展望脑功能的力学生物学

脑是一个对力学变化敏感的器官，它的特征使得内源性力可以调节神经元功能的许多方面。机械能对有机体活体脑的影响无处不在。例如，伴随着人体每次心跳的脑血管血液流动，它所产生的力量可以使脑组织的位移达到几十微米。细胞质膜应力和张力的纳米级变化可以影响离子通道的活性、突触小泡的成簇、神经递质的释放、轴突生长锥的动力学。因此，我们应该考虑我们所研究神经系统的物理学-力学［5］。

过去数十年来，神经科学被优势学科支配着，包括关于脑功能的电生理学、生物化学、分子和遗传学的研究。因而，关于机械力如何影响神经元的过程，仍然大部分未被接触到。以突触可塑性为例，笔者愿意提出，为什么力学生物学研究应该扩展和进入神经科学。简单地说，当前我们对于突触可塑性的了解是这样的：它包含可以精细调度的、钙介导的信号化机制，这个机制产生了突触的增强或阻遏；我们又知道，钙信号化本身可以影响数个运动蛋白的活性，包括肌动蛋白，再影响细胞骨架多聚化或去多聚化的动力学，然后介导细胞黏附分子和细胞外基质（ECM）蛋白之间的相互作用，所有这些都可以在突触上调节机械力。此外已经显示，整联蛋白是海马突触的功能成簇所必需的。因此看起来是这样，可塑性也应该依赖于膜张力和突触黏附的变化，虽然还处于没有特征化的程度。根据神经元机械力研究所获得的知识，可能并不会否定我们当前的工作模式，但是应该会使我们能够进一步加以精细化的扩展［5］。

最后，神经科学和力学生物学的融合（神经力学生物学）在许多方面将会提供更好、更多的认识。例如，内源性机械力与通常的信号转导通路的物理性互相碰撞，是如何负责神经元的发育及可塑性的？我们预期，神经力学生物学将会发现脑的基本功能，这类脑功能需要神经元和胶质细胞以及它们的分子和细胞组成部分受调节的收缩、扩张、推拉、放松。至少，神经力学生物学研究将会改进我们对于疾病的起因和其他遗留下来问题的了解，关联到影响神经元黏弹性的脑震荡、外伤性损伤，还有其他疾病［5］。

最后，神经细胞的力学变化是不是神经功能的表现形式之一，如同电学变化是神经功能的表现形式一样？虽然目前的资料还不多，但这是一个值得注意的问题。