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髓鞘:给神经电线包上绝缘层

为什么在轴突外裹一层脂肪,信号就能飞奔。认识髓鞘、制造它的细胞、让信号跳跃的缝隙,以及绝缘层散开时会发生什么。

需要外衣的电线

想象一下墙里的电线。裸露的铜线也能用,但工程师会给它套上一层橡胶皮,让电流留在里面,跑得又快又干净。你的大脑也用了同样的招数。神经元又长又细的输出电缆叫轴突,许多轴突外面都裹着一层脂肪做的套子,叫髓鞘。这层包装不是神经元自己做的,而是由叫胶质细胞的帮手细胞造的——它们是大脑里安静的后勤队伍。

为什么用脂肪?脂肪排斥水,也排斥溶在水里的带电粒子。所以这层脂肪包装就成了电绝缘层:它阻止信号的电荷从轴突壁漏出去。漏得越少,信号在更长的距离上就越能保持强劲,就像一个保温好的暖瓶能让咖啡一路热到公司。

两种建造者,两个街区

身体根据轴突所在的位置,用两种不同的细胞来铺设髓鞘。在大脑和脊髓内部——也就是中枢神经系统——负责包裹的是少突胶质细胞。而在手臂、腿和器官里——也就是周围神经系统——这份工作归施万细胞

它们的工作方式正好相反。一个少突胶质细胞像一只章鱼:它伸出许多条手臂,一次给附近几十条轴突各包上一段。而施万细胞是忠诚的一对一帮手:每个细胞只包单条轴突上的单独一段,把自己的身体一圈圈缠上去,就像把胶带缠在手指上。

CNS (brain/spinal cord)        PNS (limbs/organs)
  oligodendrocyte                  Schwann cell
        |  \  \                          |
   axon1 axon2 axon3                 one axon
  (many axons, one cell)        (one cell, one segment)
一个少突胶质细胞给多条轴突包髓鞘;一个施万细胞只给一条轴突的一段包髓鞘。

为什么缝隙让信号跳跃

还记得段与段之间那些裸露的缝隙吗?每一个都叫郎飞结。要明白它们为什么重要,先回想一下神经信号是怎么移动的。动作电位是一个微小的电脉冲,它本来必须在轴突上的每一个点都重新生成自己一次——这是一种缓慢的、一步一步的接力,就像点燃一根引线,一次只烧一毫米。

髓鞘改变了这场游戏。在被绝缘的那些段下面,电荷漏不出去,所以脉冲几乎瞬间就滑过这些段,不用停下来重建。它只在裸露的结处停下来给自己充电——那里住着特殊的通道。信号实际上是从一个结跳到下一个结,跳过中间被绝缘的部分。这种跳跃模式叫跳跃式传导,名字来自拉丁语的「跳」。

unmyelinated:  =o=o=o=o=o=o=o=o=  slow crawl, every point fires

myelinated:    [==]--[==]--[==]  jump!  node -> node -> node
                ^node  ^node  ^node
没有髓鞘时,脉冲一点一点地爬;有了髓鞘,它在裸露的结之间跳跃。

当绝缘层磨损时

好的绝缘层如此重要,以至于失去它会真的引发疾病。当髓鞘受损或被剥离——这个过程叫脱髓鞘——信号就开始从如今裸露的轴突漏出去。它会变慢、变乱,甚至根本传不到,哪怕神经元本身可能完全健康。这就像一根磨破的延长线:电线没坏,但外皮没了,电流就时断时续。

最有名的例子是多发性硬化症,患者自身的免疫系统会攻击大脑和脊髓里由少突胶质细胞造的髓鞘。由于各处的信号都变慢,症状也就零散而多样——视力模糊、麻木、无力、走路困难。我们会在神经病学章节再回来讲它;现在只需注意:一种「不过是」支持材料的东西,竟然是整个神经系统的承重梁。