神经信号竟然是机械波？

上周因为要做某体检，经历了人生第一次全麻。

一闭眼，一睁眼，半个小时就过去了。全无时间流逝感，挺好玩的。

关于麻醉，有一个很让人困惑的问题是：

现在临床上使用的麻醉药不下几十种——一氧化二氮、乙醚、七氟醚、氙等等等等——这些麻醉药的分子结构和化学活性相差极大。

而我们知道，麻醉药能起到麻醉效果，是因为它们阻断了神经信号的传递。

而我们又知道，教科书上说，神经信号是一种电信号。

而我们又又知道，神经细胞的放电是靠细胞中的某一类蛋白负责的化学反应（开启闭合细胞膜上的钠钾离子通道）而达到的。

——那这就奇怪了。很难相信，这么多分子结构迥异的麻醉药都是通过与细胞中同一类蛋白结合，来产生麻醉效果的。

这当然不是我自己发现的悖论。事实上，这个奇怪的事实早就被一些神经科学家注意到了。而物理学家托马斯·亨伯格为这个悖论提出了一个极具争议的假说：

神经信号根本就不是电信号，而是一种机械波！

如果这个假说被证实，那么所有生理学、神经科学、医学的教科书全部都要重写！

《环球科学》2018年5月号上的“神经信号是机械波？”这篇封面文章对托马斯·亨伯格的研究做了详细报道，这是我去年读《环球科学》 读到的最开脑洞的文章之一。

在亨伯格看来，神经细胞之间通过类似于声波的机械脉冲通信，而电脉冲只是这个过程的副产品。

所谓机械波，换成大白话就是，神经细胞“一个挤压一个”，通过把微小变化的物理压力传递下去而传播信号的。也就是说，神经不像是cpu里的半导体开关，而更像是弹簧啊！

乍一听很无厘头吧？

但是，请看下面对文章中一些关键知识点的摘录和转述，好像还挺有说服力的——

现在教科书里关于神经信号如何产生的模型是这样的：

“神经纤维就像是一些比头发丝还细的管子。管壁由油性的细胞膜组成。细胞膜内外充满了带电的钠离子和钾离子。20世纪50年代前后，研究者掌握了将电极刺入神经细胞内的技术，可以测量细胞膜内外的电位差。他们发现，当信号沿神经传导经过电极时，膜电位会在几毫秒内发生急剧变化。1952年，两位英国科学家艾伦·霍奇金（Alan Hodgkin）和安德鲁·赫胥黎（Andrew Huxley）发现，脉冲出现时，钠离子从细胞膜外涌入细胞膜内；然后，钾离子又从细胞膜内涌向细胞膜外，使膜电位恢复正常。他们提出的Hodgkin-Huxley模型成为了现代神经科学的奠基石。”

“不过仍有一些科学家在寻找与模型不一致的实验现象，……美国国立卫生研究院的神经生物学家田崎一二（Ichiji Tasaki）就是其中之一。他在1979年做了一个挑战传统的实验，解剖螃蟹的腿，将一束神经暴露在外，然后利用显微镜小心翼翼地在上面放置一小块反光的铂片，接着用一束激光照射铂片。通过测量激光的反射角度，他能检测到当电刺激通过时，神经束的宽度是否会发生微小改变。他和他当时的博士后研究员岩佐邦彦（Kunihiko Iwasa）进行了上百次测量。一周后，数据清晰地表明，当电脉冲通过神经时，神经束会略微变宽再变窄，整个过程仅仅数毫秒。”

“虽然形变幅度很小，细胞膜表面只会上升约7纳米。但这个现象和通过的神经信号完美一致，证实了田崎多年来的猜测：霍奇金和赫胥黎是错的。

在更早的20世纪40年代，研究者就注意到，当电信号通过神经纤维时，半透明的细胞会突然变得更不透明。1968年，田崎和另一个研究组发现的证据显示，脉冲处的细胞膜分子会改变排列结构，当脉冲通过后，这些分子又会恢复原来的构型。”

“另一个疑点是关于热量的。研究者通常认为电脉冲会导致发热，就像所有的电流一样。可是好几个研究组发现的事实却很奇怪。当脉冲通过神经时，神经纤维的温度会上升1℃的百万分之几，然而脉冲通过后温度又会迅速下降。看起来热量并没有消散掉，而是大部分被神经重新吸收了，整个过程同样持续数毫秒。”

“田崎认为，瞬时的形变、分子排列的重组、热量的迅速流动都指向一个惊人的结论：神经信号远不只是一个电信号，它同样也是一个机械信号。”

“亨伯格从上世纪90年代末开始做自己的实验，通过压缩人造细胞膜，研究它们对机械冲击波的响应。他的研究得到了一些重要发现：组成细胞膜的油性脂质分子通常情况下可以流动，有着随机的朝向，但很容易发生相变（物质从一种相转变为另一种相的过程）。只要轻轻挤压细胞膜，脂质分子就会立即凝聚成高度有序的液晶状态。”

“亨伯格根据这些实验推断，神经脉冲是沿着神经细胞膜传播的机械冲击波。冲击波传播时把液态的细胞膜分子挤压成液晶，在相变过程中释放出一点热量，就像水结成冰一样。然后，当冲击波通过后，细胞膜会再次变回液态，并吸收热量，整个过程耗时数毫秒。短暂的相变过程使得细胞膜稍稍变宽，正如田崎和岩佐用激光照射铂片时观测到的。”

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那么，机械波假说怎么解释麻醉悖论呢？

亨伯格认为“麻醉剂是浸入到神经纤维外表的脂质细胞膜中，改变其机械属性，使它们变得太软而不能传导机械波，从而实现麻醉效果的。就像吉他的弦太松，就无法弹奏一样。”

“对人造细胞膜做的实验支持这种猜想。亨伯格发现，把细胞膜浸在麻醉剂中，细胞膜会无法进入液晶态。原因是麻醉剂降低了细胞膜发生相变的临界温度（同时提高了临界压力），和盐或糖会降低水的冰点原理相同。”

“亨伯格认为，当细胞膜无法产生相变时，机械波就不能沿神经纤维传导，这才是麻醉剂使神经失活的真正原因。”

“他还预测，用一些手段能够克服该效应。……医生给自愿者手臂施加电刺激，这可以增加细胞膜的压力使其固化。试验显示，电刺激确实可以抵消麻醉效果。”

“假如用电流给细胞膜施压能够抵消麻醉，那么直接施以机械压力应该也能产生同样的效果。早在1942年，生物学家就已经做到了这点。他们使用了两种不同的麻醉剂，乙醇和氨基甲酸乙酯，把蝌蚪麻醉到无法游泳的程度。然后科学家把蝌蚪放入高压室，把压力增加到大气压的136倍。麻醉效果竟然消失了：蝌蚪开始继续游泳。当压力降低后，蝌蚪再次失去运动能力。”

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当然，作为一个超级非主流的假说，亨伯格的机械波理论目前备受质疑。比如：“要知道，科学家已经发现了数百种离子通道蛋白，还知道药物可以选择性调节离子流，而且还能改造这些蛋白对应的基因从而控制神经细胞放电。“他们居然对这么多生物证据视而不见，”研究了30年离子通道蛋白的莫里斯这样说道。”

不论最后结果如何，我觉得神经信号可能是机械波这个假设，就算只是当做脑洞来看，那也是相当有趣啊。

参考文献：

“神经信号是机械波？”《环球科学》2018年5月号