就職于哥本哈根尼爾斯·玻爾研究所（NielsBohrInstitute）的托馬斯·亨伯格（ThomasHeimburg），是一位研究量子力學和生物物理的物理學家。然而，他卻希望推翻很多神經科學教科書上的內容。在亨伯格看來，神經元之間通過類似于聲波的機械波通信，而電脈沖只是這個過程的副產品。假如亨伯格的理論得到證實，那將從根本上改寫生物學?！董h(huán)球科學》最新一期的封面故事，為我們講述了這項令人“匪夷所思”的研究。

撰文道格拉斯·?？怂梗―ouglasFox）

翻譯馬驍驍

編輯魏瀟廖紅艷

“誤入歧途”的科學家

多年來，科學家一直試圖理解神經沖動。它僅持續(xù)瞬間，從你踩到了一枚圖釘，到你的大腦接收到疼痛信號，只需不到一秒的時間。信號沿著神經纖維傳輸的速度大概是30米/秒。

20世紀50年代前后，研究者掌握了測量細胞膜內外電位差的技術。他們發(fā)現(xiàn)，當信號沿神經傳導經過電極時，膜電位會在幾毫秒內發(fā)生急劇變化。1952年，兩位英國科學家艾倫·霍奇金（AlanHodgkin）和安德魯·赫胥黎（AndrewHuxley）發(fā)現(xiàn)，神經元興奮出現(xiàn)時，鈉離子從細胞膜外涌入細胞膜內；然后，鉀離子又從細胞膜內涌向細胞膜外，使膜電位恢復正常。他們提出的Hodgkin-Huxley模型成為了現(xiàn)代神經科學的奠基石。

Hodgkin-Huxley模型簡圖

霍奇金和赫胥黎在1963年獲得了諾貝爾獎，不過仍有一些科學家在尋找與模型不一致的實驗現(xiàn)象。但是在過去，這些科學家被認為是搞錯了方向，沒有得到重視。

美國國立衛(wèi)生研究院（NationalInstitutesofHealth，NIH）的神經生物學家田崎一二（IchijiTasaki）就是其中之一。田崎一二1938年于日本慶應義塾大學取得博士學位，1951年前往美國，不久后即加入了NIH。田崎因發(fā)現(xiàn)動作電位在郎飛氏結（神經纖維上未被絕緣性的髓鞘包裹的部位）上的跳躍傳導而聞名于神經科學界，但是他在1979年做了一個挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的實驗：解剖螃蟹的腿，將一束神經暴露在外，然后利用顯微鏡小心翼翼地在上面放置了一小塊反光的鉑片，接著用一束激光照射鉑片。通過測量激光的反射角度，他能檢測到當動作電位通過時，神經束的寬度是否會發(fā)生微小改變。他和他當時的博士后研究員巖佐邦彥（KunihikoIwasa）進行了上百次測量。一周后，數據清晰地表明，當動作電位通過時，神經束會略微變寬再變窄，整個過程僅僅數毫秒。

雖然形變幅度很小，細胞膜表面只會上升約7納米，但這個現(xiàn)象和通過的電信號的節(jié)奏完全一致，證實了田崎多年來的猜測：霍奇金和赫胥黎所提出的理論不一定是對的。

田崎認為，神經信號遠不只是一個電信號，它同樣也是一個機械信號。假如只用電極測量神經細胞，一定會錯過很多重要信息。

在努力尋找證據的過程中，田崎逐漸偏離了學術界的主流。另外一些因素使得他的處境更為艱難。出生于日本的他英語不算流利。“你需要預先了解很多信息，才能和他進行深入的對話。”NIH神經科學部主任、認識田崎超過20年的彼得·巴塞（PeterBasser）介紹道，“而且我知道很多人覺得他的見解已經不如年輕時那么深刻了。”另一方面，雖然田崎和很多來訪的科學家進行過合作，他自身并沒有培養(yǎng)出能夠繼承衣缽的弟子。

在1997年的一次NIH重組中，田崎關閉了自己的實驗室，搬到了巴塞實驗室所在的一個小地方。他繼續(xù)一周工作七天，直到90多歲。2008年12月的一天，他在家附近散步時，突然失去平衡，頭摔在地上。一周后他去世了，享年98歲。

那時，田崎的工作早已從人們的視野里消失了。美國馬薩諸塞大學阿默斯特分校（UniversityofMassachusettsAmherst）的生物物理學家艾德里安·帕賽吉安（AdrianParsegian）從1967年到2009年一直在NIH工作，他說，“我不認為有誰質疑那些現(xiàn)象的存在，因為田崎在實驗室是很受尊敬的。”但是人們認為田崎的發(fā)現(xiàn)不是神經信號的本質，更多只是電信號的副產物。“真正的科學問題并沒有得到解決，”帕賽吉安說，“同一件事的一面進入了教科書，而另一面沒有。”

神經信號其實是機械波？

上世紀80年代中期，亨伯格正在德國馬普生物物理化學研究所攻讀博士學位，他就是在那個時候接觸到田崎的工作的。他一下子對這個問題著了迷，整天在圖書館翻閱古老的文獻。和田崎的理論不同，亨伯格找到了另一種解釋實驗現(xiàn)象的方法。他認為，機械波、光學性質變化和瞬時熱效應源自脂質的神經細胞膜，而不是細胞膜下方的蛋白質與碳水化合物纖維。

托馬斯·亨伯格（ThomasHeimburg）

亨伯格立刻開始了自己的實驗——通過壓縮人造細胞膜，研究它們對機械沖擊波的響應。他的研究得到了一些重要發(fā)現(xiàn)：組成細胞膜的油性脂質分子通常情況下可以流動，有著隨機的朝向，但很容易發(fā)生相變（物質從一種相轉變?yōu)榱硪环N相的過程）。只要輕輕擠壓細胞膜，脂質分子就會立即凝聚成高度有序的液晶狀態(tài)。

亨伯格根據這些實驗推斷，神經沖動是沿著神經細胞膜傳播的機械沖擊波。沖擊波傳播時把液態(tài)的細胞膜分子擠壓成液晶，在相變過程中釋放出一點熱量，就像水結成冰一樣。然后，當沖擊波通過后，細胞膜會再次變回液態(tài)，并吸收熱量，整個過程耗時數毫秒。短暫的相變過程使得細胞膜稍稍變寬，正如田崎和巖佐用激光照射鉑片時觀測到的一樣。

教科書上通常把細胞膜描繪成一層薄薄的絕緣層。但現(xiàn)在，物理學家開始意識到，細胞膜有著令人驚異的各種屬性。它屬于一類叫做壓電體的材料，在壓電材料內，機械能和電能可以互相轉化。石英手表的物理原理便基于此。這意味著，細胞膜上的電壓脈沖同樣攜帶著機械波，而機械波也可能以電壓脈沖的形式出現(xiàn)。

這一理論的實驗證據被亨伯格曾經的學生找到了。2009年，現(xiàn)就職于德國多特蒙德工業(yè)大學（TechnicalUniversityofDortmund）的生物物理學家馬提亞·施耐德（MatthiasSchneider）發(fā)現(xiàn)，對人造細胞膜施加電壓脈沖可以觸發(fā)機械波。他所用的脈沖強度和神經細胞中的電沖動相似，產生的沖擊波的速度約為50米/秒，與神經信號在人體內的傳播速度差不多。2012年，施耐德又證實，機械波和電壓脈沖是在膜上傳播的同一個波的不同部分。

不過施耐德最重要的發(fā)現(xiàn)是在2014年。神經沖動的一個關鍵特征是“全或無”。假如神經細胞接收的是低于特定閾值的刺激，它不會產生任何響應。只有當輸入足夠強，細胞才會放電。施耐德發(fā)現(xiàn)，人造細胞膜表面的電-機械波同樣也是“全或無”的。細胞膜是否受到足夠的壓力進入液晶態(tài)，似乎是決定電-機械波能否產生的因素。“只有在這種情況下，”施耐德說，“你才能觀察到神經沖動”。

飽受爭議

亨伯格把自己的理論命名為“孤波理論”（solitontheory，孤波指的是在傳播過程中保持形狀不變的波），但迄今為止生物學界的態(tài)度讓他沮喪。他的理論最早發(fā)表在2005年的《美國國家科學院院刊》（ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences，PNAS）上，盡管該雜志在學術界有很高聲望，但是對他的批評自那時起就沒有停息過。

加拿大渥太華醫(yī)院研究所（OttawaHospitalResearchInstitute）已經退休的著名神經生物學家凱瑟琳·莫里斯（CatherineMorris）就是質疑者之一，她告訴我，亨伯格的研究處處透露出一個自認為可以輕松進入其他領域，糾正別人的錯誤觀念的物理學家的傲慢。她的感受可以用一句她最喜歡的話概括：“我聽到的就是典型的物理學家論調——‘我們可以把這只奶牛近似成一個點’。”

莫里斯的反應在一定程度上可以理解。因為認為神經信號既是機械波也是電脈沖是一碼事，但像亨伯格和施耐德那樣斷言，離子通道在神經傳導過程中沒有作用就是另一碼事了。亨伯格和施耐德的理論和主流觀點之間最嚴重也最錯誤的分歧就在于此。要知道，科學家已經發(fā)現(xiàn)了數百種離子通道蛋白，還知道藥物可以選擇性調節(jié)離子流，而且還能改造這些蛋白對應的基因從而控制神經細胞放電。“他們居然對這么多生物證據視而不見，”研究了30年離子通道蛋白的莫里斯這樣說道。

亨伯格和施耐德對傳統(tǒng)觀念的質疑，體現(xiàn)了一種物理學的“文化“——相信所有現(xiàn)象都能用熱力學原理解釋。在他們看來，生物學家只關心蛋白而忽略了這些原理。田崎也抱有類似的極簡主義信仰，這或許也是他的理論不受重視的原因之一。

曾與田崎有過交集的賓夕法尼亞大學研究神經物理學布賴恩·扎爾茨貝格（BrianSalzberg）說，“田崎是個十分聰明的實驗學家，我絲毫不懷疑他測到的（神經寬度）變化是真實存在的，但他對結果的解讀是錯誤的。”扎爾茨貝格說，神經纖維之所以在電壓脈沖經過時會短暫地變寬，部分原因是由于，鈉離子和鉀離子跨膜流動時，一些水分子也通過離子通道進出細胞膜。假如田崎能接受離子通道的概念，他或許會對機械波的其他解釋持開放態(tài)度。

諾獎級發(fā)現(xiàn)？

神經信號產生時，產生的熱能可以達到電能的兩倍，但是后者卻完全主宰了神經科學研究。與電無關的那部分信號沒有受到研究者的青睞，部分原因也可以歸結到歷史的偶然。

田崎是一位有天賦的儀器制造者，來到美國后，他用自己的技能制造了一個精妙的一次性設備，能夠測量神經細胞的熱量和尺寸的瞬時變化。

但是，這些設備和實驗技能最終也沒能在其他科學家群體中傳播開來?？茖W家找到了更簡單易行的測量方法，例如能夠測量單個神經元電位的膜片鉗技術。隨著這些實驗技術的廣泛傳播，把神經信號理解為電信號的觀點逐漸深入人心。帕賽吉安承認，“這是一種文化偏差。人們通常會尋找自己能理解的工具，對那些難以理解的工具則避而遠之。而這可能對思考帶來影響。”

亨伯格和施耐德如今的情況很微妙。他們有可能獲諾貝爾獎，也可能像田崎一樣因自己的執(zhí)著而陷入困境，變得默默無聞。但今年2月，亨伯格執(zhí)著地對我說：“很多人只是想用我們的理論修補Hodgkin-Huxley模型?？墒?，我個人無法接受這兩種理論之間的任何妥協(xié)。”