摘要：神经元是构成大脑的主要细胞类型，也是当代神经科学的核心。神经科学家将感知、记忆、认知乃至意识本身解释为数十亿个神经元在大脑中活跃放电的产物。这些神经元的电活动不仅将疼痛和其他感觉信息传递到我们的意识层面，理论上也能解释我们复杂意识的每一个细节。然而，这种“神经
一种神秘的，或许比我们大脑中神经元的放电活动更重要的电磁机制，能解释我们的意识。
神经元是构成大脑的主要细胞类型，也是当代神经科学的核心。神经科学家将感知、记忆、认知乃至意识本身解释为数十亿个神经元在大脑中活跃放电的产物。这些神经元的电活动不仅将疼痛和其他感觉信息传递到我们的意识层面，理论上也能解释我们复杂意识的每一个细节。然而，这种“神经编码”的细节尚未被完全破解。
尽管神经科学家长期以来一直专注于研究神经元放电在大脑细胞中的传递，但“电场效应”（ephaptic field effects）可能是意识和认知的真正机制。这种效应并非源于神经元的突触放电，而是源于神经元产生的电场，它可能在大脑的运作中发挥主导作用。
1943年，美国科学家首次描述了如今被称为“神经编码”或“尖峰编码”的机制。他们详细阐述了如何利用神经元放电的“全有或全无”特性来完成逻辑运算——这与当今计算机的工作原理类似。自那时起，全球的神经科学家便致力于破解神经编码，以理解认知和意识的具体机制，但收效甚微。
“我们在从眼睛到手的旅程中所未涉及的一切，是我们理解上的最明显空白。”神经科学家马克·汉弗莱斯（Mark Humphries）在其2020年的著作《尖峰》中这样写道：“我无法告诉你关于思维的一切，因为我们对尖峰如何造就它们知之甚少。”
大脑研究者早已承认，神经元可以通过除放电之外的多种方式相互交流，其中包括鲜为人知的“电场耦合”（ephaptic coupling）机制。这种耦合效应源于大脑中中等和较大尺度的电磁场相互作用，同时伴随着突触尖峰（其本身是一种高度局部化的电磁场活动）的纳米尺度电场。
例如，视网膜神经元在没有任何神经元放电的情况下也能运作。这些细胞通过一种称为“电扩散”的机制传递信号，这种机制不依赖突触（神经元之间的连接点）。电扩散以极快的速度和高带宽将信号传递到视神经，如果没有这一过程，我们将无法看见。
“电场”的“电”（ephaptic）一词意为“接触”。尽管鲜为人知，但电场效应源于细胞能量运作中的经典电磁相互作用。引人注目的实验结果表明，这些力在大脑中的作用可能比我们预期的更大，甚至可能与意识有关。
2019年，凯斯西储大学多米尼克·杜兰德（Dominique Durand）实验室的一篇论文首次引起了我对电场效应的极大关注。该实验室证明，小鼠大脑皮层可以在没有突触连接的情况下受到影响——这正是电场相互作用的定义。杜兰德团队通过将小鼠海马切片一分为二，并测量切片上下两端的电压变化，发现了这一显著效应。即使切片被完全切断，测量到的电压几乎没有任何变化，这表明电场效应具有强大的影响力。
他们发现，这种效应在一定距离后会减弱，这符合我们的预期。当切片之间的距离超过400微米时，电场效应几乎完全消失。
这一结果被认为如此令人震惊，以至于同行评审者要求杜兰德实验室不仅一次，而是两次重复实验结果，才批准论文发表。在论文发表时，一位学者指出，蒋等人（Chiang et al.）的发现“应该（而且确实）让整个领域为之震动”。
另一个研究团队比较了不同组织中电场效应的传播速度，发现灰质中电场效应的传播速度比神经元放电快约5000倍。这意味着，正常尖峰路径需要1秒钟才能在大脑中传播的距离，电场效应在相同的时间间隔内可以传播5000次。如果我们将其扩展到大脑的体积，电场效应的潜在信息密度可能比突触放电高出惊人的1250亿倍。
然而，需要强调的是，这只是潜在的信息密度，我们不能确定大脑是否能够真正实现这一潜力。未来还需要更多的研究来验证大脑能够利用多少这种巨大的电场潜力。
大量证据表明，突触放电对于运动、听觉、触觉等许多功能至关重要，但考虑到电场效应具有如此巨大的信息密度，以及其在大脑中的普遍性，如果进化没有利用这种效应来实现重要的大脑功能，那将是非常奇怪的。事实上，进化似乎已经在许多方面利用了这种效应。
加州大学伯克利分校已故著名神经科学家沃尔特·弗里曼（Walter Freeman）在2006年的一篇论文中指出，传统突触放电速度无法解释他在兔子和猫身上多年观察到的认知功能速度。而近年来电场效应的发现为解释这些速度提供了可靠的机制。我们最近的理论论文基于这些发现，提出电场效应可能是意识和认知的主要机制，而非神经元放电。
另一篇由加州大学洛杉矶分校的科斯塔斯·阿纳斯塔西奥（Costas Anastassiou）和前加州理工学院神经科学家克里斯托夫·科赫（Christof Koch）共同撰写的论文，为电场效应的重要性提供了有力支持。他们发现，即使没有快速突触，电场耦合也能解释意识所需的“快速协调”。
这篇论文可能会将电场科学从神经科学的边缘推向前沿。其关于电场效应的速度和普遍性的发现，可能预示着我们对认知和意识工作机制的全新理解。
来源：科学连线