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爱因斯坦脑袋细胞杂谈 |
分类: 小多月刊-问你问我 |
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老人皱巴巴的手颤抖着,他摸索着把钥匙插进锁眼,然后转动。已经生锈的别克车发出咯吱咯吱的声音,托马斯·
哈维博士(Thomas
Harvey)费力地打开后备箱,小心地把手探进去,抬出一个大罐子。罐子里面,漂着发黄的粉色液体,发出一股难闻的味道,这是……一个人类的大脑啊。不过,可不是一般人的大脑。老人手里捧的是爱因斯坦的大脑。
哈维博士40年前趁着给爱因斯坦验尸的机会,偷走了他的大脑。虽然他曾无数次地触碰过冰冷的尸体皮肤,从里面摘除过滑溜溜的器官,并仔细地在笔记本上记下它们的重量和尺寸,但是爱因斯坦的这具尸体可是不一样的。爱因斯坦的智慧让哈维博士着迷,他想知道,爱因斯坦的脑子里到底有什么秘密,他可是本世纪最伟大的科学家之一。
如今哈维博士上了岁数,他决定横穿美国去到加州,把保存下来的大脑归还给爱因斯坦的孙女。不过这个大脑没有剩下多少东西了。几十年来,哈维从爱因斯坦的大脑上切走了很多小片,分给科学家去研究,所有人对这个天才大脑都很感兴趣。
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脑袋里的气泡垫
玛利亚·戴尔蒙德博士(Marian Diamond)是美国加州伯克莱大学大脑结构学方面的专家,她也幸运地拿到了切片。她把切片放到显微镜下,仔细地研究。她测量了神经元的大小,但这些脑细胞并不比正常人的大。然后她又数了数它们的数量,也不比你我的多。
接下来,她做了一项不同寻常的研究。在人脑中,神经元外还垫着一层细胞,叫做神经胶质(glia),这层细胞紧紧地裹在神经细胞周围,保护着它们,并向它们输送养分。戴尔蒙德博士开始仔细观察神经胶质。(这就好比打开一个包裹,把礼物放在一边,只摆弄里面的气泡垫。)她注意到,爱因斯坦大脑切片中的神经胶质要比正常人的多很多。而这些神经胶质细胞,在大部分人眼里只是包在细胞外的填充物,它们和天才之间有什么关系呢?
为了找出答案,戴尔蒙德和其他科学家们(包括我)对神经胶质进行了更仔细的观察。神经胶质给神经元输送养分,并清理它们工作中产生的废物。神经元可以生成电子信号,因为它们本身就是微型蓄电池。跟手电筒里的电池一样,在神经元细胞里,一种特殊的盐溶液产生了电压。盐也被称之为氯化钠,它里面有带正电的钠离子,当神经元发射出一个电脉冲,钠离子就会流向神经元。
但是很快,电压就会降下来。这时就需要充电,带正电的钾离子随即从神经元中流了出来。如果堆积在神经元细胞外的钾离子液体浓度过高,这个细胞电池(cellular)就不能充电了,神经元也就不能发射出新的电脉冲。而神经胶质会把神经元周围的钾离子吸走,所以神经元就能继续充电,再发出脉冲。
神经胶质还吸收一种叫神经递质的化学物质,这种物质能帮助神经元互相传递化学信息。在两个神经元之间,还有一个特殊的点,叫做突触,神经元就是在突触上把信息发送出去的。突触工作的过程就像投手扔出一个棒球给捕手。发送信息的神经元是投手,它释放化学信息;旁边的神经元就是捕手,它里面有特殊的分子可以接住神经递质。
这些叫做受体(Receptor)的分子在接住神经递质时,它们会在神经元内发出电脉冲,表示它们收到了信息。为了能让神经元发送新的信息,就需要将突触上的这些化学信息清理出去,不然,新信息就会因为旧信息的存在而变得混乱。突触上的神经胶质也会像对待钾离子一样,把神经递质吸走。这样一来,神经元就可以发送新的信息了。
科学家取走了一些神经胶质,把它们放到实验室的器皿里培养,这些细胞的形状有点儿像星星,所以被称为星形胶质细胞。科学家使用了微电极,想看看星形胶质细胞是不是能像神经元一样产生电脉冲,但他们发现这些细胞都不行。当时,这一结果使大部分科学家都认为,星形胶质不参与大脑的信息处理,或者说不是造成爱因斯坦这么聪明的原因。如果将神经元比作大脑中的商人,那么神经胶质仅仅是它们的仆人,商人要什么,它们就回应什么。
荧光棒传递的信息
最近,科学家创造了一种新的方法,神经胶质的探测有了惊人的发现:胶质细胞之间会“说话”!与神经元不同,神经胶质交流的方式并不是通过电,它们使用的神秘语言是化学信息。这种物质能像荧光棒一样发出明亮的绿光。当你摇晃荧光棒,将里面的两种化学物质混在一起时,荧光棒就会发光。但新的化学物质只有同钙离子混合的情况下,才会发光。
科学家将这种新的化学物质放到星形胶质的培养皿中。在显微镜下,科学家看见一个细胞内闪动着绿光,然后绿光又传到旁边的细胞,接着又是一个,一个接一个……一直传遍整个培养皿。星形胶质之间通过钙离子传递神秘信息、进行对话。但它们在讨论什么呢?相对论?时间旅行?
神经元交谈的时候,神经胶质可能真的在倾听呢,它们把口信放在钙离子里,然后把这个秘密传给其它的神经胶质。为了验证这个想法,科学家将神经递质加到培养皿中,他们设想突触旁的神经胶质可能会像神经元一样,也有受体,它们能捕捉到神经元之间传递的化学信号。可能神经胶质里的受体不是电信号,而是钙离子信号。
神经胶质和神经元在大脑和脊髓中共同协作。神经元互相传递信息,这样,身体就可以感知和移动了。神经胶质给神经元提供养分、给神经轴突包裹上绝缘层。现在,研究者知道了神经胶质还在大脑的信息流动中发挥着作用。
当神经递质滴到培养皿中,星形胶质就开始发出明亮的荧光。接着,一个光环开始在整个培养皿中扩散,像一块儿石头落进池塘,激起一片涟漪。星形胶质好像听到了两个神经元之间的对话,然后就在彼此间传播这个秘闻,就好像学生们说悄悄话,一个传一个,最后整个班都知道了。
这意外的发现真是太有意思了。但是除了闲聊外,星形胶质是不是还参与了其它的活动呢?还记得神经元是怎么释放神经递质、进行交流的吗?整个过程就像一个投手把球扔给捕手。科学家想知道,神经胶质接收到同伴传来的钙离子信号时,是不是也会发出神经递质。
为了验证这个可能性,科学家将神经元也放到神经胶质的培养皿中,并加入了一种可以显示出神经胶质里的钙离子浓度上升情况的化学物质。然后他们在神经元里插入细小的电极,记录神经元在突触上传递的电信息。在钙离子信息掠过一片神经胶质、到达离突触最近的胶质细胞的时候,科学家发现,神经元里的电信号有了变化。这意味着在神经胶质收到钙离子信息的时候,它用某种方法向神经元发送了一条信息,神经元之间传递的电信号随之改变。科学家仔细地分析了这一过程,很快发现神经胶质能够向突触释放一种神经递质,就和神经元一样。当神经胶质收到另一个同伴那里传来的钙离子信号的时候,它就会释放出这种神经递质。
科幻故事里经常会出现机器人,它们本来是由计算机控制、为人类服务的,但当人类过于依赖它们的时候,它们就会成为主宰。像这些机器人一样,神经胶质也能控制神经元。它们听到神经元之间传递的化学信号,然后就开始在内部传送这个信息,一个在不同突触上的神经胶质收到信息后,它或是释放出神经递质给突触、从而放大神经元之间的信号,或是吸收掉神经递质、让突触两边对话的神经元安静下来。神经胶质远不止是细胞泡沫垫这么简单,它能控制大脑里的信息流动!
这是不是和爱因斯坦出众的才华有着某种联系呢?爱因斯坦大脑里有着大量的神经胶质。不过,科学家还不能充分证明这一点。关于爱因斯坦的天才,还有很多别的理论(见附栏)。可以确认的是,科学家曾经漏掉了那么多大脑细胞间的对话,他们只注意听了神经元在说什么,而忽视了神经胶质在说什么。既然他们知道了神经胶质和自己的同伴、和神经元使用什么语言对话,他们当然想听、想学习,这也有可能揭开天才的秘密。关于爱因斯坦的大脑,我们现在起码能确定一件事了:爱因斯坦去世50多年以后,他的大脑不会再到处“跑”了!
更轻,更多沟回
还有一些研究显示,爱因斯坦的大脑仅重1230克,而一个男性大脑的平均重量是1400克,爱因斯坦的大脑皮层比大部分人的都薄。科学家还得出结论说,爱因斯坦大脑中的神经元密度很大,由于神经细胞紧密地挤在一起,思维处理有可能更快。
1999年另外的一份研究显示,爱因斯坦有一部分大脑里的沟回与常人不同,而这部分大脑是负责数学计算和立体空间推理的。我们也可以说是这些沟回让爱因斯坦的神经元交流得更有效率了。
爱因斯坦的大脑已经放了近半个世纪,在这么长时间里,可能受到过损伤,所以,我们很难有十足的把握来证明这些发现。我们仍然不十分清楚,是什么能让一个人成为天才,但是我们还会继续对生者和死者的大脑做更进一步的研究,努力找到问题的答案。