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人腦有1000億個(gè)神經(jīng)元并形成了100萬億個(gè)連接。了解協(xié)調(diào)我們所有日常行為的腦細(xì)胞的精確電路--如移動(dòng)我們的四肢、對(duì)恐懼和其他情緒做出反應(yīng)，等等--對(duì)神經(jīng)科學(xué)家來說是一個(gè)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(jiǎn)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(bǔ)Clytia hemisphaerica的遺傳工具箱，這是一種完全生長(zhǎng)時(shí)直徑約為1厘米的水母。通過利用這個(gè)工具箱，研究人員將這些微小的生物進(jìn)行了基因改造，從而使它們的神經(jīng)元在激活時(shí)單獨(dú)發(fā)出熒光。由于水母是透明的，所以研究人員可以觀察動(dòng)物的神經(jīng)活動(dòng)的光芒。也就是說，研究小組可以在水母進(jìn)食、游泳、躲避捕食者等過程中讀懂它的思想，進(jìn)而了解動(dòng)物相對(duì)簡(jiǎn)單的大腦如何協(xié)調(diào)其行為。
據(jù)悉 ，該項(xiàng)研究的論文已于2021年11月24日發(fā)表在《Cell》上。
說到實(shí)驗(yàn)室中使用的模型生物，水母是一個(gè)極端的異類。蠕蟲、蒼蠅、魚和老鼠--一些最常用的實(shí)驗(yàn)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(shí)上，蠕蟲在進(jìn)化上比它們跟水母更接近人類。
“水母是一個(gè)重要的比較點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兊年P(guān)系如此遙遠(yuǎn)，”這項(xiàng)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(tái)。這是因?yàn)橛畜@人的新工具可以利用光線對(duì)神經(jīng)活動(dòng)進(jìn)行成像和操縱，你可以把整個(gè)活水母放在顯微鏡下，一次就能看到整個(gè)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(gè)部位，而是像一張網(wǎng)一樣散布在動(dòng)物的整個(gè)身體上。水母的各個(gè)身體部分可以在沒有集中控制的情況下，看似自主地運(yùn)作。比如像通過手術(shù)切除的水母嘴，即使沒有動(dòng)物身體的其他部分，其仍也可以繼續(xù)“進(jìn)食”。
這種分散的身體計(jì)劃似乎是一種非常成功的進(jìn)化策略，因?yàn)樗冈谡麄€(gè)動(dòng)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(dòng)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(shí)，它會(huì)折疊身體，以便將觸手帶到它的嘴邊，同時(shí)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(dòng)物的神經(jīng)元在進(jìn)食時(shí)發(fā)生的發(fā)光連鎖反應(yīng)，研究小組確定，一個(gè)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(fù)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(shí)驗(yàn)顯示，支撐圓形水母?jìng)愕目此品稚⒌纳窠?jīng)元網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上被細(xì)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(shí)，離該觸手最近的‘披薩片’中的神經(jīng)元會(huì)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(qiáng)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(gè)可操作的平臺(tái)以精確地了解行為是如何由整個(gè)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(biāo)不僅是了解水母的神經(jīng)系統(tǒng)，而且還要把它作為一個(gè)跳板在未來了解更復(fù)雜的系統(tǒng)。”
這個(gè)新模型系統(tǒng)對(duì)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(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的人工海水中維持并被運(yùn)送給那些有興趣使用這種小動(dòng)物回答問題的合作者手上。
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