冲绳科学技术大学院大学通过建模破解BK离子通道演化之谜，发现高通量通道能减少钙离子竞争，提升神经元信号定时精度。
在1980年代初期，科学家在细胞膜上发现了一种特殊现象。他们找到一种被称为BK通道(大电导钾通道)的离子通道，单个通道分子的钾离子运输效率大约是其他钾通道的10倍。虽然随后的结构研究解释了它高效运输的原理，但科学家一直不明白生物为什么需要演化出效率如此之高的通道。
发表在《通讯-生物学》上的一项新研究揭开了这个困扰学术界40年的谜团。来自冲绳科学技术大学院大学(OIST)的研究团队通过分子模拟与演化建模，探索了不同物种神经元中BK通道的导通特性，发现其对神经元电信号发射时机的影响正是推动该通道演化的关键压力。
冲绳科学技术大学院大学计算神经科学单元负责人Erik De Schutter表示，BK通道广泛分布于各类神经元中，对调节细胞放电至关重要。放电是脑细胞通过电信号协调沟通的过程。此前没有人知道生物演化出高通量通道的原因，而这项研究提供了答案。
脑细胞之间的通信依赖带正电荷的离子穿过细胞膜上的专用离子通道产生电信号。在动物界中，BK通道的单通道导通率显著高于其他钾通道，有时甚至高出10至20倍。不过这种导通能力在不同物种间存在差异。在演化树上越接近哺乳动物和鸟类的物种，其BK通道导通率就越高，无脊椎动物则相对较低。为了厘清机制，Erik De Schutter团队联合冲绳科学技术大学院大学演化基因组学单元的演化生物学家Thomas Bourguignon和Simon Hellemans，整合基因组数据与文献，梳理了BK通道在不同物种中的演化趋势。
研究团队使用名为STEPS的分子模拟软件对单个离子通道建模。BK通道属于钙激活通道，完全开放需要结合4个钙离子。模拟显示，钙离子消耗是限制通道激活的关键。在低导通率物种中，细胞需要开放大量通道才能达到足够的离子流量，这会导致通道之间争夺有限的游离钙离子，抑制进一步激活。而哺乳动物和鸟类的高导通率通道只需要极少数开放即可完成运输，不会引发钙离子争夺。
团队进一步利用模型研究了通道导通能力对放电时机的影响。放电时机决定了神经元发射电脉冲的精确时刻，这对运动控制、记忆保持和感官信息处理等高级大脑功能不可或缺。模型显示，低导通率会导致放电时机波动较大。随着高等动物演化出更复杂的生理功能，亚毫秒级的精准放电时机成为刚性需求，这正是推动BK通道导通率在演化中不断提升的核心动力。虽然该研究基于蒲肯野细胞的简化理论模型，但研究人员希望这一成果能为神经科学及演化生物学领域带来新的启发。
原文：https://phys.org/news/2026-10-current-calcium-longstanding-ion-channel.html