人類的大腦是個(gè)微型生物發(fā)電站

文／劉 勇

自然界中的很多生物自身能放電，比如說(shuō)電鰻魚在捕食的時(shí)候，其瞬間放電電壓可達(dá)到350V。我們?nèi)祟愖陨硪灿腥N生物電，比如心臟跳動(dòng)的時(shí)候會(huì)有生物電壓產(chǎn)生叫心電，被醫(yī)院用于測(cè)量心電圖；運(yùn)動(dòng)時(shí)肌肉也能產(chǎn)生生物電，被用于運(yùn)動(dòng)技能的研究；與我們的行為、精神狀態(tài)最緊密的當(dāng)屬腦電了，腦電被用于腦部疾病偵測(cè)，以及精神方面的認(rèn)知行為療法，用于增強(qiáng)我們的腦認(rèn)知能力，改善身心的健康。

腦電是怎么產(chǎn)生的呢？我們需要從大腦的神經(jīng)元講起。

神經(jīng)元長(zhǎng)啥樣

我們的大腦皮層中有多達(dá)800～1000億個(gè)神經(jīng)元。

神經(jīng)元有兩大組成部分，細(xì)胞體（直徑約5-100微米）和圍繞著細(xì)胞體伸展出來(lái)的組織（突起）。按其形狀又分為樹突和軸突兩種。樹突像沿著細(xì)胞體長(zhǎng)出的樹枝分叉一樣，軸突則像一條長(zhǎng)長(zhǎng)的小辮子拖在細(xì)胞體上，長(zhǎng)度從幾微米至1米不等，有的甚至可從神經(jīng)中樞延伸到我們的軀體中。

這1000億個(gè)神經(jīng)網(wǎng)元鏈接在一起，并組成不同的神經(jīng)功能網(wǎng)絡(luò)分布在不同的腦區(qū)，比如與我們視覺和聽覺有關(guān)的視覺神經(jīng)功能網(wǎng)絡(luò)、聽覺神經(jīng)功能網(wǎng)絡(luò)等。大約形成100萬(wàn)億個(gè)鏈接關(guān)系，這種鏈接實(shí)際上是為了傳遞信號(hào)。

神經(jīng)元之間是怎么傳遞信號(hào)的

一個(gè)神經(jīng)元的軸突與另外一個(gè)神經(jīng)元的樹突進(jìn)行“鏈接”，神經(jīng)信號(hào)（神經(jīng)沖動(dòng)）經(jīng)過軸突傳遞給下一個(gè)甚至多個(gè)神經(jīng)元的樹突，且這種信號(hào)傳遞是單向的。

需要強(qiáng)調(diào)的是，神經(jīng)元之間的“鏈接”并不是物理意義上的樹突與軸突貼合在一起，而是通過叫做“突觸”的部位實(shí)現(xiàn)信息傳遞。軸突末梢與樹突之間存在大約20-30納米的間隙，叫做突觸間隙。用顯微鏡觀察軸突和樹突鏈接的地方，可以在末端發(fā)現(xiàn)有一些呈球狀或杯狀膨大的組織，被稱為突觸，其由突觸前膜、突觸后膜、突觸間隙組成。

突觸前膜位于發(fā)送信息的神經(jīng)元軸突的末端，內(nèi)有囊泡、線粒體等物質(zhì)，囊泡存貯著神經(jīng)遞質(zhì)。

突觸后膜位于下一個(gè)接受信息的神經(jīng)元樹突的前端，突觸后膜表面有一些凸出的組織，被稱為受體，受體是一些特殊的蛋白質(zhì)，吸收神經(jīng)遞質(zhì)。

突觸間隙是突觸前膜與突觸后膜之間的間隙，存在Ca2+、Na+/K+等離子，神經(jīng)遞質(zhì)也穿越其中。

突觸后膜如何形成電位差

提到神經(jīng)遞質(zhì)，相信很多人都聽說(shuō)多巴胺、腎上腺素、5-羥色胺等，多巴胺可以抑制人的沖動(dòng)行為，腎上腺激素可以讓人在遇到危險(xiǎn)的時(shí)候快速反應(yīng)。

當(dāng)一個(gè)神經(jīng)沖動(dòng)沿著上一個(gè)神經(jīng)元的軸突到達(dá)突觸前膜，Ca2+進(jìn)入前膜與囊泡結(jié)合，囊泡的裂口就會(huì)被打開，囊泡內(nèi)的神經(jīng)遞質(zhì)就釋放到突觸間隙中。間隙中的神經(jīng)遞質(zhì)被下一個(gè)神經(jīng)元樹突（突觸后膜）上的受體接受，并與其中的蛋白質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得突觸間隙中的某些帶電離子可以進(jìn)出突觸后膜，從而在突觸后膜上形成電位差（電壓）。

理解了突觸的組成部分及生理機(jī)制，我們就基本了解了腦電成因。由此可見腦電不是我們通常意義上的電線內(nèi)的電流，而是在神經(jīng)沖動(dòng)沿著軸突傳遞的過程中，神經(jīng)細(xì)胞先產(chǎn)生了生物化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而控制帶電離子在后突觸膜內(nèi)外的流動(dòng)，最后在突觸后膜形成電位差。

腦電的應(yīng)用

學(xué)術(shù)上的腦電分為多種類型，與測(cè)量神經(jīng)元放電的位置及放電時(shí)刻有關(guān)，比如有動(dòng)作電位、靜息態(tài)電位、事件相關(guān)電位等，而公認(rèn)的被用于醫(yī)學(xué)及認(rèn)知治療領(lǐng)域的腦電就是“后突觸電位”。

在醫(yī)學(xué)上，醫(yī)師通過監(jiān)測(cè)腦電圖作為診斷腦部疾病的重要參考。比如癲癇患者和病毒性腦炎患者的腦電圖會(huì)夾雜一些非正常的“棘波”、棘慢波。

腦電除了用于診斷疾病，也被用于學(xué)生認(rèn)知能力（核心素養(yǎng)）教育。比如“腦波拔河”就是一個(gè)腦電反饋訓(xùn)練項(xiàng)目，學(xué)生頭戴腦波儀跟隨訓(xùn)練系統(tǒng)的引導(dǎo)，與各種小動(dòng)物開展注意力拔河比賽，只有調(diào)動(dòng)大腦的主動(dòng)注意意識(shí)才能戰(zhàn)勝小動(dòng)物，且每次訓(xùn)練都會(huì)形成評(píng)估報(bào)告，老師據(jù)此分析該學(xué)生的注意力狀態(tài)。

另外，腦電也用于身心健康的調(diào)節(jié)，比如通過腦電系統(tǒng)，可以測(cè)量出焦慮水平、心理調(diào)適能力等，并提供個(gè)性化的訓(xùn)練課程，被用于輔助治療考前焦慮、失眠障礙、應(yīng)激障礙等問題。