次聲對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)作用機(jī)制的研究進(jìn)展

李志剛

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，一些新概念逐漸應(yīng)用到軍事領(lǐng)域并開發(fā)出新型的武器裝備，其中就包括次聲武器。次聲對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的作用目前雖然還不十分清楚，但已經(jīng)取得了很多的研究成果，特別是近年來國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究處于世界先進(jìn)水平?，F(xiàn)將次聲對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)作用機(jī)制的研究進(jìn)展綜述如下。

1 關(guān)于次聲的概述

次聲是由各種物體振動(dòng)產(chǎn)生的頻率為10－4～20 Hz的彈性波，廣泛存在于自然界和人類社會(huì)中，由于其頻率為聽閾下頻率，因此具有與可聽聲、超聲不同的一些物理特性。其一是次聲在空氣中的傳播距離較遠(yuǎn)。聲波是通過各種介質(zhì)的分子做稀疏或緊密的交替波向四周擴(kuò)散傳播，而聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)吸收率的大小與其頻率平方成正比。次聲波的頻率低，在傳播過程中很少被介質(zhì)吸收，大氣衰減程度低，加上大氣聲波的傳導(dǎo)作用，故在空氣中傳播較遠(yuǎn)，可達(dá)數(shù)千公里。其二是次聲具有很強(qiáng)的穿透力。次聲傳播速度與可聽聲一樣，但次聲波的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，具有很強(qiáng)的穿透空氣、液體及固體介質(zhì)的特性，如車船體以及堅(jiān)固的鋼筋混凝土構(gòu)件等，還能夠繞射，因此通常的隔吸音材料難以屏蔽。

次聲無時(shí)無刻地廣泛存在于人類生存的環(huán)境中，根據(jù)其起源可分為自然的和人工的兩類。例如刮大風(fēng)時(shí)高層樓房振動(dòng)可以產(chǎn)生頻率為1～10 Hz的次聲；海浪的拍擊可產(chǎn)生8～13 Hz的次聲；地震、火山噴發(fā)時(shí)也可產(chǎn)生次聲；海洋中的魚類還能利用次聲進(jìn)行定位和遷徙。而人工次聲主要產(chǎn)生于生產(chǎn)和交通環(huán)境中，在冶金生產(chǎn)、機(jī)器制造、建筑、交通運(yùn)輸、筑路等行業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境中均有次聲存在。隨著社會(huì)各種環(huán)境保護(hù)措施的實(shí)施，噪聲中可聽聲的比重在逐漸下降，而次聲的比重逐漸上升，已成為噪聲污染的重要組成部分，危害較大。Pawlaczyk［1］在對(duì)124種工業(yè)機(jī)械產(chǎn)生的次聲調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，占96%的工人暴露在超標(biāo)的次聲工作環(huán)境中，經(jīng)常存在的較強(qiáng)次聲已經(jīng)成為公害。在軍事領(lǐng)域，一些國(guó)家發(fā)現(xiàn)次聲的軍事應(yīng)用價(jià)值，利用其特性研發(fā)出次聲槍和次聲彈，其中的神經(jīng)型次聲武器主要影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)，成為攻人于不備和傷人于無形的新概念武器，值得警惕。

次聲的本質(zhì)與可聽聲、超聲沒有不同，但由于其頻率低，人的聽覺一般聽不到次聲。有報(bào)道認(rèn)為只要次聲聲壓級(jí)達(dá)到一定強(qiáng)度，由于在中耳、內(nèi)耳失真造成綜合諧波，人耳是可以聽到次聲的，次聲的聽覺閾較可聽聲高，1 Hz時(shí)聽閾高達(dá)140 dB。也有觀點(diǎn)認(rèn)為1～20 Hz的次聲在強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)，可被感覺到而不能聽到［2］。作為生物體，人體的各個(gè)器官存在有固有頻率，分布在0．01～20 Hz，也有人認(rèn)為是3～17 Hz，雖有差異但均在次聲范圍內(nèi)，中樞神經(jīng)系統(tǒng)的固有頻率為 8～12 Hz。

次聲對(duì)生物體的作用機(jī)制是生物共振方式，因此能普遍地作用于生物體的各器官和組織，產(chǎn)生廣泛的生物學(xué)效應(yīng)。次聲對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的作用機(jī)制具有特殊性，主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面：一是當(dāng)一定強(qiáng)度的次聲作用時(shí)，其聲壓級(jí)達(dá)到一定強(qiáng)度且與中樞神經(jīng)系統(tǒng)的自身頻率接近或符合時(shí)就會(huì)產(chǎn)生激發(fā)作用，引起生物共振反應(yīng)。生物體吸收次聲的能量，其機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能、生物化學(xué)能和生物電能，直接作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)。二是它能同時(shí)刺激軀體本體感受器和內(nèi)臟感受器，刺激信號(hào)傳遞到中樞神經(jīng)系統(tǒng)，引起一系列功能和形態(tài)的改變，最終影響細(xì)胞分子結(jié)構(gòu)、生物氧化和能量代謝過程。所以，次聲的生物學(xué)效應(yīng)廣泛而復(fù)雜，在中高強(qiáng)度次聲引起的各臟器損傷中，最為敏感和最為首要的是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的損害，包括直接作用和間接作用，波及多層次結(jié)構(gòu)。

2 次聲對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的作用

2．1 次聲對(duì)神經(jīng)細(xì)胞的作用 神經(jīng)細(xì)胞是構(gòu)建神經(jīng)系統(tǒng)的基本單元。次聲對(duì)神經(jīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的原發(fā)性損傷占有重要位置，一定聲壓級(jí)水平及參數(shù)的次聲作用能夠造成神經(jīng)細(xì)胞的即刻性損傷和遲發(fā)性損傷，或觸發(fā)細(xì)胞凋亡，其機(jī)制復(fù)雜，包括細(xì)胞膜、細(xì)胞器及細(xì)胞核功能和結(jié)構(gòu)變化，如膜酶的抑制或活化、細(xì)胞的膜性結(jié)構(gòu)通透性增加、線粒體腫脹、胞漿內(nèi)脂褐素增加、髓鞘變性及核膜結(jié)構(gòu)受損等。頻率為8 Hz、130 dB次聲作用可致海馬細(xì)胞膜通透性改變和細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度增高或超載，可能與電壓門控式鈣離子通道開放或受體敏感性鈣離子通道如NMDA受體或mGluR過度激活有關(guān)。激活Ca2＋／鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶，受其調(diào)節(jié)的磷脂酶、蛋白酶、核酸內(nèi)切酶等被激活，導(dǎo)致磷脂分解，細(xì)胞骨架破壞［3］。形態(tài)上可出現(xiàn)神經(jīng)元細(xì)胞體積縮小，胞質(zhì)電子密度增大，胞核核膜模糊，胞質(zhì)內(nèi)可見脂褐素顆粒、線粒體腫脹，髓鞘板層變薄，神經(jīng)纖維軸索內(nèi)的神經(jīng)微管排列紊亂等改變［4］。次聲作用的效應(yīng)與作用時(shí)間和聲壓級(jí)水平存在明顯的量效和時(shí)效規(guī)律性，輕度損傷具有可逆性，從超微結(jié)構(gòu)觀察，損傷以膜性結(jié)構(gòu)破壞、非特異性炎性反應(yīng)和水腫等病理改變?yōu)橹?，?yán)重時(shí)能誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，對(duì)促凋亡基因具有顯著上調(diào)作用或?qū)σ值蛲龌蚓哂酗@著下調(diào)作用，較高聲強(qiáng)次聲引起腦細(xì)胞的致死性傾向更明顯［4，5］。

2．2 次聲對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)的作用 次聲廣泛作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，同時(shí)又表現(xiàn)出特異性。在觀察次聲對(duì)鼠大腦皮質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，電鏡下發(fā)現(xiàn)8 Hz、120 dB次聲作用時(shí)，腦皮質(zhì)3、4層神經(jīng)元結(jié)構(gòu)變化最明顯，淡染細(xì)胞增多，核形態(tài)改變，神經(jīng)纖維樹突、軸突變形，血管擴(kuò)張且周圍水腫。次聲作用2 h后，在實(shí)驗(yàn)中觀察到在海馬、皮質(zhì)、扣帶回、中央灰質(zhì)和下丘腦室旁核等腦區(qū)的損傷表達(dá)明顯多于其他區(qū)域，海馬區(qū)等出現(xiàn)壞死前樣改變，可能是這些區(qū)域?qū)Υ温曌饔幂^為敏感。而在外側(cè)膝狀體、束旁核、乳頭體等少量區(qū)域則未發(fā)現(xiàn)明顯的改變。以上研究提示，次聲對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的損害在一定程度上是具有區(qū)域選擇性的［6］。次聲對(duì)血腦屏障損傷的研究表明，8 Hz、120 dB的次聲作用一段時(shí)間后，大鼠腦組織中血腦屏障緊密連接開放，血管基膜外以至組織間隙內(nèi)存在硝酸鑭顆粒，證實(shí)次聲可造成血腦屏障通透性改變，進(jìn)而引起血管源性腦水腫，血腦屏障損害也是次聲腦損害的關(guān)鍵機(jī)制之一［7］。當(dāng)聲強(qiáng)為140 dB時(shí)，無論作用時(shí)間長(zhǎng)短，均可見軟腦膜充血，蛛網(wǎng)膜下腔出血，皮質(zhì)點(diǎn)狀出血。

2．3 次聲對(duì)聽覺系統(tǒng)的作用 相關(guān)研究證實(shí)，次聲能直接作用于耳蝸核、內(nèi)側(cè)膝狀體核、下丘、上橄欖復(fù)合體等，細(xì)胞出現(xiàn)組織形態(tài)學(xué)和超微結(jié)構(gòu)的變化，影響神經(jīng)功能。頻率12 Hz、聲壓級(jí)125 dB的作用可出現(xiàn)聽閾明顯升高，潛伏期也明顯延長(zhǎng)，聽神經(jīng)動(dòng)作電位閾值發(fā)生暫時(shí)性位移（TTS），TTS的改變?cè)?0～30 dB，過久過強(qiáng)的次聲暴露可致永久性耳聾［8］。 用 8 Hz、120～140 dB 的次聲作用于大鼠，發(fā)現(xiàn)聽皮層組織學(xué)和超微結(jié)構(gòu)的改變，其效應(yīng)與聲壓級(jí)和作用時(shí)間呈正相關(guān)。但也有實(shí)驗(yàn)以10～15 Hz、130～135 dB的次聲作用于受試者30 min，未觀察到聽力的改變。前庭系統(tǒng)對(duì)次聲具有非常高的敏感度，對(duì)低頻振動(dòng)的敏感度超過耳蝸［9］。由于次聲對(duì)于聽覺器官為非適宜刺激因子，且相同的聲壓級(jí)可聽聲主要引起外周聽覺系統(tǒng)的改變，因此認(rèn)為次聲不是通過聽覺器官，而是通過機(jī)械作用直接影響聽覺神經(jīng)系統(tǒng)，感知次聲的存在［10］，提示次聲對(duì)聽覺系統(tǒng)損傷的機(jī)制不僅通過耳部傳音結(jié)構(gòu)，其機(jī)械性損傷機(jī)制更為主要。

2．4 次聲對(duì)神經(jīng)內(nèi)分泌的作用 次聲作為一種刺激因素，可誘發(fā)機(jī)體垂體－腎上腺皮質(zhì)分泌系統(tǒng)活性的改變，引起機(jī)體非特異性生理綜合征，稱為應(yīng)激反應(yīng)。下丘腦是神經(jīng)內(nèi)分泌的高級(jí)整合中樞，對(duì)保持機(jī)體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定具有十分重要的作用。次聲作用后下丘腦室旁核等腦區(qū)的表達(dá)明顯多于其他區(qū)域，可能是這些區(qū)域?qū)Υ温曌饔幂^為敏感。腦室旁核小細(xì)胞分泌的促腎上腺皮質(zhì)激素釋放因子（CRF）最具特征性，CRF可誘發(fā)一系列相應(yīng)的生理和行為反應(yīng)［11］。原癌基因cfos與CRF在應(yīng)激反應(yīng)的啟動(dòng)和維持過程中有著相互激活、相互促進(jìn)的作用，8 Hz、120 dB次聲作用后 c－fos與CRF明顯表達(dá)并隨時(shí)間逐漸增強(qiáng)，表明次聲引起應(yīng)激反應(yīng)的中樞機(jī)制可能是次聲首先激活c－fos之后促使CRF大量產(chǎn)生、釋放并進(jìn)入垂體門脈系統(tǒng)，引起垂體釋放ACTH，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)激反應(yīng)［12］。同樣的研究證實(shí) 8～10 Hz，110～135 dB 的次聲可使小鼠血中ACTH和血清中皮質(zhì)醇的含量明顯增高，并且在波動(dòng)次聲中ACTH的濃度較穩(wěn)態(tài)次聲上升更明顯。

2．5 次聲對(duì)細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)和活性物質(zhì)的作用 大量研究表明，次聲作用可激活體內(nèi)氧化系統(tǒng)，使自由基產(chǎn)生增多，腦組織中膽堿酯酶活力增加，琥珀酸脫氫酶活力下降，谷氨酸及谷氨酸受體、 熱休克蛋白、NO、TXA2、PGI2、p53、Bcl－2、 白介素－6、5－羥色胺（5－HT）、丙二醛（MDA）、谷胱甘肽過氧化物酶（GSH－Px）、單胺氧化酶、Ryanodine受體等物質(zhì)出現(xiàn)不同程度的改變。8 Hz、90 dB次聲作用對(duì)大鼠海馬PKA表達(dá)及CREB磷酸化水平均有不同程度的影響，表明次聲對(duì)學(xué)習(xí)與記憶損害的機(jī)制可能與cAMP濃度增高后PKA激活至CRE依賴性轉(zhuǎn)錄這一分子鏈有關(guān)［13］。 實(shí)驗(yàn)表明，16 Hz，90 dB和130 dB次聲作用可以引起大鼠海馬TRPV4、GFAP和fos陽性細(xì)胞表達(dá)增多，且能夠激活神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞［14］。

2．6 次聲對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)功能及精神的影響 次聲通過機(jī)械刺激使中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生形態(tài)學(xué)損傷，必然也引起神經(jīng)系統(tǒng)功能及精神的改變，影響工效。12．5～20．0 Hz、105．0～113．5 dB 次聲作用6 h，所有受試者均出現(xiàn)一些不適的主觀反應(yīng)，67．8%的人員感到焦躁不安，突出癥狀包括中耳堵塞或壓迫感、頭痛、眩暈、恐懼感、胸悶、心悸、精神緊張出冷汗、疲勞等，難以完成簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)運(yùn)算，可出現(xiàn)視覺模糊，定向障礙，工效顯著下降等癥狀，產(chǎn)生精神和情緒的變化［15］。此外，次聲還可造成肌肉痙攣、震顫、肌力降低等運(yùn)動(dòng)功能障礙。國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)使用實(shí)驗(yàn)艇在某海域進(jìn)行次聲掃雷作業(yè)，作業(yè)人員出現(xiàn)疲憊、惰性、情感改變，記憶力受到明顯傷害［16］。次聲還可損害腦的邊緣系統(tǒng)、下丘腦等皮層下結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)間腦－下丘腦綜合征［17］。一般認(rèn)為，90 dB為安全閾，154 dB的次聲造成的一系列神經(jīng)系統(tǒng)癥狀基本達(dá)到人體的忍受極限，影響人的行為。

電生理檢查提示次聲能改變腦電活動(dòng)，將新西蘭白兔分別暴露于頻率為16 Hz、130 dB的次聲場(chǎng)內(nèi)20 min，采用EEG Holter記錄穿顱皮質(zhì)腦電波的活動(dòng)變化，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)兔腦電慢波出現(xiàn)量明顯增多，頻率＜3 c／s，波幅在 150～250 μV 之間，提示次聲可引起動(dòng)物腦電活動(dòng)的抑制，抑制程度與聲強(qiáng)相關(guān)［18］。暴露于 6 Hz、110 dB 時(shí)腦電 α 波（8～12 Hz）轉(zhuǎn)為 θ波（4～7 Hz），較暴露于12 Hz及16 Hz時(shí)更為明顯。行為學(xué)實(shí)驗(yàn)顯示次聲慢性作用后鼠的學(xué)習(xí)能力下降，表現(xiàn)為錯(cuò)誤動(dòng)作增多，水迷宮潛伏時(shí)間延長(zhǎng)，建立條件反射所需訓(xùn)練次數(shù)增多，且隨聲強(qiáng)增加，所需訓(xùn)練次數(shù)也增多。另一方面，次聲也有宜于人體的功效，海浪拍擊可以產(chǎn)生10 Hz左右的次聲，能使人的精神振奮，因此推出假設(shè)，用類似人腦α節(jié)律（8～13 Hz）的適度人工次聲作用于人體，在不使人體正常節(jié)律失諧的限度內(nèi)，可以使人保持精神飽滿狀態(tài)。

綜上所述，可見，次聲與物理學(xué)、環(huán)境學(xué)、軍事、臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域密不可分，目前研究表明，一定聲壓級(jí)水平的次聲作用可對(duì)生物體造成彌漫性危害，包括可恢復(fù)的功能性損害和不可恢復(fù)的器質(zhì)性損害，輕重不等，在某些條件作用下甚至是致命性的。次聲的急性作用和慢性作用雖有一定差別，但次聲聲壓級(jí)無疑是其作用效應(yīng)的關(guān)鍵因素。次聲作用引起的中樞神經(jīng)系統(tǒng)損傷可能具有一定的時(shí)限性，中樞神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)次聲損傷存在著一定的適應(yīng)現(xiàn)象。

研究次聲的目的，一是減少其來源和加強(qiáng)防護(hù)，保護(hù)人類的生存環(huán)境和健康?，F(xiàn)在，一個(gè)有超過40個(gè)次聲監(jiān)測(cè)站組成的全球網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)建成，以確保全面禁止核試驗(yàn)［19］；另一方面，開發(fā)次聲潛在的應(yīng)用價(jià)值，如4 Hz、170 dB次聲空氣按摩方法可穩(wěn)定進(jìn)行性近視的發(fā)展［20］；麻醉中適度的次聲可產(chǎn)生中樞鎮(zhèn)靜效應(yīng)，減少手術(shù)刺激所致不良反應(yīng)；8～12 Hz、72～79 dB的次聲治療儀可以改變腫瘤細(xì)胞的通透性，聯(lián)用5－氟尿嘧啶后可增強(qiáng)對(duì)神經(jīng)膠質(zhì)瘤的殺傷力等［21］。隨著人們對(duì)其認(rèn)知的加深，次聲已逐漸應(yīng)用于地震預(yù)測(cè)、醫(yī)療、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域，軍事領(lǐng)域的次聲已應(yīng)用于偵察探測(cè)和武器開發(fā)。探測(cè)目標(biāo)和偵察敵情時(shí)，次聲具有隱蔽性好、不易被察覺的特點(diǎn)；而次聲武器則具有隱蔽打擊、遠(yuǎn)距離傷敵、不易防護(hù)、不破壞設(shè)施等特點(diǎn)，削弱敵方戰(zhàn)斗力于無形。

關(guān)于次聲對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)作用的研究正逐步深入，國(guó)內(nèi)與此相關(guān)的研究成果也令人矚目，但由于試驗(yàn)條件及試驗(yàn)對(duì)象的不同，試驗(yàn)結(jié)果存在一定差異，觀點(diǎn)不盡相同。隨著人們對(duì)次聲認(rèn)識(shí)的提高和科技手段的進(jìn)步，是可以達(dá)到有效防護(hù)、有效治療與和平開發(fā)利用的目的。

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