次聲對中樞神經系統作用機制的研究進展

李志剛

隨著現代科學技術的發展進步，一些新概念逐漸應用到軍事領域并開發出新型的武器裝備，其中就包括次聲武器。次聲對中樞神經系統的作用目前雖然還不十分清楚，但已經取得了很多的研究成果，特別是近年來國內的相關研究處于世界先進水平。現將次聲對中樞神經系統作用機制的研究進展綜述如下。

1 關于次聲的概述

次聲是由各種物體振動產生的頻率為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。聲波是通過各種介質的分子做稀疏或緊密的交替波向四周擴散傳播，而聲波在介質中傳播時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吸收，大氣衰減程度低，加上大氣聲波的傳導作用，故在空氣中傳播較遠，可達數千公里。其二是次聲具有很強的穿透力。次聲傳播速度與可聽聲一樣，但次聲波的波長較長，具有很強的穿透空氣、液體及固體介質的特性，如車船體以及堅固的鋼筋混凝土構件等，還能夠繞射，因此通常的隔吸音材料難以屏蔽。

次聲無時無刻地廣泛存在于人類生存的環境中，根據其起源可分為自然的和人工的兩類。例如刮大風時高層樓房振動可以產生頻率為1～10 Hz的次聲；海浪的拍擊可產生8～13 Hz的次聲；地震、火山噴發時也可產生次聲；海洋中的魚類還能利用次聲進行定位和遷徙。而人工次聲主要產生于生產和交通環境中，在冶金生產、機器制造、建筑、交通運輸、筑路等行業的生產環境中均有次聲存在。隨著社會各種環境保護措施的實施，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124種工業機械產生的次聲調查中發現，占96%的工人暴露在超標的次聲工作環境中，經常存在的較強次聲已經成為公害。在軍事領域，一些國家發現次聲的軍事應用價值，利用其特性研發出次聲槍和次聲彈，其中的神經型次聲武器主要影響中樞神經系統，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。有報道認為只要次聲聲壓級達到一定強度，由于在中耳、內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時聽閾高達140 dB。也有觀點認為1～20 Hz的次聲在強度達到一定程度時，可被感覺到而不能聽到［2］。作為生物體，人體的各個器官存在有固有頻率，分布在0．01～20 Hz，也有人認為是3～17 Hz，雖有差異但均在次聲范圍內，中樞神經系統的固有頻率為 8～12 Hz。

次聲對生物體的作用機制是生物共振方式，因此能普遍地作用于生物體的各器官和組織，產生廣泛的生物學效應。次聲對中樞神經系統的作用機制具有特殊性，主要表現為兩個方面：一是當一定強度的次聲作用時，其聲壓級達到一定強度且與中樞神經系統的自身頻率接近或符合時就會產生激發作用，引起生物共振反應。生物體吸收次聲的能量，其機械能轉化為熱能、生物化學能和生物電能，直接作用于中樞神經系統。二是它能同時刺激軀體本體感受器和內臟感受器，刺激信號傳遞到中樞神經系統，引起一系列功能和形態的改變，最終影響細胞分子結構、生物氧化和能量代謝過程。所以，次聲的生物學效應廣泛而復雜，在中高強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系統的損害，包括直接作用和間接作用，波及多層次結構。

2 次聲對中樞神經系統的作用

2．1 次聲對神經細胞的作用 神經細胞是構建神經系統的基本單元。次聲對神經細胞結構和功能的原發性損傷占有重要位置，一定聲壓級水平及參數的次聲作用能夠造成神經細胞的即刻性損傷和遲發性損傷，或觸發細胞凋亡，其機制復雜，包括細胞膜、細胞器及細胞核功能和結構變化，如膜酶的抑制或活化、細胞的膜性結構通透性增加、線粒體腫脹、胞漿內脂褐素增加、髓鞘變性及核膜結構受損等。頻率為8 Hz、130 dB次聲作用可致海馬細胞膜通透性改變和細胞內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。激活Ca2＋／鈣調蛋白依賴性蛋白激酶，受其調節的磷脂酶、蛋白酶、核酸內切酶等被激活，導致磷脂分解，細胞骨架破壞［3］。形態上可出現神經元細胞體積縮小，胞質電子密度增大，胞核核膜模糊，胞質內可見脂褐素顆粒、線粒體腫脹，髓鞘板層變薄，神經纖維軸索內的神經微管排列紊亂等改變［4］。次聲作用的效應與作用時間和聲壓級水平存在明顯的量效和時效規律性，輕度損傷具有可逆性，從超微結構觀察，損傷以膜性結構破壞、非特異性炎性反應和水腫等病理改變為主，嚴重時能誘導細胞凋亡，對促凋亡基因具有顯著上調作用或對抑凋亡基因具有顯著下調作用，較高聲強次聲引起腦細胞的致死性傾向更明顯［4，5］。

2．2 次聲對中樞神經系統空間結構的作用 次聲廣泛作用于中樞神經系統，同時又表現出特異性。在觀察次聲對鼠大腦皮質結構的影響時，電鏡下發現8 Hz、120 dB次聲作用時，腦皮質3、4層神經元結構變化最明顯，淡染細胞增多，核形態改變，神經纖維樹突、軸突變形，血管擴張且周圍水腫。次聲作用2 h后，在實驗中觀察到在海馬、皮質、扣帶回、中央灰質和下丘腦室旁核等腦區的損傷表達明顯多于其他區域，海馬區等出現壞死前樣改變，可能是這些區域對次聲作用較為敏感。而在外側膝狀體、束旁核、乳頭體等少量區域則未發現明顯的改變。以上研究提示，次聲對中樞神經系統的損害在一定程度上是具有區域選擇性的［6］。次聲對血腦屏障損傷的研究表明，8 Hz、120 dB的次聲作用一段時間后，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存在硝酸鑭顆粒，證實次聲可造成血腦屏障通透性改變，進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鍵機制之一［7］。當聲強為140 dB時，無論作用時間長短，均可見軟腦膜充血，蛛網膜下腔出血，皮質點狀出血。

2．3 次聲對聽覺系統的作用 相關研究證實，次聲能直接作用于耳蝸核、內側膝狀體核、下丘、上橄欖復合體等，細胞出現組織形態學和超微結構的變化，影響神經功能。頻率12 Hz、聲壓級125 dB的作用可出現聽閾明顯升高，潛伏期也明顯延長，聽神經動作電位閾值發生暫時性位移（TTS），TTS的改變在10～30 dB，過久過強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，發現聽皮層組織學和超微結構的改變，其效應與聲壓級和作用時間呈正相關。但也有實驗以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。前庭系統對次聲具有非常高的敏感度，對低頻振動的敏感度超過耳蝸［9］。由于次聲對于聽覺器官為非適宜刺激因子，且相同的聲壓級可聽聲主要引起外周聽覺系統的改變，因此認為次聲不是通過聽覺器官，而是通過機械作用直接影響聽覺神經系統，感知次聲的存在［10］，提示次聲對聽覺系統損傷的機制不僅通過耳部傳音結構，其機械性損傷機制更為主要。

2．4 次聲對神經內分泌的作用 次聲作為一種刺激因素，可誘發機體垂體－腎上腺皮質分泌系統活性的改變，引起機體非特異性生理綜合征，稱為應激反應。下丘腦是神經內分泌的高級整合中樞，對保持機體內環境穩定具有十分重要的作用。次聲作用后下丘腦室旁核等腦區的表達明顯多于其他區域，可能是這些區域對次聲作用較為敏感。腦室旁核小細胞分泌的促腎上腺皮質激素釋放因子（CRF）最具特征性，CRF可誘發一系列相應的生理和行為反應［11］。原癌基因cfos與CRF在應激反應的啟動和維持過程中有著相互激活、相互促進的作用，8 Hz、120 dB次聲作用后 c－fos與CRF明顯表達并隨時間逐漸增強，表明次聲引起應激反應的中樞機制可能是次聲首先激活c－fos之后促使CRF大量產生、釋放并進入垂體門脈系統，引起垂體釋放ACTH，進而導致應激反應［12］。同樣的研究證實 8～10 Hz，110～135 dB 的次聲可使小鼠血中ACTH和血清中皮質醇的含量明顯增高，并且在波動次聲中ACTH的濃度較穩態次聲上升更明顯。

2．5 次聲對細胞信號傳導和活性物質的作用 大量研究表明，次聲作用可激活體內氧化系統，使自由基產生增多，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受體等物質出現不同程度的改變。8 Hz、90 dB次聲作用對大鼠海馬PKA表達及CREB磷酸化水平均有不同程度的影響，表明次聲對學習與記憶損害的機制可能與cAMP濃度增高后PKA激活至CRE依賴性轉錄這一分子鏈有關［13］。 實驗表明，16 Hz，90 dB和130 dB次聲作用可以引起大鼠海馬TRPV4、GFAP和fos陽性細胞表達增多，且能夠激活神經元和星形膠質細胞［14］。

2．6 次聲對神經系統功能及精神的影響 次聲通過機械刺激使中樞神經系統產生形態學損傷，必然也引起神經系統功能及精神的改變，影響工效。12．5～20．0 Hz、105．0～113．5 dB 次聲作用6 h，所有受試者均出現一些不適的主觀反應，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，難以完成簡單的數學運算，可出現視覺模糊，定向障礙，工效顯著下降等癥狀，產生精神和情緒的變化［15］。此外，次聲還可造成肌肉痙攣、震顫、肌力降低等運動功能障礙。國內實驗使用實驗艇在某海域進行次聲掃雷作業，作業人員出現疲憊、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、下丘腦等皮層下結構，出現間腦－下丘腦綜合征［17］。一般認為，90 dB為安全閾，154 dB的次聲造成的一系列神經系統癥狀基本達到人體的忍受極限，影響人的行為。

電生理檢查提示次聲能改變腦電活動，將新西蘭白兔分別暴露于頻率為16 Hz、130 dB的次聲場內20 min，采用EEG Holter記錄穿顱皮質腦電波的活動變化，發現實驗兔腦電慢波出現量明顯增多，頻率＜3 c／s，波幅在 150～250 μV 之間，提示次聲可引起動物腦電活動的抑制，抑制程度與聲強相關［18］。暴露于 6 Hz、110 dB 時腦電 α 波（8～12 Hz）轉為 θ波（4～7 Hz），較暴露于12 Hz及16 Hz時更為明顯。行為學實驗顯示次聲慢性作用后鼠的學習能力下降，表現為錯誤動作增多，水迷宮潛伏時間延長，建立條件反射所需訓練次數增多，且隨聲強增加，所需訓練次數也增多。另一方面，次聲也有宜于人體的功效，海浪拍擊可以產生10 Hz左右的次聲，能使人的精神振奮，因此推出假設，用類似人腦α節律（8～13 Hz）的適度人工次聲作用于人體，在不使人體正常節律失諧的限度內，可以使人保持精神飽滿狀態。

綜上所述，可見，次聲與物理學、環境學、軍事、臨床醫學等領域密不可分，目前研究表明，一定聲壓級水平的次聲作用可對生物體造成彌漫性危害，包括可恢復的功能性損害和不可恢復的器質性損害，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，但次聲聲壓級無疑是其作用效應的關鍵因素。次聲作用引起的中樞神經系統損傷可能具有一定的時限性，中樞神經系統對次聲損傷存在著一定的適應現象。

研究次聲的目的，一是減少其來源和加強防護，保護人類的生存環境和健康。現在，一個有超過40個次聲監測站組成的全球網絡已經建成，以確保全面禁止核試驗［19］；另一方面，開發次聲潛在的應用價值，如4 Hz、170 dB次聲空氣按摩方法可穩定進行性近視的發展［20］；麻醉中適度的次聲可產生中樞鎮靜效應，減少手術刺激所致不良反應；8～12 Hz、72～79 dB的次聲治療儀可以改變腫瘤細胞的通透性，聯用5－氟尿嘧啶后可增強對神經膠質瘤的殺傷力等［21］。隨著人們對其認知的加深，次聲已逐漸應用于地震預測、醫療、地質勘探等領域，軍事領域的次聲已應用于偵察探測和武器開發。探測目標和偵察敵情時，次聲具有隱蔽性好、不易被察覺的特點；而次聲武器則具有隱蔽打擊、遠距離傷敵、不易防護、不破壞設施等特點，削弱敵方戰斗力于無形。

關于次聲對中樞神經系統作用的研究正逐步深入，國內與此相關的研究成果也令人矚目，但由于試驗條件及試驗對象的不同，試驗結果存在一定差異，觀點不盡相同。隨著人們對次聲認識的提高和科技手段的進步，是可以達到有效防護、有效治療與和平開發利用的目的。

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