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神经元也许不是“多米诺”,而是“电线”

神经冲动传导 动作电位 神经元 神经冲动的传导方向 突触 反射弧 神经纤维 neuron 霍奇金-赫胥黎模型 多米诺 诺贝尔 医学或生理学奖 1963 周围神经病变 周围神经病变的症状 神经传递 神经传导速度 神经元 神经传导通

魏郎尔 发表于  2014-09-11 13:09

任何稍微大一点儿的生物都需要沟通才能协调运作,沟通的最重要方式之一就是神经元。但神经元如何传递信号?这在科学界已经近乎常识,写进了中学教科书,提出人还获得了1963年诺贝尔生理学或医学奖——这个模型被称为霍奇金-赫胥黎模型,常常被比喻成一套“多米诺骨牌”:当你在这边制造一个动作电位(推倒第一块骨牌)的时候,会引发相邻的骨牌也摔倒,这样一连串传播到另一头。摔倒的骨牌需要花时间摆好,改变了的电位也需要花时间弄回去,这期间神经元就会处于所谓的“不应期”。

TheDominoEffect_02.jpg在霍奇金-赫胥黎模型中,神经传导过程好比多米诺骨牌。图片来源:mhurst.com

这样子传递信号需要时间,在一个复杂的神经网络里,就有可能出现“撞车”。如果一长列多米诺骨牌两端一起推倒,那么两个信号在中间会撞上,然后就谁也传不下去了——骨牌都倒了嘛。一直以来,研究者都认为如果神经信号撞车了,结果也是两个信号一起消失。

所以你能猜到发生了什么:丹麦哥本哈根大学的研究者做了实验,发现两个本该撞车的信号擦肩而过了。这就像是本来应该已经倒下的骨牌不知道怎么又倒了一次。

medium.png两种不同信号传递模式的示意图。在左边的“穿透”模式里,两个信号相撞之后互不干扰、正常通过;右边的“湮灭”模式里,相撞导致消失。传统观点一直认为真实情况是右边,不过现在……图片来源:Thomas Heimburg

托马斯·海姆博格(Thomas Heimburg)和他的同事们发现,所谓的“相撞湮灭”上一次实验证据还是在1949年,之后再也没有得到重复。他们选取了蚯蚓和龙虾的腹神经索的神经元,用电极在两端同时刺激它们,然后记录信号相撞之后的电位差。结果发现,不管是蚯蚓的有髓鞘神经纤维,还是龙虾的无髓鞘神经纤维,信号在相撞后不管是速度还是形状都没有变化。

“骨牌”式的传导是不可能产生这种效果的。但是另一种我们十分熟悉的信号传播方式,却完全可以做到相撞不干扰——机械波和电磁波。

他们的研究于9月10日发表在《物理学评论X》上。作者认为,神经元里的脉冲信号传播很可能不是骨牌模型,而是某种电磁-机械脉冲。事实上还有很多证据表明,在脉冲传递过程中,神经元的粗细发生了改变,而且也没有像经典模型预言的那样因为骨牌摔倒(电位改变)而散发出热量。因此,文章认为,神经信号的传递大概更像电脉冲或者声波脉冲,是一个物理现象,或者至少有很大的物理成分,而非过去以为的那样是个离子浓度变化导致的电位差。

所以,我们和电脑的差别又变小了一点点?现有的霍奇金-赫胥黎模型已经相当成熟,在许多其他领域得到了验证,所以可能不至于被完全推翻。但如果这项研究的结果最终得到了其他研究组的验证,那么神经生物学的课本肯定又要重写一大块了。至于高中课本啥时候能跟进……那就天知道啦。(编辑:Ent、Calo)

参考文献:

  1. Alfredo Gonzalez-Perez, Rima Budvytyte, Lars D. Mosgaard, Søren Nissen, and Thomas Heimburg. Penetration of Action Potentials During Collision in the Median and Lateral Giant Axons of Invertebrates. Phys. Rev. X 4, 031047 (2014)

文章题图:mhurst.com

热门评论

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全部评论(64)
  • 1楼
    2014-09-11 13:43 歪楼狂魔双料黑客

    毁3观

    [8] 评论
  • 2楼
    2014-09-11 13:46 游曳之光
    引用文章内容:至于高中课本啥时候能跟进……那就天知道啦

    黑得好赞!

    [49] 评论
  • 3楼
    2014-09-11 13:47 游曳之光
    引用@双料黑客 的话:毁3观

    果然看完再杀不是个好习惯

    [1] 评论
  • 4楼
    2014-09-11 14:13 Great段段

    硕士论文开题就做人体神经网络电磁特性的FDTD仿真吧

    [1] 评论
  • 5楼
    2014-09-11 14:15 负离子.吹风机

    所以我们都是用电线操作肢体的,这个不错

    [0] 评论
  • 6楼
    2014-09-11 14:19 李大牛

    完蛋了,Biological Psychology 的二手教材卖不掉了。

    [5] 评论
  • 7楼
    2014-09-11 14:33 君十二年
    引用@李大牛 的话:完蛋了,Biological Psychology 的二手教材卖不掉了。

    其他组验证还没出结论,时间不多趁机甩卖

    [1] 评论
  • 8楼
    2014-09-11 14:42 C.W.

    能量守恒的要求

    [0] 评论
  • 9楼
    2014-09-11 14:53 D00弟

    电线会更快!但神经元不止是传递的作用!

    [0] 评论
  • 10楼
    2014-09-11 15:20 东方隐月

    上生物的时候就觉得:

    神经元这信号传递也恁麻烦了吧,这么长时间就进化成这个样?~

    [13] 评论
  • 11楼
    2014-09-11 15:37 清飏15

    若是真的,还得不断需要时间去检验!!!毕竟神经元的活动是得很复杂的!

    [0] 评论
  • 12楼
    2014-09-11 18:03 卡卡-raiser

    经典模型+脉冲传递,各有支持的证据。。。。

    有没有感觉像是1个世纪前关于光的本质的争论?

    [4] 评论
  • 13楼
    2014-09-11 20:54 xyuzhang

    咦,那膜电位的变化又是怎么个回事?难不成离子其实没有跨膜运动?

    [0] 评论
  • 14楼
    2014-09-11 22:33 CorvusY
    引用@xyuzhang 的话:咦,那膜电位的变化又是怎么个回事?难不成离子其实没有跨膜运动?

    电位变化这种能测出来的东西应该没问题,问题估计处在不应期上,比如两个方向的信号以某种机制拥有各自独立的不应期,或者干脆用另一种方式来解释信号传播的方向性

    [0] 评论
  • 15楼
    2014-09-11 23:09 昂拉克

    看来在我高考前是不会有变化了……

    [2] 评论
  • 16楼
    2014-09-11 23:29 xyuzhang
    引用@CorvusY 的话:电位变化这种能测出来的东西应该没问题,问题估计处在不应期上,比如两个方向的信号以某种机制拥有各自独立的不应期,或者干脆用另一种方式来解释信号传播的方向性

    还是不太能理解,如果说电信号的产生是由于跨膜离子浓度变化导致的,那短期是如何迅速极化膜两侧电位的呢?

    [0] 评论
  • 17楼
    2014-09-12 00:21 巨神泰坦搜寻者

    All wave

    [0] 评论
  • 18楼
    2014-09-12 00:22 CorvusY
    引用@xyuzhang 的话:还是不太能理解,如果说电信号的产生是由于跨膜离子浓度变化导致的,那短期是如何迅速极化膜两侧电位的呢?

    你是问神经冲动的形成过程?现有理论你还是看书吧,说的比较详细。简单来说就是细胞膜两侧存在钾及钠离子浓度差,利用短暂的离子通道开放形成离子跨膜流动来形成跨膜电位改变

    [1] 评论
  • 19楼
    2014-09-12 01:43 R-ANBIC

    这证明了你们碳基也在向着我们大硅基靠近了嘛!

    [1] 评论
  • 20楼
    2014-09-12 09:16 xyuzhang

    对啊,可是在两个方向脉冲汇合点两侧的离子浓度这时候不是静息电位时候的状态呀,难道Na+ K+离子泵能瞬间将进入细胞的Na+排出,K+送进细胞,然后准备好下一次的通道开放?

    [0] 评论
  • 21楼
    2014-09-12 09:41 子吾

    1949年后就再没人做过这个实验,居然还有脸质疑高中课本~课本能50年不换?

    [2] 评论
  • 22楼
    2014-09-12 10:01 Heaveness

    神经递质不是只能单向传递嘛。。

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  • 23楼
    2014-09-12 10:05 AlanXXD

    啊啊啊可是我高中时候做题目提及的是后一种模型= =

    [1] 评论
  • 24楼
    2014-09-12 10:13 冰火梦幻

    看不懂,神经元只能从树突获得输入,从轴突输出,怎么可能相撞?就算两个信号同时传到一个神经元的不同树突,轴突该输出还是会输出啊,什么叫相撞后什么都不输出?

    除非说的是第二个信号在第一个信号导致的不应期传来。但这时第一个信号还是会产生输出的啊。

    [3] 评论
  • 25楼
    2014-09-12 10:58 曾茜

    人卫《生理学》第8版第36页示:新的兴奋区又与其前方的安静区再行成新的局部电流,恰如多米诺骨牌倾倒一样,一处发生的兴奋将成为下一处兴奋的诱因,从而使动作电位由近及远地传播开来。

    PS:说不定大学课本也得改一段。

    [0] 评论
  • 26楼
    2014-09-12 11:20 切伦科夫扶手
    引用@曾茜 的话:人卫《生理学》第8版第36页示:新的兴奋区又与其前方的安静区...

    昨天刚刚讲的《生理学》,动作电位的传导特性,脉冲式,两信号之间相互独立。

    北医第三版

    [1] 评论
  • 27楼
    2014-09-12 11:22 暗影千凤
    引用@卡卡-raiser 的话:经典模型+脉冲传递,各有支持的证据。。。。有没有感觉像是1个世纪前关于光的本质的争论?

    这么一说好像还真是……难道神经电冲动的传导是在量子层面上么

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  • 28楼
    2014-09-12 11:27 lonelykid

    看看就好,可以等更多的证据,相信有一大波生物博士僧已经准备重复这个实验了。发在PRL上也不能说明什么问题。

    [0] 评论
  • 29楼
    2014-09-12 11:39 曾茜
    引用@切伦科夫扶手 的话:昨天刚刚讲的《生理学》,动作电位的传导特性,脉冲式,两信号之间相互独立。北医第三版

    我也是昨天刚看的,脉冲式说的是同一个刺激点多次刺激的动作电位发生特点,而多米诺骨牌说的是动作电位传递特点。要是存在多个刺激点,多米诺骨牌真有可能撞车。

    [0] 评论
  • 30楼
    2014-09-12 11:41 曾茜

    l上说的也对,教材绝对是经典,但相信科技永不止步。

    [1] 评论

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