前言
在神经元处于静息状态时，细胞膜两侧存在一个稳定的电压差——细胞内带负电，这一现象被称为静息膜电位。其根本原因在于细胞膜内外离子分布不均以及膜对不同离子的通透性差异共同作用的结果。首先，细胞内的钾离子（K⁺）浓度显著高于细胞外，而钠离子（Na⁺）和氯离子（Cl⁻）的浓度则在细胞外更高。尽管多种离子参与分布，但钾离子的作用最为关键。钾离子可以较容易地穿过细胞膜向外扩散，而钠离子和氯离子则受限于膜的低通透性，不易进出。随着大量钾离子的外流，细胞内逐渐丧失正电荷，使得细胞内部呈现负电性。
这种内高外低的钾离子浓度梯度，加上膜对钾的高度通透性，促使钾离子不断从内向外扩散。然而，随着正电荷的流出，膜内负电性增强，逐渐形成一个电化学拉力，吸引钾离子回流。当这个电拉力足够强，刚好抵消浓度驱动力时，就达成了电化学平衡，静息膜电位由此确立。
虽然氯离子也存在浓度差异，但它主要被动分布，并不会显著推动膜电位的形成。因此，静息电位的本质，是钾离子浓度梯度驱动下的外流行为，与电荷累积作用形成的动态平衡。这是神经元维持电生理稳定性的基础，也为后续动作电位的发生奠定了条件。细胞内外离子浓度对比：
- 钾：内高（117 mmol/L）→ 外低（3 mmol/L）
- 钠：外高（120）→ 内低（30）
- 氯：外高（120）→ 内低（4）
- 有机阴离子（A⁻）：只在细胞内（116），不能出膜
造成静息膜电位的主要因素是钾离子的外流，它使细胞内部电位逐渐变负，而这种负电会进一步吸引外部正离子进入或抑制更多钾离子外流。虽然氯离子（Cl⁻）并不是决定性因素，但也不是完全无关。当膜电位变负时，作为负离子的氯离子会因同极相斥而不愿进入细胞，使膜内已有的负电无法被中和而持续保留，随着钾离子的持续外流，膜内电位可能进一步变负。尽管氯离子的分布会受到电位影响，但在大多数情况下，它仅处于”电势适配”的被动状态，尤其在细胞对其通透性较低时，几乎不参与膜电位的建立，因此静息膜电位的形成主要由钾离子的浓度梯度和膜对钾的高通透性共同决定。
离子平衡与Nernst方程
在神经元中，静息电位的本质是由离子在膜两侧的不对称分布和选择性通透性共同决定的。以钾离子（K⁺）为例，它在细胞内浓度高、细胞外浓度低，因此在没有其他限制的情况下，钾离子会自然地沿浓度梯度从细胞内向外扩散。这会导致细胞内失去正电荷，电位逐渐变负。随着钾离子的外流，细胞膜内部电势降低，负电荷逐渐积累。这种负电势会反过来吸引钾离子停留在膜内，与钾的浓度梯度产生对抗。当浓度梯度向外推动和电势吸引向内拉回的力量达到平衡时，钾离子就不再移动，这时膜电位达到了一个稳定值，称为钾的平衡电位（E_K），钾离子的平衡电位（Eₖ）不等于细胞膜的静息电位（Vₘ），只是它是静息电位的主要决定因素之一。这个平衡点可以通过Nernst方程计算:$$ E_K = \frac{RT}{F} \ln \left( \frac{[K^+]{\text{out}}}{[K^+]{\text{in}}} \right) \quad (\text{单位：V})$$其中：
- R 是气体常数（8.314 J/mol·K），
- T 是绝对温度（单位 K，若为37℃则 T = 310 K），
- F 是法拉第常数（96485 C/mol）。
举例来说，若细胞外钾离子浓度为 3 mM，细胞内为 117 mM，则：
$$E_K = \frac{RT}{F} \ln \left( \frac{3}{117} \right) \approx -0.085 \text{ V} = -85 \text{ mV}$$
同理，对于带负电的氯离子（Cl⁻），由于它是负离子，Nernst 方程中仍使用相同结构，但方向自然体现为内外颠倒：
$$E_{Cl} = \frac{RT}{F} \ln \left( \frac{[Cl^-]{\text{in}}}{[Cl^-]{\text{out}}} \right)$$
如果氯离子浓度比为 1:30（即细胞内浓度为 1 mM，外部为 30 mM），则：
$$E_{Cl} = \frac{RT}{F} \ln \left( \frac{1}{30} \right) \approx -0.085 \text{ V} = -85 \text{ mV}$$
这说明氯离子虽然是被动分布，但其浓度同样调节到了一个有助于维持膜电位稳定的状态。因此，Nernst 方程不仅揭示了单种离子在电势下的平衡点，也提供了我们理解细胞膜电位来源的重要工具。
电荷分布与膜电容性质
尽管细胞内部和外部都很多离子，但真正用来”建立膜电位”的离子，其实只集中在细胞膜内外的”极薄一层”（细胞膜两侧紧贴在膜上的离子层建立的，其他地方的离子虽然很多，但不会直接影响电位）。就像电容器的两极板，这些带正负电的离子贴在膜的内外两侧，但它们在整个细胞中占比极小。细胞膜电位的建立并不依赖大量离子，仅靠极少数贴附在膜两侧的带电离子即可形成稳定的电位。
细胞外钾离子和氯离子对膜电位的影响
在神经元等细胞中，膜电位的稳定性受细胞外钾离子浓度影响最大。钾离子本来在细胞内浓度高、外浓度低，因此会自然向外扩散，这会带走正电荷，使细胞内部变得更负，从而建立起负的膜电位。这个电位的平衡值称为钾的平衡电位（大约 -85 mV），用 Nernst 方程可以计算得出。氯离子的情况不太一样。虽然氯离子也可以自由穿过细胞膜，但它的浓度分布与电位影响是相互制约的，当细胞外氯离子减少时，它进入细胞，造成细胞内部氯浓度上升，同时会带进负电荷，使膜电位变得不那么负，从而平衡电化学梯度。
钠离子的作用与通透性
虽然钾是膜电位的主要决定因素，但钠也起作用。正常情况下，细胞外钠多，内钠少，因此钠倾向进入细胞，带入正电。如果膜对钠也通透，则膜电位会变得更正一些，但通常钠通透性（通透性是指离子通过其专属离子通道的流入速率，取决于通道的数量、开放状态和传输效率，而非是否走错通道。虽然每种通道对离子具有高度选择性（如钾通道只让K⁺通过，钠通道只让Na⁺通过），但不同离子在膜电位形成中的贡献大小，仍取决于其通道的总通透性。例如，钾通道数量多且常开，通透性高，是膜电位的主要决定因素；而钠通道少且多处于关闭状态，通透性低，因此虽有一定影响，但作用较小）仅是钾的 1%-10%，所以影响较小。根据 Goldman 方程：
$$V_m = \frac{RT}{F} \ln \left( \frac{ \sum P_{\text{cation}}[\text{cation}]o + \sum P{\text{anion}}[\text{anion}]i }{ \sum P{\text{cation}}[\text{cation}]i + \sum P{\text{anion}}[\text{anion}]_o } \right)$$
实际膜电位会落在钾和钠的平衡电位之间，比如钾约 -85 mV，钠约 +60 mV，膜电位最终维持在二者之间（如 -70 mV 左右的静息电位）。
恒定场方程（Goldman-Hodgkin-Katz 方程）
为了理解跨膜电位（电位差）形成的机制，必须考虑多种离子同时作用于细胞膜。每种离子的跨膜流动都受其浓度差（电化学势差）驱动。以钾离子（K⁺）为例，它会从浓度高的一侧流向浓度低的一侧，同时电位差会抵消部分浓度驱动力。当流出和电场驱动达到平衡时，就形成了“钾的平衡电位（Eₖ）”。
钾电流由以下公式表示：
$$i_K = g_K(V_m - E_K)$$
钠电流为：
$$i_Na = g_Na(V_m - E_Na)$$
假设膜电位为稳定值（即膜电流为零），钾和钠的电流就必须相等且方向相反，于是有：
$$g_K(V_m - E_K) = -g_Na(V_m - E_Na)$$
通过推导可得膜电位表达式：
$$V_m = (g_KE_K + g_NaE_Na) / (g_K + g_Na)$$
当加入氯离子（Cl⁻）后，表达式扩展为：
$$V_m = (g_KE_K + g_NaE_Na + g_ClE_Cl) / (g_K + g_Na + g_Cl)$$
这就是所谓的恒定场方程，用于描述在多种离子同时影响下的膜电位。
静息膜电位的来源
静息电位不是由某一种离子单独决定的，而是由多个离子在稳态下通过膜的净流动达到平衡决定的。虽然细胞通过钠钾泵保持内外离子浓度差，但膜电位最终由这些离子如何通过膜决定。
假设在稳态时，钠和钾的净电流方向相反并维持平衡，其比值为 -1.5，即：
$$i_Na / i_K = -1.5$$
代入前述公式，得到新的膜电位表达式：
$$V_m = (1.5g_KE_K + g_NaE_Na) / (1.5g_K + g_Na)$$
这个表达式说明在稳态条件下，钠的输出量是钾的 2/3（3 Na⁺ 出，2 K⁺ 入），电流方向相反。
电模型解释
可以将细胞膜视为一个电路模型，由电阻和电池组成。不同离子的通道类似电阻，每种离子都有自己专属的”电池”（其平衡电位）。这些电阻与电池的组合决定了膜的总体电位。例如，钾离子的平衡电位是 -85mV，钠离子的平衡电位是 +58mV。当膜对钾通透性大时，膜电位更接近钾的平衡电位。神经细胞静息状态下，膜对钾的通透性远高于钠。
离子通道与静息膜电位的关系
钾通道通常在静息状态下是开放的，因此主要决定静息电位。而钠通道多数处于关闭状态，只有少量泄漏。某些细胞中存在所谓 NALCN 的钠通道，即使在静息状态下也有钠离子缓慢流入，对膜电位产生一定影响。此外，有些氯通道也在静息状态下开放，如 CLC 通道。这些通道可能对特定细胞类型的静息电位产生重要影响。例如在运动神经元中，CLC 通道帮助维持负电位。
膜电位的变化
膜电位变化是动作电位产生的基础。当某一类离子突然增加或减少其通透性时，会引发膜电位的快速改变。如果钠通道打开，Na⁺ 会流入细胞，使膜电位去极化；反之，如果钾通道打开，K⁺ 外流，使膜电位重新极化或过极化。每种离子的通透性改变都会对膜电位产生特定方向的变化。膜电位变化取决于通道的开放状态和离子浓度差。
