磁场互感原理（从磁场感受器说起）

文｜吴建永（美国乔治城大学医学院神经科学教授）

几天前《自然》杂志子刊发表了中国学者发现磁场感受器的文章，小伙伴们一听到都惊呆了。不光你我这样的外行吃惊，就连同一领域的许多大佬也不信。所以这文章本来是投给《自然》主刊的，由于审稿人质疑被拒，最后发在《自然—材料》子刊上。

然而，下一个惊天动地的大问题是，磁场受体怎么让动物感知磁场。这只是个分子啊！分子多小你懂的，五万个分子排好队才有头发丝那么粗。而且所谓细微变化只不过是分子的形状发生一点小小变化而已。这么小的分子上，即使感受到了磁场，有了细微形状改变，又怎样能放大到动物的知觉并指挥其行为呢？

这个关键的过程用一个词来形容，就是“四两拨千斤”。简单这么一说你或许立刻顿悟了。从分子到行为，关键就是个“水龙头”机关啊！ 你肯定知道细胞外面都有一层膜，这层膜虽然只有3毫微米（30A）厚，却像个结实的铁桶，仔细完全地包裹着细胞，不让物质自由进出。而感受器分子通过某种机制打开铁桶上的水龙头，一打开就让细胞外的离子大量涌入。 离子带电，你懂的。大量的钠和钙离子涌入细胞就带进大量正电荷，产生一个正电压。这个电压变化的信号就能通知整个神经系统，动物就能知道了。从感受器到细胞膜电压变化确实就像是“四两拨千斤”的开关：水龙头四两重，打开后涌入千斤的水也毫无压力。

所谓感受器分子就是细胞膜上的蛋白分子。神经细胞膜上的各种蛋白分子成千上万，这里只介绍四种最重要的分子机器。虽然大大简化，但这四种机器联合工作的道理代表了 95%的有关知识。另外的百分之五只好麻烦您报考研究生，或者翻墙去找谷姑娘了。

四种机器的第一种是“离子泵”。这种蛋白分子也是跨细胞膜安装，通过旋转运动来变化形状，把钾离子打进细胞，钠离子打出来。这种泵是消耗能量的，所以可以逆离子浓度进行。这样细胞内的钾离子浓度就非常高，钠浓度非常低。这种浓度差别就像水压，有了水压水龙头才能发挥作用。所以下面三种分子水龙头都要靠钾离子和钠离子的浓度差来发威。

第二种分子机器叫“泄漏型离子通道”。泄漏型通道就像永远打开的水龙头，只要有水压就会冒水。但泄漏型通道会有选择性地只让一种离子通过细胞膜。比如神经细胞的膜上都有泄漏型钾离子通道，它们选择性地只让钾离子漏出去。由于离子泵不断工作，细胞内的钾离子浓度非常高，所以钾离子会不断通过钾通道漏出细胞。 这样，泵一边往细胞内打，钾通道一边往外漏，不是做无用工吗？完全不是！我讲课时讲到这段总会卖个关子，问学生钾离子外漏会不会自己停下来。百分之九十的时候研究生或者医学生都说永远不会停。可是实际上很快就会自动停下来。

这是因为钾离子带一个正电荷，每个漏出的钾离子都会使一个电荷离开细胞，使膜两边的电压变高一点。具体说随着钾离子不断漏出，膜内相对于膜外的电压会越来越负，这个电场会阻止更多的钾离子漏出。这样钾漏出越多，跨膜的负电压就会越高，电压越高钾离子漏出就越少。最后达到一个平衡，也叫“电—化学平衡”。您若学过物理，肯定知道这种平衡和金属在液体里的表面电位，半导体里的的PN结，电池电极等等都是一个道理。所有神经细胞都是利用离子泵和泄漏型钾通道把细胞变成一个小电池， 叫做“静息电位” ，电压大约是 负60毫伏（手机电池的1/50左右）。利用这静息电位就能让各种水龙头机制大显神通。

第三种分子机器，就是我们的主角，感受器离子通道闪亮出场。由于磁感受器的机制还不清楚（至少还需要5到10篇高质量文章），我们用听觉的机械感受器来举例说明。机械感受器就像机械控制的水龙头，也是跨细胞膜的蛋白分子，在正常时候是不通的。只有在分子受到机械力时，哪怕只有一埃的位移，其构象也会改变，形成一个离子通道。这个通道容许正离子通过，这时细胞外的钠或钙离子会大量涌入，这是因为细胞内钠和钙都很少，而且静息电位的电场也会推动正离子进入细胞。大量钠和钙离子进入就导致感受器周围的膜电位变正，比如从负60毫伏变到负50毫伏，比静息时高了10毫伏。这个变化虽然很小，但是由于第四种分子机器的介入，就会出现翻天覆地的大变化。

这个第四种分子机器就是电压敏感钠通道，好比是电控水龙头。这个离子通道在膜电位负60毫伏时是关闭的，但当膜电位变到负55毫伏时（阈值电位），电压敏感钠通道的分子构象会发生变化，打开而形成一个钠离子通道。这样钠离子就会大量涌入细胞。设想由于感受器通道的开通虽然只使其周围的少数几个电压敏感钠通道打开，但这少数几个电压敏感钠通道打开后会引起更多的钠离子涌入细胞，带入的正电荷而引起更多的膜电位变正，这个正电压又会使更多的电控钠龙头（电压敏感钠通道）打开，又引起更大的钠内流。如此周而复始，像雪崩式（正反馈）的过程会在0.2毫秒之内让整个神经细胞所有电压敏感钠通道都打开。这时膜电位翻转，达到正30毫伏。这个电压，也叫“动作电位”，是神经系统计算的专用信息。动作电位会传导给下一级神经细胞，继而传遍整个神经系统，使动物感受到听觉。

总结一下：机械感受器的离子通道利用只有一埃的位移打开一个离子通道，让几百万个钠离子进入细胞，使其周围一小区的膜电位达到阈值，打开几个电压敏感钠通道。这些钠通道打开后又使更多的钠离子进入，膜电压变得更正，如此导致更多电压敏感钠通道打开，产生动作电位，膜电位变化接近100毫伏。这个四两拨千斤过程的放大倍数大得难以想像。

这四种细胞膜上的蛋白质分子机器共同构成了一个异常灵敏，同时噪声又非常低的生物传感器。有多灵敏呢？实验证明光感受器使人能看到一个光子（！），嗅觉感受器能让昆虫闻见一个气味分子。听觉感受器能让我们感知只有一个原子核直径的位移。

下图是耳朵里听觉感受器的的电镜照片，那个像仙人掌似的是细胞上的纤毛，仔细看其顶端的细丝（题图上比较清楚）就是拉动离子通道的蛋白质丝。右边的示意图画着一个离子通道被两个蛋白分子构成的绳子牵拉，这样只有一个原子直径那么小的位移就能被感觉。

好了，虽然磁感受器的具体机制还不知道，但是可以负责地说它和神经细胞的其他几种分子机器组合来感受磁场。与其偶联的一个分子在磁场改变时会产生一个小动作，导致一个分子构象改变让钠离子流进神经细胞。

动物能感受磁场是人们早已知道的，比如海龟，信鸽等都能用地球磁场导航。但磁感受的机制现在还不完全知道。从已经知道的信息，1.、动物确实能感知地球磁场这么弱的磁场，并以此来导航。2、信鸽的这种感受器可能在嗅觉黏膜上，因为如果给它们鼻子里滴一点局部麻醉药，磁感觉就消失了。3、磁感受器很有可能是靠偶联到一种离子通道而起作用。

最后说一下为什么有人认为磁感受器是“萝卜儿”奖级的工作：这是因为作者发现了这个感受器的基因，就可以让它在神经细胞中表达，使神经细胞的活动（静息电位和动作电位）能够被外界磁场调节。近期来讲，现在治某些大脑疾病（比如帕金森）要把电极植入脑内。如果能用磁场做这种刺激就不必手术移植电极。如此无损刺激大脑的技术门槛就低多了，可以应用在日常生活中比如刺激一下失忆患者就能想起忘记的信息。

更远的例子就比较神奇了。你知道你清醒的时候大脑中大部分神经细胞的静息电位在负55毫伏左右，但打瞌睡时会降到负65毫伏左右，而在所谓黄金睡眠的时候（慢波第三期）静息电位会每秒一次在负50和负70毫伏之间振荡。如果神经细胞能感受磁场，那么枕边的一台小机器就能让你瞬间进入黄金睡眠。如果你现在是研究生，做一只能被磁场引入睡眠的老鼠，绝对是一篇上好博士论文。当然更远的远景是开发一种新的大脑—计算机接口，通过磁场传递信息。如果这样，这篇文章的知识就能在几秒的时间内进入您的大脑并像自己的思想一样栩栩如生地浮现，好像刚上过一学期研究生课似的。那该有多神奇啊！