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脑神经在生死之间的神秘跳动

发布作者:超级管理员 发布时间:2024-04-14 阅读次数:1353


一个垂死之人大脑的灰色褶皱中隐藏着什么秘密?对于这个问题,让我们深入到终极之谜的核心,由神经科学开始提供答案……


生与死的边界


“至少可以说,生与死之间的边界是模糊不清的。谁能说得清哪个在何时开始,在何时结束?”这是埃德加·波在19世纪中叶说过的话。作为伟大的恐怖小说大师,他以活死人的故事取悦读者。自波的时代以来,医学的进步,尤其是医院重症监护室和急救室的引入,进一步模糊了这一边界。


从20世纪50年代起,随着重症监护的发展,曾经等同于心脏停跳的死亡出现了新的面貌:脑死亡。1959年,法国一位复苏专家(莫里斯·古隆)首次将其描述为“超越昏迷”。半个世纪后,世卫组织将死亡定义为“永久丧失意识能力和丧失所有脑干功能”,实际上将死亡与脑死亡相提并论。从本质上讲,这一定义告诉我们,大脑死亡才是真正的死亡。我们的死亡概念从以心脏为中心变成了以大脑为中心。


但是,一个垂死之人在死亡的过程中,大脑中究竟会发生什么呢?奇怪的是,生物医学和神经科学长期以来一直对这个本质问题不感兴趣。而关于这个问题的第一个发现也是偶然的。2011年,荷兰奈梅亨大学由克莱门蒂娜·范赖恩领导的一个研究团队想知道,斩首是否是用来牺牲实验动物的一种“人道”的安乐死法,于是他们将脑电图仪(EEG)放在老鼠的头骨上,记录它们被切断脖子后的大脑活动。


不出所料,斩首后仅4秒钟,具有意识特征的脑电波(13至100赫兹频段)就消失了,出现了致命的“平坦脑电图”。不过,荷兰研究人员还是理智地继续记录,令他们惊奇的是,一分钟后,最后一次出现了一个大波。


克莱门蒂娜·范赖恩和她的团队偶然发现了“死亡波”。在那之后,柏林慈善医院在人类身上也观察到了这一现象:这些医学无法挽救的病人在拔管后四分钟左右,当脑电图变得平缓时,延斯·德赖尔和他的团队看到描记图上出现了与在啮齿动物身上观察到的相同的波。


脑电波去极化


法国巴黎脑研究所的一个研究小组接手并发展了这些工作,该小组由斯特凡纳·沙皮耶领导,他撰写的《复活的科学》一书引人入胜。2019年12月和2023年11月,两项研究(分别发表在《神经生物学进展》季刊和《神经生物学疾病》杂志上)澄清了这一著名的死亡波是什么——但正如我们将要看到的,研究也驳斥了关于它标志着从生到死的精确时刻的直觉看法。


当生物体存活时,构成人类大脑的约860亿神经元在需要时会“去极化”。这意味着,由于离子(尤其是钠离子和钾离子)在细胞膜内外分布不均而造成的神经元内外电位差(在静息状态时为-70毫伏)减少甚至逆转:-70毫伏的“静息电位”转变为+35毫伏的“动作电位”。正是这种微妙的电化学机制使神经元能够向邻近的神经元发送神经冲动,从而实现其传递和处理信息的功能。


在大鼠和人类身上观察到的死亡波(这很可能是一切具有神经系统的生物在生命消失时的遭遇)不是别的,正是出现在大脑特定区域的去极化波,就像水面上的同心圆一样,最终席卷这个关键器官的整个区域。但为什么会出现这最后一次波动呢?死亡波从哪里开始?是如何开始的?它是否真的构成了生与死之间只能朝一个方向跨越的神秘边界?巴黎脑研究所发表的两项研究回答了这些引人入胜的问题。


无论是对实验鼠斩首,还是对没有任何抢救机会的人类拔管并将其送往另一个世界,对大脑造成的后果都是一样的:突然缺氧,大脑就无法再产生三磷酸腺苷(ATP),而这种分子几乎能提供所有生命功能(新陈代谢的化学反应、运动、细胞分裂等)所需的能量。


特别是,ATP的永久供应停止后,ATP酶的耗能活动也随之结束,这种蛋白质也被称为“钠-钾泵”,在神经元去极化后,负责重建与静息电位相对应的化学物质分布(即钠离子主要在神经元外部的细胞外介质中,而钾离子主要在神经元内部的细胞质中)。


当这种泵因缺乏ATP而停止工作时,神经元去极化过程中释放到细胞外介质中的钾离子就不再返回神经元内部,“这就产生了细胞外钾流,使神经元在连锁反应中逐渐去极化”,斯特凡纳·沙皮耶解释道。由此产生的去极化波(因为由缺氧引起而被称为缺氧波)与脑电图记录的死亡波相对应,是在经过几十秒甚至几分钟的大脑“沉默”后出现的。


脑死亡可复苏


但是,这种致命的波动从何而来?大脑,尤其是大脑皮层,是否有某个区域最先“破裂”?为了找出答案,巴黎脑研究所的研究小组对实验鼠进行了非常详细的检查。他们在头骨的脑电图电极——用于记录大脑的整体活动——区域加入了微电极。这些微电极极其微型,可以植入大脑内部,记录单个神经元的活动!


由于大脑皮层由六层神经元堆叠而成,因此在关键时刻可以对这六层神经元中的每一层进行监测。研究人员发现,死亡波是在其中最深的一层(准确地说是第五层)启动的,然后从这里向四面八方传播。“这并不完全令人惊讶。第五层的锥体神经元对能量的需求特别高,因此也最容易受到ATP缺乏的影响。”沙皮耶评论道。


但还有更好的消息。与荷兰研究小组不同的是,巴黎脑研究所的研究小组只是让啮齿动物的大脑缺氧,而没有将它们斩首。这意味着,老鼠在缺氧状态下直到死亡波出现,如果运气好的话,还能被救活。


那么,当复苏术成功且大脑正确复氧时,研究人员观察到了什么呢?真正令人惊讶的是,在死亡波出现一段时间后,脑电图上出现了第二个波,振幅较小,但形状与死亡波相同;这第二个波反映了神经元的复极化,被称为“复苏波”,100%的病例在出现这第二个波后都会缓慢而逐渐地恢复所有脑功能。简而言之,它是即将恢复生命的一个可靠标志!


“因此,大脑在经历死亡波之后所陷入的状态并非不可逆转。”沙皮耶兴奋地说道。他不禁打了个寒颤,感觉自己比以往任何时候都更接近他的伟大榜样——不朽的弗兰肯斯坦博士。

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