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杭榮
人腦有1000億個神經(jīng)元并形成了100萬億個連接。了解協(xié)調(diào)我們所有日常行為的腦細胞的精確電路--如移動我們的四肢、對恐懼和其他情緒做出反應(yīng)，等等--對神經(jīng)科學(xué)家來說是一個極度復(fù)雜的難題。但現(xiàn)在，關(guān)于行為的神經(jīng)科學(xué)的基本問題可能通過一種新的和更簡單的模型生物來回答：小水母。
加州理工學(xué)院的研究人員現(xiàn)已經(jīng)開發(fā)出一種專門用于修補Clytia hemisphaerica的遺傳工具箱，這是一種完全生長時直徑約為1厘米的水母。通過利用這個工具箱，研究人員將這些微小的生物進行了基因改造，從而使它們的神經(jīng)元在激活時單獨發(fā)出熒光。由于水母是透明的，所以研究人員可以觀察動物的神經(jīng)活動的光芒。也就是說，研究小組可以在水母進食、游泳、躲避捕食者等過程中讀懂它的思想，進而了解動物相對簡單的大腦如何協(xié)調(diào)其行為。
據(jù)悉 ，該項研究的論文已于2021年11月24日發(fā)表在《Cell》上。
說到實驗室中使用的模型生物，水母是一個極端的異類。蠕蟲、蒼蠅、魚和老鼠--一些最常用的實驗室模型生物--從遺傳學(xué)上講，它們彼此之間的關(guān)系都比水母更密切。事實上，蠕蟲在進化上比它們跟水母更接近人類。
“水母是一個重要的比較點，因為它們的關(guān)系如此遙遠，”這項研究的論文第一作者、博士后學(xué)者Brady Weissbourd指出，“它們讓我們提出這樣的問題：是否存在所有神經(jīng)系統(tǒng)共享的神經(jīng)科學(xué)原理？或者，第一批神經(jīng)系統(tǒng)可能是什么樣子的？通過更廣泛地探索自然，我們也可能發(fā)現(xiàn)有用的生物創(chuàng)新。重要的是，許多水母是小而透明的，這使得它們成為系統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)的令人興奮的平臺。這是因為有驚人的新工具可以利用光線對神經(jīng)活動進行成像和操縱，你可以把整個活水母放在顯微鏡下，一次就能看到整個神經(jīng)系統(tǒng)。”
水母的大腦不像我們自己的大腦那樣集中在身體的某個部位，而是像一張網(wǎng)一樣散布在動物的整個身體上。水母的各個身體部分可以在沒有集中控制的情況下，看似自主地運作。比如像通過手術(shù)切除的水母嘴，即使沒有動物身體的其他部分，其仍也可以繼續(xù)“進食”。
這種分散的身體計劃似乎是一種非常成功的進化策略，因為水母在整個動物界已經(jīng)持續(xù)了數(shù)億年。但分散的水母神經(jīng)系統(tǒng)是如何協(xié)調(diào)和安排行為的呢？
在開發(fā)出跟Clytia一起工作的遺傳工具后，研究人員首先檢查了這種動物的攝食行為所依據(jù)的神經(jīng)回路。當(dāng)Clytia用觸手抓住一只鹵水蝦時，它會折疊身體，以便將觸手帶到它的嘴邊，同時將它的嘴向觸手彎曲。而水母的大腦顯然是非結(jié)構(gòu)化和徑向?qū)ΨQ的，那么它hi如何協(xié)調(diào)水母身體的這種定向折疊呢？
通過檢查動物的神經(jīng)元在進食時發(fā)生的發(fā)光連鎖反應(yīng)，研究小組確定，一個產(chǎn)生特定神經(jīng)肽(一種由神經(jīng)元產(chǎn)生的分子)的神經(jīng)元子網(wǎng)絡(luò)負責(zé)空間定位的身體向內(nèi)折疊。此外，盡管水母的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)最初似乎是分散的和無結(jié)構(gòu)的，但研究人員發(fā)現(xiàn)了一種令人驚訝的組織程度，只有在它們的熒光系統(tǒng)中才能看到。
“我們的實驗顯示，支撐圓形水母傘的看似分散的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)實際上被細分為成片的活躍神經(jīng)元像比薩餅的切片一樣被組織成楔形，”Anderson解釋道，“當(dāng)水母用觸手抓住一只鹽水蝦時，離該觸手最近的‘披薩片’中的神經(jīng)元會首先激活，這反過來又導(dǎo)致傘的那一部分向內(nèi)折疊，然后把蝦帶到嘴邊。重要的是，如果你看水母的解剖結(jié)構(gòu)，即使用顯微鏡，也完全看不到這一層次的神經(jīng)組織。你必須能將活躍的神經(jīng)元可視化才能看到它--這正是我們的新系統(tǒng)所能做到的。”
Weissbourd強調(diào)稱，這只是了解水母行為的全部劇目的表面。“在未來的工作中，我們想把這種水母作為一個可操作的平臺以精確地了解行為是如何由整個神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生的。在食物傳遞的背景下，了解觸手、傘和嘴都是如何相互協(xié)調(diào)的，讓我們能了解到神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)模塊化功能的更普遍問題以及這些模塊如何相互協(xié)調(diào)。最終的目標不僅是了解水母的神經(jīng)系統(tǒng)，而且還要把它作為一個跳板在未來了解更復(fù)雜的系統(tǒng)。”
這個新模型系統(tǒng)對于任何地方的研究人員來說都是直接使用的。水母的品系可以在實驗室環(huán)境中的人工海水中維持并被運送給那些有興趣使用這種小動物回答問題的合作者手上。
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