撰文 | 李莘莘（帝國理工學院博士後研究員）

責編 | 惠家明

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心臟的本質是一個泵，它每一秒鐘都在兢兢業業地跳動著，每一次跳動都是為了給全身供血 。

這雖然不是什麼新鮮事，但並不簡單。心臟究竟是怎麼工作的？在每次平平無奇的心跳背後，心臟究竟都經歷了些什麼？為了找到這些問題的答案，科學家們孜孜不倦地探求了上百年。

01 心臟：別管我，我可以自己跳

1628年，威廉·哈維（William Harvey） 發表了《心血運動論》，正確地描述了全身血液迴圈系統，但是他卻未能解釋心臟跳動的機制。心臟供血的最根本擠機制在於心臟的收縮，也就是我們所說的心臟跳動。但是心臟為什麼會跳？心臟是怎麼跳的？心臟的跳動是如何被控制的？對於這個問題，早期學術界爭論不休。

神經派認為神經系統支配著心臟的跳動，而心臟只是一個聽話的工具人罷了。心源派則認為，心跳主要是心臟的自主功能。究竟心臟的每次跳動是不是心臟自己說了算？幾百年來，沒有定論。直到19世紀後半葉，英國生理學家華特·賈斯高（Walter Gaskell）在劍橋進行的一系列研究給出了答案，而這個研究發現的背後有一個靈感女神：“美杜莎”。

1875年，賈斯高加入了麥克·福斯特（Michael Foster）位於劍橋的實驗室， 與福斯特一起研究心臟的跳動，與賈斯高同在福斯特手下工作的還有一位叫做喬治·羅馬尼斯（George Romanes）的科學家。羅馬尼斯後來較為人熟知的身份是達爾文的摯交好友以及進化論的忠實擁躉。在當時，羅馬尼斯的研究課題是神經系統和運動控制，他的一個重點研究物件就是被稱為 “美杜莎” 的水母，也就是水母亞門（Medusozoa）的動物。

Medusozoa水母亞門的動物又被稱為“美杜莎”水母 圖源：Wikimedia Commons

羅馬尼斯想透過水母的運動控制來了解神經系統，具體地說，就是觀察水母是如何控制傘面的一張一縮來實現遊動的。羅馬尼斯發現，如果水母的傘面邊緣被切除了，水母就動不了了，而被切除的傘面邊緣卻還能在培養皿中持續有節律的伸縮長達2-3天的時間。更關鍵的是，透過顯微鏡觀察，羅馬尼斯發現這些可以在體外自發伸縮的水母組織並沒有包含神經，也就是說這些是無需神經控制就可以自發運動的肌肉組織。羅馬尼斯知曉這一發現對於心臟研究的意義，他明確地向福斯特和賈斯高二人表達了自己的觀點：心臟與水母應當十分相似，無需神經控制就可以自發跳動。

賈斯高研究的助攻同事，喬治.羅馬尼斯 圖源：Elliott & Fry | Wikimedia Commons

羅馬尼斯的研究堅定了賈斯高和福斯特對心源說的肯定，但僅用水母作為證據並不充分，他們需要進一步在心臟上用實驗證實。賈斯高把試驗物件從常用的青蛙換成了烏龜，畢竟烏龜緩慢的心跳更便於觀察。要知道，當時距離最原始的心電圖儀出世還有三十年，研究心臟跳動主要還要靠肉眼觀察，而我們現代醫學的高階成像技術在當時根本無法想象。

透過切除烏龜的心室心尖，賈斯高首先證實了不包含神經組織的心尖在切除之後仍可以自發跳動，為心源說添加了一塊重要的基石。他還觀察到，心臟收縮的訊號傳導是存在順序的，大致是先從心竇附近傳至心房和心室的交界處，再傳至心室。雖然沒有高階的成像手段，但是賈斯高很聰明地採用了 “漸進切割” 的方法，透過逐步切斷心房和心室之間的組織，他在摸索中確定了心房和心室之間的傳導通路在哪裡。

這個實驗表明，如果切斷心房和心室之間傳導通路的一半，那麼大約只有1/2的心房收縮會引起心室的收縮；如果全部切斷，那麼心室和心房的收縮就會完全脫節，各跳各的誰也不管誰 。這其中更為深遠的含義連當時的賈斯高自己也還不能完全領會，科學家們幾十年後才會發現 ，這項實驗完全模擬了一類心率失常疾病的情形：房室阻隔。

華特·賈斯高肖像 圖源：Cambridge University Press and Wellcome Library

02 田原淳：心臟學界最勤奮刻苦的連連看玩家

儘管賈斯高的研究被後人認為是心跳機理研究的分水嶺，但在當時還不能算是一錘定音之作，畢竟他只是大致確定了心臟每部分的收縮順序和傳導路徑，沒有精確定位到完成每一步的組織。在賈斯高實驗的前後，精通13國語言的波西米亞學者楊·浦肯野（Jan Evangelista Purkinje）和瑞士科學家小維倫何·希斯（Wilhelm His, Jr ）分別於1839年和1893年發現並命名了心臟內部的浦肯野纖維（Purkinje fiber）和希氏束（His bundle），但是他們卻沒能摸清這些組織究竟有些什麼功能，它們之間又有什麼樣的聯絡。

這關鍵性的 “連連看” 的一步，是由日本科學家田原淳（Sunao Tawara）完成的。

現代心臟學之父，田原淳 圖源：Dr. S. Murayama, M.D., S. Tawara’s grandson, Wikimedia Commons

從帝國大學醫學院（University of Tokyo）畢業之後，田原淳從日本來到德國馬爾堡，師從著名的德國病理學家路德維希·阿紹夫（Ludwig Aschoff）。阿紹夫給這位遠道而來的學生準備了一份大禮：150個心臟。可能阿紹夫也沒有想到，田原淳刻苦勤勉超乎想象，用不到三年的時間就保質保量地完成了解剖150個心臟這項艱鉅的任務 。憑藉大量實驗，田原淳不僅解答了老師阿紹夫關於心肌炎的一些疑問，還發現並命名了房室結（AV bundle）。更重要的是，田原淳意識到了房室結、希氏束和浦肯野纖維的作用就是傳導心臟的電訊號，也就是心臟收縮的傳導通路。透過電刺激實驗，田原淳進一步在綿羊的心臟上驗證了他的結論，並將賈斯高，浦肯野和希斯的發現正確地整合在了一起。

在田原淳于1906年發表論文的不久後，荷蘭科學家威廉·埃因託芬（Willem Einthoven）發明了心電圖儀。田原淳的成果不僅為解讀心電圖提供了理論依據，同時將心臟研究帶入了全新的階段，田原淳被譽為是現代心臟學之父。

03 電脈衝的接力賽

田原淳的研究其實還缺少了心跳電訊號傳導的最後一塊拼圖，也就是傳導的起點：竇房結。在田原淳發表論文的同年，亞瑟·基斯（Sir Arthur Keith）在助手的幫助下發現了竇房結，並確定了竇房結就是引發每一次心跳的 “發令員”。自此，科學家們終於完整地搞清楚了一個人類生命最基本的問題：心臟是如何跳動的。

我們可以打個比方：每一次心跳就像一次接力賽。第一棒的竇房結髮起，然後電脈衝傳至心房，引起心房收縮，並傳給第二棒的房室結。接下來，電脈衝由房室結傳至第三棒希氏束，然後分別沿左右束支傳播。最後，電脈衝傳至第四棒，也就是遍佈在左右心室表面的浦肯野纖維，引發心室收縮。

這個過程或許看起來並不複雜，實則包含了許多不容小覷的協調細節，誰快誰慢其實很講究。首先說這四棒裡面最慢的房室結，電脈衝經過這裡時會有大約0.09秒延遲。不要小看這0.09秒，這個延遲保證了心室要等到心房將血液排至心室之後才會收縮，從而保障了全身供血，否則心室的收縮就會成為無用功。

而四棒之中 “跑” 得最快的就是浦肯野纖維，它負責在最後階段完成最關鍵性的衝刺 。因為（左）心室負擔著向全身供血的重要任務，電脈衝在這裡傳得越快，細胞收縮越同步 ，心室整體收縮得就越充分，噴出的血也就越多。要知道心臟功能臨床檢查最重要的指標之一 “射血分數”，衡量的就是左心室噴的血夠不夠。對於成年人而言，如果射血分數低於40%，就要敲響警鐘了。

心臟的電傳導通路 圖源：Madhero88 | Wikimedia Commons

04 整齊的心律千篇一律，不齊的心律卻各有各的問題

整齊的心律離不開每一個傳導環節正常有序的運轉。換言之，任何一個環節出錯都可能會導致心律不齊。

從竇房結開始說起，竇房結就是心臟的主時鐘，竇房結的自發起搏頻率決定了我們心跳的頻率，也就是每分鐘跳動60～100次。竇房結的頻率如果太快或者太慢，就會導致竇性心率失常。

而如果電脈衝從心房向心室傳導的時候出現問題，則會像賈斯高實驗展現的那樣，心室和心房的活動就會脫節，這種情況被稱為房室傳導阻滯。而電脈衝在心室內部傳匯出現問題的話，心室可能就會無規則地抽搐，無法為全身供血。這鐘狀態延續幾分鐘就可能導致大腦供血不足和心臟驟停，十分危險。在臨床治療中，如果出現了嚴重的傳導問題，就需要考慮植入起搏器或者除顫器，靠 “開外掛” 解決心跳的控制問題。

但是，無論是起搏器還是除顫器，目前我們對很多心律失常相關疾病的治療仍差強人意。主要原因在於，我們對於電傳導通路出現的問題缺乏更深入的瞭解。是什麼原因導致了這些傳匯出現問題？這些原因在分子層面的機制是什麼？用什麼治療手段可以修復通路？這些問題還有待科學家們進一步研究，以幫助更多病患的恢復健康。

參考資料：

Mark E Silverman, Daniel Grove, Charles B Upshaw, Why Does the Heart Beat? The Discovery of the Electrical System of the Heart, July 2006, Circulation 113(23):2775-81

Wallace Bruce Fye, The origin of the heart beat: a tale of frogs, jellyfish, and turtles., Circulation. 1987 Sep;76(3):493-500. doi: 10.1161/01.cir.76.3.493.

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