電影《聽(tīng)風(fēng)者》中，男主角擁有超凡的聽(tīng)覺(jué)能力；一些古老民族中的“探子”也有著比常人更敏銳的聽(tīng)覺(jué)。人們常常把這些非凡能力稱(chēng)為天賦。這些天賦從何而來(lái)？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(jiǎng)的三名科學(xué)家的研究，或許能從生物學(xué)本質(zhì)上進(jìn)行解釋。

耳蝸里的“毛細(xì)胞”是獲獎(jiǎng)研究的“焦點(diǎn)”。

三位獲獎(jiǎng)?wù)呙绹?guó)洛克菲勒大學(xué)的赫茲佩思（Hudspeth）、美國(guó)威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校的費(fèi)蒂普萊斯（Fettiplace）和法國(guó)法蘭西學(xué)院巴斯德研究所的佩蒂特（Petit），從結(jié)構(gòu)、機(jī)理甚至分子基礎(chǔ)上一定程度解答了為什么人只能聽(tīng)見(jiàn)特定頻率的聲波，聲音信號(hào)又是如何轉(zhuǎn)化為大腦可破譯的電信號(hào)的，以及哪些細(xì)胞決定了非凡的聽(tīng)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(jī)理

毛細(xì)胞名字的由來(lái)，是因?yàn)樵陔娮语@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(xì)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(xì)胞、細(xì)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(xì)胞上的靜纖毛長(zhǎng)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(zhǎng)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(tīng)覺(jué)只對(duì)16—20000赫茲的聲波有反應(yīng)?！敝袊?guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究員路中華解釋?zhuān)軌蚺c纖毛的形變產(chǎn)生共振聲波才會(huì)引發(fā)后續(xù)的細(xì)胞活動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生腦電信號(hào)。而無(wú)法共振的頻率將無(wú)法被轉(zhuǎn)換為大腦可以識(shí)別的信號(hào)。

毛細(xì)胞所處的環(huán)境可以假想為一個(gè)“類(lèi)三明治”結(jié)構(gòu)，它的下方是聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)元豐富的基底膜，上方另一層蓋膜，毛細(xì)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(cè)，這就是聲波攜載的機(jī)械力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的“機(jī)關(guān)”所在。為了證明這一點(diǎn)，赫茲佩思用單個(gè)毛細(xì)胞為“零部件”構(gòu)造了一個(gè)微米級(jí)別的“機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置”。

機(jī)械端，他制造了極細(xì)的玻璃纖維（直徑0.5—0.8微米），用來(lái)推動(dòng)靜纖毛；電信號(hào)端，他用微電極測(cè)量單個(gè)毛細(xì)胞上的電位變化。這個(gè)裝置首次證明，一個(gè)極小的機(jī)械位移，能觸發(fā)毛細(xì)胞膜上電位變化。

這個(gè)微米裝置將“聲電轉(zhuǎn)換”定位到了細(xì)胞層面，但還沒(méi)有揭示轉(zhuǎn)換的核心——機(jī)械力究竟是怎么觸發(fā)離子轉(zhuǎn)移的。

“在細(xì)胞中，一些外來(lái)信號(hào)，會(huì)激活‘鑲嵌’在細(xì)胞膜中的蛋白，進(jìn)而引發(fā)細(xì)胞內(nèi)外帶電離子的運(yùn)動(dòng)，這個(gè)物理過(guò)程，伴隨著電信號(hào)的產(chǎn)生?！甭分腥A解釋。

因此，找到毛細(xì)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(shí)，他突發(fā)靈感，產(chǎn)生了一個(gè)科學(xué)假想，他認(rèn)為，這些蛋白構(gòu)成的連接絲會(huì)由于靜纖毛的運(yùn)動(dòng)直接被物理力牽拉，進(jìn)而打開(kāi)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(jìn)展，但目前仍為假說(shuō)，還沒(méi)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(shù)”。

位置分布圖揭示毛細(xì)胞“各有千秋”

如果說(shuō)赫茲佩思的研究是毛細(xì)胞整體性的機(jī)制范疇，那么費(fèi)蒂普萊斯的研究則在機(jī)制中加入了位置的維度。也就是說(shuō)處于不同位置的毛細(xì)胞，表現(xiàn)和機(jī)制并不相同。

費(fèi)蒂普萊斯為毛細(xì)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(cè)不同位置的毛細(xì)胞的電性變化，按照頻率記錄了毛細(xì)胞的聲音靈敏度。他發(fā)現(xiàn)，單個(gè)毛細(xì)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(xì)胞對(duì)高頻聲音作出響應(yīng)，位于寬松膜頂點(diǎn)處的毛細(xì)胞對(duì)低頻聲音作出響應(yīng)。

此外，費(fèi)蒂普萊斯還證明了，這種不同是基于毛細(xì)胞離子通道開(kāi)啟和關(guān)閉次數(shù)及速度。他發(fā)現(xiàn)，耳蝸兩端毛細(xì)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(wú)定論。

聽(tīng)覺(jué)是人類(lèi)五種基礎(chǔ)感知覺(jué)的一種，那在聽(tīng)覺(jué)以外的其他感知覺(jué)系統(tǒng)中，外界的信號(hào)是由什么蛋白來(lái)探測(cè)的呢？路中華表示，“嗅覺(jué)的分子機(jī)制已經(jīng)明晰，一開(kāi)始科學(xué)家就假定負(fù)責(zé)檢測(cè)氣味分子的核心蛋白質(zhì)是一個(gè)系列的蛋白質(zhì)，因?yàn)槲覀兡苈劦礁鞣N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(xì)胞的活動(dòng)，勢(shì)必對(duì)應(yīng)著多種多樣的受體蛋白。”

路中華解釋?zhuān)诟泄伲ㄒ?、嗅、味、?tīng)、觸）接受外界信號(hào)向大腦傳遞的過(guò)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(xì)胞內(nèi)蛋白（受體），激活受體，使得細(xì)胞中的離子通道開(kāi)放，帶電離子出入細(xì)胞，使得細(xì)胞激活并發(fā)放電脈沖。

外來(lái)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(huì)由于味道或頻率的不同，開(kāi)啟不同的離子通道。而通路上的各個(gè)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(jìn)一步探索

從事嗅覺(jué)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(lèi)問(wèn)題的解答，即結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、物理機(jī)制、分子機(jī)制。

在進(jìn)行了一系列“拆解”式的探索之后，最終的本質(zhì)將會(huì)落腳在基因上，即哪些基因與感官的正常運(yùn)行相關(guān)。

“老鼠有1200個(gè)嗅覺(jué)相關(guān)的基因，大象有2000個(gè)，人類(lèi)有400個(gè)。”路中華說(shuō)，在探尋嗅覺(jué)相關(guān)基因時(shí)，科學(xué)家借鑒了已經(jīng)明確的視覺(jué)中的關(guān)鍵基因序列，認(rèn)為核心蛋白均為一類(lèi)蛋白，因此基因序列應(yīng)該在進(jìn)化中高度保守?！坝醒芯繄F(tuán)隊(duì)依據(jù)已知的相關(guān)序列設(shè)計(jì)了引物，利用PCR（聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)）技術(shù)在嗅上皮細(xì)胞中擴(kuò)增到一系列的相似基因，后經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，這些基因正是要尋找的嗅覺(jué)相關(guān)的核心序列，并因此獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。”

可見(jiàn)，找到了高度保守的共性關(guān)鍵序列這個(gè)線(xiàn)索，將大大縮短核心基因的探尋之路。然而，在聽(tīng)覺(jué)的遺傳密碼解密過(guò)程中，科學(xué)家們還沒(méi)有找到“捷徑”。

沒(méi)有提綱挈領(lǐng)的線(xiàn)索，獲獎(jiǎng)?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(guó)的醫(yī)生合作廣泛。在那些國(guó)家，嚴(yán)重的耳聾在一些大家庭中較普遍，一個(gè)家族的基因圖譜給出了線(xiàn)索。

據(jù)介紹，通過(guò)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(huì)通過(guò)影響毛細(xì)胞的發(fā)育和功能等途徑對(duì)聽(tīng)力造成破壞。

“家族性先天耳聾很常見(jiàn)，這是基因突變?cè)斐傻??！甭分腥A解釋?zhuān)澳壳耙呀?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(hào)的產(chǎn)生傳輸相關(guān)的，也有與聽(tīng)覺(jué)神經(jīng)環(huán)路相關(guān)的?！?/p>

“與腫瘤不同，神經(jīng)系統(tǒng)的疾病很多還沒(méi)有明確的細(xì)胞或分子層面的定義，很難‘聚焦’研究，這就好比要打開(kāi)一扇門(mén)，還沒(méi)摸到門(mén)把手?！甭分腥A認(rèn)為，聽(tīng)覺(jué)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。