發(fā)布日期：2018-06-19
視覺中國
電影《聽風(fēng)者》中，男主角擁有超凡的聽覺能力；一些古老民族中的“探子”也有著比常人更敏銳的聽覺。人們常常把這些非凡能力稱為天賦。這些天賦從何而來？是命中注定還是后天習(xí)得？近日獲得卡弗里神經(jīng)科學(xué)獎的三名科學(xué)家的研究，或許能從生物學(xué)本質(zhì)上進行解釋。
耳蝸里的“毛細胞”是獲獎研究的“焦點”。
三位獲獎?wù)呙绹蹇朔评沾髮W(xué)的赫茲佩思（Hudspeth）、美國威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校的費蒂普萊斯（Fettiplace）和法國法蘭西學(xué)院巴斯德研究所的佩蒂特（Petit），從結(jié)構(gòu)、機理甚至分子基礎(chǔ)上一定程度解答了為什么人只能聽見特定頻率的聲波，聲音信號又是如何轉(zhuǎn)化為大腦可破譯的電信號的，以及哪些細胞決定了非凡的聽力，又是哪些基因造成了先天性失聰?shù)某霈F(xiàn)。
微米裝置模仿耳蝸里的神奇機理
毛細胞名字的由來，是因為在電子顯微鏡下可以看到它的“毛狀突起簇”。是不是想到了耳朵里的絨毛？但毛細胞的“毛”并不是它們！三位科學(xué)家的研究都是基于微觀世界，包括細胞、細胞內(nèi)的離子通道、膜上的蛋白，甚至編碼蛋白的基因。
走入耳蝸里的微觀世界，用電子顯微鏡放大上千倍，可以看到不同毛細胞上的靜纖毛長短不一，雖不是“豎琴”般次第整齊排列，卻也和“豎琴”有著相似的發(fā)音原理。“靜纖毛的長短不一使得能夠引發(fā)它們共振的頻率不同。這就解釋了，為什么人的聽覺只對16—20000赫茲的聲波有反應(yīng)。”中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院研究員路中華解釋，能夠與纖毛的形變產(chǎn)生共振聲波才會引發(fā)后續(xù)的細胞活動，進而產(chǎn)生腦電信號。而無法共振的頻率將無法被轉(zhuǎn)換為大腦可以識別的信號。
毛細胞所處的環(huán)境可以假想為一個“類三明治”結(jié)構(gòu)，它的下方是聽覺神經(jīng)元豐富的基底膜，上方另一層蓋膜，毛細胞“頭頂”數(shù)量為20到300根的靜纖毛束，就是被上方果膠狀的蓋膜“凝”住的。
科學(xué)家們猜測，這就是聲波攜載的機械力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕?ldquo;機關(guān)”所在。為了證明這一點，赫茲佩思用單個毛細胞為“零部件”構(gòu)造了一個微米級別的“機電轉(zhuǎn)換裝置”。
機械端，他制造了極細的玻璃纖維（直徑0.5—0.8微米），用來推動靜纖毛；電信號端，他用微電極測量單個毛細胞上的電位變化。這個裝置首次證明，一個極小的機械位移，能觸發(fā)毛細胞膜上電位變化。
這個微米裝置將“聲電轉(zhuǎn)換”定位到了細胞層面，但還沒有揭示轉(zhuǎn)換的核心——機械力究竟是怎么觸發(fā)離子轉(zhuǎn)移的。
“在細胞中，一些外來信號，會激活‘鑲嵌’在細胞膜中的蛋白，進而引發(fā)細胞內(nèi)外帶電離子的運動，這個物理過程，伴隨著電信號的產(chǎn)生。”路中華解釋。
因此，找到毛細胞中的核心蛋白元件，是下一步的研究任務(wù)。
赫茲佩思反復(fù)觀察電子顯微鏡中拍攝的圖像，當(dāng)看到短桿狀結(jié)構(gòu)的連接絲時，他突發(fā)靈感，產(chǎn)生了一個科學(xué)假想，他認為，這些蛋白構(gòu)成的連接絲會由于靜纖毛的運動直接被物理力牽拉，進而打開或關(guān)閉自身的離子通道。他后續(xù)的研究一直在不斷為完善證明這一模型尋找證據(jù)，雖然已經(jīng)有了很多進展，但目前仍為假說，還沒有直接證據(jù)表明纖毛間的連接絲是那棵最關(guān)鍵的“消息樹”。
位置分布圖揭示毛細胞“各有千秋”
如果說赫茲佩思的研究是毛細胞整體性的機制范疇，那么費蒂普萊斯的研究則在機制中加入了位置的維度。也就是說處于不同位置的毛細胞，表現(xiàn)和機制并不相同。
費蒂普萊斯為毛細胞繪制了頻率響應(yīng)位置分布圖。他制造不同頻率的聲音，并探測不同位置的毛細胞的電性變化，按照頻率記錄了毛細胞的聲音靈敏度。他發(fā)現(xiàn)，單個毛細胞都在窄的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生聲頻共振。他繪制的頻率響應(yīng)分布圖顯示，位于窄硬的耳蝸基部的毛細胞對高頻聲音作出響應(yīng)，位于寬松膜頂點處的毛細胞對低頻聲音作出響應(yīng)。
此外，費蒂普萊斯還證明了，這種不同是基于毛細胞離子通道開啟和關(guān)閉次數(shù)及速度。他發(fā)現(xiàn)，耳蝸兩端毛細胞的離子通道的組成和毛束的高度都不同。而離子通道中的核心蛋白是什么或者有哪些，目前仍無定論。
聽覺是人類五種基礎(chǔ)感知覺的一種，那在聽覺以外的其他感知覺系統(tǒng)中，外界的信號是由什么蛋白來探測的呢？路中華表示，“嗅覺的分子機制已經(jīng)明晰，一開始科學(xué)家就假定負責(zé)檢測氣味分子的核心蛋白質(zhì)是一個系列的蛋白質(zhì)，因為我們能聞到各種不同的味道，這意味著各種化學(xué)分子都可以激活嗅上皮細胞的活動，勢必對應(yīng)著多種多樣的受體蛋白。”
路中華解釋，在感官（視、嗅、味、聽、觸）接受外界信號向大腦傳遞的過程中，基本路徑是一致的，即形式不同的配體（光、化學(xué)分子、力）作用于器官中與大腦神經(jīng)相連接的細胞內(nèi)蛋白（受體），激活受體，使得細胞中的離子通道開放，帶電離子出入細胞，使得細胞激活并發(fā)放電脈沖。
外來的刺激，例如色香味俱全的美食，猶如推倒多米諾骨牌的第一張，將引發(fā)后續(xù)的一系列連鎖反應(yīng)，但在具體的支路上，會由于味道或頻率的不同，開啟不同的離子通道。而通路上的各個元器件正是科學(xué)家們探求的、可以治療一些疑難雜癥的“鑰匙”。
“落地”基因，有待進一步探索
從事嗅覺相關(guān)神經(jīng)科學(xué)研究的路中華總結(jié)道，五官的生命科學(xué)研究都需要完成3類問題的解答，即結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、物理機制、分子機制。
在進行了一系列“拆解”式的探索之后，最終的本質(zhì)將會落腳在基因上，即哪些基因與感官的正常運行相關(guān)。
“老鼠有1200個嗅覺相關(guān)的基因，大象有2000個，人類有400個。”路中華說，在探尋嗅覺相關(guān)基因時，科學(xué)家借鑒了已經(jīng)明確的視覺中的關(guān)鍵基因序列，認為核心蛋白均為一類蛋白，因此基因序列應(yīng)該在進化中高度保守。“有研究團隊依據(jù)已知的相關(guān)序列設(shè)計了引物，利用PCR（聚合酶鏈式反應(yīng)）技術(shù)在嗅上皮細胞中擴增到一系列的相似基因，后經(jīng)過驗證，這些基因正是要尋找的嗅覺相關(guān)的核心序列，并因此獲得了諾貝爾獎。”
可見，找到了高度保守的共性關(guān)鍵序列這個線索，將大大縮短核心基因的探尋之路。然而，在聽覺的遺傳密碼解密過程中，科學(xué)家們還沒有找到“捷徑”。
沒有提綱挈領(lǐng)的線索，獲獎?wù)吲宓偬氐难芯烤褪窃诤迫鐭熀５呐R床病例中尋找。相關(guān)資料顯示，佩蒂特與敘利亞、黎巴嫩、阿爾及利亞等國的醫(yī)生合作廣泛。在那些國家，嚴重的耳聾在一些大家庭中較普遍，一個家族的基因圖譜給出了線索。
據(jù)介紹，通過遺傳學(xué)、分子生物學(xué)和生物化學(xué)分析，佩蒂特已經(jīng)鑒定了20多種不同的基因，一旦這些基因有缺失或突變，就會通過影響毛細胞的發(fā)育和功能等途徑對聽力造成破壞。
“家族性先天耳聾很常見，這是基因突變造成的。”路中華解釋，“目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了與耳聾相關(guān)的100種基因，它們并不都與上面提到的核心蛋白有關(guān)，有與器官組織發(fā)育相關(guān)的，有與電信號的產(chǎn)生傳輸相關(guān)的，也有與聽覺神經(jīng)環(huán)路相關(guān)的。”
“與腫瘤不同，神經(jīng)系統(tǒng)的疾病很多還沒有明確的細胞或分子層面的定義，很難‘聚焦’研究，這就好比要打開一扇門，還沒摸到門把手。”路中華認為，聽覺神經(jīng)科學(xué)方面，能夠指導(dǎo)疾病治療的基礎(chǔ)科研仍需更深刻地研究。
來源：科技日報
