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一位教授的研究出现了一条普遍的生理规律

石仁启
导读 由多伦多大学工程学教授 Willy Wong 领导的感官适应研究可能发现了以前被忽视的生理学组织原理。Wong 说,生物学家早就知道生物体以类

由多伦多大学工程学教授 Willy Wong 领导的感官适应研究可能发现了以前被忽视的生理学组织原理。

Wong 说,生物学家早就知道生物体以类似的方式适应持续的刺激。

“想象一下,你走进一个刚刚有人粉刷过的房间。你可能会想,'这闻起来很糟糕。' 但是当你呆在那里时感觉会减弱。分子不会消失,不会在那个时间范围内消失。你只是习惯了它。”

从初始状态,生物体的反应活动上升到峰值反应,然后下降到新的最终稳定状态。Wong 发现,适应曲线上的这三个固定点形成了一种数学关系,所有感官模式和有机体都遵循这种关系。

“我比较了来自感觉生理学不同分支的 250 种适应测量,发现它们都与一个简单的方程兼容,”Wong 说。

他的发现,首次对适应反应进行定量比较,发表在《人类神经科学前沿》的一篇论文中。

Wong 最近在脑机接口方面的工作,例如为失明患者恢复视力的视网膜假体,建立在他长期以来对神经代码(神经元如何处理信息)的迷恋之上。尽管今天对代码的理解仍远非完美,但研究人员越了解我们的大脑如何将信号转化为感知,他们就能更好地设计技术来替代丢失的功能或增强现有功能。

感觉反应曲线随时间下降的想法似乎有悖常理:强烈的感觉不应该返回始终如一的强烈反应率吗?但早在 1920 年代,埃德加·阿德里安 (Edgar Adrian) 等生理学家就证明了为什么不这样做。

Adrian 的工作将获得 1932 年诺贝尔生理学或医学奖,他使用青蛙标本将适应现象追踪到单个神经元的水平。他发现神经元使用一种基本的交流单位,一种称为动作电位的神经冲动,只要达到阈值,它就会发出相同的信号强度。

“动作电位不能一分为二,”Wong 说。“要么得到,要么不得到。如果这样做,神经元需要一些时间来充电,然后才能激发另一个。在适应中,动作电位产生的速率逐渐下降到某种非零稳态。”

适应反应发生在所有动物身上,从哺乳动物之类的脊椎动物到昆虫之类的无脊椎动物,以及所有的感官方式。这包括五种传统的视觉、听觉、触觉、味觉和嗅觉,以及体感功能,如本体感觉(身体对自身的意识)和电感受,如在鳗鱼中发现的。

Wong 最大的惊喜之一是他的方程适用于一些最古老的多细胞生物,例如水母,它们的感觉系统非常不同。

“如果你向它们照射光,它们要么飞向光,要么远离光——但这只是因为它们的光感受器硬连线到它们的电机输出,”他说。“这就提出了一个问题,这个方程是通用的吗?在未来,如果我们在这个星球上发现从未见过的外星生物,他们是否也会受到同样的限制或原则的约束?”

在物理科学中,普遍性取决于结果的复制,无论何时、何地或通过何种方法获得。但这在生物实验中并不总是可行的,这可能对重复测量构成重大障碍。

然而,当来自不相关的独立研究的数据——跨越不同的时间段、研究人员和方法——汇集为证据时,它加强了结论的理由。这一原则被称为一致性,它基于科学统一的前提,支持进化论和大爆炸理论等理论的共识。

“所有这些数据都在那里,”Wong 说,“我在这里画了一条曲线,在那里画了一条曲线,比较了它们——甚至是阿德里安的规范图。所有这些都符合相同的几何平均关系。这不取决于研究人员,不依赖于什么设备使用,或在有机体上。从这个角度来看,它是普遍的。”

“这是黄教授的启发性工作,”多伦多大学电气与计算机工程系主任迪帕·昆杜尔教授说。“这提醒我们电气和计算机工程的普及程度——研究人员如何能够为许多看似影响深远的研究领域做出贡献。”

新生理方程的发现并非每天都在发生,而且不太可能来自工程师。尽管 Wong 多年来一直在发展这些想法,但他认为大流行给了他一些时间重新集中注意力,以及研究进展富有成效的时期。

“我在椭圆机上,”当被要求确定他的“a-ha”时刻时,他说。“无论是阅读新闻还是思考我的工作。我认为那是时刻。”