我們為什麼會辣得菊花痛?
2020年05月30日11:17

  文章來源:原理 公眾號

  想像一幅美好的場景,你正躺在海灘上,溫暖的陽光灑在身上,海風輕撫臉頰,粗糙的沙粒摩擦著皮膚,然後你拿了一顆薄荷糖含在嘴裡,感到一陣清涼……

  這些都是我們熟悉的感覺,雖然我們感受起來似乎截然不同,但它們都與我們的軀體感覺有關。無論有什麼東西讓你覺得熱或冷,硬或軟,疼痛或壓迫等等,都是軀體感覺系統在幫助辨別這些刺激。

  在分子水平上,我們對軀體感覺瞭解不深。溫度、壓力等物理屬性,究竟是如何被探測並轉化為大腦可處理的信號,一直是個神秘的問題。它吸引著許多生物學家和神經科學家,戴維·朱利葉斯(David Julius)和阿代姆·帕塔博蒂安(Ardem Patapoutian)就是其中傑出的代表。在過去的20多年間,他們分別獨立發現了溫度感受器和壓力感受器,為溫度感知和機械感知提供了分子和神經基礎,從而引領了神經科學領域的一場“變革”,並為人類生理和疾病提供了新的見解。

  由於朱利葉斯和帕塔博蒂安二人開創性的發現,他們被授予了2020年科維理神經科學獎(Kavli Prize in Neuroscience)。

加州大學舊金山分校的戴維·朱利葉斯(右)和斯克里普研究所的阿代姆·帕塔博蒂安(左),在獨立研究中分別發現了溫度和壓力的感受器。朱利葉斯和帕塔博蒂安身上有一些相似之處。嚴格說來他們都有移民背景。帕塔博蒂安於1967年出生在黎巴嫩,他的童年經曆戰火和動盪,19歲時來到美國定居洛杉磯。朱利葉斯的祖父母當年為了逃離東歐的反猶太主義,從東歐移民美國,朱利葉斯於1955年在紐約出生。| 圖片來源:kavliprize.org
加州大學舊金山分校的戴維·朱利葉斯(右)和斯克里普研究所的阿代姆·帕塔博蒂安(左),在獨立研究中分別發現了溫度和壓力的感受器。朱利葉斯和帕塔博蒂安身上有一些相似之處。嚴格說來他們都有移民背景。帕塔博蒂安於1967年出生在黎巴嫩,他的童年經曆戰火和動盪,19歲時來到美國定居洛杉磯。朱利葉斯的祖父母當年為了逃離東歐的反猶太主義,從東歐移民美國,朱利葉斯於1955年在紐約出生。| 圖片來源:kavliprize.org

  事實上,從神經層面來看,我們的大多感官可以簡化地理解成“接受刺激 - 傳遞信號 - 大腦接收並做出反應”。比如,我們的嗅覺和味覺都是種化學檢測系統,視覺則是通過感受光的刺激來形成信號。觸覺、疼痛等軀體感覺也在外部環境的刺激下產生反應。

外部環境刺激(如高溫和壓力)激活感覺神經膜上的離子通道受體,產生電脈衝,電信號通過背根神經節(DRG)到達大腦的感覺區域。| 圖片來源:kavliprize.org
外部環境刺激(如高溫和壓力)激活感覺神經膜上的離子通道受體,產生電脈衝,電信號通過背根神經節(DRG)到達大腦的感覺區域。| 圖片來源:kavliprize.org

  這個過程需要一類被稱為感受器(receptor)的結構的幫助。我們可以把感受器理解成“鎖”或者“門”,它們在特定情況下才會被激活,就像鎖需要特定鑰匙才能打開一樣。

  我們能嚐出苦味,是因為負責苦味的味覺感受器在遇到形狀和化學成分都符合要求的分子時,它們就會打開,經由一條通路向大腦傳遞信號,因此大腦就收到了“好苦啊”的信息。

  在味覺上,我們已經發現了負責鹹、甜、酸、苦、鮮5種基本味道的感受器,也有一些更前沿的研究暗示了更多基本味道的可能。然而在所有味道中,有一種絕對與眾不同,那就是辣味。嚴格說來,辣並不是一種“味”。這就與朱利葉斯的突破性發現密不可分。

  提到辣的東西,我們都會有一種“熱”的感覺,紅辣椒會讓你嘴巴感覺灼燒,吃完辣椒第二天“身體末端”很有可能也會經曆火辣辣地疼。神奇的是,還有一些東西會讓我們覺得“冷”,比如薄荷。

  辣椒中的辣味來自一種叫辣椒素的物質。早先,一些科學研究表明,在辣椒素和高溫的刺激下,一部分感覺神經元變得活躍。然而,關於其作用的具體機製一直存在爭議。直到1997年,朱利葉斯在感受疼痛的神經元上識別出了受體分子TRPV1,並證明它能被高溫和辣椒素激活,才揭開了答案。而這也解釋了辣總是和熱聯繫在一起的原因。

  TRPV1屬於一個離子通道家族,它位於細胞膜上,一旦激活就會打開,讓帶電離子(如鈉和鈣)流入細胞。它廣泛地分佈在我們身上,這就是為什麼辛辣的食物在進出身體的過程中都會帶來灼熱的感覺。

  TRPV1是第一個在脊椎動物身上被確認生理功能的TRP通道,可以說是理解觸覺和痛覺的分子基礎的一個裡程碑,讓我們認識到物理力激活神經元的機製。

TRP通道作為熱感受器。| 圖片來源:kavliprize.org
TRP通道作為熱感受器。| 圖片來源:kavliprize.org

  隨後,TRP通道在溫度感知中的作用得到進一步確認。朱利葉斯和帕塔博蒂安分別獨立確認了TRPM8是一種會對薄荷醇和寒冷產生反應的分子。現在越來越多發現表明,TRP家族在進化史上是一個非常古老的體系。人們也認識了更多家族成員,包括“芥末感受器”TRPA1、會被百里香等香料激活的TRPA3等等。

  朱利葉斯的進一步研究還揭示了,TRPV1對炎症過程中產生的化學物質很敏感,與炎症相關的疼痛敏感反應有關,這為癌症疼痛和其他疾病的治療開闢了新的潛在途徑。

  然而,帕塔博蒂安在開始思考我們如何感受外部環境刺激時,他選擇了一個不同的研究方向。

  2010年,他的團隊發現了兩個新的離子通道,它們會被機械壓力(用細棒輕輕戳)激活,產生電活動。這兩個離子通道被命名為PIEZO1和PIEZO2。這個名字來自希臘語中的“piezi”,意為“壓力”。

  這項突破同樣開啟了一片全新的領域。在感覺神經元和其他細胞上發現的PIEZO1和PIEZO2,引領了大量新研究,讓人們逐漸認識這些離子通道在觸覺、疼痛、血壓調節和本體感覺等各方面壓力感知中的作用。

  其中或許最令人感到新奇的要數與本體感覺相關的研究。本體感覺是指我們感知身體在空間中位置的能力。這種感覺讓我們能夠站立和行走,甚至閉上眼睛或蒙上眼睛後依舊能行走自如,它依賴的是那些向大腦發出肌肉伸展信號的神經元。

  帕塔博蒂安的團隊和其他研究已經證明,PIEZO2是本體感覺相關的關鍵分子。有研究稱,罕見的PIEZO2缺乏的人,在黑暗中站立和行走都有困難。帕塔博蒂安更近期的研究,在人類遺傳學和小鼠模型上已經證明,PIEZO1在控製紅細胞體積中會發揮作用。他發現了一種PIEZO1基因的變異,似乎可以防止瘧原蟲感染。

  帕塔博蒂安在接受採訪時曾表示,他的研究生涯中也曾經曆過很長一段時間進展緩慢的階段,他甚至曾經想過轉行。但幸好他堅持了下來。“這是一段非常迷人的旅程,PIEZO帶我們從生物學和病理生理學,接下來又會帶著我們前往新的未知的領域。”

  科維理神經科學獎評審委員會主席Kristine B。 Walhovd表示:“朱利葉斯和帕塔博蒂安的獨立發現正在徹底改變我們對於感覺探測的認知,並將對解決全球健康和疾病問題產生深遠影響。”

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