次声对中枢神经系统作用机制的研究进展

李志刚

随着现代科学技术的发展进步，一些新概念逐渐应用到军事领域并开发出新型的武器装备，其中就包括次声武器。次声对中枢神经系统的作用目前虽然还不十分清楚，但已经取得了很多的研究成果，特别是近年来国内的相关研究处于世界先进水平。现将次声对中枢神经系统作用机制的研究进展综述如下。

1 关于次声的概述

次声是由各种物体振动产生的频率为10－4～20 Hz的弹性波，广泛存在于自然界和人类社会中，由于其频率为听阈下频率，因此具有与可听声、超声不同的一些物理特性。其一是次声在空气中的传播距离较远。声波是通过各种介质的分子做稀疏或紧密的交替波向四周扩散传播，而声波在介质中传播时吸收率的大小与其频率平方成正比。次声波的频率低，在传播过程中很少被介质吸收，大气衰减程度低，加上大气声波的传导作用，故在空气中传播较远，可达数千公里。其二是次声具有很强的穿透力。次声传播速度与可听声一样，但次声波的波长较长，具有很强的穿透空气、液体及固体介质的特性，如车船体以及坚固的钢筋混凝土构件等，还能够绕射，因此通常的隔吸音材料难以屏蔽。

次声无时无刻地广泛存在于人类生存的环境中，根据其起源可分为自然的和人工的两类。例如刮大风时高层楼房振动可以产生频率为1～10 Hz的次声；海浪的拍击可产生8～13 Hz的次声；地震、火山喷发时也可产生次声；海洋中的鱼类还能利用次声进行定位和迁徙。而人工次声主要产生于生产和交通环境中，在冶金生产、机器制造、建筑、交通运输、筑路等行业的生产环境中均有次声存在。随着社会各种环境保护措施的实施，噪声中可听声的比重在逐渐下降，而次声的比重逐渐上升，已成为噪声污染的重要组成部分，危害较大。Pawlaczyk［1］在对124种工业机械产生的次声调查中发现，占96%的工人暴露在超标的次声工作环境中，经常存在的较强次声已经成为公害。在军事领域，一些国家发现次声的军事应用价值，利用其特性研发出次声枪和次声弹，其中的神经型次声武器主要影响中枢神经系统，成为攻人于不备和伤人于无形的新概念武器，值得警惕。

次声的本质与可听声、超声没有不同，但由于其频率低，人的听觉一般听不到次声。有报道认为只要次声声压级达到一定强度，由于在中耳、内耳失真造成综合谐波，人耳是可以听到次声的，次声的听觉阈较可听声高，1 Hz时听阈高达140 dB。也有观点认为1～20 Hz的次声在强度达到一定程度时，可被感觉到而不能听到［2］。作为生物体，人体的各个器官存在有固有频率，分布在0．01～20 Hz，也有人认为是3～17 Hz，虽有差异但均在次声范围内，中枢神经系统的固有频率为 8～12 Hz。

次声对生物体的作用机制是生物共振方式，因此能普遍地作用于生物体的各器官和组织，产生广泛的生物学效应。次声对中枢神经系统的作用机制具有特殊性，主要表现为两个方面：一是当一定强度的次声作用时，其声压级达到一定强度且与中枢神经系统的自身频率接近或符合时就会产生激发作用，引起生物共振反应。生物体吸收次声的能量，其机械能转化为热能、生物化学能和生物电能，直接作用于中枢神经系统。二是它能同时刺激躯体本体感受器和内脏感受器，刺激信号传递到中枢神经系统，引起一系列功能和形态的改变，最终影响细胞分子结构、生物氧化和能量代谢过程。所以，次声的生物学效应广泛而复杂，在中高强度次声引起的各脏器损伤中，最为敏感和最为首要的是中枢神经系统的损害，包括直接作用和间接作用，波及多层次结构。

2 次声对中枢神经系统的作用

2．1 次声对神经细胞的作用 神经细胞是构建神经系统的基本单元。次声对神经细胞结构和功能的原发性损伤占有重要位置，一定声压级水平及参数的次声作用能够造成神经细胞的即刻性损伤和迟发性损伤，或触发细胞凋亡，其机制复杂，包括细胞膜、细胞器及细胞核功能和结构变化，如膜酶的抑制或活化、细胞的膜性结构通透性增加、线粒体肿胀、胞浆内脂褐素增加、髓鞘变性及核膜结构受损等。频率为8 Hz、130 dB次声作用可致海马细胞膜通透性改变和细胞内钙离子浓度增高或超载，可能与电压门控式钙离子通道开放或受体敏感性钙离子通道如NMDA受体或mGluR过度激活有关。激活Ca2＋／钙调蛋白依赖性蛋白激酶，受其调节的磷脂酶、蛋白酶、核酸内切酶等被激活，导致磷脂分解，细胞骨架破坏［3］。形态上可出现神经元细胞体积缩小，胞质电子密度增大，胞核核膜模糊，胞质内可见脂褐素颗粒、线粒体肿胀，髓鞘板层变薄，神经纤维轴索内的神经微管排列紊乱等改变［4］。次声作用的效应与作用时间和声压级水平存在明显的量效和时效规律性，轻度损伤具有可逆性，从超微结构观察，损伤以膜性结构破坏、非特异性炎性反应和水肿等病理改变为主，严重时能诱导细胞凋亡，对促凋亡基因具有显著上调作用或对抑凋亡基因具有显著下调作用，较高声强次声引起脑细胞的致死性倾向更明显［4，5］。

2．2 次声对中枢神经系统空间结构的作用 次声广泛作用于中枢神经系统，同时又表现出特异性。在观察次声对鼠大脑皮质结构的影响时，电镜下发现8 Hz、120 dB次声作用时，脑皮质3、4层神经元结构变化最明显，淡染细胞增多，核形态改变，神经纤维树突、轴突变形，血管扩张且周围水肿。次声作用2 h后，在实验中观察到在海马、皮质、扣带回、中央灰质和下丘脑室旁核等脑区的损伤表达明显多于其他区域，海马区等出现坏死前样改变，可能是这些区域对次声作用较为敏感。而在外侧膝状体、束旁核、乳头体等少量区域则未发现明显的改变。以上研究提示，次声对中枢神经系统的损害在一定程度上是具有区域选择性的［6］。次声对血脑屏障损伤的研究表明，8 Hz、120 dB的次声作用一段时间后，大鼠脑组织中血脑屏障紧密连接开放，血管基膜外以至组织间隙内存在硝酸镧颗粒，证实次声可造成血脑屏障通透性改变，进而引起血管源性脑水肿，血脑屏障损害也是次声脑损害的关键机制之一［7］。当声强为140 dB时，无论作用时间长短，均可见软脑膜充血，蛛网膜下腔出血，皮质点状出血。

2．3 次声对听觉系统的作用 相关研究证实，次声能直接作用于耳蜗核、内侧膝状体核、下丘、上橄榄复合体等，细胞出现组织形态学和超微结构的变化，影响神经功能。频率12 Hz、声压级125 dB的作用可出现听阈明显升高，潜伏期也明显延长，听神经动作电位阈值发生暂时性位移（TTS），TTS的改变在10～30 dB，过久过强的次声暴露可致永久性耳聋［8］。 用 8 Hz、120～140 dB 的次声作用于大鼠，发现听皮层组织学和超微结构的改变，其效应与声压级和作用时间呈正相关。但也有实验以10～15 Hz、130～135 dB的次声作用于受试者30 min，未观察到听力的改变。前庭系统对次声具有非常高的敏感度，对低频振动的敏感度超过耳蜗［9］。由于次声对于听觉器官为非适宜刺激因子，且相同的声压级可听声主要引起外周听觉系统的改变，因此认为次声不是通过听觉器官，而是通过机械作用直接影响听觉神经系统，感知次声的存在［10］，提示次声对听觉系统损伤的机制不仅通过耳部传音结构，其机械性损伤机制更为主要。

2．4 次声对神经内分泌的作用 次声作为一种刺激因素，可诱发机体垂体－肾上腺皮质分泌系统活性的改变，引起机体非特异性生理综合征，称为应激反应。下丘脑是神经内分泌的高级整合中枢，对保持机体内环境稳定具有十分重要的作用。次声作用后下丘脑室旁核等脑区的表达明显多于其他区域，可能是这些区域对次声作用较为敏感。脑室旁核小细胞分泌的促肾上腺皮质激素释放因子（CRF）最具特征性，CRF可诱发一系列相应的生理和行为反应［11］。原癌基因cfos与CRF在应激反应的启动和维持过程中有着相互激活、相互促进的作用，8 Hz、120 dB次声作用后 c－fos与CRF明显表达并随时间逐渐增强，表明次声引起应激反应的中枢机制可能是次声首先激活c－fos之后促使CRF大量产生、释放并进入垂体门脉系统，引起垂体释放ACTH，进而导致应激反应［12］。同样的研究证实 8～10 Hz，110～135 dB 的次声可使小鼠血中ACTH和血清中皮质醇的含量明显增高，并且在波动次声中ACTH的浓度较稳态次声上升更明显。

2．5 次声对细胞信号传导和活性物质的作用 大量研究表明，次声作用可激活体内氧化系统，使自由基产生增多，脑组织中胆碱酯酶活力增加，琥珀酸脱氢酶活力下降，谷氨酸及谷氨酸受体、 热休克蛋白、NO、TXA2、PGI2、p53、Bcl－2、 白介素－6、5－羟色胺（5－HT）、丙二醛（MDA）、谷胱甘肽过氧化物酶（GSH－Px）、单胺氧化酶、Ryanodine受体等物质出现不同程度的改变。8 Hz、90 dB次声作用对大鼠海马PKA表达及CREB磷酸化水平均有不同程度的影响，表明次声对学习与记忆损害的机制可能与cAMP浓度增高后PKA激活至CRE依赖性转录这一分子链有关［13］。 实验表明，16 Hz，90 dB和130 dB次声作用可以引起大鼠海马TRPV4、GFAP和fos阳性细胞表达增多，且能够激活神经元和星形胶质细胞［14］。

2．6 次声对神经系统功能及精神的影响 次声通过机械刺激使中枢神经系统产生形态学损伤，必然也引起神经系统功能及精神的改变，影响工效。12．5～20．0 Hz、105．0～113．5 dB 次声作用6 h，所有受试者均出现一些不适的主观反应，67．8%的人员感到焦躁不安，突出症状包括中耳堵塞或压迫感、头痛、眩晕、恐惧感、胸闷、心悸、精神紧张出冷汗、疲劳等，难以完成简单的数学运算，可出现视觉模糊，定向障碍，工效显著下降等症状，产生精神和情绪的变化［15］。此外，次声还可造成肌肉痉挛、震颤、肌力降低等运动功能障碍。国内实验使用实验艇在某海域进行次声扫雷作业，作业人员出现疲惫、惰性、情感改变，记忆力受到明显伤害［16］。次声还可损害脑的边缘系统、下丘脑等皮层下结构，出现间脑－下丘脑综合征［17］。一般认为，90 dB为安全阈，154 dB的次声造成的一系列神经系统症状基本达到人体的忍受极限，影响人的行为。

电生理检查提示次声能改变脑电活动，将新西兰白兔分别暴露于频率为16 Hz、130 dB的次声场内20 min，采用EEG Holter记录穿颅皮质脑电波的活动变化，发现实验兔脑电慢波出现量明显增多，频率＜3 c／s，波幅在 150～250 μV 之间，提示次声可引起动物脑电活动的抑制，抑制程度与声强相关［18］。暴露于 6 Hz、110 dB 时脑电 α 波（8～12 Hz）转为 θ波（4～7 Hz），较暴露于12 Hz及16 Hz时更为明显。行为学实验显示次声慢性作用后鼠的学习能力下降，表现为错误动作增多，水迷宫潜伏时间延长，建立条件反射所需训练次数增多，且随声强增加，所需训练次数也增多。另一方面，次声也有宜于人体的功效，海浪拍击可以产生10 Hz左右的次声，能使人的精神振奋，因此推出假设，用类似人脑α节律（8～13 Hz）的适度人工次声作用于人体，在不使人体正常节律失谐的限度内，可以使人保持精神饱满状态。

综上所述，可见，次声与物理学、环境学、军事、临床医学等领域密不可分，目前研究表明，一定声压级水平的次声作用可对生物体造成弥漫性危害，包括可恢复的功能性损害和不可恢复的器质性损害，轻重不等，在某些条件作用下甚至是致命性的。次声的急性作用和慢性作用虽有一定差别，但次声声压级无疑是其作用效应的关键因素。次声作用引起的中枢神经系统损伤可能具有一定的时限性，中枢神经系统对次声损伤存在着一定的适应现象。

研究次声的目的，一是减少其来源和加强防护，保护人类的生存环境和健康。现在，一个有超过40个次声监测站组成的全球网络已经建成，以确保全面禁止核试验［19］；另一方面，开发次声潜在的应用价值，如4 Hz、170 dB次声空气按摩方法可稳定进行性近视的发展［20］；麻醉中适度的次声可产生中枢镇静效应，减少手术刺激所致不良反应；8～12 Hz、72～79 dB的次声治疗仪可以改变肿瘤细胞的通透性，联用5－氟尿嘧啶后可增强对神经胶质瘤的杀伤力等［21］。随着人们对其认知的加深，次声已逐渐应用于地震预测、医疗、地质勘探等领域，军事领域的次声已应用于侦察探测和武器开发。探测目标和侦察敌情时，次声具有隐蔽性好、不易被察觉的特点；而次声武器则具有隐蔽打击、远距离伤敌、不易防护、不破坏设施等特点，削弱敌方战斗力于无形。

关于次声对中枢神经系统作用的研究正逐步深入，国内与此相关的研究成果也令人瞩目，但由于试验条件及试验对象的不同，试验结果存在一定差异，观点不尽相同。随着人们对次声认识的提高和科技手段的进步，是可以达到有效防护、有效治疗与和平开发利用的目的。

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