "A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve." Journal of Physiology 117, 500–544.
  2. Attwell, D. & Laughlin, S. B. (2001). "An energy budget for signaling in the grey matter of the brain." Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism 21, 1133–1145.
  3. Piccolino, M. (1998). "Animal electricity and the birth of electrophysiology: the legacy of Luigi Galvani." Brain Research Bulletin 46, 381–407.
  4. Kandel, E. R., Schwartz, J. H., Jessell, T. M., Siegelbaum, S. A. & Hudspeth, A. J. (2013). Principles of Neural Science, 5th edition. McGraw-Hill.
  5. Whittingham, M. S. (1976). "Electrical Energy Storage and Intercalation Chemistry." Science 192, 1126–1127.
Production storyboard

The 90-second video script behind this article.

EN script

Your phone battery is a controlled chemical reaction. So is your brain. You're thinking with electricity generated by chemistry. This is electrochemistry—the dance between electrons and chemical bonds. In a battery, two different metals sit in a solution. One metal wants to lose electrons desperately—the anode. The other wants to gain them—the cathode. Connect them with a wire, and electrons flow. That flow is electricity. Lithium-ion batteries in your phone work because lithium atoms release electrons when they react, and those electrons power your screen, your apps, your entire digital life. But your brain? It runs on the same principle. Neurons use sodium and potassium ions. Sodium rushes into the cell, potassium rushes out. This ion exchange creates an electrical signal—your thoughts, memories, consciousness itself. Every neuron fires because of chemistry. Your brain consumes twenty percent of your body's energy—all of it electrochemical. When neurons fire together, they can generate enough electricity to power a small LED. The device you're watching this on and the brain you're watching it with both run on the same fundamental principle: controlled movement of charged particles through chemical reactions. Batteries and brains. Technology borrowed what biology perfected billions of years ago.

HI script

Tumhare phone ki battery ek controlled chemical reaction hai. Tumhara brain bhi. Tum chemistry se generate hui electricity se soch rahe ho.

Tumhare phone ki battery ek controlled chemical reaction hai. Tumhara brain bhi. Tum chemistry se generate hui electricity se soch rahe ho. Ye hai electrochemistry—electrons aur chemical bonds ka dance. Battery mein, do alag metals ek solution mein hote hain. Ek metal desperately electrons kho na chahta hai—anode. Doosra unhe gain karna chahta hai—cathode. Unhe wire se connect karo, aur electrons flow karte hain. Wo flow electricity hai. Tumhare phone ki lithium-ion batteries kaam karti hain kyunki lithium atoms react karte waqt electrons release karte hain, aur wo electrons tumhari screen power karte hain, tumhare apps, tumhari poori digital life. Par tumhara brain? Wo same principle par chalta hai. Neurons sodium aur potassium ions use karte hain. Sodium cell mein rush karta hai, potassium bahar rush karta hai. Ye ion exchange ek electrical signal create karta hai—tumhare thoughts, memories, consciousness khud. Har neuron chemistry ki wajah se fire karta hai. Tumhara brain tumhare body ki bees percent energy consume karta hai—sab electrochemical. Jab neurons saath fire karte hain, wo ek chhoti LED power karne layak electricity generate kar sakte hain. Jo device par tum ye dekh rahe ho aur jo brain se tum ye dekh rahe ho dono same fundamental principle par chalte hain: chemical reactions through charged particles ka controlled movement. Batteries aur brains. Technology ne wo borrow kiya jo biology ne billions saal pehle perfect kiya tha.

  1. 01

    A neuron membrane model built from translucent gel and embedded electrodes, with a voltmeter probe measuring a tiny voltage across a thin wet barrier.

  2. 02

    A lithium-ion battery cell opened safely on a laboratory bench, showing layered foils, separator film, and graphite material beside a sealed smartphone battery.

  3. 03

    A wet nerve preparation in a physiology lab, with fine electrodes touching an axon under a microscope and salt solution shining in a dish.

  4. 04

    A quiet person reading in dim light while a brain research cap and cables record activity from the scalp.

  5. 05

    A teaching bench pairs a voltaic pile of copper and zinc discs with a neuron culture dish, both connected to simple meters.

  6. 06

    A runner laces shoes before movement, with a medical model of a nerve fiber nearby and fine copper leads coiled on the table.