大脑的信号

虽然激素能够开启复杂的生物化学反应网，但它们所携带的信息却是相当粗糙的，只与生物成长和生存中最迫切的需求相关。而创造了西斯廷教堂、《魔笛》、相对论的分子间通信就是另一回事了。可归根结底，人脑也只是由分子组成的而已。

不过时至今日，大脑还是一个谜团，是科学中一大未解之谜。有的科学家认为大脑永远无法完全理解其自身，因为这个问题所具有的自我指涉的本性总会造成盲点。而有的科学家则相信，对意识的科学解释已经在地平线上显露出来了。不管怎样看待，大脑的秘密可能都远远超越了单纯分子的领地，而根植于与复杂的、紧密关联的信息网络的表现相关的问题之中。在这里我们看到了还原论的局限：尽管思想的分子过程我们已经描绘清楚了，但总体性的影响我们却一无所知。

大脑中包含很多脑细胞，或者称神经元，总数在10亿至1000亿之间。这并不值得夸耀一番，别的器官的细胞数量也与此不相上下。但大脑与众不同之处在于这些细胞间通信网络的复杂性。每个神经元都有大约1000个对外的连接，于是整个大脑中就有多达100万亿的细胞间连接，差不多相当于1000个银河系里星星的数量。在这样的输送网络中，你瞬间就会迷失。计算机中集成电路的连接数量远不及此，因此也就难怪对于某些小孩子一下就能完成的任务，计算机即使算得再快也会悲惨地失败。

神经元会发送神经信号——其本质是电脉冲，信号沿着称作轴突的管状通道传送，传向另一个神经元。轴突的末尾是一系列枝杈，它们的尖端连接着其他神经元的细胞膜。这些连接处称为突触，在这里神经信号从一个神经元传递到另一个。神经元还会伸出许多较短的、繁茂的分支，称为树突，负责从其他神经元的轴突处收集信息。如果你喜欢，可以把轴突比作大脑的高速路，从一个神经元城市延伸到另一个。在突触的地方，高速路就进入了岔路，连接到树突，进入另一个城市的路网。

尽管轴突信号是电信号，但它们与电路中金属导线上的信号有所不同。轴突基本上是管状的细胞膜，沿纵向分布着允许钠离子和钾离子出入的通道。有的离子通道永远都是打开的；有的则有“大门”，根据电信号做出开关反应。还有的其实并不是通道，而实际上是个泵，积极地将钠离子排到外面，将钾离子拉到内部。这些钠-钾泵能够将离子向能量升高方向移动，即将离子从低浓度区域移向高浓度区域，它们能这样做的原因是从ATP得到了能量。

在“静息”状态，轴突内部和外部的钠离子和钾离子是不平衡的，造成膜两侧电荷的差异，亦即电位的差异：内侧液体比外侧多带一些负电荷（即“静息电位”）。当信号沿着轴突传递时，部分有大门的钠通道打开了，改变了离子的分布，使不平衡状态发生反转——内侧比外侧多带正电荷。此处的电位反转又进而打开了前方的钠通道，于是就沿着轴突移动下去。同时，后方的通道关闭，恢复了静息电位。电压脉冲或“动作电位”就这样沿着轴突传递下去（如图35）。

在突触处，神经冲动会从一个轴突传到另一个神经元。信号一般先从电形式转化为化学形式。一种称为神经递质的小分子信使会将信号传过轴突末端膜与另一神经元膜之间的这段空间（称作突触间隙）。神经递质原本包裹在轴突细胞内小泡状的膜结构里，小泡与轴突细胞膜融合，这些分子信息释放到了突触间隙。神经递质移动到另一神经元细胞膜的外表面，与受体蛋白相结合。

有很多种不同的分子都可以作为神经递质。有的是简单的氨基酸，如甘氨酸和谷氨酸，或者是它们的衍生分子，如血清素和多巴胺。乙酰胆碱是在神经和肌肉连接处将信息从中枢神经系统传递到肌肉细胞的一种分子（参见第103页）。当乙酰胆碱与肌肉细胞上的受体结合时，受体就会转化为一个打开的钠通道。钠离子涌入细胞，改变细胞膜两侧的电压，打开电压控制的钙通道，这样就触发了细胞内部钙离子浓度的升高，刺激肌肉收缩。

乙酰胆碱体现了神经递质的普遍功能：打开或关闭离子通道，从而改变受体所在的膜两侧的电压。这就将化学信息重新转变为电信息。乙酰胆碱能直接完成这项任务，因为它的受体本身就是离子通道。其他的神经传递途径的作用方式与此不同：它们能使用第二信使将神经递质的信息转变为离子通道，和之前一样也用到G蛋白作为媒介。

G蛋白信号转导机制出现在如此多不同的场合，这不令人感到惊奇吗？其实不算。随着复杂的多细胞生物的进化，细胞也拥有越来越多专门的功能，而细胞的共同祖先则拥有较为普遍的功能。尽管必要的时候生物会适应环境，但对于特定的任务，久经考验的机制还是会保留下来。这也就是为什么我们会与酵母、细菌共享相同的一些基因。G蛋白通路就是一种将膜外化学信息传递到膜内的有效方式，还能在过程中放大信号。细胞的格言是：能用则用。