科普：神經(jīng)細(xì)胞如何感知溫度和觸碰——2021年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎成果解讀

　　新華社北京10月4日電(記者張瑩)人類對溫度和觸碰的感知能力對生存至關(guān)重要，這種能力支撐了人類與周圍世界的互動。能夠感知溫度和觸碰的神經(jīng)脈沖是如何產(chǎn)生的？2021年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎得主戴維·朱利葉斯和阿德姆·帕塔普蒂安的工作幫助人類洞悉了其中的機(jī)理。

　　長久以來，人類對感知能力背后的機(jī)理充滿好奇心，并提出過各種假說。約瑟夫·厄蘭格和赫伯特·加瑟兩位科學(xué)家曾發(fā)現(xiàn)，不同類型的感覺神經(jīng)纖維可以對不同的刺激——例如對疼痛和非疼痛觸碰——做出反應(yīng)，兩人因此獲得1944年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。自那時起，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)神經(jīng)細(xì)胞是高度專業(yè)化的，不同分工的神經(jīng)細(xì)胞可以探測和轉(zhuǎn)導(dǎo)不同類型刺激，并使人類能感知到周圍環(huán)境的細(xì)微差別。

　　然而，在朱利葉斯和帕塔普蒂安的發(fā)現(xiàn)之前，人類對神經(jīng)系統(tǒng)如何感知環(huán)境的理解仍然存在一片空白區(qū)域：溫度和觸碰如何在神經(jīng)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化為電脈沖？

　　20世紀(jì)90年代后期，在美國加利福尼亞大學(xué)舊金山分校工作的戴維·朱利葉斯通過分析辣椒素如何使人產(chǎn)生灼熱感而取得重大進(jìn)展。朱利葉斯和他的同事創(chuàng)建了一個由數(shù)百萬個DNA(脫氧核糖核酸)片段組成的基因庫，這些DNA片段與能對疼痛、熱和觸碰做出反應(yīng)的感覺神經(jīng)元中表達(dá)的基因相對應(yīng)。朱利葉斯和他的同事推測，該基因庫中應(yīng)該包含一個DNA片段，它能編碼一種可以對辣椒素做出反應(yīng)的蛋白質(zhì)。

　　經(jīng)過艱苦的搜索，朱利葉斯和他的同事終于發(fā)現(xiàn)了一個能夠使細(xì)胞對辣椒素敏感的基因。該基因編碼了一種新的離子通道蛋白，這種對辣椒素敏感的蛋白被命名為TRPV1。當(dāng)朱利葉斯進(jìn)一步研究TRPV1蛋白對熱的反應(yīng)能力時，他意識到自己發(fā)現(xiàn)了一種對熱敏感的受體，這種受體在機(jī)體感覺到疼痛的溫度下能被激活。

　　TRPV1的發(fā)現(xiàn)使人們了解到溫度差異如何在神經(jīng)系統(tǒng)中誘發(fā)電信號，該發(fā)現(xiàn)還引領(lǐng)了其他對溫度敏感受體的研究之路。此后，朱利葉斯和帕塔普蒂安分別獨(dú)立利用化學(xué)物質(zhì)薄荷醇發(fā)現(xiàn)了一種能被寒冷激活的受體TRPM8。

　　為了解釋機(jī)械刺激如何轉(zhuǎn)為觸覺，在美國斯克里普斯研究所工作的帕塔普蒂安希望找出被機(jī)械刺激激活的受體。帕塔普蒂安和他的同事首先發(fā)現(xiàn)了一種細(xì)胞系，當(dāng)其中單個細(xì)胞被微管戳到時，該細(xì)胞系會發(fā)出可測量的電信號。他們隨后篩選并鑒定出72個候選基因，通過將這些基因逐個關(guān)閉，成功識別出一個對機(jī)械刺激敏感的基因。當(dāng)該基因關(guān)閉后，細(xì)胞對被微管戳到的壓力不再敏感。

　　帕塔普蒂安和他的同事發(fā)現(xiàn)的是一種全新的壓力敏感離子通道，他們將其命名為Piezo1。這個詞來源于希臘語中的“壓力”一詞。根據(jù)與Piezo1的相似性，帕塔普蒂安和他的同事還發(fā)現(xiàn)了第二種與壓力感知相關(guān)的離子通道，并將其命名為Piezo2。研究還發(fā)現(xiàn)，通過對細(xì)胞膜施加壓力，Piezo1和Piezo2離子通道可以被直接激活。帕塔普蒂安以及其他團(tuán)隊在此基礎(chǔ)上發(fā)表了一系列論文，證明了Piezo2離子通道對觸覺至關(guān)重要，此外還在身體位置和運(yùn)動感知方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

　　朱利葉斯和帕塔普蒂安的工作還有助于理解與感知溫度或機(jī)械刺激相關(guān)的許多其他的生理功能。例如，Piezo1和Piezo2通道可以調(diào)節(jié)血壓、呼吸和膀胱控制等重要生理過程。相關(guān)成果正在被用于開發(fā)治療慢性疼痛等疾病的療法。