人類大腦神經纖維的傳遞速度,可以達到光速嗎?

(文末有彩蛋)

結論是對的,但是原因不對。

“越粗的神經纖維動作電位的傳輸速度越快”是沒有問題的,但不是因為導線那樣的內阻。達到光速更是不可能的。

人類大腦神經纖維的傳遞速度,可以達到光速嗎?

首先,神經纖維和導線不同。動作電位(action potential)是通過離子通道的開合產生的電壓差的傳遞(而不是電子的運動)。的確,越粗的神經纖維動作電位的傳輸速度越快:神經纖維越粗,通道越多,同時進入細胞以後的離子擴散得更快,湧入的離子更容易達到下游的離子通道,所以傳輸更快。和取決於橫截面積的導線內阻不同,這裡的離子受到的阻礙取決於細胞膜的表面積。

人類大腦神經纖維的傳遞速度,可以達到光速嗎?

Andreas Prokop 對於動作電位傳遞的一個簡單而清晰的詮釋。

對於直徑和速度的關係,其他答案給出了量化的分析,這裡就不贅述了。


但是!神經纖維的粗細是決定信息傳遞速度的唯一因素嗎?槍烏賊的巨大軸突(giant axon)直徑可高達 1000μm(和耳機線差不多粗了),人的 A 類α纖維直徑一般在 12-20μm 之間,哪個快呢?

人的 A 類α纖維快,而且比巨大軸突快好幾倍。

巨大軸突的傳遞速度大約 25m/s,相當於大巴的速度

A 類α纖維傳遞速度可達 120m/s,和復興號高鐵速度差不多

脊椎動物神經纖維雖然細,但是擁有另一個黑科技:髓鞘(myelin sheath)

(髓鞘一般只被發現於脊椎動物的軸突上,但也有特例)

人類大腦神經纖維的傳遞速度,可以達到光速嗎?

(圖片:Helixitta)

髓鞘是由施旺細胞或其它類型的神經支持細胞一圈一圈地裹在神經元上組成的(上圖中左上角蝸牛殼一樣圖片就是它的截面圖)。它的作用之一就是加快傳遞速度。

髓鞘可以讓神經纖維部分絕緣,降低了信號強度衰弱的速率,並使動作電位只在郎飛氏結(node of Ranvier)間傳遞,形成跳躍式傳導(saltatory conduction),所以有髓鞘的神經纖維的傳遞速度比沒有髓鞘的神經纖維要快。

人類大腦神經纖維的傳遞速度,可以達到光速嗎?

一個酷炫的動圖:有髓鞘的神經細胞軸突傳遞動作電位的速度比沒髓鞘的要高得多。


但是!即使是這樣,問題中的結論依然是對的:在有髓鞘的細胞中,神經纖維越粗,傳遞速度也越快。軸突越粗,離子通過得就越快。髓鞘越厚,絕緣效果就越強。

人類大腦神經纖維的傳遞速度,可以達到光速嗎?

有著粗大軸突和厚實髓鞘的 A 類α神經傳輸速度堪比高鐵。青色部分為軸突,黃色部分為髓鞘(原圖來源:http://1pain.com;改編:鬼谷藏龍)


神經越粗,速度越快,這下是不是找到變聰明的方法了?如果我們給大腦進行魔改,讓我們的神經纖維不斷變粗,我們是不是腦子就變得無限聰明了呢?

人類大腦神經纖維的傳遞速度,可以達到光速嗎?

很遺憾不是的_(:з」∠)_

神經纖維變粗,理論上會增加信號傳輸速度,但是劣勢也十分明顯:隨著軸突的增粗,大腦的能耗會增加(大腦現在已經佔據了身體大約 20%的能量損耗),那個時候大腦的能耗極限就會成為我們變聰明的天花板。

人類大腦神經纖維的傳遞速度,可以達到光速嗎?

Scientific American 列舉了四種增加智力的“魔改”,也說明了其原理和局限性。讓軸突變粗就是魔改之一。更多可以看這裡:A Chen:存不存在人類生長智力極限?


彩蛋

有些神經不僅能“大條”,還能屈能伸!

我們都知道,在捕食的時候,鯨魚需要張開自己誇張的血盆大口。這個時候問題來了,神經不會被扯斷嗎?要知道,在人的神經損傷中,最常見的原因就是神經被拉傷。神經拉傷可以導致疼痛、癱瘓、肌肉萎縮和失去知覺等癥狀。

長鬚鯨等鬚鯨為了能大口吃魚,進化出了有著驚人伸縮能力的面部大神經。寬 2 厘米(注意:這是一簇神經,單個軸突還是很細的)長 14 厘米的神經,可以讓自己延長約 150%!(原文獻戳這裡

在鯨魚大嘴中的驚人發現也許可以給我們提供不少科技靈感,以應用於醫學和生物工程中。

人類大腦神經纖維的傳遞速度,可以達到光速嗎?

圖片: Vogl et al.


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