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人类大脑神经纤维的传递速度,可以达到光速吗?

图片:Public Domain

神经纤维直径越粗,内阻越小,传递速度越快,那么内阻接近于零时,神经传递速度可以接近光速吗?

A Chen,剑桥大学自然科学本科

(文末有彩蛋)

结论是对的,但是原因不是这么简单。

“越粗的神经纤维动作电位的传输速度越快”是没有问题的,但不是因为导线那样的内阻(事实上导线的内阻和电场传播的速度无关)。达到光速在理论上可能,现实中不可能。

首先,神经纤维和导线不同。动作电位(action potential)是通过离子通道的开合产生的电压差的传递(而不是电子的运动):简单地说,上游离子通道的开启造成了离子的涌入,产生一个电压差,这个电压差以离子扩散的形式传递到下游,导致下游通道的开启,以此循环。的确,越粗的神经纤维动作电位的传输速度越快:神经纤维越粗,进入细胞以后的离子和细胞内的其他离子因为外周变粗扩散得更快,涌入的离子更容易将高正离子浓度传递到下游,同时因为电阻减小电压的衰减效应下降,下游的离子通道能更快地感受到由高正离子浓度带来的超过阈值的电压从而开启,所以传输更快。和取决于横截面积的导线内阻不同(而且电阻不影响电子移动的速度),这里的离子受到的阻碍和电压的减弱取决于细胞膜的表面积。

感谢 @platinum 对上文提出的质疑,让我的文字更加严谨。

Andreas Prokop 对于动作电位传递的一个简单而清晰的诠释。

对于直径和速度的关系,其他答案给出了定量的分析,这里就不赘述了。


但是,神经纤维的粗细是决定信息传递速度的唯一因素吗?枪乌贼的巨大轴突(giant axon)直径可高达 1000μm(和耳机线差不多粗了),人的 A 类α纤维直径一般在 12-20μm 之间,哪个快呢?

人的 A 类α纤维快,而且比巨大轴突快好几倍。

巨大轴突的传递速度大约 25m/s,相当于大巴的速度

A 类α纤维传递速度可达 120m/s,和复兴号高铁速度差不多

脊椎动物神经纤维虽然细,但是拥有另一个黑科技:髓鞘(myelin sheath)

(髓鞘一般只被发现于脊椎动物的轴突上,但也有特例)

(图片:Helixitta)

髓鞘是由施旺细胞或其它类型的神经支持细胞一圈一圈地裹在神经元上组成的(上图中左上角蜗牛壳一样图片就是它的截面图)。它的作用之一就是加快传递速度。

髓鞘可以让神经纤维部分绝缘,降低了信号强度衰弱的速率,并使动作电位只在郎飞氏结(node of Ranvier)间传递,形成跳跃式传导(saltatory conduction),所以有髓鞘的神经纤维的传递速度比没有髓鞘的神经纤维要快。

一个酷炫的动图:有髓鞘的神经细胞轴突传递动作电位的速度比没髓鞘的要高得多。

理论上来说,施旺细胞越长,郎飞氏结越少,传导的速度越快。但是由于钠离子涌入产生的高浓度正离子会在扩散的时候受到细胞内种种物质的阻碍,同时高浓度正离子产生的电位会随着距离渐渐减弱。施旺细胞太长的话,电位到达下一个郎飞氏结时达不到离子通道的阈值,离子通道就不会开启,动作电位也就不会传递下去了。

如果我们给神经进行魔改,让一个超长的施旺细胞紧紧包裹着一整个轴突,再调低离子通道的电位阈值(或者降低电解质的电阻使离子通道感受到更强的电压)。细胞一端离子通道打开,离子进入细胞的一瞬间,细胞末端的离子通道立刻感受到微弱的电位变化。因为电场传播的速度是介质中的光速,所以理论上这样的魔改神经细胞是可以做到光速传播信息的。

感谢 @platinum 提出的模型,有改动。

但是,这样的魔改需要打破许许多多分子生物学上的壁垒,并且在进化上不会给生物带来明显优势,反而会带来坏处。电信号的衰弱和离子通道电位阈值的存在可以过滤掉许多微弱的信息。细胞质的成分十分复杂,许多电位上的微小变化可能只是噪音,并不是真正对生存有意义的信息。如果让离子通道对电位的变化过于敏感,会导致许许多多不必要的刺激。所以,即使细胞可以突破分子生物学的种种壁垒,变成能“光速传递信息”的魔改神经细胞,自然选择也不会允许这种细胞存在


回到原来的问题。即使我们加入了轴突这一要素,问题中的结论依然是对的:在有髓鞘的细胞中,神经纤维越粗,传递速度也越快。轴突越粗,离子运动越快,电压衰减越小。髓鞘越厚,绝缘效果就越强。

有着粗大轴突和厚实髓鞘的 A 类α神经传输速度堪比高铁。青色部分为轴突,黄色部分为髓鞘(原图来源:http://1pain.com;改编:鬼谷藏龙)


神经越粗,速度越快,这下是不是找到变聪明的方法了?如果我们给大脑进行魔改,让我们的神经纤维不断变粗,我们是不是脑子就变得无限聪明了呢?

很遗憾不是的_(:з」∠)_

神经纤维变粗,理论上会增加信号传输速度。但也会带来劣势:除了以前说到的在极端情况下会对不必要的信息过度敏感之外,更明显的问题在于随着轴突的增粗,大脑的能耗会增加(大脑现在已经占据了身体大约 20%的能量损耗),那个时候大脑的能耗极限就会成为我们变聪明的天花板。

Scientific American 列举了四种增加智力的“魔改”,也说明了其原理和局限性。让轴突变粗就是魔改之一。更多可以看这里:A Chen:存不存在人类生长智力极限?


彩蛋

有些神经不仅能“大条”,还能屈能伸!

我们都知道,在捕食的时候,鲸鱼需要张开自己夸张的血盆大口。这个时候问题来了,神经不会被扯断吗?要知道,在人的神经损伤中,最常见的原因就是神经被拉伤。神经拉伤可以导致疼痛、瘫痪、肌肉萎缩和失去知觉等症状。

长须鲸等须鲸为了能大口吃鱼,进化出了有着惊人伸缩能力的面部大神经。宽 2 厘米(注意:这是一簇神经,单个轴突还是很细的)长 14 厘米的神经,可以让自己延长约 150%!(原文献戳这里

在鲸鱼大嘴中的惊人发现也许可以给我们提供不少科技灵感,以应用于医学和生物工程中。

图片: Vogl et al.


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