破解人類感知之謎

楊先碧

人們初次見面，有時會以握手來表達友好。握住對方的手，我們會感受到對方的體溫，同時也能體驗到肌膚的觸感。我們為什么能感受到溫度和觸碰？美國科學家大衛·朱利葉斯和阿登·帕塔普蒂安的研究成果為人們解答了這個問題，他們因發現了與溫度和觸覺相關的受體而獲得2021年諾貝爾生理學或醫學獎。

感覺的生理機制

感覺是人類賴以生存的基本生理功能，包括視覺、聽覺、嗅覺、味覺、皮膚覺（觸覺、溫覺、冷覺、痛覺）、運動覺、平衡覺等。從生理機制上來講，感覺是感受器接受刺激所產生的表示身體內外經驗的神經沖動過程。感受器就是感覺神經元周圍突起的末梢。它能接受刺激，并把刺激轉化為神經沖動，由感覺纖維傳入神經中樞引起感覺。一種感受器只能感受某種特定的刺激(如冷或熱)，因此感受器的構造是多種多樣的。

在感受器中，起重要作用的是受體。這些受體是一些生物大分子，其尺寸只有幾十納米，通過電子顯微鏡放大數億倍后才能看到它們的真容。受體分布在細胞中，有的在細胞膜上，有的在細胞內部。在朱利葉斯和帕塔普蒂安的研究之前，人們已經找到了視覺、嗅覺等感覺的受體，但對溫覺、冷覺和觸覺的受體一無所知。

“火辣辣”感覺發現

科學家對溫覺受體的發現有一定的偶然性。20世紀90年代后期，朱利葉斯開始研究人們吃辣椒后的身體反應，企圖揭示“火辣辣”感覺的本質。之前，科學家已經認識到辣椒對人體刺激起關鍵作用的辣椒素，但是對其作用的微觀機制并不清楚。

朱利葉斯創建了一個包含數百萬個基因的數據庫，這些基因可以對疼痛、溫度和觸覺做出反應。最終，他確定了一個能夠使細胞對辣椒素敏感的基因，這個基因編碼的蛋白質就是人體感受辣椒素的受體，后來被命名為TRPV1。這種受體位于細胞膜上，是一種離子通道型受體，主要存在于神經、肌肉等可興奮的細胞中。這種受體可運輸特定的離子（如鈉離子、鈣離子），從而產生神經系統可接收的電信號。

正是TRPV1這個受體，讓人們接觸辣椒素后會產生“火辣辣”的感覺。如果我們在吃完辣椒后感到難受，再喝點水或吃點冰激凌，就可以抑制TRPV1受體的興奮度，從而降低辣椒素帶來的熱感。進一步的研究表明，TRPV1還可以對其他熱感做出反應。因此，TRPV1也被科學家稱為“熱受體”或“溫覺受體”。

既然有感受溫熱的受體，那么是不是也有感受涼爽的受體呢？在辣椒素受體研究的基礎上，朱利葉斯利用薄荷醇作為刺激源，從基因庫中找出相應的基因，識別出能對薄荷醇做出反應的TRPM8受體。進一步的研究發現，TRPM8受體在低溫的刺激下會產生強烈的電信號。因此，朱利葉斯確認它就是感知涼爽的受體，并將其稱為“涼受體”或“冷覺受體”。

敏感的觸覺

相較于對冷熱變化的感覺來說，人類對觸碰更為敏感。然而，當人體感知溫度的機制的奧秘被不斷揭開時，科學界仍不清楚人體將機械刺激轉化為觸覺的受體是什么。

帕塔普蒂安在實驗室培養了一種膠質瘤細胞，這種細胞在感受到觸碰帶來的壓力后會產生電信號。接下來，他也按照朱利葉斯的研究方法，去篩選控制觸覺的基因。他篩查出72個候選基因，然后將這些基因逐一滅活。他每滅活一個基因，就檢測一下細胞是否會在觸碰后產生電信號。如果某次滅活后檢測不到電信號，那么那次被滅活的基因就是對壓力敏感的基因。

最終帕塔普蒂安找到了那個基因，并在膠質瘤細胞的細胞膜上發現了其基因編碼的受體。他將發現的觸覺受體命名為Piezo，這個詞在希臘語中的意思是“壓力”。他還發現這個受體有兩種，并用數字1和2來進行區分，即Piezo1和Piezo2。當然，這兩種受體不只是存在于膠質瘤細胞中，還存在于其他多種細胞中。和TRPV1一樣，Piezo受體也是離子通道型受體，在細胞膜受到壓力后被激活。

帕塔普蒂安表示，他的研究也曾經歷過一個進展緩慢的階段，他甚至想過轉行，但最終還是堅持了下來。在研究有所收獲時，他才發現那是一段非常迷人的旅程。目前，他對Piezo受體的研究已經從生理學領域跨越到醫學領域，希望能用自己的研究成果減緩或消除患者的“壓力”。

為相關疾病提供治療線索

每年的諾貝爾生理學或醫學獎的相關成果，往往能讓我們更好地了解人體的一些奧秘，為保障人體健康提供幫助。2021年的獲獎成果也是如此。感知溫度與觸碰是人類維持生命、減少傷害的重要功能，其受體和相關運行機制的重要意義不言而喻。

朱利葉斯研究發現，熱受體TRPV1還與痛覺相關，尤其是與炎癥相關的疼痛。因此，如果能找到抑制TRPV1發揮作用的藥物，就能降低人體對疼痛的感知，達到緩解疼痛的效果，有效治療折磨不少患者的慢性疼痛，也為抑制癌癥等疾病引發的疼痛提供了新的方法。

利用朱利葉斯的研究方法，其他科學家發現了更多的TRP類受體，比如會被芥末激活的TRPA1受體、會被百里香激活的TRPA3受體。相關研究還發現，在一些癌癥患者體內，多種TRP受體出現了一定程度的變化。這個研究成果表明，對TRP受體的監測可以用于診斷癌癥，對TRP受體的調控可以治療癌癥。

帕塔普蒂安的研究表明，觸覺受體不但讓我們有效地感知周圍的碰觸，而且能在感知自身位置和運動感知的方面起到關鍵作用。與觸覺受體相關的基因突變會導致多種遺傳病，這些疾病表現為觸覺和本體感覺的改變，這會導致患者辨距困難、步態異常、肌肉無力和萎縮、脊柱側彎等。

隨著后續的深入研究，科學家還發現觸覺受體對調節其他與壓力有關的生理過程也會起到關鍵作用，比如血壓、呼吸和排泄。醫藥專家正在開發調節觸覺受體的藥物，以緩解相關疾病給人類帶來的痛苦，比如高血壓、哮喘、大小便失禁等。