文｜吳建永（美國喬治城大學醫學院神經科學教授）

幾天前《自然》雜志子刊發表了中國學者發現磁場感受器的文章，小夥伴們一聽到都驚呆了。不光你我這樣的外行吃驚，就連同一領域的許多大佬也不信。所以這文章本來是投給《自然》主刊的，由于審稿人質疑被拒，最後發在《自然—材料》子刊上。

然而，下一個驚天動地的大問題是，磁場受體怎麼讓動物感知磁場。這隻是個分子啊！分子多小你懂的，五萬個分子排好隊才有頭發絲那麼粗。而且所謂細微變化隻不過是分子的形狀發生一點小小變化而已。這麼小的分子上，即使感受到了磁場，有了細微形狀改變，又怎樣能放大到動物的知覺并指揮其行為呢？

這個關鍵的過程用一個詞來形容，就是“四兩撥千斤”。簡單這麼一說你或許立刻頓悟了。從分子到行為，關鍵就是個“水龍頭”機關啊！ 你肯定知道細胞外面都有一層膜，這層膜雖然隻有3毫微米（30A）厚，卻像個結實的鐵桶，仔細完全地包裹着細胞，不讓物質自由進出。而感受器分子通過某種機制打開鐵桶上的水龍頭，一打開就讓細胞外的離子大量湧入。 離子帶電，你懂的。大量的鈉和鈣離子湧入細胞就帶進大量正電荷，産生一個正電壓。這個電壓變化的信号就能通知整個神經系統，動物就能知道了。從感受器到細胞膜電壓變化确實就像是“四兩撥千斤”的開關：水龍頭四兩重，打開後湧入千斤的水也毫無壓力。

所謂感受器分子就是細胞膜上的蛋白分子。神經細胞膜上的各種蛋白分子成千上萬，這裡隻介紹四種最重要的分子機器。雖然大大簡化，但這四種機器聯合工作的道理代表了 95%的有關知識。另外的百分之五隻好麻煩您報考研究生，或者翻牆去找谷姑娘了。

四種機器的第一種是“離子泵”。這種蛋白分子也是跨細胞膜安裝，通過旋轉運動來變化形狀，把鉀離子打進細胞，鈉離子打出來。這種泵是消耗能量的，所以可以逆離子濃度進行。這樣細胞内的鉀離子濃度就非常高，鈉濃度非常低。這種濃度差别就像水壓，有了水壓水龍頭才能發揮作用。所以下面三種分子水龍頭都要靠鉀離子和鈉離子的濃度差來發威。

第二種分子機器叫“洩漏型離子通道”。洩漏型通道就像永遠打開的水龍頭，隻要有水壓就會冒水。但洩漏型通道會有選擇性地隻讓一種離子通過細胞膜。比如神經細胞的膜上都有洩漏型鉀離子通道，它們選擇性地隻讓鉀離子漏出去。由于離子泵不斷工作，細胞内的鉀離子濃度非常高，所以鉀離子會不斷通過鉀通道漏出細胞。 這樣，泵一邊往細胞内打，鉀通道一邊往外漏，不是做無用工嗎？完全不是！我講課時講到這段總會賣個關子，問學生鉀離子外漏會不會自己停下來。百分之九十的時候研究生或者醫學生都說永遠不會停。可是實際上很快就會自動停下來。

這是因為鉀離子帶一個正電荷，每個漏出的鉀離子都會使一個電荷離開細胞，使膜兩邊的電壓變高一點。具體說随着鉀離子不斷漏出，膜内相對于膜外的電壓會越來越負，這個電場會阻止更多的鉀離子漏出。這樣鉀漏出越多，跨膜的負電壓就會越高，電壓越高鉀離子漏出就越少。最後達到一個平衡，也叫“電—化學平衡”。您若學過物理，肯定知道這種平衡和金屬在液體裡的表面電位，半導體裡的的PN結，電池電極等等都是一個道理。所有神經細胞都是利用離子泵和洩漏型鉀通道把細胞變成一個小電池， 叫做“靜息電位” ，電壓大約是 負60毫伏（手機電池的1/50左右）。利用這靜息電位就能讓各種水龍頭機制大顯神通。

第三種分子機器，就是我們的主角，感受器離子通道閃亮出場。由于磁感受器的機制還不清楚（至少還需要5到10篇高質量文章），我們用聽覺的機械感受器來舉例說明。機械感受器就像機械控制的水龍頭，也是跨細胞膜的蛋白分子，在正常時候是不通的。隻有在分子受到機械力時，哪怕隻有一埃的位移，其構象也會改變，形成一個離子通道。這個通道容許正離子通過，這時細胞外的鈉或鈣離子會大量湧入，這是因為細胞内鈉和鈣都很少，而且靜息電位的電場也會推動正離子進入細胞。大量鈉和鈣離子進入就導緻感受器周圍的膜電位變正，比如從負60毫伏變到負50毫伏，比靜息時高了10毫伏。這個變化雖然很小，但是由于第四種分子機器的介入，就會出現翻天覆地的大變化。

這個第四種分子機器就是電壓敏感鈉通道，好比是電控水龍頭。這個離子通道在膜電位負60毫伏時是關閉的，但當膜電位變到負55毫伏時（阈值電位），電壓敏感鈉通道的分子構象會發生變化，打開而形成一個鈉離子通道。這樣鈉離子就會大量湧入細胞。設想由于感受器通道的開通雖然隻使其周圍的少數幾個電壓敏感鈉通道打開，但這少數幾個電壓敏感鈉通道打開後會引起更多的鈉離子湧入細胞，帶入的正電荷而引起更多的膜電位變正，這個正電壓又會使更多的電控鈉龍頭（電壓敏感鈉通道）打開，又引起更大的鈉内流。如此周而複始，像雪崩式（正反饋）的過程會在0.2毫秒之内讓整個神經細胞所有電壓敏感鈉通道都打開。這時膜電位翻轉，達到正30毫伏。這個電壓，也叫“動作電位”，是神經系統計算的專用信息。動作電位會傳導給下一級神經細胞，繼而傳遍整個神經系統，使動物感受到聽覺。

總結一下：機械感受器的離子通道利用隻有一埃的位移打開一個離子通道，讓幾百萬個鈉離子進入細胞，使其周圍一小區的膜電位達到阈值，打開幾個電壓敏感鈉通道。這些鈉通道打開後又使更多的鈉離子進入，膜電壓變得更正，如此導緻更多電壓敏感鈉通道打開，産生動作電位，膜電位變化接近100毫伏。這個四兩撥千斤過程的放大倍數大得難以想像。

這四種細胞膜上的蛋白質分子機器共同構成了一個異常靈敏，同時噪聲又非常低的生物傳感器。有多靈敏呢？實驗證明光感受器使人能看到一個光子（！），嗅覺感受器能讓昆蟲聞見一個氣味分子。聽覺感受器能讓我們感知隻有一個原子核直徑的位移。

下圖是耳朵裡聽覺感受器的的電鏡照片，那個像仙人掌似的是細胞上的纖毛，仔細看其頂端的細絲（題圖上比較清楚）就是拉動離子通道的蛋白質絲。右邊的示意圖畫着一個離子通道被兩個蛋白分子構成的繩子牽拉，這樣隻有一個原子直徑那麼小的位移就能被感覺。

好了，雖然磁感受器的具體機制還不知道，但是可以負責地說它和神經細胞的其他幾種分子機器組合來感受磁場。與其偶聯的一個分子在磁場改變時會産生一個小動作，導緻一個分子構象改變讓鈉離子流進神經細胞。

動物能感受磁場是人們早已知道的，比如海龜，信鴿等都能用地球磁場導航。但磁感受的機制現在還不完全知道。從已經知道的信息，1.、動物确實能感知地球磁場這麼弱的磁場，并以此來導航。2、信鴿的這種感受器可能在嗅覺黏膜上，因為如果給它們鼻子裡滴一點局部麻醉藥，磁感覺就消失了。3、磁感受器很有可能是靠偶聯到一種離子通道而起作用。

最後說一下為什麼有人認為磁感受器是“蘿蔔兒”獎級的工作：這是因為作者發現了這個感受器的基因，就可以讓它在神經細胞中表達，使神經細胞的活動（靜息電位和動作電位）能夠被外界磁場調節。近期來講，現在治某些大腦疾病（比如帕金森）要把電極植入腦内。如果能用磁場做這種刺激就不必手術移植電極。如此無損刺激大腦的技術門檻就低多了，可以應用在日常生活中比如刺激一下失憶患者就能想起忘記的信息。

更遠的例子就比較神奇了。你知道你清醒的時候大腦中大部分神經細胞的靜息電位在負55毫伏左右，但打瞌睡時會降到負65毫伏左右，而在所謂黃金睡眠的時候（慢波第三期）靜息電位會每秒一次在負50和負70毫伏之間振蕩。如果神經細胞能感受磁場，那麼枕邊的一台小機器就能讓你瞬間進入黃金睡眠。如果你現在是研究生，做一隻能被磁場引入睡眠的老鼠，絕對是一篇上好博士論文。當然更遠的遠景是開發一種新的大腦—計算機接口，通過磁場傳遞信息。如果這樣，這篇文章的知識就能在幾秒的時間内進入您的大腦并像自己的思想一樣栩栩如生地浮現，好像剛上過一學期研究生課似的。那該有多神奇啊！