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看似平凡的心跳,是一场关乎生死的接力

知识分子  · ZhiHu-Article  · 科学  · 2021-01-20 11:24

心脏的跳动看似平凡,背后的机理却十分复杂。图源:Pixabay


撰文 | 李莘莘(帝国理工学院博士后研究员)

责编 | 惠家明


心脏的本质是一个泵,它每一秒钟都在兢兢业业地跳动着,每一次跳动都是为了给全身供血 。

这虽然不是什么新鲜事,但并不简单。心脏究竟是怎么工作的?在每次平平无奇的心跳背后,心脏究竟都经历了些什么?为了找到这些问题的答案,科学家们孜孜不倦地探求了上百年。


01 心脏:别管我,我可以自己跳

1628年,威廉·哈维(William Harvey) 发表了《心血运动论》,正确地描述了全身血液循环系统,但是他却未能解释心脏跳动的机制。心脏供血的最根本挤机制在于心脏的收缩,也就是我们所说的心脏跳动。但是心脏为什么会跳?心脏是怎么跳的?心脏的跳动是如何被控制的?对于这个问题,早期学术界争论不休。

神经派认为神经系统支配着心脏的跳动,而心脏只是一个听话的工具人罢了。心源派则认为,心跳主要是心脏的自主功能。究竟心脏的每次跳动是不是心脏自己说了算?几百年来,没有定论。直到19世纪后半叶,英国生理学家华特·贾斯高(Walter Gaskell)在剑桥进行的一系列研究给出了答案,而这个研究发现的背后有一个灵感女神:“美杜莎”。

1875年,贾斯高加入了麦克·福斯特(Michael Foster)位于剑桥的实验室, 与福斯特一起研究心脏的跳动,与贾斯高同在福斯特手下工作的还有一位叫做乔治·罗马尼斯(George Romanes)的科学家。罗马尼斯后来较为人熟知的身份是达尔文的挚交好友以及进化论的忠实拥趸。在当时,罗马尼斯的研究课题是神经系统和运动控制,他的一个重点研究对象就是被称为 “美杜莎” 的水母,也就是水母亚门(Medusozoa)的动物。

Medusozoa水母亚门的动物又被称为“美杜莎”水母 图源:Wikimedia Commons


罗马尼斯想通过水母的运动控制来了解神经系统,具体地说,就是观察水母是如何控制伞面的一张一缩来实现游动的。罗马尼斯发现,如果水母的伞面边缘被切除了,水母就动不了了,而被切除的伞面边缘却还能在培养皿中持续有节律的伸缩长达2-3天的时间。更关键的是,通过显微镜观察,罗马尼斯发现这些可以在体外自发伸缩的水母组织并没有包含神经,也就是说这些是无需神经控制就可以自发运动的肌肉组织。罗马尼斯知晓这一发现对于心脏研究的意义,他明确地向福斯特和贾斯高二人表达了自己的观点:心脏与水母应当十分相似,无需神经控制就可以自发跳动。

贾斯高研究的助攻同事,乔治.罗马尼斯 图源:Elliott & Fry | Wikimedia Commons


罗马尼斯的研究坚定了贾斯高和福斯特对心源说的肯定,但仅用水母作为证据并不充分,他们需要进一步在心脏上用实验证实。贾斯高把试验对象从常用的青蛙换成了乌龟,毕竟乌龟缓慢的心跳更便于观察。要知道,当时距离最原始的心电图仪出世还有三十年,研究心脏跳动主要还要靠肉眼观察,而我们现代医学的高级成像技术在当时根本无法想象。

通过切除乌龟的心室心尖,贾斯高首先证实了不包含神经组织的心尖在切除之后仍可以自发跳动,为心源说添加了一块重要的基石。他还观察到,心脏收缩的信号传导是存在顺序的,大致是先从心窦附近传至心房和心室的交界处,再传至心室。虽然没有高级的成像手段,但是贾斯高很聪明地采用了 “渐进切割” 的方法,通过逐步切断心房和心室之间的组织,他在摸索中确定了心房和心室之间的传导通路在哪里。

这个实验表明,如果切断心房和心室之间传导通路的一半,那么大约只有1/2的心房收缩会引起心室的收缩;如果全部切断,那么心室和心房的收缩就会完全脱节,各跳各的谁也不管谁 。这其中更为深远的含义连当时的贾斯高自己也还不能完全领会,科学家们几十年后才会发现 ,这项实验完全模拟了一类心率失常疾病的情形:房室阻隔。

华特·贾斯高肖像 图源:Cambridge University Press and Wellcome Library


02 田原淳:心脏学界最勤奋刻苦的连连看玩家

尽管贾斯高的研究被后人认为是心跳机理研究的分水岭,但在当时还不能算是一锤定音之作,毕竟他只是大致确定了心脏每部分的收缩顺序和传导路径,没有精确定位到完成每一步的组织。在贾斯高实验的前后,精通13国语言的波西米亚学者杨·浦肯野(Jan Evangelista Purkinje)和瑞士科学家小维伦何·希斯(Wilhelm His, Jr )分别于1839年和1893年发现并命名了心脏内部的浦肯野纤维(Purkinje fiber)和希氏束(His bundle),但是他们却没能摸清这些组织究竟有些什么功能,它们之间又有什么样的联系。

这关键性的 “连连看” 的一步,是由日本科学家田原淳(Sunao Tawara)完成的。

现代心脏学之父,田原淳 图源:Dr. S.Murayama, M.D., S. Tawara’s grandson, Wikimedia Commons


从帝国大学医学院(University of Tokyo)毕业之后,田原淳从日本来到德国马尔堡,师从著名的德国病理学家路德维希·阿绍夫(Ludwig Aschoff)。阿绍夫给这位远道而来的学生准备了一份大礼:150个心脏。可能阿绍夫也没有想到,田原淳刻苦勤勉超乎想象,用不到三年的时间就保质保量地完成了解剖150个心脏这项艰巨的任务 。凭借大量实验,田原淳不仅解答了老师阿绍夫关于心肌炎的一些疑问,还发现并命名了房室结(AV bundle)。更重要的是,田原淳意识到了房室结、希氏束和浦肯野纤维的作用就是传导心脏的电信号,也就是心脏收缩的传导通路。通过电刺激实验,田原淳进一步在绵羊的心脏上验证了他的结论,并将贾斯高,浦肯野和希斯的发现正确地整合在了一起。

在田原淳于1906年发表论文的不久后,荷兰科学家威廉·埃因托芬(Willem Einthoven)发明了心电图仪。田原淳的成果不仅为解读心电图提供了理论依据,同时将心脏研究带入了全新的阶段,田原淳被誉为是现代心脏学之父。


03 电脉冲的接力赛

田原淳的研究其实还缺少了心跳电信号传导的最后一块拼图,也就是传导的起点:窦房结。在田原淳发表论文的同年,亚瑟·基斯(Sir Arthur Keith)在助手的帮助下发现了窦房结,并确定了窦房结就是引发每一次心跳的 “发令员”。自此,科学家们终于完整地搞清楚了一个人类生命最基本的问题:心脏是如何跳动的。

我们可以打个比方:每一次心跳就像一次接力赛。第一棒的窦房结发起,然后电脉冲传至心房,引起心房收缩,并传给第二棒的房室结。接下来,电脉冲由房室结传至第三棒希氏束,然后分别沿左右束支传播。最后,电脉冲传至第四棒,也就是遍布在左右心室表面的浦肯野纤维,引发心室收缩。

这个过程或许看起来并不复杂,实则包含了许多不容小觑的协调细节,谁快谁慢其实很讲究。首先说这四棒里面最慢的房室结,电脉冲经过这里时会有大约0.09秒延迟。不要小看这0.09秒,这个延迟保证了心室要等到心房将血液排至心室之后才会收缩,从而保障了全身供血,否则心室的收缩就会成为无用功。

而四棒之中 “跑” 得最快的就是浦肯野纤维,它负责在最后阶段完成最关键性的冲刺 。因为(左)心室负担着向全身供血的重要任务,电脉冲在这里传得越快,细胞收缩越同步 ,心室整体收缩得就越充分,喷出的血也就越多。要知道心脏功能临床检查最重要的指标之一 “射血分数”,衡量的就是左心室喷的血够不够。对于成年人而言,如果射血分数低于40%,就要敲响警钟了。

心脏的电传导通路 图源:Madhero88 | Wikimedia Commons


04 整齐的心律千篇一律,不齐的心律却各有各的问题

整齐的心律离不开每一个传导环节正常有序的运转。换言之,任何一个环节出错都可能会导致心律不齐。

从窦房结开始说起,窦房结就是心脏的主时钟,窦房结的自发起搏频率决定了我们心跳的频率,也就是每分钟跳动60~100次。窦房结的频率如果太快或者太慢,就会导致窦性心率失常。

而如果电脉冲从心房向心室传导的时候出现问题,则会像贾斯高实验展现的那样,心室和心房的活动就会脱节,这种情况被称为房室传导阻滞。而电脉冲在心室内部传导出现问题的话,心室可能就会无规则地抽搐,无法为全身供血。这钟状态延续几分钟就可能导致大脑供血不足和心脏骤停,十分危险。在临床治疗中,如果出现了严重的传导问题,就需要考虑植入起搏器或者除颤器,靠 “开外挂” 解决心跳的控制问题。

但是,无论是起搏器还是除颤器,目前我们对很多心律失常相关疾病的治疗仍差强人意。主要原因在于,我们对于电传导通路出现的问题缺乏更深入的了解。是什么原因导致了这些传导出现问题?这些原因在分子层面的机制是什么?用什么治疗手段可以修复通路?这些问题还有待科学家们进一步研究,以帮助更多病患的恢复健康。


参考资料:

Mark E Silverman, Daniel Grove, Charles B Upshaw, Why Does the Heart Beat? The Discovery of the Electrical System of the Heart, July 2006, Circulation 113(23):2775-81Wallace Bruce Fye, The origin of the heart beat: a tale of frogs, jellyfish, and turtles., Circulation. 1987 Sep;76(3):493-500. doi: 10.1161/01.cir.76.3.493.keguanjp.com/kgjp_shehu


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