新的超声波疗法，有可能阻止癫痫发作，改善头疼，甚至使你情绪好转。这背后的原理，与拳击赛场上一拳击倒失去意识有着莫大的关联。图片来源：flextherapistceus.com
（文/Anil Ananthaswamy）当我见到威廉·“杰米”·泰勒（William "Jamie" Tyler）的时候，他先让我看了一段视频，内容是“拳击比赛史上最具破坏性的击倒之一”。那是1990年的一次对战，美国拳击手朱利安·杰克逊（Julian Jackson）用一记右勾拳，狠狠击中了他的英国对手哈洛·格雷厄姆（Herol Graham）。格雷厄姆还没来得及倒在地上，就已经失去了意识。
泰勒是位拳击迷，以前还在哈佛拳击俱乐部里锻炼过。不过，他向我展示这段录像倒不是因为这个原因。作为美国弗吉尼亚理工大学的一名神经学家，他想用这段录像突出一个问题：按照我们对大脑的公认理解，此类击晕就是个谜题。我们把大脑看作生化和电子器官，那么一个机械事件，比如一拳打在脸上，怎么可能导致昏迷呢？“我们可以百分之百地肯定，绝对不会有电流从一个拳击手的皮手套上转移到另一个人的脸上。这是机械冲击，可是，挨打的人却失去了意识，”泰勒说，“就算这只是极端情况，却依然能够证明，大脑具有很强的机械敏感性。”
虽然毋庸置疑，脑细胞确实使用电信号和生化信号相互交流，但是泰勒和其他一些人认为，交流方式并不仅限于这两种。就像精确调校过的钟表里相互咬合的齿轮那样，神经元似乎也通过机械网络连接在一起。它们之间传递的力，可能以一种未知的方式，为我们的大脑存储记忆并快速适应新环境提供服务，使我们的大脑如同一台保养良好的机器，始终保持顺畅运行。
对于大脑机械机制的研究，不仅能够帮助我们探索思维运作这个古老的问题，还能提供近在眼前的实际益处。深入了解这种机械过程的中断或者混乱，可能有助于我们应对某些类型的脑损伤。甚至，我们也许还能利用声波来修复大脑的机械机制，进而开发出无创治疗癫痫等疾病的方法。
机械化大脑
机械脑的概念起源于公元2世纪古希腊医生盖伦（Galen）的错误设想。他提出，脑室抽压神经中的液体，以此控制身体的机能。甚至近到17世纪，笛卡尔还提出了一个类似的大脑功能理论。直到18世纪和19世纪，人们才逐渐弄明白，神经传递的是电信号。到了20世纪50年代，艾伦·霍奇金（Alan Hodgkin）和安德鲁·赫胥黎（Andrew Huxley）揭示了这种被称为动作电位的电信号如何沿着神经纤维传输，神经传递电信号学说如日中天。
后来，霍奇金和赫胥黎因为这项研究获得了诺贝尔奖。然而，就在他们的这项研究还在进行的时候，又有种种线索开始浮现出来，显示大脑信号传递可能还是会涉及机械过程。第一条线索来自对乌贼神经的观察。受到微小电流的刺激时，乌贼神经似乎会因之收缩和膨胀。这一发现在其后的几十年间都未能得到重视。直到1980年，美国国家心理卫生研究所又有研究人员观察到了类似的情况。田崎一二（Ichiji Tasaki）和他的同事在取自蓝蟹蟹爪的神经中看到，当动作电位沿着神经传导时，机械波也随之同时传导（参见《科学》杂志，第210卷，338页）。
这一发现有助于解释神经元放电的能量转换问题。按照霍奇金和赫胥黎建立的模型，动作电位就像是电路。但是电路会发热，会损失能量，这却与实验观察到的结果不符：在神经脉冲的传导过程中，整体上并没有热量损失。如果把神经脉冲视作一种可释放和吸收热的机械波（无净损失），能量债务就可以完满地结清了。
上述发现在另一方面的意义也许更为重要。它表明，我们的神经系统在纳米尺度上嗡嗡地振动着。这为理解大脑的机械性质做好了前情铺垫。
除了沿着神经传导的机械波外，学界还开始研究神经元之间通过突触传递的力。通过带电离子和神经传递介质的释放，信号在突触处从一个神经元传递到另外一个。神经递质越过间隙，抵达对面神经元树突上的一个小小的蘑菇状的“棘刺”。然后就由接收到信号的神经元启动一个新的连锁活动，继续向前传导。
重要的是，树突棘是有弹性的，这一特性激起了DNA双螺旋结构的发现者之一 ——弗朗西斯·克里克（Francis Crick）的兴趣。他在20世纪80年代初假设，树突棘可能会在神经元间交换信息时产生微小动作，而由此导致的树突棘形状的变化，可能会以某种方式改变两个神经元之间传递的信号强度。他推测，这些活动甚至可能对记忆存储有一定的作用。当时还没有能够观察突触动态的技术，但到了1998年，克里克曾经的预言得到了证实。功能强大的显微镜拍下的影片显示，在几秒钟的时间里，树突棘确实动了，而且改变了形状。
驱动这种运动的“齿轮”虽然覆盖着重重迷雾，但是通过10年来的持续研究，数种可能性已经浮出了水面。泰勒最近在《自然神经科学评论》（Nature Reviews Neuroscience，第13卷，867页）上发表了一篇文章，对此进行了概述。例如，现在我们知道，树突中充满了一种被称为肌动蛋白的蛋白质。这种蛋白质在不同条件下，既可以组装成更大的聚合物，又能分散成更小的单位。变化过程中产生的力或许就足够大，不仅能使树突棘弯曲，还能使其收缩或膨胀。
关键在于，树突棘还通过粘合蛋白与突触另一侧的轴突终末相连。这意味着，当树突棘活动时，它所连接的轴突终末也会被拉动，由此可能产生潜在的重要影响。美国伊利诺伊大学厄巴纳－香槟分校的塔希尔·赛义夫（Taher Saif）及其同事证明，施加于轴突终末的力越大，它能够释放出的、用于横穿突触的神经递质分子数量就越多。通过这种方式，树突棘的运动就能够改变信号的强度，并进一步改变突触的可塑性。这一点非常重要，因为突触可塑性的变化可能是学习和记忆过程中存储信息的一种手段。
还不止如此，甚至邻近的突触之间也可能有信息交流。泰勒指出，邻近的树突棘处于同一个基底之上，这种基底由肌动蛋白和一种被称为微管的小棒组成，可以像弹簧一样储存弹性能量。当一个树突棘受到刺激，它似乎就会释放化学物质，引起基底结构变化，从而推动或拉近邻近的树突棘，改变相应突触的力量平衡。
除了化学的神经递质和电学的神经信号以外，机械的力的传导可能也在大脑的运转中起着重要作用。图片来源：《新科学家》
目前，还没有人观察到这种运动传递的过程，但是肌动蛋白和微管确实会响应树突棘的活动，动作规模和速度对于拖拉邻近的树突棘来说绰绰有余，泰勒说，这足以构成间接证据。如果这样的话，神经信号传递将又增加一条路线，作用或许是在我们适应周边情况的时候，帮助突触保持活动的协调性。
通过以这种方式控制信息流，这一机制可能在调节神经网络中起着至关重要的作用，而正是神经网络使得我们的大脑嗡嗡地运转着。不过，对此进行研究肯定是个精巧的活计，因为通常情况下，这种力的作用范围只有10微米。神经科学家因此求助于尖端技术，使用磁性粒子或是激光束之类能够施放非常细小的力的方法来处理这些结构。
泰勒感兴趣的，却是一种可以作用于活体大脑的技术。这项技术始于一次偶然的观察发现。当时他还是一名研究生，为了长时间保持兴奋，他把音乐开得声音很大，还在记录神经元电活动的设备边上放了台低音炮。出乎他意料的是，每次低音炮发声时，仪器上就会出现棘波。“你会看到这些突触事件似乎与低音有关，”泰勒说，“就好像在说，‘瞧，对脑组织的机械振动可以引起神经活动的变化’。”不过，由于看上去似乎没有发表论文的价值，泰勒就不再理会它了。
当泰勒在美国亚利桑那州立大学坦佩分校掌管起自己的实验室后，他马上就重新拾起了这个问题。2008年，他的研究团队把小鼠海马体切片置于低强度、低频率的超声波之中，也就是用压力波轻轻摇动大脑的机械组织。正如之前所怀疑的，超声波刺激了神经元放电，还使得突触位置释放的神经递质数量增多。
超声波疗法
之后，研究团队转向了活老鼠。他们用超声波脉冲刺激小鼠的运动皮层，引起了小鼠尾巴、前爪和胡须的抽动。他们甚至还在试验小鼠的大脑中植入了电极，以确认神经活动棘波确实与超声波刺激相随出现（参见《神经元》，第66卷，681页）。
实验结果似乎证实了机械外力可能会介入大脑进程的推测，从而潜在地为一拳击晕的谜题提供了答案。如果我们的突触和神经元受到精细的机械力的调节，那么打击头部就可能会破坏神经元之间的信号传递，迫使它们打开离子通道，激活受体。“有一种理论认为，如果所有的钾离子通道或钠离子通道在瞬间同时打开，”泰勒说，“就会让你丧失意识。”
机械大脑的设想，开始逐渐引起其他研究人员的兴趣。目前已经到美国食品及药物管理局工作的兰迪·金（Randy King），不久前还在美国加利福尼亚州的斯坦福大学，他在那里重复了泰勒的用超声波刺激小鼠的实验。他认为，由于波的强度很低，排除了超声波通过加热等其他机制影响大脑的可能性，因此，发生的必然是真正的机械性质的相互作用。兰迪说：“这表明，我们可以用非侵入性的方式激活大脑，这将对整个神经科学领域产生巨大影响。”
这项研究成果如此令人兴奋，原因之一在于，它有可能利用超声波来治疗脑部疾病。不同于治疗帕金森病和抑郁症的那种使用植入电极的脑深部电刺激，超声波治疗不需要动手术。与其他非侵入性方法相比，超声波又能刺激到大脑更深层的部位。现有的非侵入性方法，比如经颅磁刺激或是经颅直流电刺激，都是把电极贴在头皮上，使电场或磁场通过头骨，而不论电场还是磁场，都只能到达非常浅层的位置。
癫痫发作时，脑部许多区域的神经元同时放电。泰勒一直在研究，能否利用超声波刺激中止癫痫发作。在这一系列研究的第一个实验中，泰勒的研究团队先在实验小鼠中诱导出癫痫病发作的状态，然后用超声波照射小鼠头部，声波打破了同步放电，结束了癫痫发作。泰勒对这项技术寄予厚望，他希望能够用这项技术治疗那些因头部受伤而不时遭受癫痫病侵袭的人们。“如果能开发出类似外置的自动心脏除颤器那样的设备，只不过这回是用于大脑，来治疗脑损伤，那该多好，”泰勒说，“那就是我的设想。”
就像精确调校过的钟表里相互咬合的齿轮那样，神经元似乎也通过机械网络连接在一起。它们之间传递的力，可能以一种未知的方式，为我们的大脑存储记忆并快速适应新环境提供服务。图片来源：《新科学家》
改善心情
泰勒的研究工作激发了斯图尔特·哈莫洛夫（Stuart Hameroff）的灵感，他在自己身上进行了测试。哈莫洛夫是美国亚利桑那大学健康科学中心的麻醉师和知觉研究者。他对一位同事提议，把超声波疗法用在治疗慢性疼痛上，看看效果如何。那位同事同意了，只不过有个条件。哈莫洛夫回忆道：“他看着我说，‘你的头形很漂亮，就用你试一下吧！’”
于是，他们就这么定了——用超声波在哈莫洛夫的太阳穴处照射了15秒。当时什么都没有发生。“但是，大约1分钟之后，我就像喝了一瓶马提尼似的兴奋起来，”哈莫洛夫说，“接下来的大约2小时里，我都感觉相当好。”
更大规模的试验随即展开，31位慢性疼痛患者接受了后额叶皮层附近15秒种的超声波照射。无论是进行治疗的医生，还是接受治疗的自愿者，都不知道他们使用的是超声波还是安慰剂。接受了超声波治疗的自愿者反馈说，疼痛有轻微改善——而且，在治疗之后40分钟的时间里，他们的情绪变好了（参见《脑刺激》，第6卷，409页 ）。
即便如此，泰勒和兰迪都赞同，在把超声波应用于医疗之前，尚有安全问题需要解决。兰迪认为我们应该格外谨慎。“如果对大脑造成了损害，很可能会是永久的。大脑不像肌肉，肌肉的损伤可以治愈，”兰迪说，“一旦出了问题，就会导致巨大的后果，会对整个领域都会造成负面影响。”
泰勒迫切希望安全问题能够迅速解决，因为他相信，拨动机械大脑带来的好处不仅仅限于医疗应用。例如，超声波可以精确聚焦，所以就有可能对微小的大脑区域进行单独研究。你可以把试验目标放进功能磁共振成像扫描仪中，然后刺激大脑的某个区域，观察该区域如何与大脑的其他部位交流。凭借这项技术，我们将能够以前所有未有的分辨率，绘制出大脑内部的连接图和不同部位的功能图。
然而，到目前为止，进展一直不快，泰勒为大型项目寻找资金支持也遇到了重重困难。“如果你想改变一些东西，你可以小步慢走，用200年来做；你也可以大步跨越，在10到15年之内完成，”他说。而他追求的正是大步跨越。“我们可能就处在拥有一种新技术的边缘之上，这种新技术会彻底改变人类神经科学研究开展的方式。”
编译自：《新科学家》，The knockout enigma: How your mechanical brain works
