（文/Anil Ananthaswamy）當(dāng)我見(jiàn)到威廉·“杰米”·泰勒（William "Jamie" Tyler）的時(shí)候，他先讓我看了一段視頻，內(nèi)容是“拳擊比賽史上最具破壞性的擊倒之一”。那是1990年的一次對(duì)戰(zhàn)，美國(guó)拳擊手朱利安·杰克遜（Julian Jackson）用一記右勾拳，狠狠擊中了他的英國(guó)對(duì)手哈洛·格雷厄姆（Herol Graham）。格雷厄姆還沒(méi)來(lái)得及倒在地上，就已經(jīng)失去了意識(shí)。
泰勒是位拳擊迷，以前還在哈佛拳擊俱樂(lè)部里鍛煉過(guò)。不過(guò)，他向我展示這段錄像倒不是因?yàn)檫@個(gè)原因。作為美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)的一名神經(jīng)學(xué)家，他想用這段錄像突出一個(gè)問(wèn)題：按照我們對(duì)大腦的公認(rèn)理解，此類擊暈就是個(gè)謎題。我們把大腦看作生化和電子器官，那么一個(gè)機(jī)械事件，比如一拳打在臉上，怎么可能導(dǎo)致昏迷呢？“我們可以百分之百地肯定，絕對(duì)不會(huì)有電流從一個(gè)拳擊手的皮手套上轉(zhuǎn)移到另一個(gè)人的臉上。這是機(jī)械沖擊，可是，挨打的人卻失去了意識(shí)，”泰勒說(shuō)，“就算這只是極端情況，卻依然能夠證明，大腦具有很強(qiáng)的機(jī)械敏感性。”
雖然毋庸置疑，腦細(xì)胞確實(shí)使用電信號(hào)和生化信號(hào)相互交流，但是泰勒和其他一些人認(rèn)為，交流方式并不僅限于這兩種。就像精確調(diào)校過(guò)的鐘表里相互咬合的齒輪那樣，神經(jīng)元似乎也通過(guò)機(jī)械網(wǎng)絡(luò)連接在一起。它們之間傳遞的力，可能以一種未知的方式，為我們的大腦存儲(chǔ)記憶并快速適應(yīng)新環(huán)境提供服務(wù)，使我們的大腦如同一臺(tái)保養(yǎng)良好的機(jī)器，始終保持順暢運(yùn)行。
對(duì)于大腦機(jī)械機(jī)制的研究，不僅能夠幫助我們探索思維運(yùn)作這個(gè)古老的問(wèn)題，還能提供近在眼前的實(shí)際益處。深入了解這種機(jī)械過(guò)程的中斷或者混亂，可能有助于我們應(yīng)對(duì)某些類型的腦損傷。甚至，我們也許還能利用聲波來(lái)修復(fù)大腦的機(jī)械機(jī)制，進(jìn)而開(kāi)發(fā)出無(wú)創(chuàng)治療癲癇等疾病的方法。
機(jī)械化大腦
機(jī)械腦的概念起源于公元2世紀(jì)古希臘醫(yī)生蓋倫（Galen）的錯(cuò)誤設(shè)想。他提出，腦室抽壓神經(jīng)中的液體，以此控制身體的機(jī)能。甚至近到17世紀(jì)，笛卡爾還提出了一個(gè)類似的大腦功能理論。直到18世紀(jì)和19世紀(jì)，人們才逐漸弄明白，神經(jīng)傳遞的是電信號(hào)。到了20世紀(jì)50年代，艾倫·霍奇金（Alan Hodgkin）和安德魯·赫胥黎（Andrew Huxley）揭示了這種被稱為動(dòng)作電位的電信號(hào)如何沿著神經(jīng)纖維傳輸，神經(jīng)傳遞電信號(hào)學(xué)說(shuō)如日中天。
后來(lái)，霍奇金和赫胥黎因?yàn)檫@項(xiàng)研究獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。然而，就在他們的這項(xiàng)研究還在進(jìn)行的時(shí)候，又有種種線索開(kāi)始浮現(xiàn)出來(lái)，顯示大腦信號(hào)傳遞可能還是會(huì)涉及機(jī)械過(guò)程。第一條線索來(lái)自對(duì)烏賊神經(jīng)的觀察。受到微小電流的刺激時(shí)，烏賊神經(jīng)似乎會(huì)因之收縮和膨脹。這一發(fā)現(xiàn)在其后的幾十年間都未能得到重視。直到1980年，美國(guó)國(guó)家心理衛(wèi)生研究所又有研究人員觀察到了類似的情況。田崎一二（Ichiji Tasaki）和他的同事在取自藍(lán)蟹蟹爪的神經(jīng)中看到，當(dāng)動(dòng)作電位沿著神經(jīng)傳導(dǎo)時(shí)，機(jī)械波也隨之同時(shí)傳導(dǎo)（參見(jiàn)《科學(xué)》雜志，第210卷，338頁(yè)）。
這一發(fā)現(xiàn)有助于解釋神經(jīng)元放電的能量轉(zhuǎn)換問(wèn)題。按照霍奇金和赫胥黎建立的模型，動(dòng)作電位就像是電路。但是電路會(huì)發(fā)熱，會(huì)損失能量，這卻與實(shí)驗(yàn)觀察到的結(jié)果不符：在神經(jīng)脈沖的傳導(dǎo)過(guò)程中，整體上并沒(méi)有熱量損失。如果把神經(jīng)脈沖視作一種可釋放和吸收熱的機(jī)械波（無(wú)凈損失），能量債務(wù)就可以完滿地結(jié)清了。
上述發(fā)現(xiàn)在另一方面的意義也許更為重要。它表明，我們的神經(jīng)系統(tǒng)在納米尺度上嗡嗡地振動(dòng)著。這為理解大腦的機(jī)械性質(zhì)做好了前情鋪墊。
除了沿著神經(jīng)傳導(dǎo)的機(jī)械波外，學(xué)界還開(kāi)始研究神經(jīng)元之間通過(guò)突觸傳遞的力。通過(guò)帶電離子和神經(jīng)傳遞介質(zhì)的釋放，信號(hào)在突觸處從一個(gè)神經(jīng)元傳遞到另外一個(gè)。神經(jīng)遞質(zhì)越過(guò)間隙，抵達(dá)對(duì)面神經(jīng)元樹(shù)突上的一個(gè)小小的蘑菇狀的“棘刺”。然后就由接收到信號(hào)的神經(jīng)元啟動(dòng)一個(gè)新的連鎖活動(dòng)，繼續(xù)向前傳導(dǎo)。
重要的是，樹(shù)突棘是有彈性的，這一特性激起了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)者之一 ——弗朗西斯·克里克（Francis Crick）的興趣。他在20世紀(jì)80年代初假設(shè)，樹(shù)突棘可能會(huì)在神經(jīng)元間交換信息時(shí)產(chǎn)生微小動(dòng)作，而由此導(dǎo)致的樹(shù)突棘形狀的變化，可能會(huì)以某種方式改變兩個(gè)神經(jīng)元之間傳遞的信號(hào)強(qiáng)度。他推測(cè)，這些活動(dòng)甚至可能對(duì)記憶存儲(chǔ)有一定的作用。當(dāng)時(shí)還沒(méi)有能夠觀察突觸動(dòng)態(tài)的技術(shù)，但到了1998年，克里克曾經(jīng)的預(yù)言得到了證實(shí)。功能強(qiáng)大的顯微鏡拍下的影片顯示，在幾秒鐘的時(shí)間里，樹(shù)突棘確實(shí)動(dòng)了，而且改變了形狀。
驅(qū)動(dòng)這種運(yùn)動(dòng)的“齒輪”雖然覆蓋著重重迷霧，但是通過(guò)10年來(lái)的持續(xù)研究，數(shù)種可能性已經(jīng)浮出了水面。泰勒最近在《自然神經(jīng)科學(xué)評(píng)論》（Nature Reviews Neuroscience，第13卷，867頁(yè)）上發(fā)表了一篇文章，對(duì)此進(jìn)行了概述。例如，現(xiàn)在我們知道，樹(shù)突中充滿了一種被稱為肌動(dòng)蛋白的蛋白質(zhì)。這種蛋白質(zhì)在不同條件下，既可以組裝成更大的聚合物，又能分散成更小的單位。變化過(guò)程中產(chǎn)生的力或許就足夠大，不僅能使樹(shù)突棘彎曲，還能使其收縮或膨脹。
關(guān)鍵在于，樹(shù)突棘還通過(guò)粘合蛋白與突觸另一側(cè)的軸突終末相連。這意味著，當(dāng)樹(shù)突棘活動(dòng)時(shí)，它所連接的軸突終末也會(huì)被拉動(dòng)，由此可能產(chǎn)生潛在的重要影響。美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納－香檳分校的塔希爾·賽義夫（Taher Saif）及其同事證明，施加于軸突終末的力越大，它能夠釋放出的、用于橫穿突觸的神經(jīng)遞質(zhì)分子數(shù)量就越多。通過(guò)這種方式，樹(shù)突棘的運(yùn)動(dòng)就能夠改變信號(hào)的強(qiáng)度，并進(jìn)一步改變突觸的可塑性。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)橥挥|可塑性的變化可能是學(xué)習(xí)和記憶過(guò)程中存儲(chǔ)信息的一種手段。
還不止如此，甚至鄰近的突觸之間也可能有信息交流。泰勒指出，鄰近的樹(shù)突棘處于同一個(gè)基底之上，這種基底由肌動(dòng)蛋白和一種被稱為微管的小棒組成，可以像彈簧一樣儲(chǔ)存彈性能量。當(dāng)一個(gè)樹(shù)突棘受到刺激，它似乎就會(huì)釋放化學(xué)物質(zhì)，引起基底結(jié)構(gòu)變化，從而推動(dòng)或拉近鄰近的樹(shù)突棘，改變相應(yīng)突觸的力量平衡。
目前，還沒(méi)有人觀察到這種運(yùn)動(dòng)傳遞的過(guò)程，但是肌動(dòng)蛋白和微管確實(shí)會(huì)響應(yīng)樹(shù)突棘的活動(dòng)，動(dòng)作規(guī)模和速度對(duì)于拖拉鄰近的樹(shù)突棘來(lái)說(shuō)綽綽有余，泰勒說(shuō)，這足以構(gòu)成間接證據(jù)。如果這樣的話，神經(jīng)信號(hào)傳遞將又增加一條路線，作用或許是在我們適應(yīng)周邊情況的時(shí)候，幫助突觸保持活動(dòng)的協(xié)調(diào)性。
通過(guò)以這種方式控制信息流，這一機(jī)制可能在調(diào)節(jié)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中起著至關(guān)重要的作用，而正是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使得我們的大腦嗡嗡地運(yùn)轉(zhuǎn)著。不過(guò)，對(duì)此進(jìn)行研究肯定是個(gè)精巧的活計(jì)，因?yàn)橥ǔＧ闆r下，這種力的作用范圍只有10微米。神經(jīng)科學(xué)家因此求助于尖端技術(shù)，使用磁性粒子或是激光束之類能夠施放非常細(xì)小的力的方法來(lái)處理這些結(jié)構(gòu)。
泰勒感興趣的，卻是一種可以作用于活體大腦的技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)始于一次偶然的觀察發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)他還是一名研究生，為了長(zhǎng)時(shí)間保持興奮，他把音樂(lè)開(kāi)得聲音很大，還在記錄神經(jīng)元電活動(dòng)的設(shè)備邊上放了臺(tái)低音炮。出乎他意料的是，每次低音炮發(fā)聲時(shí)，儀器上就會(huì)出現(xiàn)棘波。“你會(huì)看到這些突觸事件似乎與低音有關(guān)，”泰勒說(shuō)，“就好像在說(shuō)，‘瞧，對(duì)腦組織的機(jī)械振動(dòng)可以引起神經(jīng)活動(dòng)的變化’。”不過(guò)，由于看上去似乎沒(méi)有發(fā)表論文的價(jià)值，泰勒就不再理會(huì)它了。
當(dāng)泰勒在美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)坦佩分校掌管起自己的實(shí)驗(yàn)室后，他馬上就重新拾起了這個(gè)問(wèn)題。2008年，他的研究團(tuán)隊(duì)把小鼠海馬體切片置于低強(qiáng)度、低頻率的超聲波之中，也就是用壓力波輕輕搖動(dòng)大腦的機(jī)械組織。正如之前所懷疑的，超聲波刺激了神經(jīng)元放電，還使得突觸位置釋放的神經(jīng)遞質(zhì)數(shù)量增多。
超聲波療法
之后，研究團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向了活老鼠。他們用超聲波脈沖刺激小鼠的運(yùn)動(dòng)皮層，引起了小鼠尾巴、前爪和胡須的抽動(dòng)。他們甚至還在試驗(yàn)小鼠的大腦中植入了電極，以確認(rèn)神經(jīng)活動(dòng)棘波確實(shí)與超聲波刺激相隨出現(xiàn)（參見(jiàn)《神經(jīng)元》，第66卷，681頁(yè)）。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果似乎證實(shí)了機(jī)械外力可能會(huì)介入大腦進(jìn)程的推測(cè)，從而潛在地為一拳擊暈的謎題提供了答案。如果我們的突觸和神經(jīng)元受到精細(xì)的機(jī)械力的調(diào)節(jié)，那么打擊頭部就可能會(huì)破壞神經(jīng)元之間的信號(hào)傳遞，迫使它們打開(kāi)離子通道，激活受體。“有一種理論認(rèn)為，如果所有的鉀離子通道或鈉離子通道在瞬間同時(shí)打開(kāi)，”泰勒說(shuō)，“就會(huì)讓你喪失意識(shí)?！?/p>
機(jī)械大腦的設(shè)想，開(kāi)始逐漸引起其他研究人員的興趣。目前已經(jīng)到美國(guó)食品及藥物管理局工作的蘭迪·金（Randy King），不久前還在美國(guó)加利福尼亞州的斯坦福大學(xué)，他在那里重復(fù)了泰勒的用超聲波刺激小鼠的實(shí)驗(yàn)。他認(rèn)為，由于波的強(qiáng)度很低，排除了超聲波通過(guò)加熱等其他機(jī)制影響大腦的可能性，因此，發(fā)生的必然是真正的機(jī)械性質(zhì)的相互作用。蘭迪說(shuō)：“這表明，我們可以用非侵入性的方式激活大腦，這將對(duì)整個(gè)神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響。”
這項(xiàng)研究成果如此令人興奮，原因之一在于，它有可能利用超聲波來(lái)治療腦部疾病。不同于治療帕金森病和抑郁癥的那種使用植入電極的腦深部電刺激，超聲波治療不需要?jiǎng)邮中g(shù)。與其他非侵入性方法相比，超聲波又能刺激到大腦更深層的部位?，F(xiàn)有的非侵入性方法，比如經(jīng)顱磁刺激或是經(jīng)顱直流電刺激，都是把電極貼在頭皮上，使電場(chǎng)或磁場(chǎng)通過(guò)頭骨，而不論電場(chǎng)還是磁場(chǎng)，都只能到達(dá)非常淺層的位置。
癲癇發(fā)作時(shí)，腦部許多區(qū)域的神經(jīng)元同時(shí)放電。泰勒一直在研究，能否利用超聲波刺激中止癲癇發(fā)作。在這一系列研究的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，泰勒的研究團(tuán)隊(duì)先在實(shí)驗(yàn)小鼠中誘導(dǎo)出癲癇病發(fā)作的狀態(tài)，然后用超聲波照射小鼠頭部，聲波打破了同步放電，結(jié)束了癲癇發(fā)作。泰勒對(duì)這項(xiàng)技術(shù)寄予厚望，他希望能夠用這項(xiàng)技術(shù)治療那些因頭部受傷而不時(shí)遭受癲癇病侵襲的人們?！叭绻荛_(kāi)發(fā)出類似外置的自動(dòng)心臟除顫器那樣的設(shè)備，只不過(guò)這回是用于大腦，來(lái)治療腦損傷，那該多好，”泰勒說(shuō)，“那就是我的設(shè)想。”
改善心情
泰勒的研究工作激發(fā)了斯圖爾特·哈莫洛夫（Stuart Hameroff）的靈感，他在自己身上進(jìn)行了測(cè)試。哈莫洛夫是美國(guó)亞利桑那大學(xué)健康科學(xué)中心的麻醉師和知覺(jué)研究者。他對(duì)一位同事提議，把超聲波療法用在治療慢性疼痛上，看看效果如何。那位同事同意了，只不過(guò)有個(gè)條件。哈莫洛夫回憶道：“他看著我說(shuō)，‘你的頭形很漂亮，就用你試一下吧！’”
于是，他們就這么定了——用超聲波在哈莫洛夫的太陽(yáng)穴處照射了15秒。當(dāng)時(shí)什么都沒(méi)有發(fā)生。“但是，大約1分鐘之后，我就像喝了一瓶馬提尼似的興奮起來(lái)，”哈莫洛夫說(shuō)，“接下來(lái)的大約2小時(shí)里，我都感覺(jué)相當(dāng)好?！?/p>
更大規(guī)模的試驗(yàn)隨即展開(kāi)，31位慢性疼痛患者接受了后額葉皮層附近15秒種的超聲波照射。無(wú)論是進(jìn)行治療的醫(yī)生，還是接受治療的自愿者，都不知道他們使用的是超聲波還是安慰劑。接受了超聲波治療的自愿者反饋說(shuō)，疼痛有輕微改善——而且，在治療之后40分鐘的時(shí)間里，他們的情緒變好了（參見(jiàn)《腦刺激》，第6卷，409頁(yè) ）。
即便如此，泰勒和蘭迪都贊同，在把超聲波應(yīng)用于醫(yī)療之前，尚有安全問(wèn)題需要解決。蘭迪認(rèn)為我們應(yīng)該格外謹(jǐn)慎?！叭绻麑?duì)大腦造成了損害，很可能會(huì)是永久的。大腦不像肌肉，肌肉的損傷可以治愈，”蘭迪說(shuō)，“一旦出了問(wèn)題，就會(huì)導(dǎo)致巨大的后果，會(huì)對(duì)整個(gè)領(lǐng)域都會(huì)造成負(fù)面影響?！?/p>
泰勒迫切希望安全問(wèn)題能夠迅速解決，因?yàn)樗嘈?，撥?dòng)機(jī)械大腦帶來(lái)的好處不僅僅限于醫(yī)療應(yīng)用。例如，超聲波可以精確聚焦，所以就有可能對(duì)微小的大腦區(qū)域進(jìn)行單獨(dú)研究。你可以把試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)放進(jìn)功能磁共振成像掃描儀中，然后刺激大腦的某個(gè)區(qū)域，觀察該區(qū)域如何與大腦的其他部位交流。憑借這項(xiàng)技術(shù)，我們將能夠以前所有未有的分辨率，繪制出大腦內(nèi)部的連接圖和不同部位的功能圖。
然而，到目前為止，進(jìn)展一直不快，泰勒為大型項(xiàng)目尋找資金支持也遇到了重重困難?！叭绻阆敫淖円恍〇|西，你可以小步慢走，用200年來(lái)做；你也可以大步跨越，在10到15年之內(nèi)完成，”他說(shuō)。而他追求的正是大步跨越。“我們可能就處在擁有一種新技術(shù)的邊緣之上，這種新技術(shù)會(huì)徹底改變?nèi)祟惿窠?jīng)科學(xué)研究開(kāi)展的方式?！?/p>
編譯自：《新科學(xué)家》，The knockout enigma: How your mechanical brain works
