解读诺贝尔生理学或医学奖:我们的身体是如何感知这个世界的?

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解读诺贝尔生理学或医学奖:我们的身体是如何感知这个世界的? 。
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10月4日,瑞典皇家科学院将医科学奖共同授予了美国生理学家戴维·朱利叶斯(David Julius)和美籍亚美尼亚裔分子生物学家和神经学家雅顿·帕塔普蒂安(Ardem Patapoutian),两位科学家因解决生物学中最大的问题之一而获奖:人类怎样感知所赖以生存的环境?我们的身体能够感受到太阳的热量、微风以及脚下的每一片树叶。
这些温度、触觉和运动的感觉对于我们适应不断变化的环境至关重要。而了解这些触觉的工作原理对于我们以后治疗慢性痛苦性疾病将起到关键性的作用。

图/从左至右为:戴维·朱利叶斯和雅顿·帕塔普蒂安

01 我们是怎样感知外部温度?

在二人的发现之前,神经系统感知和解读周边环境的方法,对所有人都是一个未解之谜:温度和机械刺激究竟怎样转化成为神经系统的电脉冲?戴维·朱利叶斯(David Julius)利用辣椒素(一种从辣椒中提取的刺激性化合物,能产生灼烧感)来了解我们的身体怎样感知热量和化学刺激物的工作原理。雅顿·帕塔普蒂安(Ardem Patapoutian)则利用压力敏感细胞发现了一种对皮肤和内部器官的机械刺激作出反应的传感器,能够对皮肤和内脏奇观的机械刺激作出反应。两位获奖者表示,“这些突破性的发现促进了科学界展开密集的研究活动,使我们对神经系统怎样感知热、冷和机械刺激的了解更为深入。这些发现也我们确认了在对感官与环境互相作用的理解中存在关键的环节存在缺失。”早在1997 年,任职于加利福尼亚大学旧金山分校的戴维·朱利叶斯(David Julius)和他的团队在《自然》杂志上就发表过一篇论文,详细介绍了辣椒素或辣椒中的化合物是怎样引发起灼热感的。他利用辣椒中的辣椒素来鉴定瞬时受体电位TRPV1通道的细胞膜蛋白是怎样参与对痛苦、热或冷的感知,以及它们在炎症和痛苦过敏中的作用。他的团队通过研究发现了对辣椒素有反应的TRPV1受体,并表明它也会被灼热和由炎症而产生的化学物质所激活。他们创建了一个 DNA 片段库来了解相应的基因,最终发现了一种新的辣椒素受体,并将其命名为 TRPV1。TRPV1的发现是一项重大突破,为揭开许多其他温度感应受体铺平了道路。药物开发人员目前正在研究这些受体是否能够用于制造非类吗啡 (Non-opioid) 类的止痛药剂。2022年9月,戴维·朱利叶斯(David Julius)教授获得了2020突破奖生命科学奖,获奖理由:发现痛觉涉及的分子、细胞以及机制。朱利叶斯教授毕生都致力于研究神经系统怎样感知痛苦的,以及辣椒素等化学物质是怎样激活痛觉感受器的。根据诺贝尔官网发布的消息,两人是彼此独立地使用化学物薄荷醇发现了另外一种被称为 “TRPM8”的新受体,这是一种被“寒冷”激活的受体。雅顿·帕塔普蒂安(Ardem Patapoutian)及其团队于 2002 年在美国学术杂志《细胞》上发表了一篇论文解释说,这种新受体在痛苦和温度感应神经元的一个子集中表达特异。TRPV1和TRPM8两种受体的发现,能够让我们更好地能够了解“温度差异怎样在神经系统中诱导电信号”。

02 面对外部压力,人体的神经机制怎样运作?

尽管对温度感觉机制的研究正逐步推进,但科学家机械刺激怎样转化为我们的触觉和压力感仍是一个未知数。此前,有研究人员在细菌中发现了机械刺激的感受器,但在脊椎动物中,触觉的感受机制仍不明白。在美国加州的斯克里普斯研究中心工作的雅顿·帕塔普蒂安(Ardem Patapoutian),进一步研究了这些受体是否能够被机械刺激激活。他的团队用微管戳细胞,从而确定了一种能产生电信号响应的细胞系。他们发现了一种单一基因的细胞系,当这种基因被抑制时,细胞对戳刺反应不敏感。他们将这种新的机械感应离子通道命名为“Piezo1”(该词源于希腊语中的Piesi,即“压力”)。这是一种全新的、完全未知的机械敏感离子通道。通过研究与Piezo1相似的基因,人们发现了第二种基因,并将其命名为“Piezo2”。感觉神经元表达了高水平的Piezo2基因,而进一步的研究证实,Piezo1和Piezo2是通过对细胞膜施加压力直接激活的离子通道(如下图所示)。这项突破为帕塔普蒂安和其他团队带来了一系列重要论文,证明了 Piezo2离子通道对触觉至关重要。此外,Piezo2也被证明在身体位置和运动感知,即本体感受中发挥了关键作用。在进一步的研究中,Piezo1和 Piezo2离子通道被证明能够调节其他重要的生理过程,包括血压、呼吸和膀胱控制等。

03 研究发现能够更好地帮助人们治疗伤痛

17 世纪,法国数学家、哲学家勒内·笛卡尔(René Descartes)设想了将皮肤的不同部分与大脑连接起来的线。通过这种方法,接触明火的脚就会向大脑发送机械信号(见下图)。后来科学家们的发现也揭示了,我们能感觉到环境变化的特别神经元的存在。1944年,瑟夫·厄尔兰格(Joseph Erlanger)和赫伯特·加塞(Herbert Gasser)也因发现能够对不同刺激做出反应的感觉神经纤维(如会产生痛觉的触碰和不会产生痛觉的触碰)而获得了诺贝尔生物学或医科学奖。自此之后,科学家发现,神经细胞在探测和传导不同类别的刺激时的分工高度明确,使我们能够精确地感知周围环境。例如,我们能够通过指尖感受出不同表面质感的分别,还能够分别令人舒适的温暖和痛苦难忍的高温。TRPV1、TRPM8 和 Piezo 1的发现被用于开发治疗多种疾病的方法,包括慢性痛苦。同时也让我们得以理解高温、低温和机械刺激是怎样激活神经脉冲,从而帮助我们感知和适应身边世界。
TRPV1通道对我们的温度感知能力至关重要。Piezo2通道则使我们具备了触觉和感知各个身体部位位置及动作的能力。除此之外,TRPV1、TRPM8和Piezo通道还对多种依赖温度或机械刺激的解读诺贝尔生理学或医学奖:我们的身体是如何感知这个世界的?生理功能起到了重大作用。在这些研究的基础之上,还解读诺贝尔生理学或医学奖:我们的身体是如何感知这个世界的?有大量的研究工作正在开展,并致力于厘清这些通道在各种生理过程中所发挥的功能。文/白墨编/江北英国葛兰素史克产艾曲波帕
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