破解人類感知之謎
2022-01-26 15:49:39楊先碧
科學(xué)24小時 2022年1期
楊先碧
人們初次見面，有時會以握手來表達自己的友好。握住對方的手，我們會感受到對方的體溫，同時也能體驗到肌膚的觸感。人為什么能感受到溫度和觸碰？美國科學(xué)家大衛(wèi)·朱利葉斯和阿登·帕塔普蒂安的研究成果為人們解答了這個問題，他們因發(fā)現(xiàn)了與溫度和觸覺相關(guān)的受體而獲得2021年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。
*感覺的生理機制*
感覺是人類賴以生存的基本生理機能，包括視覺、聽覺、嗅覺、味覺、皮膚覺（觸覺、溫覺、冷覺、痛覺）、運動覺、平衡覺等。從生理機制上來講，感覺是感受器接受刺激所產(chǎn)生的表示身體內(nèi)外經(jīng)驗的神經(jīng)沖動過程。
感受器就是感覺神經(jīng)元周圍突起的末梢。它能接受刺激，并把刺激轉(zhuǎn)化為神經(jīng)沖動，由感覺纖維傳入神經(jīng)中樞引起感覺。一種感受器只能感受某種特定的刺激（如冷或熱），所以感受器的構(gòu)造是多種多樣的。
在感受器中，起重要作用的是受體。這些受體是一些生物大分子，其尺寸只有幾十納米，通過電子顯微鏡放大數(shù)萬倍后才能看到它們的真容。受體分布在細胞中，有的在細胞膜上，有的在細胞內(nèi)部。在大衛(wèi)·朱利葉斯和阿登·帕塔普蒂安的研究開展之前，人們已經(jīng)找到了與視覺、嗅覺等感覺相關(guān)的受體，但對溫覺、冷覺和觸覺的受體還一無所知。
*火辣辣的發(fā)現(xiàn)*
科學(xué)家對溫覺受體的發(fā)現(xiàn)具有一定的偶然性。20世紀(jì)90年代后期，大衛(wèi)·朱利葉斯開始研究人們吃辣椒引發(fā)的身體反應(yīng)，企圖揭示“火辣辣”感覺的本質(zhì)。之前，科學(xué)家已經(jīng)認識到，在辣椒中，對人體產(chǎn)生刺激起關(guān)鍵作用的是辣椒素，但是對其作用的微觀機制并不清楚。
觸覺受體Piezo1結(jié)構(gòu)圖
紅辣椒中的辣椒素
大衛(wèi)·朱利葉斯創(chuàng)建了一個包含數(shù)百萬個基因的數(shù)據(jù)庫，這些基因可以對疼痛、溫度和觸覺作出反應(yīng)。最終，他確定了一個能夠使細胞對辣椒素敏感的基因，這個基因編碼的蛋白質(zhì)，就是人體感受辣椒素的受體，后來被命名為“TRPV1”。這種受體位于細胞膜上，是一種離子通道型受體，主要存在于神經(jīng)、肌肉等可興奮的細胞中。這種受體可運輸特定的離子（如鈉離子、鈣離子），從而產(chǎn)生神經(jīng)系統(tǒng)可接收的電信號。
正是TRPV1這個受體，讓人們接觸辣椒素后產(chǎn)生“火辣辣”的熱感。如果我們在吃完辣椒后感到難受，再喝點水或吃點冰激凌，那么就可以抑制TRPV1受體的興奮度，從而降低辣椒素帶來的熱感。進一步的研究表明，TRPV1還可以對其他熱感作出反應(yīng)。因此，TRPV1也被科學(xué)家稱為“熱受體”或“溫覺受體”。
既然人體存在感受溫?zé)岬氖荏w，那么是不是也有感受涼爽的受體呢？在辣椒素受體研究的基礎(chǔ)上，大衛(wèi)·朱利葉斯把薄荷醇作為刺激源，從基因庫中找出相應(yīng)的基因，識別出能對薄荷醇作出反應(yīng)的TRPM8受體。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，TRPM8受體在低溫的刺激下會產(chǎn)生強烈的電信號。因此，大衛(wèi)·朱利葉斯確認它就是感知涼爽的受體，并將其稱為“涼受體”或“冷覺受體”。
*敏感的觸覺*
相對于對冷熱變化而言，人類對觸碰更為敏感。然而，當(dāng)人體感知溫度的機制被不斷揭示后，科學(xué)界仍不清楚人體將機械刺激轉(zhuǎn)化為觸覺的受體是什么。
阿登·帕塔普蒂安在實驗室中培養(yǎng)了一種膠質(zhì)瘤細胞，這種細胞在感受到觸碰帶來的壓力后會產(chǎn)生電信號。接下來，他也按照大衛(wèi)·朱利葉斯的研究方法去篩選控制觸覺的基因。他篩查出72個候選基因，然后將這些基因逐一滅活。每滅活一個基因，就檢測一下細胞是否還會在觸碰后產(chǎn)生電信號。如果某次滅活后檢測不到電信號，那么那次被滅活的基因就是對壓力敏感的基因。
冷覺受體源于對薄荷醇刺激的研究
最終，阿登·帕塔普蒂安找到了那個基因，并在膠質(zhì)瘤細胞的細胞膜上發(fā)現(xiàn)了這個基因編碼的受體。他將所發(fā)現(xiàn)的觸覺受體命名為“Piezo”，這個詞在希臘語中的意思是“壓力”。 他還發(fā)現(xiàn)這個受體有2種，并用數(shù)字1和2來進行區(qū)分，即Piezo1和Piezo2。當(dāng)然，這兩個受體并不只是存在于膠質(zhì)瘤細胞中，它們還存在于其他多種細胞中。和 TRPV1一樣，Piezo受體也是離子通道型受體，在細胞膜受到壓力后被激活。
阿登·帕塔普蒂安表示，他的研究生涯中曾經(jīng)歷過很長一段時間進展緩慢的階段，他甚至曾經(jīng)想過轉(zhuǎn)行，但最終還是堅持了下來。在研究有所收獲時，他才發(fā)現(xiàn)那是一段非常迷人的旅程。目前，他對Piezo受體的研究已經(jīng)從生理學(xué)領(lǐng)域跨越到了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，希望能用自己的研究成果減緩或消除患者的“壓力”。
*為相關(guān)疾病提供治療線索*
每年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎的相關(guān)成果，往往能讓我們更好地了解人體的一些奧秘，為保障人體健康提供幫助。2021年的獲獎成果也是如此。感知溫度與觸碰是人類維持生命、減少傷害的重要功能，其受體和相關(guān)運行機制的重要意義不言而喻。
大衛(wèi)·朱利葉斯的研究發(fā)現(xiàn)，熱受體TRPV1還與痛覺有關(guān)，尤其是與炎癥相關(guān)的疼痛有關(guān)。因此，如果能找到抑制TRPV1發(fā)揮作用的藥物，那么就能降低人體對疼痛的感知，達到緩解疼痛的效果，有效治療折磨不少患者的慢性疼痛，也能為抑制癌癥等疾病引發(fā)的疼痛提供新的方法。
大衛(wèi)·朱利葉斯（左）和阿登·帕塔普蒂安（右）
利用大衛(wèi)·朱利葉斯的研究方法，其他科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了更多的TRP類受體，比如會被芥末激活的TRPA1受體、會被百里香激活的TRPA3受體。相關(guān)研究還發(fā)現(xiàn)，在一些癌癥患者體內(nèi)，多種TRP受體發(fā)生了一定程度的變化。這表明，對TRP受體的監(jiān)測可用于診斷癌癥，對TRP受體的調(diào)控可以治療癌癥。
阿登· 帕塔普蒂安的研究表明，觸覺受體不但能讓我們有效地感知周圍的碰觸，而且還能在感知自身位置和運動等方面起到關(guān)鍵作用。與觸覺受體相關(guān)的基因突變會導(dǎo)致多種遺傳病，這些疾病表現(xiàn)為觸覺和本體感覺的改變，導(dǎo)致患者辨距困難、步態(tài)異常、脊柱側(cè)彎、肌肉無力和萎縮等。
隨著后續(xù)的深入研究，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，觸覺受體對調(diào)節(jié)其他與壓力有關(guān)的生理過程也會起到關(guān)鍵作用，比如血壓、呼吸和排泄。醫(yī)藥專家正在開發(fā)調(diào)節(jié)觸覺受體的藥物，以緩解相關(guān)疾病給人類帶來的痛苦，比如高血壓、哮喘、大小便失禁等。
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獲獎?wù)吆喗?/h4>
大衛(wèi)·朱利葉斯，1955年出生于美國，1984年從美國加州大學(xué)伯克利分校獲得博士學(xué)位，目前是加州大學(xué)舊金山分校教授。
阿登·帕塔普蒂安，1967年出生于黎巴嫩，1996年從美國帕薩迪納加州理工學(xué)院獲得博士學(xué)位，目前為美國斯克里普斯研究中心教授，兼任霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員。
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