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破解人类感知之谜!今年首个诺奖和你我都有关

想像一下,在炎热的夏天,当你赤脚走过草地时,你可以感觉到太阳的热,风吹雨打,还有脚下每一片草叶。它们对温度、触觉和运动的影响几乎人人都能感觉到。

然而,这些冷热、僵硬、疼痛或压迫,是如何发生的?是什么神经引起的,这些感觉又是怎样引起的?人是未知的。

2020年诺贝尔生理学或医学奖得主所面临的问题,就是这个问题。该奖项授予美国科学家戴维·朱利叶斯(David Julius)和阿登·帕塔普蒂安(Ardem Patapoutian),表彰他们为“发现温度和触觉感受器”做出的贡献。

本年度诺贝尔奖得主的突破性发现揭示了热、冷、触觉如何触发我们神经系统的信号。成功者所发现的离子通道对于许多生理过程和疾病至关重要。诺奖网站上的图片

破解人类感知之谜!今年首个诺奖和你我都有关

诺贝尔奖委员会认为:两位科学家具有突破性发现,引导了一系列密集研究活动,使人们更快地了解神经系统是如何感知热、冷和机械刺激的。

以前大喊大叫的 mRNA (信使核糖核酸)技术,今年却没有获得诺贝尔生理学或医学奖。mRNA技术在与新冠肺炎的斗争中起到了很大的作用。刚过去的九月份,这项科技成果还先后摘得重量级奖项,分别是科学突破奖生命科学奖和拉斯克奖的“诺奖风向标”临床医学研究奖。

今年诺贝尔生理学或医学奖研究的领域似乎与人类生存有更密切的联系:眼睛是如何探测光线,声波如何影响我们的内耳,不同的化合物如何与我们鼻子和口腔中的感受器相互作用而产生嗅觉和味觉?千百年来,人类面临的最大问题之一,是我们对环境的认知方式。

描述哲学家

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设想的热能如何将机械信号传送到大脑。诺奖网站上的图片

17世纪,哲学家勒内·笛卡尔曾设想,可以将皮肤的不同部位与大脑相连。有了这个机制,接触火焰的脚,机械信号就会传送到大脑。随后的研究结果表明,人体存在能够记录我们周围环境变化的特定感觉神经元。

科学家 JosephUlanger和 HubertGaushin发现,人体内有不同类型的感觉神经纤维,能够对不同的刺激,例如对疼痛和无痛感的触觉产生反应。他们两人因此获得1944年的诺贝尔生理学或医学奖。

自那以后,科学家们就证明,神经细胞具有高度的特异性,可以探测和传导不同类型的刺激,从而使人类能够对周围的环境有细微的感知。举例来说,人们可以通过手指触摸表面纹理的不同,也可以分辨出令人愉快的温暖和痛苦的灼热。

然而,在大卫·朱利叶斯和阿登帕塔普蒂安的重大发现之前,科学家们还有一个尚未解决的基本问题:温度和机械刺激,如何在神经系统中转变成电脉冲?

20世纪90年代末, DavidJulius在美国加州大学旧金山分校看到了辣椒素是如何在接触辣椒时产生灼热感的。

此时,科学家已经知道辣椒素能激活引起疼痛感觉的神经细胞,但是这种化学物质具体如何起作用仍然是个未知数。

Julious和他的同事创建了一个数据库,其中包含了数百万对应感觉神经元表达的基因的 DNA,它们对疼痛、热和触觉有反应。

Julius和同事们假设,这个DNA库包含了编码与辣椒素发生反应的 DNA。在大量的工作和艰苦的研究中,他们发现了一种基因,这种基因能使细胞对辣椒素敏感,这就是人体感受到辣椒素的基因。

Julijuss小组进一步实验证明他们发现的这个基因,编码了一种新的离子通道蛋白,即后来命名为TRPV1的辣椒素受体。

Julius通过使用辣椒中的辣椒素发现TRPV1,TRPV1是一种通过伤害性温度激活的离子通道。之后,科学家们还发现了其它相关的离子通道,而我们现在已经了解到,不同温度诱导电信号的机制。诺奖网站上的图片

由于 Juliyus探索蛋白质对“热”的反应能力,他意识到这是一个热敏受体,可以在痛感的温度下激活。

NorthCentre将TRPV1的发现视为一项重大突破,为探索其它温度感应感受器开辟了道路。

Julius和 Pataptian分别单独使用薄荷化合物,分别鉴定出TRPM8受体,一种被证明能被寒冷激活的受体。

接着,研究人员发现,可以被一系列不同的温度激活,其它与TRPV1和TRPM8有关的离子通道。世界各地的实验室已经实施了相关的研究项目,他们利用基因改造后的小鼠,来研究这些通道在热感觉中的作用。

诺奖委员会认为,是朱利叶斯对TRPV1的发现,使人们能够了解不同温度引起神经系统电讯信号的机制。

但是,当人体感觉到温度的机理被揭示时,科学上还不清楚人体将机械刺激转变成触压感觉的机制。以前,研究者们在细菌中已经发现可以感知机械力的受体,但是脊椎动物的触觉机制还不清楚。

Pataptian希望,在美国加利福尼亚州拉霍亚的斯克里普斯研究所,能够识别人体中“尚未被发现的”感受器,它可以通过机械刺激激活。

Pataptian和合作者们首先确定了一种细胞系,当在“微移液头”上刺入单个细胞时,它们就会产生一个可测量的电信号。

研究者们首先假定,被机械力激活的感受器,一个离子通道受体,随后就能识别出编码这种受体的72个候选基因。科学家们通过使细胞内的这些基因一个接一个地“沉默”来寻找负责感知机械力的基因。

Patamptian和他的同事在一段艰难的研究过程中,成功地识别出一个基因,即在“沉默”后,细胞会对“微量移液头”进行戳刺。从此,他们发现了一条全新的、对机械力敏感的离子通道,把它命名为Piezo1,这个离子通道在希腊语中表示“压力”。同时,他们也发现了一种类似于Piezo1的基因,名为Piezo2,它在感觉神经元中高度表达。

Pataptian和他的同事通过进一步的研究证实,Piezo1和Piezo2是离子通道感受器,它能对细胞膜施加压力,从而直接激活两个受体。

Pataptian用体外培养的对机械力敏感的细胞来识别能够被机械力激活的离子通道。在艰苦的研究工作之后,他们发现了第一个编码感知机械力离子通道的基因Piezo1。根据和Piezo1的相似度,他们找到了Piezo2基因。诺奖网站上的图片

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Pataptian和其他的研究小组基于这些突破性的研究,发表了一系列的论文,证明了Piezo2离子通道对于触觉至关重要。有关研究也证实了Piezo2在感知身体的位置和运动方面起着重要的作用。

另外,机械感受力蛋白Piezo1和Piezo2也被证实参与其他重要生理过程,如血压、呼吸和排尿。

诺奖委员会做出这样的评价:今年诺贝尔奖得主的突破性发现,让我们了解了冷、热、机械力是如何激发神经冲动的,以及人类感知和适应外界刺激的机制。基于这一发现的大量研究,研究人员正在致力于阐明它们在各种生理过程中的功能,这些将有望广泛应用于多种疾病的治疗。

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