杨珂 王冬:细胞的“超级耳朵”

细胞的“超级耳朵”

作者/四川省人民医院超声科杨珂  王冬

自然界充满了形形色色的声波信号，但大部分信号人类是听不见的，我们能听到的只是频率范围在20Hz-20kHz的一小部分声波。拨动的琴弦、说话的声音等，在空气中振动形成的声波，与耳中的鼓膜等结构发生共振，激活人体的听觉感受器—耳蜗螺旋器，将振动转变为神经冲动，产生听觉。

然而，自然界中许多动物具有比人类更敏感的听力。大象巨大的耳朵可以增加声音收集的面积，能听到遥远的声音。鸽子能听到低于20Hz甚至0.5Hz的声音，能感知很远距离的气候变化，可预示灾难。狗的听觉极限高达60kHz，可以听到我们无法察觉到的声音，有利于完成搜救、跟踪等任务。蝙蝠能接收频率超过20kHz的超声波，以保证在夜间或昏暗环境中自由飞翔、捕食。

听觉能力的选择是对大自然特定环境长期适应性进化的结果，便于识别、寻找、躲避、捕食等等。人类在长期的进化中形成特殊的中耳结构和较大的耳距，放弃了20kHz以上高频声音的听力。

频率超过20kHz以上高频声波称为超声波。当超声波穿过人体时，遇到密度不同的组织和器官发生不同的反射、折射和吸收等现象，以此鉴别出是否为实质性组织或者是否含有液体或气体，在医学领域被广泛应用于多种疾病的检查。经过几十年临床实际应用，超声波无创伤、无副作用、可以多次重复、价格相对较低、实时地(动态地同时地)显示病变部位等优点，临床应用越来越广泛。

事实上，即使人类耳朵听不见超声波，一些机体组织对超声波仍保留奇特的感应力。在20世纪50年代，科学家们就发现在不具备超声波接收能力的动物中，一定能量的超声波能够刺激神经元细胞发生反应，比如抑制猫的外侧膝状核以抑制视觉诱发电位等。进入21世纪后，越来越多的研究发现超声波影响神经元活动的现象，如超声波聚焦于运动皮层时，小鼠会产生运动反应。这一切都根源于神经细胞上特殊的“超级耳朵”，帮助细胞接收超声波信号，并做出反应。这些超级耳朵实际是镶嵌在细胞表面的一些蛋白颗粒，组成一个像闸门的通道，在超声波等一些物理刺激下短暂开放，允许特定的离子通过，使细胞做出相应的反应。这些离子通道往往与神经信息的传递、神经系统和肌肉方面的疾病密切相关。

当我们逐渐了解到蝙蝠等是如何接收超声波的，学习和利用这个技巧，就能给我们的神经细胞安装升级版的“超级耳朵”。Prestin是几乎所有哺乳动物都拥有的一种高频听觉压力蛋白，海豚、鲸鱼和声纳蝙蝠中的Prestin对超高频声波高度敏感，但人类的Prestin对超声波却几乎没有敏感性。把蝙蝠特有的Prestin蛋白注射入大脑深部区域，然后使用超声波激活神经元细胞，可以改善小鼠帕金森氏病的运动症状。此外，MscL是一种源自细菌的机械敏感通道蛋白，超声波可以打开MscL通道，引发钙离子内流，激活神经元兴奋性，为帕金森症、抑郁症等脑疾病提供新的研究工具或治疗手段。

这样的“超级耳朵”使得我们可以用尽可能低的超声波强度，让特定神经元产生超声响应。得益于对超声波“超级耳朵”的长期研究，通过优化改造，经颅超声神经刺激作为一种无创的深部神经调控技术，将成为更多的精神和神经系统疾病的非药物治疗“新方法”。

审核：薛成毅