生物光子與神經(jīng)信號(hào)傳遞和處理

戴甲培，何 晴，劉麗雯，湯仁東

(1中南民族大學(xué)武漢神經(jīng)科學(xué)與神經(jīng)工程研究所，武漢430074;2中南民族大學(xué)藥學(xué)院，武漢4300743;3中南民族大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，武漢430074;4中南民族大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，武漢430074)

人為萬(wàn)物之靈，不僅高等于其他生物，更憑借著自己的智慧認(rèn)識(shí)世界、改造世界.人之所以具有這樣的能力，主要是因?yàn)槿祟愡M(jìn)化出了根本區(qū)別于其他動(dòng)物的、高度發(fā)達(dá)的大腦.大腦是人類智能和精神活動(dòng)的基礎(chǔ).但人類大腦被認(rèn)為是宇宙中最為復(fù)雜的物質(zhì)，在約1.3 kg重的腦組織中，存在著約103億個(gè)神經(jīng)元和104億個(gè)神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，而平均每個(gè)神經(jīng)元又與成千上萬(wàn)個(gè)神經(jīng)元發(fā)生連接［1］.正是憑借這種超級(jí)規(guī)模的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，人類才具有了根本區(qū)別于其他動(dòng)物的智能.雖然人類為解開(kāi)自身大腦工作機(jī)制之謎付出了巨大的努力，但到目前為止仍知之甚少.

1 大腦工作機(jī)制的爭(zhēng)論

目前認(rèn)為大腦是一個(gè)分布式的并行信息處理系統(tǒng)［2］，信息以神經(jīng)電信號(hào)和化學(xué)信號(hào)的形式編碼與傳遞［3，4］.每個(gè)神經(jīng)元既是基本的信號(hào)傳遞單元，又是基本的信號(hào)處理單元，神經(jīng)信號(hào)的傳遞與處理同步進(jìn)行.但腦內(nèi)的任一信息都不是依賴單個(gè)神經(jīng)元來(lái)編碼和處理的，而是一種神經(jīng)元群體行為［5，6］，以一種非線性的網(wǎng)絡(luò)機(jī)制進(jìn)行［7］.

雖然目前人們認(rèn)為已經(jīng)部分了解了神經(jīng)系統(tǒng)信息編碼、傳遞以及處理的生理機(jī)制，經(jīng)典理論也能夠很好地解釋感覺(jué)、運(yùn)動(dòng)、反射等神經(jīng)系統(tǒng)的低級(jí)功能，但到目前為止，對(duì)神經(jīng)電信號(hào)與化學(xué)信號(hào)的廣泛實(shí)驗(yàn)研究仍很難構(gòu)建出解釋神經(jīng)系統(tǒng)高級(jí)功能的一般概念或原則，比如知覺(jué)、運(yùn)動(dòng)控制、學(xué)習(xí)和記憶、情緒、意志以及意識(shí)等人腦高級(jí)功能和精神活動(dòng).因此，對(duì)于神經(jīng)編碼和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制仍有許多懸而未決的問(wèn)題和爭(zhēng)論［8－10］.

具體而言，動(dòng)作電位的發(fā)放速率被認(rèn)為是神經(jīng)信息的編碼機(jī)制之一，然而神經(jīng)元的發(fā)放速率與其功能并不完全相關(guān)，比如在適當(dāng)?shù)男袨闂l件下，海馬、大腦皮層以及小腦皮層中的絕大部分神經(jīng)元都處于靜息或稀疏發(fā)放狀態(tài)［9，10］.另一方面，動(dòng)作電位在神經(jīng)元上的傳遞速度有限，低于120 m/s，且還需要通過(guò)化學(xué)突觸來(lái)完成跨神經(jīng)元傳遞，這種速度能否承擔(dān)人腦高級(jí)功能，特別是意識(shí)狀態(tài)的迅速變化?而如何理解由神經(jīng)元產(chǎn)生的物理和化學(xué)的變化，最終形成大腦(特別是人腦)的主觀感受和意識(shí)活動(dòng)，仍舊是神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域最難解的謎題.

上述問(wèn)題的懸而未決，一方面可能是因?yàn)槲覀儗?duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電信號(hào)處理的機(jī)制了解不夠，目前人類對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)，特別是像人類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這種規(guī)模的系統(tǒng)的研究能力有限;另一方面，是否存在有其他形式的神經(jīng)信息編碼和處理機(jī)制，是否需要對(duì)傳統(tǒng)的理論和概念作進(jìn)一步的反思、從更深層次的角度(如量子力學(xué))來(lái)研究大腦工作機(jī)制，目前已有這方面的探索，其中生物光子(Biophotons)作為神經(jīng)信息的傳遞和處理媒介引起了人們的注意.

2 生命與生物光子活動(dòng)

生物發(fā)光現(xiàn)象很早就為人們所熟知，螢火蟲(chóng)是我們最為熟悉的能進(jìn)行生物發(fā)光的生物，但這只是生物體發(fā)光的很小一部分.現(xiàn)在我們已經(jīng)知道，幾乎所有的生命體，包括微生物、植物、動(dòng)物以及人類在生理或病理?xiàng)l件下都會(huì)自發(fā)輻射出極其微弱的光子流，這種現(xiàn)象被稱為生物超弱發(fā)光(UPE)，常簡(jiǎn)稱為生物光子［11，12］.生物光子與有機(jī)體的生理病理狀態(tài)密切相關(guān)，甚至可能介導(dǎo)細(xì)胞間的通訊、參與腦功能實(shí)現(xiàn).生物光子研究還可以對(duì)中國(guó)傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)理論的“經(jīng)絡(luò)學(xué)說(shuō)”提供實(shí)驗(yàn)支持，因?yàn)檠芯堪l(fā)現(xiàn)，人體的經(jīng)絡(luò)線上及穴位處生物光子輻射較強(qiáng)［13］.

從物理學(xué)角度來(lái)看，由于生物光子的譜段為200－800 nm，無(wú)明顯特征峰［14］，故它是由原子或原子團(tuán)外層電子受到激發(fā)后回到基態(tài)時(shí)所釋放出的電磁波［15］.但生物光子的輻射強(qiáng)度極其微弱，僅為102～103photons/cm2· s［11］，具有泊松相干場(chǎng)的特征［16，17］.生物光子特性和生物進(jìn)化程度有關(guān)，進(jìn)化程度越高，其輻射強(qiáng)度越大，波長(zhǎng)越向紅外段擴(kuò)展［15］.

2.1 生物光子研究歷史

20世紀(jì)20年代，蘇聯(lián)科學(xué)家Gurwitsch的“洋蔥根尖實(shí)驗(yàn)”首次報(bào)道了生物光子現(xiàn)象［18］，但由于局限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，無(wú)法直接對(duì)極其微弱的生物光子進(jìn)行檢測(cè).直至1955年，Colli等人利用當(dāng)時(shí)剛發(fā)明的光電倍增管最先對(duì)植物的生物光子進(jìn)行直接檢測(cè)，從而直接證實(shí)了生物超微弱發(fā)光的存在［19］.

20世紀(jì)60～70年代，前蘇聯(lián)的科學(xué)家們對(duì)生物光子進(jìn)行了大量的研究，并且開(kāi)始探討生物光子的產(chǎn)生機(jī)制，最先提出生物光子與線粒體呼吸、脂質(zhì)氧化等代謝活動(dòng)有關(guān).80年代以后，逐漸形成兩種探討生物光子產(chǎn)生機(jī)制的假說(shuō)，即代謝假說(shuō)和相干輻射假說(shuō)［20］.Cadenas等系統(tǒng)地提出了生物光子的代謝假說(shuō)，認(rèn)為在新陳代謝，特別是有氧代謝(線粒體呼吸)過(guò)程中細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生各種活性氧簇(ROS)物質(zhì)，當(dāng)這些高能分子或基團(tuán)由激發(fā)態(tài)返回到基態(tài)的過(guò)程時(shí)會(huì)向外釋放光子［21，22］.Popp發(fā)現(xiàn) DNA 是生物光子的來(lái)源之一，并在此基礎(chǔ)上提出了生物光子的相干輻射假說(shuō)，認(rèn)為一部分生物光子來(lái)自于內(nèi)部的相干場(chǎng)，而這一相干電磁場(chǎng)極可能是細(xì)胞通訊的基礎(chǔ)［16］.馬文建等還對(duì)DNA發(fā)光特異性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在所有堿基中只有鳥(niǎo)嘌呤能夠發(fā)光，且發(fā)光強(qiáng)度與濃度亦即DNA濃度成正相線性關(guān)系［23］.

2.2 生物光子介導(dǎo)細(xì)胞間信息傳遞

首次報(bào)道生物光子現(xiàn)象的洋蔥根尖實(shí)驗(yàn)就已發(fā)現(xiàn)，有絲分裂中的洋蔥根尖可以產(chǎn)生紫外線，并且這種紫外線可以促進(jìn)相鄰洋蔥根尖細(xì)胞的分裂，表明這種生物光子具有傳遞信息并影響其他細(xì)胞的功能［18］.之后進(jìn)一步的研究表明，無(wú)論是在高等動(dòng)植物還是在低等微生物中都觀察到了生物光子介導(dǎo)細(xì)胞間信息傳遞的證據(jù).比如Popp的多邊膝溝藻實(shí)驗(yàn)和雌性水蚤實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，有機(jī)體間存在非線性的生物光子輻射影響［17，24］.1992年的幼倉(cāng)鼠腎細(xì)胞實(shí)驗(yàn)表明動(dòng)物細(xì)胞間存在被稱為細(xì)胞視覺(jué)的現(xiàn)象［25］，而這種現(xiàn)象被證明是由紅光或近紅外光介導(dǎo)的，豬嗜中性粒細(xì)胞實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象［26］.此外，萌發(fā)的巖藻受精卵可能通過(guò)下面的基質(zhì)來(lái)識(shí)別生物光子［27］，草履蟲(chóng)可以通過(guò)輻射生物光子影響相鄰草履蟲(chóng)的分裂和攝食［28］，培養(yǎng)的老鼠神經(jīng)元具有趨光性［29］.

3 生物光子可能參與神經(jīng)信號(hào)傳遞和處理

3.1 生物光子與神經(jīng)電活動(dòng)

神經(jīng)系統(tǒng)由于強(qiáng)烈的新陳代謝活動(dòng)也可以持續(xù)發(fā)出生物光子.研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元的電活動(dòng)會(huì)影響其生物光子活動(dòng)，用脈沖電流刺激［30］或高鉀培養(yǎng)基引起的去極化可以增強(qiáng)其生物光子活動(dòng)，而去除胞外鈣離子或加入河豚毒素(TTX)可以減弱其生物光子活動(dòng)［31］.腦整體研究則顯示，腦的生物光子活動(dòng)與EEG相關(guān)，比如腦的生物光子活動(dòng)強(qiáng)度的波動(dòng)與α腦電波強(qiáng)度的波動(dòng)顯著相關(guān)［32］.

3.2 生物光子參與視知覺(jué)

傳統(tǒng)理論認(rèn)為，視網(wǎng)膜將外界光信號(hào)換能為神經(jīng)電信號(hào)，經(jīng)視神經(jīng)進(jìn)入中樞神經(jīng)系統(tǒng)并產(chǎn)生視知覺(jué).不過(guò)有研究發(fā)現(xiàn)，這種理論并不能解釋很多特殊的視覺(jué)現(xiàn)象，如光幻視、負(fù)后像、視網(wǎng)膜離散暗噪音等，而生物自發(fā)光和誘發(fā)光可能是產(chǎn)生這些視覺(jué)現(xiàn)象的原因，因?yàn)檠矍騼?nèi)因氧化代謝或受外界因素的影響會(huì)產(chǎn)生生物光子并激活附近的視紫紅質(zhì)，進(jìn)而產(chǎn)生一定的光感［33，34］.王超等的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)直接證明了眼內(nèi)各部光致生物誘發(fā)光的存在［35］.

Bokken等進(jìn)一步提出，生物光子可能參與視知覺(jué)形成的全過(guò)程:外部的可見(jiàn)光信號(hào)由視網(wǎng)膜轉(zhuǎn)換成神經(jīng)電信號(hào)并傳至初級(jí)視皮層(V1區(qū))，在V1區(qū)線粒體細(xì)胞色素氧化酶(CO)豐富區(qū)域內(nèi)，電信號(hào)通過(guò)自由基反應(yīng)同步轉(zhuǎn)換成生物光子信號(hào)，并在更高層的神經(jīng)回路中傳遞和處理，進(jìn)而形成視知覺(jué)、視覺(jué)表現(xiàn)乃至視覺(jué)意識(shí)［36－38］.但這一理論仍然將神經(jīng)電信號(hào)作為神經(jīng)信號(hào)的形式之一，且生物光子信號(hào)是由電信號(hào)轉(zhuǎn)換而來(lái)的.

3.3 生物光子在神經(jīng)回路中傳遞

研究表明，光在大腦中的傳播依賴于神經(jīng)纖維的走向［39］.我們組的研究進(jìn)一步確認(rèn)外界光線激勵(lì)的生物誘發(fā)光能在感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)纖維上傳遞，而局部麻醉劑普魯卡因或代謝抑制劑脫氧葡萄糖和疊氮鈉能將其阻斷［40］，并提出了生物光子參與神經(jīng)信號(hào)傳遞與大類高級(jí)功能的可能性，認(rèn)為神經(jīng)元中的生物光子可能由兩部分組成，即背景生物光子和信號(hào)生物光子，其中背景生物光子由神經(jīng)元自身代謝活動(dòng)產(chǎn)生并原位彌散釋放，可能不承擔(dān)特定信息傳遞功能;而信號(hào)生物光子則可能通過(guò)神經(jīng)元的突起(樹(shù)突和軸突)連接在神經(jīng)回路中傳遞，且這部分生物光子可能攜帶神經(jīng)信息，是神經(jīng)細(xì)胞重要的通訊機(jī)制［40］，進(jìn)一步的推測(cè)認(rèn)為這樣的神經(jīng)通訊機(jī)制可能是通過(guò)蛋白—蛋白之間的相互作用來(lái)完成的［40］.

有其他理論方面的研究認(rèn)為，生物光子在神經(jīng)纖維上的傳遞可能與線粒體和微管有關(guān)，因?yàn)橐环矫婢€粒體本身會(huì)產(chǎn)生生物光子，線粒體的形態(tài)和在細(xì)胞內(nèi)的分布會(huì)隨細(xì)胞的功能需求而改變，并可通過(guò)電耦合形成網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)各線粒體間的功能協(xié)調(diào)［41－43］;微管系統(tǒng)在神經(jīng)元代謝和信息處理中具有重要作用，有研究提出微管本身就適合于信息處理、存儲(chǔ)和傳遞，并可以完成神經(jīng)信號(hào)編碼［44］.另一方面，根據(jù)Jibu等人的理論，15 nm的微管可以無(wú)熱噪音、無(wú)衰減地傳遞光線［45］，即絲狀線粒體和微管可以作為神經(jīng)元的“光纖”［46］，而生物光子可以在這些“光纖”網(wǎng)絡(luò)中傳遞.

3.4 生物光子與神經(jīng)編碼

生物光子既具有在神經(jīng)回路中傳遞的物質(zhì)基礎(chǔ)，又有實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明它介導(dǎo)信號(hào)傳遞，但至于生物光子的神經(jīng)信號(hào)編碼機(jī)制，目前并未見(jiàn)到相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道.不過(guò)類似于現(xiàn)實(shí)生活中的光纖通信，生物光子的神經(jīng)信號(hào)編碼機(jī)制可能為強(qiáng)度編碼和頻率編碼，因?yàn)橛袡C(jī)體生理狀態(tài)的變化以及對(duì)各種外界刺激的應(yīng)激反應(yīng)，都會(huì)導(dǎo)致其生物光子活動(dòng)強(qiáng)度的改變;而相干輻射學(xué)說(shuō)認(rèn)為，核酸合成所產(chǎn)生的生物光子的頻率不同于其他代謝和生理活動(dòng)所產(chǎn)生的生物光子的頻率，且具有相干性，而正是這種內(nèi)部相干場(chǎng)可能具有承載信息的功能.

神經(jīng)系統(tǒng)也具有完成生物光子編碼神經(jīng)信息的物質(zhì)基礎(chǔ).在各種生物胺類物質(zhì)中，自然進(jìn)化選擇出具有最強(qiáng)熒光特征的物質(zhì)，如5－羥色胺、多巴胺和去甲腎上腺素來(lái)作為腦內(nèi)彌散調(diào)制系統(tǒng)的神經(jīng)遞質(zhì)，由于特殊的熒光特性，它們可能參與到生物光子的傳遞、信息編碼與處理中.此外，神經(jīng)元內(nèi)還存在其他天然光敏感生物分子，如卟啉環(huán)、吡啶環(huán)、脂質(zhì)生色團(tuán)、芳香族氨基酸等;線粒體電子傳遞鏈也包含幾種生色團(tuán).光敏感生物分子可以將吸收的生物光子能量通過(guò)能量共振轉(zhuǎn)移傳遞給附近的其他生物分子，進(jìn)而導(dǎo)致其構(gòu)象的改變或觸發(fā)、調(diào)制復(fù)雜的細(xì)胞信號(hào)處理［37］.

與電信號(hào)、化學(xué)信號(hào)相比，生物光子作為信息編碼、傳遞及處理的載體，具有鮮明的優(yōu)勢(shì):傳遞速度快、承載信息量大及能量消耗低等.人類大腦只占體重的約2%，卻消耗了全身20%的能量，已經(jīng)達(dá)到身體承受能力的極限，而生物光子傳遞信息所具有的這些優(yōu)勢(shì)，將具有重要的生理意義.3.5 生物光子、量子大腦與意識(shí)

傳統(tǒng)理念中，大腦的工作機(jī)制應(yīng)該是由生化反應(yīng)規(guī)則主宰的，但我們無(wú)法由這些生化反應(yīng)來(lái)理解人腦的高級(jí)功能和精神活動(dòng)，特別是意識(shí)是如何產(chǎn)生的.同時(shí)，人類的神經(jīng)信息處理過(guò)程和量子過(guò)程之間有許多相似性，如整體性、相干性及概率性等［47，48］，目前已有嘗試從量子力學(xué)的角度來(lái)研究大腦的工作機(jī)制.

Penrose－Hameroff假說(shuō)認(rèn)為，神經(jīng)系統(tǒng)中的微管蛋白具有執(zhí)行量子計(jì)算的功能，而腦內(nèi)微管系統(tǒng)中微管蛋白構(gòu)象的宏觀相干性狀態(tài)的改變，可能是意識(shí)形成的機(jī)制［49］.Rahnama等基于量子力學(xué)在理論上分析了線粒體生物光子與細(xì)胞內(nèi)微管系統(tǒng)的相互作用，認(rèn)為是生物光子影響了微管的解聚與重組，并介導(dǎo)了生物光子與腦皮層EEG間的相關(guān)性［50］.生物光子實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在頭部處于相同外部磁場(chǎng)的條件下，若一個(gè)被試在暗室中看到閃光，處于另一個(gè)暗室中的被試其頭部生物光子輻射會(huì)相應(yīng)增加，表明在特殊條件下，生物光子輻射的改變可能反映出被試間量子式(宏觀量子糾纏)的信息交流［51，52］.

不過(guò)，大腦的量子信息處理理論始終面臨一個(gè)基本問(wèn)題，即在生物大分子及以上空間尺度，很多特殊的量子屬性將無(wú)法顯現(xiàn).比如說(shuō)量子信息處理最本質(zhì)的特征為量子疊加性和量子相干性，但這些屬性的保持需要超低溫且不受外界干擾等苛刻條件，但在腦內(nèi)37℃的高溫、各種物質(zhì)相互作用的條件下，很難保持這些量子屬性［53］.人腦可能不是一個(gè)純粹的“量子計(jì)算機(jī)”，但這不能說(shuō)明物質(zhì)的量子屬性就沒(méi)有參與神經(jīng)的信息編碼與處理，因?yàn)榱孔恿W(xué)本身也有許多問(wèn)題有待闡明.

4 生物光子研究的技術(shù)與方法

生物光子現(xiàn)象自發(fā)現(xiàn)至今，仍處于觀察研究階段，最核心的研究工具就是超弱光檢測(cè)器件，正是光電倍增管的發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物光子的直接檢測(cè).20世紀(jì)70～80年代，生物光子研究跨越到二維的光子成像階段.自此，不斷涌現(xiàn)出各種具有較高探測(cè)靈敏度的新型光子成像器件［54］，理論上甚至可以探測(cè)單光子信號(hào)，如像增強(qiáng)CCD(ICCD)、雪崩光電二極管(APD)及由其集成的陣列(APD Arrays)和電子倍增CCD(EMCCD)等等.這些設(shè)備的出現(xiàn)，使得檢測(cè)生物光子的時(shí)空分布成為可能.

2010年，研究組利用自行搭建的生物光子成像系統(tǒng)，在世界上首次報(bào)道了用EMCCD對(duì)生物光子進(jìn)行成像的實(shí)驗(yàn)結(jié)果［40］，并發(fā)展出相應(yīng)的光子圖像分析處理方法［55］.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，現(xiàn)有的技術(shù)已具備滿足生物光子研究的靈敏度.

5 生物光子參與腦功能實(shí)現(xiàn)的研究展望

對(duì)于神經(jīng)系統(tǒng)生物光子活動(dòng)，目前仍存在有3個(gè)基本問(wèn)題需要解答:一是其來(lái)源機(jī)制，神經(jīng)元的生命活動(dòng)能產(chǎn)生生物光子，但各種生理活動(dòng)所產(chǎn)生的生物光子具有什么物理特性，在總體中所占的比例如何，是否存在專門(mén)的生物光子產(chǎn)生機(jī)制并承擔(dān)生理功能，對(duì)這些問(wèn)題，我們?nèi)圆磺宄?二是生物光子在神經(jīng)回路中的傳遞機(jī)制，其具體的分子機(jī)制仍需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究來(lái)加以明確.三是生物光子在腦功能生理機(jī)制中的作用，雖然很多實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明生物光子具有一定的細(xì)胞通訊功能，但我們對(duì)這種功能實(shí)現(xiàn)的生理機(jī)制、是否有參與腦功能的實(shí)現(xiàn)、如何與傳統(tǒng)的電傳遞與化學(xué)傳遞理論統(tǒng)一、以何種方式進(jìn)行神經(jīng)信息編碼以及是否存在量子信息處理等問(wèn)題的認(rèn)識(shí)仍很模糊，有待于進(jìn)一步理論和實(shí)驗(yàn)探討.

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