文｜吳建永（美國喬治城大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)科學(xué)教授）
幾天前《自然》雜志子刊發(fā)表了中國學(xué)者發(fā)現(xiàn)磁場感受器的文章俏险，小伙伴們一聽到都驚呆了呀伙。不光你我這樣的外行吃驚柱宦，就連同一領(lǐng)域的許多大佬也不信。所以這文章本來是投給《自然》主刊的荒揣，由于審稿人質(zhì)疑被拒涣易，最后發(fā)在《自然—材料》子刊上画机。
然而，下一個(gè)驚天動(dòng)地的大問題是新症，磁場受體怎么讓動(dòng)物感知磁場步氏。這只是個(gè)分子啊徒爹！分子多小你懂的荚醒，五萬個(gè)分子排好隊(duì)才有頭發(fā)絲那么粗。而且所謂細(xì)微變化只不過是分子的形狀發(fā)生一點(diǎn)小小變化而已隆嗅。這么小的分子上界阁，即使感受到了磁場，有了細(xì)微形狀改變胖喳，又怎樣能放大到動(dòng)物的知覺并指揮其行為呢泡躯？
這個(gè)關(guān)鍵的過程用一個(gè)詞來形容，就是“四兩撥千斤”丽焊。簡單這么一說你或許立刻頓悟了较剃。從分子到行為，關(guān)鍵就是個(gè)“水龍頭”機(jī)關(guān)凹冀 写穴！ 你肯定知道細(xì)胞外面都有一層膜，這層膜雖然只有3毫微米（30A）厚雌贱，卻像個(gè)結(jié)實(shí)的鐵桶啊送，仔細(xì)完全地包裹著細(xì)胞偿短，不讓物質(zhì)自由進(jìn)出。而感受器分子通過某種機(jī)制打開鐵桶上的水龍頭馋没，一打開就讓細(xì)胞外的離子大量涌入昔逗。 離子帶電，你懂的披泪。大量的鈉和鈣離子涌入細(xì)胞就帶進(jìn)大量正電荷纤子，產(chǎn)生一個(gè)正電壓。這個(gè)電壓變化的信號(hào)就能通知整個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)款票，動(dòng)物就能知道了。從感受器到細(xì)胞膜電壓變化確實(shí)就像是“四兩撥千斤”的開關(guān)：水龍頭四兩重泽论，打開后涌入千斤的水也毫無壓力艾少。
所謂感受器分子就是細(xì)胞膜上的蛋白分子。神經(jīng)細(xì)胞膜上的各種蛋白分子成千上萬翼悴，這里只介紹四種最重要的分子機(jī)器缚够。雖然大大簡化，但這四種機(jī)器聯(lián)合工作的道理代表了 95%的有關(guān)知識(shí)鹦赎。另外的百分之五只好麻煩您報(bào)考研究生谍椅，或者翻墻去找谷姑娘了。
四種機(jī)器的第一種是“離子泵”古话。這種蛋白分子也是跨細(xì)胞膜安裝雏吭，通過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來變化形狀，把鉀離子打進(jìn)細(xì)胞陪踩，鈉離子打出來杖们。這種泵是消耗能量的，所以可以逆離子濃度進(jìn)行肩狂。這樣細(xì)胞內(nèi)的鉀離子濃度就非常高摘完，鈉濃度非常低。這種濃度差別就像水壓傻谁，有了水壓水龍頭才能發(fā)揮作用孝治。所以下面三種分子水龍頭都要靠鉀離子和鈉離子的濃度差來發(fā)威。
第二種分子機(jī)器叫“泄漏型離子通道”审磁。泄漏型通道就像永遠(yuǎn)打開的水龍頭谈飒，只要有水壓就會(huì)冒水。但泄漏型通道會(huì)有選擇性地只讓一種離子通過細(xì)胞膜力图。比如神經(jīng)細(xì)胞的膜上都有泄漏型鉀離子通道步绸，它們選擇性地只讓鉀離子漏出去。由于離子泵不斷工作吃媒，細(xì)胞內(nèi)的鉀離子濃度非常高瓤介，所以鉀離子會(huì)不斷通過鉀通道漏出細(xì)胞吕喘。 這樣，泵一邊往細(xì)胞內(nèi)打刑桑，鉀通道一邊往外漏氯质，不是做無用工嗎？完全不是祠斧！我講課時(shí)講到這段總會(huì)賣個(gè)關(guān)子闻察，問學(xué)生鉀離子外漏會(huì)不會(huì)自己停下來。百分之九十的時(shí)候研究生或者醫(yī)學(xué)生都說永遠(yuǎn)不會(huì)停琢锋≡可是實(shí)際上很快就會(huì)自動(dòng)停下來。
這是因?yàn)殁涬x子帶一個(gè)正電荷吴超，每個(gè)漏出的鉀離子都會(huì)使一個(gè)電荷離開細(xì)胞钉嘹，使膜兩邊的電壓變高一點(diǎn)。具體說隨著鉀離子不斷漏出鲸阻，膜內(nèi)相對(duì)于膜外的電壓會(huì)越來越負(fù)跋涣，這個(gè)電場會(huì)阻止更多的鉀離子漏出。這樣鉀漏出越多鸟悴，跨膜的負(fù)電壓就會(huì)越高陈辱，電壓越高鉀離子漏出就越少。最后達(dá)到一個(gè)平衡细诸，也叫“電—化學(xué)平衡”沛贪。您若學(xué)過物理，肯定知道這種平衡和金屬在液體里的表面電位揍堰，半導(dǎo)體里的的PN結(jié)鹏浅，電池電極等等都是一個(gè)道理。所有神經(jīng)細(xì)胞都是利用離子泵和泄漏型鉀通道把細(xì)胞變成一個(gè)小電池屏歹， 叫做“靜息電位” 隐砸，電壓大約是 負(fù)60毫伏（手機(jī)電池的1/50左右）。利用這靜息電位就能讓各種水龍頭機(jī)制大顯神通蝙眶。
第三種分子機(jī)器季希，就是我們的主角，感受器離子通道閃亮出場幽纷。由于磁感受器的機(jī)制還不清楚（至少還需要5到10篇高質(zhì)量文章）式塌，我們用聽覺的機(jī)械感受器來舉例說明。機(jī)械感受器就像機(jī)械控制的水龍頭友浸，也是跨細(xì)胞膜的蛋白分子峰尝，在正常時(shí)候是不通的。只有在分子受到機(jī)械力時(shí)收恢，哪怕只有一埃的位移武学，其構(gòu)象也會(huì)改變祭往，形成一個(gè)離子通道。這個(gè)通道容許正離子通過火窒，這時(shí)細(xì)胞外的鈉或鈣離子會(huì)大量涌入硼补，這是因?yàn)榧?xì)胞內(nèi)鈉和鈣都很少，而且靜息電位的電場也會(huì)推動(dòng)正離子進(jìn)入細(xì)胞熏矿。大量鈉和鈣離子進(jìn)入就導(dǎo)致感受器周圍的膜電位變正已骇，比如從負(fù)60毫伏變到負(fù)50毫伏，比靜息時(shí)高了10毫伏票编。這個(gè)變化雖然很小褪储，但是由于第四種分子機(jī)器的介入，就會(huì)出現(xiàn)翻天覆地的大變化慧域。
這個(gè)第四種分子機(jī)器就是電壓敏感鈉通道乱豆，好比是電控水龍頭。這個(gè)離子通道在膜電位負(fù)60毫伏時(shí)是關(guān)閉的吊趾，但當(dāng)膜電位變到負(fù)55毫伏時(shí)（閾值電位），電壓敏感鈉通道的分子構(gòu)象會(huì)發(fā)生變化瑟啃，打開而形成一個(gè)鈉離子通道论泛。這樣鈉離子就會(huì)大量涌入細(xì)胞。設(shè)想由于感受器通道的開通雖然只使其周圍的少數(shù)幾個(gè)電壓敏感鈉通道打開蛹屿，但這少數(shù)幾個(gè)電壓敏感鈉通道打開后會(huì)引起更多的鈉離子涌入細(xì)胞屁奏，帶入的正電荷而引起更多的膜電位變正，這個(gè)正電壓又會(huì)使更多的電控鈉龍頭（電壓敏感鈉通道）打開错负，又引起更大的鈉內(nèi)流坟瓢。如此周而復(fù)始，像雪崩式（正反饋）的過程會(huì)在0.2毫秒之內(nèi)讓整個(gè)神經(jīng)細(xì)胞所有電壓敏感鈉通道都打開犹撒。這時(shí)膜電位翻轉(zhuǎn)折联，達(dá)到正30毫伏。這個(gè)電壓识颊，也叫“動(dòng)作電位”诚镰，是神經(jīng)系統(tǒng)計(jì)算的專用信息。動(dòng)作電位會(huì)傳導(dǎo)給下一級(jí)神經(jīng)細(xì)胞祥款，繼而傳遍整個(gè)神經(jīng)系統(tǒng)清笨，使動(dòng)物感受到聽覺。
總結(jié)一下：機(jī)械感受器的離子通道利用只有一埃的位移打開一個(gè)離子通道刃跛，讓幾百萬個(gè)鈉離子進(jìn)入細(xì)胞抠艾，使其周圍一小區(qū)的膜電位達(dá)到閾值，打開幾個(gè)電壓敏感鈉通道桨昙。這些鈉通道打開后又使更多的鈉離子進(jìn)入检号，膜電壓變得更正腌歉，如此導(dǎo)致更多電壓敏感鈉通道打開，產(chǎn)生動(dòng)作電位谨敛，膜電位變化接近100毫伏究履。這個(gè)四兩撥千斤過程的放大倍數(shù)大得難以想像。
這四種細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)分子機(jī)器共同構(gòu)成了一個(gè)異常靈敏脸狸，同時(shí)噪聲又非常低的生物傳感器最仑。有多靈敏呢？實(shí)驗(yàn)證明光感受器使人能看到一個(gè)光子（４都住）泥彤，嗅覺感受器能讓昆蟲聞見一個(gè)氣味分子。聽覺感受器能讓我們感知只有一個(gè)原子核直徑的位移卿啡。
下圖是耳朵里聽覺感受器的的電鏡照片吟吝，那個(gè)像仙人掌似的是細(xì)胞上的纖毛，仔細(xì)看其頂端的細(xì)絲（題圖上比較清楚）就是拉動(dòng)離子通道的蛋白質(zhì)絲颈娜。右邊的示意圖畫著一個(gè)離子通道被兩個(gè)蛋白分子構(gòu)成的繩子牽拉剑逃，這樣只有一個(gè)原子直徑那么小的位移就能被感覺。
好了官辽，雖然磁感受器的具體機(jī)制還不知道蛹磺，但是可以負(fù)責(zé)地說它和神經(jīng)細(xì)胞的其他幾種分子機(jī)器組合來感受磁場。與其偶聯(lián)的一個(gè)分子在磁場改變時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小動(dòng)作同仆，導(dǎo)致一個(gè)分子構(gòu)象改變讓鈉離子流進(jìn)神經(jīng)細(xì)胞萤捆。
動(dòng)物能感受磁場是人們?cè)缫阎赖模热绾｝斔着砒澋榷寄苡玫厍虼艌鰧?dǎo)航俗或。但磁感受的機(jī)制現(xiàn)在還不完全知道。從已經(jīng)知道的信息岁忘，1.辛慰、動(dòng)物確實(shí)能感知地球磁場這么弱的磁場，并以此來導(dǎo)航臭觉。2昆雀、信鴿的這種感受器可能在嗅覺黏膜上，因?yàn)槿绻o它們鼻子里滴一點(diǎn)局部麻醉藥蝠筑，磁感覺就消失了墙牌。3椅文、磁感受器很有可能是靠偶聯(lián)到一種離子通道而起作用。
最后說一下為什么有人認(rèn)為磁感受器是“蘿卜兒”獎(jiǎng)級(jí)的工作：這是因?yàn)樽髡甙l(fā)現(xiàn)了這個(gè)感受器的基因，就可以讓它在神經(jīng)細(xì)胞中表達(dá)橘霎，使神經(jīng)細(xì)胞的活動(dòng)（靜息電位和動(dòng)作電位）能夠被外界磁場調(diào)節(jié)赁酝。近期來講，現(xiàn)在治某些大腦疾病（比如帕金森）要把電極植入腦內(nèi)智亮。如果能用磁場做這種刺激就不必手術(shù)移植電極。如此無損刺激大腦的技術(shù)門檻就低多了点待，可以應(yīng)用在日常生活中比如刺激一下失憶患者就能想起忘記的信息阔蛉。
更遠(yuǎn)的例子就比較神奇了。你知道你清醒的時(shí)候大腦中大部分神經(jīng)細(xì)胞的靜息電位在負(fù)55毫伏左右癞埠，但打瞌睡時(shí)會(huì)降到負(fù)65毫伏左右状原，而在所謂黃金睡眠的時(shí)候（慢波第三期）靜息電位會(huì)每秒一次在負(fù)50和負(fù)70毫伏之間振蕩。如果神經(jīng)細(xì)胞能感受磁場苗踪，那么枕邊的一臺(tái)小機(jī)器就能讓你瞬間進(jìn)入黃金睡眠颠区。如果你現(xiàn)在是研究生，做一只能被磁場引入睡眠的老鼠通铲，絕對(duì)是一篇上好博士論文毕莱。當(dāng)然更遠(yuǎn)的遠(yuǎn)景是開發(fā)一種新的大腦—計(jì)算機(jī)接口，通過磁場傳遞信息颅夺。如果這樣朋截，這篇文章的知識(shí)就能在幾秒的時(shí)間內(nèi)進(jìn)入您的大腦并像自己的思想一樣栩栩如生地浮現(xiàn)，好像剛上過一學(xué)期研究生課似的吧黄。那該有多神奇爸屎汀！
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