生物光子与神经信号传递和处理

戴甲培，何 晴，刘丽雯，汤仁东

(1中南民族大学武汉神经科学与神经工程研究所，武汉430074;2中南民族大学药学院，武汉4300743;3中南民族大学生命科学学院，武汉430074;4中南民族大学生物医学工程学院，武汉430074)

人为万物之灵，不仅高等于其他生物，更凭借着自己的智慧认识世界、改造世界.人之所以具有这样的能力，主要是因为人类进化出了根本区别于其他动物的、高度发达的大脑.大脑是人类智能和精神活动的基础.但人类大脑被认为是宇宙中最为复杂的物质，在约1.3 kg重的脑组织中，存在着约103亿个神经元和104亿个神经胶质细胞，而平均每个神经元又与成千上万个神经元发生连接［1］.正是凭借这种超级规模的神经网络系统，人类才具有了根本区别于其他动物的智能.虽然人类为解开自身大脑工作机制之谜付出了巨大的努力，但到目前为止仍知之甚少.

1 大脑工作机制的争论

目前认为大脑是一个分布式的并行信息处理系统［2］，信息以神经电信号和化学信号的形式编码与传递［3，4］.每个神经元既是基本的信号传递单元，又是基本的信号处理单元，神经信号的传递与处理同步进行.但脑内的任一信息都不是依赖单个神经元来编码和处理的，而是一种神经元群体行为［5，6］，以一种非线性的网络机制进行［7］.

虽然目前人们认为已经部分了解了神经系统信息编码、传递以及处理的生理机制，经典理论也能够很好地解释感觉、运动、反射等神经系统的低级功能，但到目前为止，对神经电信号与化学信号的广泛实验研究仍很难构建出解释神经系统高级功能的一般概念或原则，比如知觉、运动控制、学习和记忆、情绪、意志以及意识等人脑高级功能和精神活动.因此，对于神经编码和神经网络机制仍有许多悬而未决的问题和争论［8－10］.

具体而言，动作电位的发放速率被认为是神经信息的编码机制之一，然而神经元的发放速率与其功能并不完全相关，比如在适当的行为条件下，海马、大脑皮层以及小脑皮层中的绝大部分神经元都处于静息或稀疏发放状态［9，10］.另一方面，动作电位在神经元上的传递速度有限，低于120 m/s，且还需要通过化学突触来完成跨神经元传递，这种速度能否承担人脑高级功能，特别是意识状态的迅速变化?而如何理解由神经元产生的物理和化学的变化，最终形成大脑(特别是人脑)的主观感受和意识活动，仍旧是神经科学领域最难解的谜题.

上述问题的悬而未决，一方面可能是因为我们对神经网络电信号处理的机制了解不够，目前人类对复杂系统，特别是像人类神经网络这种规模的系统的研究能力有限;另一方面，是否存在有其他形式的神经信息编码和处理机制，是否需要对传统的理论和概念作进一步的反思、从更深层次的角度(如量子力学)来研究大脑工作机制，目前已有这方面的探索，其中生物光子(Biophotons)作为神经信息的传递和处理媒介引起了人们的注意.

2 生命与生物光子活动

生物发光现象很早就为人们所熟知，萤火虫是我们最为熟悉的能进行生物发光的生物，但这只是生物体发光的很小一部分.现在我们已经知道，几乎所有的生命体，包括微生物、植物、动物以及人类在生理或病理条件下都会自发辐射出极其微弱的光子流，这种现象被称为生物超弱发光(UPE)，常简称为生物光子［11，12］.生物光子与有机体的生理病理状态密切相关，甚至可能介导细胞间的通讯、参与脑功能实现.生物光子研究还可以对中国传统医学理论的“经络学说”提供实验支持，因为研究发现，人体的经络线上及穴位处生物光子辐射较强［13］.

从物理学角度来看，由于生物光子的谱段为200－800 nm，无明显特征峰［14］，故它是由原子或原子团外层电子受到激发后回到基态时所释放出的电磁波［15］.但生物光子的辐射强度极其微弱，仅为102～103photons/cm2· s［11］，具有泊松相干场的特征［16，17］.生物光子特性和生物进化程度有关，进化程度越高，其辐射强度越大，波长越向红外段扩展［15］.

2.1 生物光子研究历史

20世纪20年代，苏联科学家Gurwitsch的“洋葱根尖实验”首次报道了生物光子现象［18］，但由于局限于当时的技术水平，无法直接对极其微弱的生物光子进行检测.直至1955年，Colli等人利用当时刚发明的光电倍增管最先对植物的生物光子进行直接检测，从而直接证实了生物超微弱发光的存在［19］.

20世纪60～70年代，前苏联的科学家们对生物光子进行了大量的研究，并且开始探讨生物光子的产生机制，最先提出生物光子与线粒体呼吸、脂质氧化等代谢活动有关.80年代以后，逐渐形成两种探讨生物光子产生机制的假说，即代谢假说和相干辐射假说［20］.Cadenas等系统地提出了生物光子的代谢假说，认为在新陈代谢，特别是有氧代谢(线粒体呼吸)过程中细胞会产生各种活性氧簇(ROS)物质，当这些高能分子或基团由激发态返回到基态的过程时会向外释放光子［21，22］.Popp发现 DNA 是生物光子的来源之一，并在此基础上提出了生物光子的相干辐射假说，认为一部分生物光子来自于内部的相干场，而这一相干电磁场极可能是细胞通讯的基础［16］.马文建等还对DNA发光特异性进行了研究，结果表明在所有碱基中只有鸟嘌呤能够发光，且发光强度与浓度亦即DNA浓度成正相线性关系［23］.

2.2 生物光子介导细胞间信息传递

首次报道生物光子现象的洋葱根尖实验就已发现，有丝分裂中的洋葱根尖可以产生紫外线，并且这种紫外线可以促进相邻洋葱根尖细胞的分裂，表明这种生物光子具有传递信息并影响其他细胞的功能［18］.之后进一步的研究表明，无论是在高等动植物还是在低等微生物中都观察到了生物光子介导细胞间信息传递的证据.比如Popp的多边膝沟藻实验和雌性水蚤实验发现，有机体间存在非线性的生物光子辐射影响［17，24］.1992年的幼仓鼠肾细胞实验表明动物细胞间存在被称为细胞视觉的现象［25］，而这种现象被证明是由红光或近红外光介导的，猪嗜中性粒细胞实验也发现了类似的现象［26］.此外，萌发的岩藻受精卵可能通过下面的基质来识别生物光子［27］，草履虫可以通过辐射生物光子影响相邻草履虫的分裂和摄食［28］，培养的老鼠神经元具有趋光性［29］.

3 生物光子可能参与神经信号传递和处理

3.1 生物光子与神经电活动

神经系统由于强烈的新陈代谢活动也可以持续发出生物光子.研究发现神经元的电活动会影响其生物光子活动，用脉冲电流刺激［30］或高钾培养基引起的去极化可以增强其生物光子活动，而去除胞外钙离子或加入河豚毒素(TTX)可以减弱其生物光子活动［31］.脑整体研究则显示，脑的生物光子活动与EEG相关，比如脑的生物光子活动强度的波动与α脑电波强度的波动显著相关［32］.

3.2 生物光子参与视知觉

传统理论认为，视网膜将外界光信号换能为神经电信号，经视神经进入中枢神经系统并产生视知觉.不过有研究发现，这种理论并不能解释很多特殊的视觉现象，如光幻视、负后像、视网膜离散暗噪音等，而生物自发光和诱发光可能是产生这些视觉现象的原因，因为眼球内因氧化代谢或受外界因素的影响会产生生物光子并激活附近的视紫红质，进而产生一定的光感［33，34］.王超等的实验发现直接证明了眼内各部光致生物诱发光的存在［35］.

Bokken等进一步提出，生物光子可能参与视知觉形成的全过程:外部的可见光信号由视网膜转换成神经电信号并传至初级视皮层(V1区)，在V1区线粒体细胞色素氧化酶(CO)丰富区域内，电信号通过自由基反应同步转换成生物光子信号，并在更高层的神经回路中传递和处理，进而形成视知觉、视觉表现乃至视觉意识［36－38］.但这一理论仍然将神经电信号作为神经信号的形式之一，且生物光子信号是由电信号转换而来的.

3.3 生物光子在神经回路中传递

研究表明，光在大脑中的传播依赖于神经纤维的走向［39］.我们组的研究进一步确认外界光线激励的生物诱发光能在感觉和运动神经纤维上传递，而局部麻醉剂普鲁卡因或代谢抑制剂脱氧葡萄糖和叠氮钠能将其阻断［40］，并提出了生物光子参与神经信号传递与大类高级功能的可能性，认为神经元中的生物光子可能由两部分组成，即背景生物光子和信号生物光子，其中背景生物光子由神经元自身代谢活动产生并原位弥散释放，可能不承担特定信息传递功能;而信号生物光子则可能通过神经元的突起(树突和轴突)连接在神经回路中传递，且这部分生物光子可能携带神经信息，是神经细胞重要的通讯机制［40］，进一步的推测认为这样的神经通讯机制可能是通过蛋白—蛋白之间的相互作用来完成的［40］.

有其他理论方面的研究认为，生物光子在神经纤维上的传递可能与线粒体和微管有关，因为一方面线粒体本身会产生生物光子，线粒体的形态和在细胞内的分布会随细胞的功能需求而改变，并可通过电耦合形成网络，以实现各线粒体间的功能协调［41－43］;微管系统在神经元代谢和信息处理中具有重要作用，有研究提出微管本身就适合于信息处理、存储和传递，并可以完成神经信号编码［44］.另一方面，根据Jibu等人的理论，15 nm的微管可以无热噪音、无衰减地传递光线［45］，即丝状线粒体和微管可以作为神经元的“光纤”［46］，而生物光子可以在这些“光纤”网络中传递.

3.4 生物光子与神经编码

生物光子既具有在神经回路中传递的物质基础，又有实验证据表明它介导信号传递，但至于生物光子的神经信号编码机制，目前并未见到相关文献报道.不过类似于现实生活中的光纤通信，生物光子的神经信号编码机制可能为强度编码和频率编码，因为有机体生理状态的变化以及对各种外界刺激的应激反应，都会导致其生物光子活动强度的改变;而相干辐射学说认为，核酸合成所产生的生物光子的频率不同于其他代谢和生理活动所产生的生物光子的频率，且具有相干性，而正是这种内部相干场可能具有承载信息的功能.

神经系统也具有完成生物光子编码神经信息的物质基础.在各种生物胺类物质中，自然进化选择出具有最强荧光特征的物质，如5－羟色胺、多巴胺和去甲肾上腺素来作为脑内弥散调制系统的神经递质，由于特殊的荧光特性，它们可能参与到生物光子的传递、信息编码与处理中.此外，神经元内还存在其他天然光敏感生物分子，如卟啉环、吡啶环、脂质生色团、芳香族氨基酸等;线粒体电子传递链也包含几种生色团.光敏感生物分子可以将吸收的生物光子能量通过能量共振转移传递给附近的其他生物分子，进而导致其构象的改变或触发、调制复杂的细胞信号处理［37］.

与电信号、化学信号相比，生物光子作为信息编码、传递及处理的载体，具有鲜明的优势:传递速度快、承载信息量大及能量消耗低等.人类大脑只占体重的约2%，却消耗了全身20%的能量，已经达到身体承受能力的极限，而生物光子传递信息所具有的这些优势，将具有重要的生理意义.3.5 生物光子、量子大脑与意识

传统理念中，大脑的工作机制应该是由生化反应规则主宰的，但我们无法由这些生化反应来理解人脑的高级功能和精神活动，特别是意识是如何产生的.同时，人类的神经信息处理过程和量子过程之间有许多相似性，如整体性、相干性及概率性等［47，48］，目前已有尝试从量子力学的角度来研究大脑的工作机制.

Penrose－Hameroff假说认为，神经系统中的微管蛋白具有执行量子计算的功能，而脑内微管系统中微管蛋白构象的宏观相干性状态的改变，可能是意识形成的机制［49］.Rahnama等基于量子力学在理论上分析了线粒体生物光子与细胞内微管系统的相互作用，认为是生物光子影响了微管的解聚与重组，并介导了生物光子与脑皮层EEG间的相关性［50］.生物光子实验发现，在头部处于相同外部磁场的条件下，若一个被试在暗室中看到闪光，处于另一个暗室中的被试其头部生物光子辐射会相应增加，表明在特殊条件下，生物光子辐射的改变可能反映出被试间量子式(宏观量子纠缠)的信息交流［51，52］.

不过，大脑的量子信息处理理论始终面临一个基本问题，即在生物大分子及以上空间尺度，很多特殊的量子属性将无法显现.比如说量子信息处理最本质的特征为量子叠加性和量子相干性，但这些属性的保持需要超低温且不受外界干扰等苛刻条件，但在脑内37℃的高温、各种物质相互作用的条件下，很难保持这些量子属性［53］.人脑可能不是一个纯粹的“量子计算机”，但这不能说明物质的量子属性就没有参与神经的信息编码与处理，因为量子力学本身也有许多问题有待阐明.

4 生物光子研究的技术与方法

生物光子现象自发现至今，仍处于观察研究阶段，最核心的研究工具就是超弱光检测器件，正是光电倍增管的发明实现了对生物光子的直接检测.20世纪70～80年代，生物光子研究跨越到二维的光子成像阶段.自此，不断涌现出各种具有较高探测灵敏度的新型光子成像器件［54］，理论上甚至可以探测单光子信号，如像增强CCD(ICCD)、雪崩光电二极管(APD)及由其集成的阵列(APD Arrays)和电子倍增CCD(EMCCD)等等.这些设备的出现，使得检测生物光子的时空分布成为可能.

2010年，研究组利用自行搭建的生物光子成像系统，在世界上首次报道了用EMCCD对生物光子进行成像的实验结果［40］，并发展出相应的光子图像分析处理方法［55］.实验结果表明，现有的技术已具备满足生物光子研究的灵敏度.

5 生物光子参与脑功能实现的研究展望

对于神经系统生物光子活动，目前仍存在有3个基本问题需要解答:一是其来源机制，神经元的生命活动能产生生物光子，但各种生理活动所产生的生物光子具有什么物理特性，在总体中所占的比例如何，是否存在专门的生物光子产生机制并承担生理功能，对这些问题，我们仍不清楚.二是生物光子在神经回路中的传递机制，其具体的分子机制仍需进一步的实验研究来加以明确.三是生物光子在脑功能生理机制中的作用，虽然很多实验结果表明生物光子具有一定的细胞通讯功能，但我们对这种功能实现的生理机制、是否有参与脑功能的实现、如何与传统的电传递与化学传递理论统一、以何种方式进行神经信息编码以及是否存在量子信息处理等问题的认识仍很模糊，有待于进一步理论和实验探讨.

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