生命科學

神經訊號是機械波?

物理學家重啟50年前的實驗,主張神經元傳遞訊號的方式是機械脈衝,而非電壓脈衝。

撰文/福克斯(Douglas Fox)
翻譯/謝伯讓

生命科學

神經訊號是機械波?

物理學家重啟50年前的實驗,主張神經元傳遞訊號的方式是機械脈衝,而非電壓脈衝。

撰文/福克斯(Douglas Fox)
翻譯/謝伯讓


丹麥哥本哈根一家醫院的病房中,一名有著棕色波浪頭髮的年輕女性受試者正躺在病床上。她伸出的左手臂上貼了許多電極,每隔幾秒鐘,電擊就會霹靂啪拉地刺激其手臂,每次她的手指都會抽動一下。她皺了皺眉頭,因為今天還得被電擊數百次。


這名受試者正出租自己的手臂,價格是1000丹麥克朗,約新台幣4800元。幾位醫師照護著這名受試者,還有一位專攻量子力學及生物物理學的研究人員海姆伯格(Thomas Heimburg)坐在一旁凳子上,正在iPad上描繪著一項嚴謹實驗的細節,希望能得到深切的結果。


醫師在這名受試者的手臂注入了麻醉藥物利多卡因(lidocaine),劑量足以讓手臂失去知覺並進行手術。一開始,受試者手臂神經對電擊沒有反應,研究人員逐漸增加電流強度,最後到40毫安培(約一開始電流的10倍強),約為一顆五瓦特燈泡的電流量。


啪的一聲,又來了一次電擊。受試者的手如垂死的蛇般抽動了一下。海姆伯格沒有特別注意她的手,因為他正專心看著牆上的電腦螢幕。一條代表手臂肌肉的神經電訊號波形在螢幕上大幅躍動,顯示出越來越強的電擊已開始減少麻醉效果。神經活動現在已經和麻醉前一樣強烈。對此海姆伯格十分滿意,他小聲地說:「教科書中所寫的知識和這項結果衝突。」


海姆伯格任職於以物理學著稱的丹麥波耳研究所,他希望能找到許多與教科書內容相衝突的結果。這項我在2011年親眼目睹的實驗,就是為了研究一個長久以來的醫學謎題。170年來,麻醉醫師一直為病人進行全身麻醉,已發現數十種有效的麻醉藥物。在高劑量的麻醉藥物下,神經元功能會依序暫停:先是記憶,接著是痛覺,再來是意識,最後是呼吸。在所有動物身上,無論人類或蒼蠅,都是這個順序。但沒有人知道麻醉原理,氧化亞氮、乙醚、七氟醚烷和氙的分子結構大相逕庭,因此不太可能都與細胞裡的同一種蛋白質起作用,這和其他藥物原理不同。


海姆伯格認為,麻醉藥物是以一種全然不同的方式運作:透過改變神經的機械特性。若真是如此,那麼神經元就屬於機械式,而非科學家數十年來以為的電流回路。根據海姆伯格的理論,物理衝擊波會在神經軸突上傳遞,如同聲波傳遞,而電脈衝只不過是這種物理衝擊波的副產物。他認為,麻醉藥物讓神經元「安靜」的原理,就是藥物被埋進包覆神經纖維外層的脂質膜中,使脂質膜變得太柔軟而無法傳遞物理衝擊波,就像吉他弦太鬆時無法彈奏。


當我旁觀那項實驗時,心中有點想以「頭腦不正常」來形容海姆伯格。但接下來七年,他和同事接連找到許多證據,這些精巧的測量方式顯示出單一神經元的機械波運作方式、脂質膜膨脹與收縮的程度與速度,以及麻醉藥物如何改變這些特性的方式。其他科學家也開始對此感興趣。海姆伯格正準備進行一項關鍵實驗來確立他的理論:測量機械波在單一神經元上傳遞時釋出的熱能。海姆伯格的研究持續顯示,神經脈衝比大多數生物學家所認為的更複雜。


神經脈衝的機械式特質之所以被忽略,可能與歷史上的一項意外有關。50年前的儀器可以輕易測量神經元中微弱的電生理活動,但當時沒有儀器可以測量機械波。硬體局限了科學家的發現,並決定了哪些想法成為主流思想。海姆伯格的實驗又重新開啟了那道已經有數十年歷史的科學裂痕。


從這個機械式神經元的故事中,我們可看到科學發展過程的偏見與歷史意外,它也可能改變我們對神經元、大腦以及心智功能的基礎知識。科學家正努力想解釋大腦如何完成臉部辨識和對話等複雜的心智功能,而他們的解釋方式就是透過充滿雜訊的神經元中不穩定的蛋白質活動。海姆伯格發現,機械波或許可彌補雜訊的負面影響。如果他的假說正確,他將改寫生物學。但他也可能完全錯誤。


發熱的神經元


科學家長久以來試圖解釋的神經脈衝,其實只是一瞬間的生理變化。當你踩到一顆圖釘時,你的大腦在幾分之一秒內就會讓你感到疼痛,訊號在神經纖維中是以高達每秒30公尺的速率傳遞。


神經纖維有點像微小的中空管子,它比頭髮還細,管壁是脂質膜。帶電的鈉離子和鉀離子則漂浮在脂質膜周圍。1900年年代中期,研究人員已知如何把電極刺入神經元中測量脂質膜兩側的電壓。他們發現神經電脈衝會沿著脂質膜傳遞,並在經過電極時,於數千分之一秒內造成電壓變化。1952年,英國科學家何杰金(Alan Hodgkin)與赫胥黎(Andrew Huxley)發現電壓變化是因鈉離子由外向內穿過脂質膜所致,電壓隨後會因為鉀離子由內向外穿過越脂質膜而恢復原狀。這項何杰金–赫胥黎理論,成了現代神經生理學的基石。


何杰金與赫胥黎於1963年獲得諾貝爾生醫獎。但是有幾位科學家持續觀察到與這項理論不符的現象,其中有些科學家被認為是走錯方向而遭眾人遺忘,海姆伯格所重現的實驗,正源自於此。


其中一位被歷史遺忘的科學家,就是曾任職於美國國家衛生研究院(NIH)的資深神經生物學家田崎一二(Ichiji Tasaki)。1979年,他進行了一項非正統的實驗:在顯微鏡下,他小心翼翼切開螃蟹的腿,並在其神經纖維束上放置了一小片發亮的鉑。接著把雷射打在鉑上,測量雷射的反射程度,以推測神經纖維束是否會在神經脈衝經過時出現短暫的膨脹或收縮。田崎一二與當時的博士後研究員岩佐邦彥(Kunihiko Iwasa)進行了數百次測量,一星期後發現了明顯結果:每當神經脈衝通過神經纖維時,都會在數千分之一秒內造成短暫的膨脹而後收縮。


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