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蒋辉:想像你是一个神经元

时间:2005-04-06 14:49来源:本站原创 作者:bioguider 阅读:

科学现场:想像你是一个神经元   

“现在我是一个神经元。”蒋辉仔细调着显微镜的焦距,寻找着那个用肉眼看不到的神经细胞,又一次开始了他的想像:“我生出来了,现在我要开始长,现在我要开始动了,我应该向哪个方向长?应该怎么动?我怎么能找到我要控制的那个地方?”

  作为中国科学院上海神经科学研究所的一名博士研究生,蒋辉常常处于这种想像中。他伸出自己的胳膊,张开五指,缓慢地向外延伸着。

  神经元,又叫神经细胞,是构成动物神经系统的基本单位。在蒋辉的显微镜下,每个成熟的神经细胞看起来都像一棵枝繁叶茂的大树。它有很多短而小的突起,科学上称为“树突”,还有一个比树突长几倍的突起,科学上称为“轴突”。对于一个神经细胞来讲,树突就是它的“侦察兵”,负责接受从外界传来的信息,轴突则像个“传令兵”,将神经细胞对外界的反应传递到其他细胞中去。人体的神经元们彼此相连,结成一张巨大的网络,从而调节我们的一举一动。

  粗略估计,人体内的神经元有上百亿个,它们各司其职。令人惊异的是,所有神经元都有一个共性:每个神经元只有一个轴突。这让蒋辉十分好奇:“有没有可能长出多个轴突?”

  经过近一年的实验,通过控制某种酶的活性,他竟然成功地使一个神经元长出了多个轴突———哈哈,一个“千手神经元”!这项研究发现,发表在今年1月的《细胞》杂志上。这是一本在国际科学界与《自然》、《科学》等期刊齐名的杂志。25年来,这是中国内地在此杂志上发表的第一篇论文。除了导师饶毅教授外,与蒋辉同时署名的,还有他的两位同学:郭炜和梁新华。

  蒋辉继续向外伸展着他的两条胳膊,“看,我长了!”

  如果一个神经元真能拥有多个轴突,会让人或动物变得更聪明吗?蒋辉想了想说:“不,我不知道。”他承认这样有些冒险。

  神经元细胞的胞体大部分生活在我们的大脑和脊柱中。它们感知和控制着人体的各个部位。通过“侦察兵”树突,它们能够感受到我们在摸着一个婴儿柔嫩的小脸,或走路时脚尖踢到一块石头的疼痛;然后“传令兵”轴突让我们明白,可以继续抚摸婴儿,或者远离那块石头。

  “它为什么不选择多长几个轴突来传导命令?或者减少几个树突来感受知觉?”

  在蒋辉看来,所有关于神经科学的问题,都含有某种哲学意味:为什么每个神经细胞只有一个轴突?为什么通过这些就可以控制人的行动?它们究竟是怎样做的?记忆是储存在神经细胞中的吗?是存在轴突里还是树突里?正是这些没完没了的“为什么”使蒋辉产生了极大的兴趣,牵引他陷在一个无法解释又难以自拔的求索中:人的意识是如何产生的?

  可惜,即便对于人体内有多少种神经细胞这类纯技术化的问题,目前也没有人能给出准确的答案。蒋辉的研究似乎也证明不了什么。实验用的是老鼠的脑神经细胞,没有人知道这些细胞在老鼠体内生长的完整细节,也没人能够确认,人的脑细胞就是和老鼠的脑细胞一样。当我们想知道绝对正确的知识的时候,科学家却还不能给出标准的答案。

  这也许就是科学探索的真谛:不断向真理逼进,却似乎永远行进在途中,没有人能预测终点。

  世界上第一次提出神经元的树突、轴突概念就是依靠想像。100多年前,西班牙神经解剖学家拉蒙·卡哈尔通过一架极粗糙的显微镜观察脑切片,他画了几百幅画,描述看到的神经元和神经系统的模样。出人意料,卡哈尔画的所有神经元都是只有一个长的轴突和若干短的树突。他甚至想像出了树突与轴突的作用。在轴突周围,他标上了从细胞胞体向外走的箭头;在树突周围,他标上了相反的方向。

  原来人们认为,神经系统是一张紧密相联的网,神经元通过树突和轴突手拉着手,信息就这样从一个神经元传递到另一个神经元,好比接力赛跑或击鼓传花一样。但卡哈尔设想,神经元之间都有微小的空隙,信息是从一个神经元“蹦”到另一个神经元上去的。他惊人的设想不久就被证实了。现在,通过普通的光学显微镜能清楚地看到神经元的长相,可以放大1500倍的电子显微镜,帮助人们找到了卡哈尔想像的那个空隙。

  此后,人们了解得越来越多:信息在神经系统内的传递是依靠一种微弱的电流传递完成的。传递速度每秒约100米,或者说,每小时360公里,还比不过一个旧式螺旋桨飞机的速度,听起来有点令人沮丧,但似乎也够用了。

  在神经细胞膜上有若干不同的“通道”,不同的信息有固定的通道,就像看电影要对号入座一样。细胞膜就是那个检票员,“单号,走这边。双号,那边。你是楼上的,拐弯上楼梯。”

  我们似乎有些糊涂了,这样就能产生知觉了吗?这样,我们就能控制自己的行为了吗?会跑、能哭、做算术,记住某个人的名字,甚至产生思想?就靠成千亿个这种树枝状联成的东西?

  在蒋辉的实验中,从胚胎鼠的脑中提取出的神经元,被放置在一个培养皿里。开始,它们像一个个摊在煎锅里的鸡蛋,只是一片透明体。用不了一两天,它们便像章鱼一样,开始伸出几条触手,越长越长;突然,通常是在第二、三天,几乎所有触手停止了生长,只剩下一条,继续使劲地长着。大概又过了几天,轴突已经长得足够长了,树突便会跟着继续生长,它们在触手上再生触手,枝叉上再生枝叉,无限制漫延下去。

  “我现在是个神经元的轴突,我要长了!”蒋辉支起一只脚,帮我想像着轴突的生长状态,一个最长的轴突要从脊柱一直伸展到脚趾尖,那1米多长的路程,对一个纤细的轴突来说,犹如人类从地球到月球那样遥远。

  蒋辉一点也不担心,他知道每一条轴突都能“看”到一张地图,上面标记了它所应去的地方和路线,它只需按图索骥便可大功告成。可这张图科学家们看不到。蒋辉他们设想,这张地图的绘制者应该是基因。在过去十多年的研究里,一个令人兴奋的突破就是找到了一些重要的导向分子和它们的信号传导机制。

  有些实验纯属是好奇,蒋辉会重复前人已经做过的实验———将那条疯长的轴突拦腰截断。当截断后的轴突仍然比其他树突长两倍以上时,神经元仍然会不遗余力地供养这条轴突,让它继续长长;当将这一轴突截成和其他树突差不多长时,神经元似乎被搞晕了,它默默想了一会儿,然后放弃了这个残疾的轴突,又选择了一条树突,努力使之长成轴突。无论如何,永远都只有一条轴突。

  蒋辉说:“一个神经元95%以上的物质都集中在轴突里。”选择哪一个突起长成轴突,对神经元意味着一大笔投资,我们至今没有办法知道,一个神经细胞是如何盘算的。

  更为神奇的是,当一个神经元认为它的轴突足够长时,它会在这条轴突的根部筑上密密的“栅栏”,这样树突和轴突各自特异的蛋白质就不会混起来;然后在轴突外层裹上一层厚厚的膜,就像裹在电线外面的绝缘体一样,也许是要防止短路?可以证实的是,绝缘体越厚,信息传递的速度越快。无数平行的轴突加上它们的“绝缘体”聚成一束,便构成了我们通常说的神经纤维。

  神经细胞几乎是不能再生的。人出生前,它们密布的“线路”已经竣工,只待“通电”便可启用。但如果使用过程中有线路遭到损毁,很难找到维修的“电工”。人们只能靠运气。如果仅仅是纤维末端有些损伤,或许依靠它自己和其他神经纤维的力量还能凑合着用。但如果是“保险丝”这样重要的零件坏了,对不起,没有备用的,这条线路所路过的地方只能全部瘫痪。但也可能,竣工时它就是一个不合格的工程。或者是某条线路没铺好,或者是检票员———神经细胞膜———没受过培训,堵住了某些通道;或者,某个轴突看错了地图,长错了方向,那可就大乱了。对此它们的主人毫无办法,只能承受。

  人类不甘心将身家性命系在这些肉眼看不见的蛛丝一般的东西上,受不了这些小东西控制了我们的所有———吃饭、睡觉、呼吸、消化、运动、知觉、感情……更可恶的是,它们控制了我们的思想和意识。

  从100多年前卡哈尔画出神经细胞的模样开始,科学家便热衷于探求这张神奇的网络的工作原理。每当我们对一个轴突,一个神经元、一种生物电的了解更多一些时,就会发现那个终极问题———意识是怎样产生的———离我们更远了。我们始终无法知道它们是怎么做到这点的。甚至有时候,我们都会想糊涂了:究竟是这些神经元是我们,还是我们是这些神经元?莫非,我们是在通过长在自己体内的神经元去了解它们自己?天哪,我似乎可以感觉到我的大脑里闪出一片火花,然后顺着脊柱“嗖”地传出去———我浑身激灵了一下。大概我的神经元们在传递这个想法时,发生了短路。瞧,我控制不了它们。

  发现了DNA双螺旋的克里克后半生几乎都在探求意识是如何产生的。但直至2004年他去世,也没找到答案。我们花了几千年时间才搞明白自己是如何产生的。但也许,直到人类灭绝那一天,我们仍搞不懂自己是怎么回事。

  蒋辉坦率地说:“我也不知道我们的发现有什么意义。它或者会指向这个方向,或者会指向那个方向,现在没人知道。我们只是发现了而已。”

  据他所知,美国已有一家实验室正在活鼠身上做着这样一项实验:将负责这种促进轴突生长的酶的基因去掉,看看神经元是不是会长出多个轴突;如果是,长出多个轴突的老鼠会是什么样?这又是一个让神经元短路的想像。

  蒋辉在和低年级同学交流时,打出的幻灯片将克里克称为“白眉鹰王”。

  “试着像他那样长久地思考……始终只对科学充满热情,而不理会那些他无法掌控的事物,包括死亡的来临。”

  蒋辉或许曾将自己想像成是克里克的某个神经元也说不定,要不怎么会对他的想法那么了解?

  坦率地说,我并不真的愿意把自己想像成一个神经元。它知道那么多我不知道的东西,真的作它,一定会累死。”  ( 稿件来源:人民网-《中国青年报》 )

(责任编辑:泉水)
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