关于生物神经系统物理机理的若干猜想

《科学通报》| 观点

作为一名不懂生物的科技工作者，一直试图从物理的角度探讨生物神经系统物理机理，如生物神经信息载体的物理场及频率、生物神经信号是如何产生和传输等。提出主要猜想如下：

猜想之一：生物神经信号的物理场应为太赫兹(THz)到红外的高频电磁场，最可能频率范围应在THz到百THz。可以把0.5~100 THz的电磁波称为太赫兹电磁波，把有关研究可称为太赫兹生物学。

猜想之二：生物神经中电磁信号的产生、传输和耦合等是微纳尺度上的，有些甚至是单分子结构水平上的，应符合电磁场和量子理论。神经系统中离子和分子的量子能态是信号产生、放大和耦合的重要因素，生物信息存储也应是以分子量子态为载体的。有关量子理论的研究应为重点。

猜想之三：生物神经系统中轴突上的朗飞结是一具有较强自动调节特性的神经信号“中继放大器”，其应是神经系统中的能量主要消耗点; 神经细胞体应是具有信息储存、处理和交换等功能一体的基本单元。

猜想之四：环境温度对神经系统中THz信号产生及传输等具有重要影响。THz信号在神经系统中的传输速度随温度变化，当温度过高或过低时，生物神经系统中的THz信号将不能有效传输。

猜想之五：生物体内应有丰富的THz电磁信息，这些THz电磁信息的探测表征将可以用于生物状态(如健康状态等)的诊断，并将会有诸多新的发现和新的诊断方法发明，包括有源诊断和无源诊断。无源诊断不会对生物体产生干扰和扰动，具有其他方法不具有的优势。同时 THz电磁信号在一定条件下将与生物体发生相互作用，很可能成为未来治病的一个重要手段，也应是致病并应注意防护的一个重要物理因素。

猜想之六：人体神经系统，应是世界上最科学高效、有机一体的网络信息系统。人类应特别重视向人体学习借鉴，把研发出类人体神经系统这样的科学高效网络信息体系作为研究追求的目标。

以上猜想，因精力有限，没有做太多具体深入研究工作，发表主要是希望能引起大家的讨论，也希望生物领域的研究人员能更多地从物理角度开展研究。

刘国治  中国科学院院士，中央军委科技委主任。西北核技术研究所研究员，清华大学双聘教授，博士生导师。1983年毕业于清华大学工程物理系，1986年和1992年分别获得清华大学硕士和博士学位。主要研究方向是高功率微波、太赫兹生物学。

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刘国治. 关于生物神经系统物理机理的若干猜想. 科学通报, 2018, 63: 3864–3866

《中国科学》杂志社

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