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2012-12-01神經生理學的新典範出現了嗎? 516 期

Author 作者 蔡孟利/任教宜蘭大學生物機電工程學系

在討論《念力》這本書之前,我想先給讀者簡單敘述一下書中所討論的「神經系統」之簡單輪廓,或許有助於一些非專業的讀者閱讀這本書。

神經系統的結構

神經系統的構造單位,同時也是神經系統的功能單位是神經細胞,我們在討論神經系統的作用時,不管是訊息的傳導或是儲存,神經細胞均可視為獨立的功能元件,所以神經細胞也稱做「神經元(neuron)」,但身體任何行為的控制均牽涉到兩個神經元以上的網路運作。

人的神經系統約有1011個神經元(其實還有數目約為神經元10~50倍的支持細胞,這些支持細胞對於神經訊息的傳遞雖無直接參與,但對於神經元的保護、營養、結構維持與物質代謝調節均有貢獻),每個神經元上又分布有上千個突觸。突觸是將前一個神經元的膜電位變化訊息傳給下一個神經元的位置所在,單一突觸所佔的細胞膜面積雖然小,但全數加起來可以佔掉75%的樹突以及40%細胞本體的細胞膜面積。突觸不僅作為在兩個神經元之間傳遞訊息的構造基礎,也提供了不同來源神經訊息的整合場所。物質世界的特徵由感覺系統輸入大腦,之後在腦中進行認知過程處理,一個感覺事件在腦中所牽涉的神經元越多,神經網路就越複雜。即使外在的刺激是不變的,但神經網路上每個神經元突觸整合方式卻是可變的。從周邊傳來的訊息經過越多個突觸,則越高階的神經元所呈現之訊息就越多變,與原輸入感覺事件的訊息特徵未必有很大的關連性。

神經元的訊息傳導牽涉到細胞膜兩側離子組成的動態變化,但是目前我們可以用來偵測單一細胞之細胞膜內外各離子濃度變化的工具效能有限,無法準確反映訊息傳導時細胞膜兩側各離子濃度快速且微量的變化。不過由於細胞膜兩側因離子的濃度以及不同離子對膜通透性的大小之不同,所造成的荷電性質差異會讓細胞膜的兩側有一電位差的存在,所以在探討神經訊息傳導時,通常會以較容易量測的電訊號來代表這些離子濃度變化的總和事件。

神經元細胞膜上產生具遠距傳導性質的電位變化稱為「動作電位(action potential)」,動作電位形式上的特點是膜電位迅速的高峰式漲落變化。在適當的刺激下,膜電位會從靜止時的- 70 毫伏特(mV)快速去極化至0 毫伏特,然後又繼續反向極化到約+ 30 毫伏特,此時膜外高電位與膜內低電位的極化現象不僅完全消失,並且呈現外低內高的反轉現象。但在不到2毫秒的時間內,膜電位又會一直降到比原先靜止膜電位更低的過極化狀況,經過數毫秒後才又漸漸地回到靜止膜電位的狀態。這樣的電位漲落現象,可以從動作電位的發生處傳導到軸突的其他地方,並經由突觸影響鄰接的神經細胞膜電位。不過不同強度的刺激並不會誘發神經元產生不同漲落型態的動作電位,而是透過動作電位的產生頻率來反應刺激的強度大小。

以古觀今

好了,回到《念力》這本書。看完了尼可列利斯這本像是研究藍圖說帖的傳記,想到了學生時代在殷正坤先生的《探幽入微之路—量子歷程》一書中看到的這段故事:

那一次,海森堡應邀去柏林大學講量子力學,講演以後,愛因斯坦邀請他一起回家。他們一邊走一邊討論有關量子力學中一些新的思想。回到愛因斯坦家裡後,愛因斯坦表示不贊同海森堡在量子理論中只考慮可觀測量的思想。這使海森堡感到很奇怪。他問道:「你處理相對論時不正是這樣做的嗎?你曾經強調過,絕對時間是不許可的,僅僅是因為我們觀察不到絕對時間,而只有在運動的參照系或靜止的參照系中存在的時鐘讀數才和確定的時間有關」。愛因斯坦承認他曾用過這種推理,但是他說:「也許能更靈活的解釋它。但是在原則上,試圖單靠可觀察量來建立理論,那是完全錯誤的。實際上,恰恰相反,是理論決定我們能夠觀察到的東西。……只有理論,即只有關於自然規律的知識,才能使我們從感覺印象推論出基本現象」。

愛因斯坦的這一番話使他頓開茅塞。他想,也許我把問題提錯了,我不應當設法去描述電子徑跡,從而使理論適應於觀察到的現象;也許應當把問題倒過來,是理論本身決定什麼東西能被實驗觀察到。也就是說,應當假定自然界只容許那些能夠用量子力學所描述的實驗發生;可能我在實驗中觀察到的根本不是電子準確的徑跡。雲室裡的徑跡只不過是電子運動所產生水滴的圖像,而水滴比電子要大得多,所以,電子實際上可能仍然只有一系列分立的,不確定的位置,而這是可能用數學形式表示出來的。想到這裡,他馬上返回研究所去進行計算,結果得出了著名的測不準關係式。」

「是理論本身決定什麼東西能被實驗觀察到」,我在尼可列利斯的書中再一次看到這樣的實例。只是,尼可列利斯的理論會成為神經生理學的新典範(Paradigm)嗎?……【更多內容請閱讀天下文化出版《念力》】


《念力》
Beyond Boundaries
作 者:尼可列利斯
譯 者:楊玉齡
出版社:天下文化
出版日期:2012年3月