人类大脑神经纤维的传递速度,可以达到光速吗?

2017-10-12 20:33

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神经纤维直径越粗,内阻越小,传递速度越快,那么内阻接近于零时,神经传递速度可以接近光速吗? A Chen,剑桥大学自然科学本科

(文末有彩蛋)

结论其实是对的,但是原因不对。

“越粗的神经纤维动作电位的传输速度越快”是没有问题的,但不是因为内阻。达到光速更是不可能的。

首先,神经纤维和电线不同。动作电位(action potential)是通过离子通道的开合产生的电压差的传递。的确,越粗的神经纤维动作电位的传输速度越快:因为越粗的神经纤维表面的离子通道越多,所以传输更快,和内阻没什么关系。

Andreas Prokop 对于动作电位传递的一个简单而清晰的诠释。

但是!神经纤维的粗细是决定信息传递速度的唯一因素吗?枪乌贼的巨大轴突(giant axon)直径可高达 1000μm(和耳机线差不多粗了),人的 A 类α纤维直径一般在 12-20μm 之间,哪个快呢?

人的 A 类α纤维快,而且比巨大轴突快好几倍。

巨大轴突的传递速度大约 25m/s,相当于大巴的速度

A 类α纤维传递速度可达 120m/s,和复兴号高铁速度差不多

脊椎动物神经纤维虽然细,但是拥有另一个黑科技:髓鞘(myelin sheath)

(髓鞘一般只被发现于脊椎动物的轴突上,但也有特例)

(图片:Helixitta)

髓鞘是由施旺细胞或其它类型的神经支持细胞一圈一圈地裹在神经元上组成的(上图中左上角蜗牛壳一样图片就是它的截面图)。它的作用之一就是加快传递速度。

髓鞘可以让神经纤维部分绝缘,降低了信号强度衰弱的速率,并使动作电位只在郎飞氏结(node of Ranvier)间传递,形成跳跃式传导(saltatory conduction),所以有髓鞘的神经纤维的传递速度比没有髓鞘的神经纤维要快。

一个酷炫的动图:有髓鞘的神经细胞轴突传递动作电位的速度比没髓鞘的要高得多。

但是!即使是这样,问题中的结论依然是对的:在有髓鞘的细胞中,神经纤维越粗,传递速度也越快。轴突越粗,表面的离子通道就越多。髓鞘越厚,绝缘效果就越强。

有着粗大轴突和厚实髓鞘的 A 类α神经传输速度堪比高铁。青色部分为轴突,黄色部分为髓鞘(原图来源:http://1pain.com;改编:鬼谷藏龙)

神经越粗,速度越快,这下是不是找到变聪明的方法了?如果我们给大脑进行魔改,让我们的神经纤维不断变粗,我们是不是脑子就变得无限聪明了呢?

很遗憾不是的_(:з」∠)_

神经纤维变粗,理论上会增加信号传输速度,但是劣势也十分明显:随着轴突的增粗,大脑的能耗会增加(大脑现在已经占据了身体大约 20%的能量损耗),那个时候大脑的能耗极限就会成为我们变聪明的天花板。

Scientific American 列举了四种增加智力的“魔改”,也说明了其原理和局限性。让轴突变粗就是魔改之一。更多可以看这里:A Chen:存不存在人类生长智力极限?

彩蛋

有些神经不仅能“大条”,还能屈能伸!

我们都知道,在捕食的时候,鲸鱼需要张开自己夸张的血盆大口。这个时候问题来了,神经不会被扯断吗?要知道,在人的神经损伤中,最常见的原因就是神经被拉伤。神经拉伤可以导致疼痛、瘫痪、肌肉萎缩和失去知觉等症状。

长须鲸等须鲸为了能大口吃鱼,进化出了有着惊人伸缩能力的面部大神经。宽 2 厘米(注意:这是一簇神经,单个轴突还是很细的)长 14 厘米的神经,可以让自己延长约 150%!(原文戳这里)

在鲸鱼大嘴中的惊人发现也许可以给我们提供不少科技灵感,以应用于医学和生物工程中。

图片: Vogl et al.

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