子科生物報(bào)道：

我們真的知道大腦是如何工作的嗎?

在過去的幾十年里，科學(xué)家們?cè)诶斫膺@個(gè)極其復(fù)雜的器官方面取得了巨大的進(jìn)步?？茖W(xué)家們現(xiàn)在對(duì)大腦的細(xì)胞神經(jīng)生物學(xué)有了很大的了解，對(duì)大腦的神經(jīng)連接以及構(gòu)成這些連接的成分也有了很多了解。盡管如此，許多重要的問題仍未得到解答，因此，大腦仍然是科學(xué)界最偉大、最誘人的謎團(tuán)之一。

也許這些問題中最惱人的一個(gè)是圍繞著我們對(duì)大腦作為一個(gè)系統(tǒng)的理解?？茖W(xué)家們對(duì)于大腦作為一個(gè)相互作用的組成部分的網(wǎng)絡(luò)是如何運(yùn)作的，關(guān)于所有的神經(jīng)組成部分是如何合作的，特別是關(guān)于信息是如何在這個(gè)復(fù)雜的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)之間處理的，在很大程度上仍然一無所知。

然而，現(xiàn)在，普林斯頓大學(xué)的一個(gè)神經(jīng)科學(xué)家和物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)正在通過研究一種非常小但無處不在的線蟲——秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans)的大腦，幫助闡明信息是如何在大腦中流動(dòng)的。最近一期的《自然》雜志記錄了實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)。該團(tuán)隊(duì)由弗朗西斯科·蘭迪、索菲·德瓦利和阿努吉·夏爾馬組成，由神經(jīng)科學(xué)家和物理學(xué)家安德魯·萊弗領(lǐng)導(dǎo)。

“大腦是令人興奮和神秘的，”萊弗說?！拔覀兊膱F(tuán)隊(duì)對(duì)神經(jīng)元如何處理信息并產(chǎn)生動(dòng)作的問題很感興趣?！?/p>

萊弗補(bǔ)充說，對(duì)這個(gè)問題的興趣具有廣泛的含義。理解神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的工作原理是生物物理學(xué)中更廣泛的一類問題的一個(gè)具體例子，即，集體現(xiàn)象是如何從相互作用的細(xì)胞和分子網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的。這一研究領(lǐng)域?qū)υS多與生物物理學(xué)相關(guān)的主題以及當(dāng)代尖端技術(shù)(如人工智能)都有影響。

要回答信息是如何通過相互作用的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)處理的問題，第一步需要研究團(tuán)隊(duì)找到一種可以在實(shí)驗(yàn)室中輕松操作的合適生物體。這原來是秀麗隱桿線蟲，一種未分節(jié)的、非寄生的線蟲或蛔蟲，被科學(xué)家研究了幾十年，被認(rèn)為是一種“遺傳模式生物”。模式生物通常用于實(shí)驗(yàn)室，以幫助科學(xué)家了解生物過程，因?yàn)樗麄兊慕馄式Y(jié)構(gòu)，遺傳學(xué)和行為是很好的理解。

這種線蟲長(zhǎng)約一毫米，在許多細(xì)菌豐富的環(huán)境中都能找到。與目前的研究特別相關(guān)的是，這種生物的神經(jīng)系統(tǒng)在整個(gè)身體中只有302個(gè)神經(jīng)元，其中188個(gè)位于大腦中。

“相比之下，人類的大腦有數(shù)千億的神經(jīng)元，”萊弗說。“所以，研究這些線蟲要簡(jiǎn)單得多。事實(shí)上，這些線蟲非常適合做實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樗鼈冊(cè)诤?jiǎn)單和復(fù)雜之間取得了恰到好處的平衡?！?/p>

萊弗補(bǔ)充說，重要的是，秀麗隱桿線蟲是第一個(gè)大腦線路被完全“繪制”出來的生物。這意味著科學(xué)家們已經(jīng)編制了一份關(guān)于所有神經(jīng)元和突觸(神經(jīng)元物理連接和與其他神經(jīng)元交流的地方)的綜合圖表或“地圖”。用神經(jīng)科學(xué)的說法，這一領(lǐng)域的研究被稱為“連接組學(xué)”，生物體大腦中神經(jīng)連接的綜合圖被稱為“連接組”。連接組學(xué)的主要目標(biāo)之一是找出負(fù)責(zé)特定行為的特定神經(jīng)連接。

在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中使用秀麗隱桿線蟲的另一個(gè)好處是，這種線蟲是透明的，而且在某些情況下，它的組織已經(jīng)經(jīng)過基因工程改造，對(duì)光線敏感。這一研究領(lǐng)域被稱為“光遺傳學(xué)”，它已經(jīng)徹底改變了生物神經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的許多方面。與傳統(tǒng)的使用電極將電流傳遞到神經(jīng)元從而刺激反應(yīng)的系統(tǒng)不同，光遺傳學(xué)技術(shù)涉及使用來自某些生物體的光敏蛋白，并將這些細(xì)胞植入另一個(gè)生物體中，這樣研究人員就可以使用光信號(hào)控制生物體的行為或反應(yīng)。類似地，其他蛋白質(zhì)也可以用來點(diǎn)亮并報(bào)告一個(gè)神經(jīng)元向另一個(gè)神經(jīng)元發(fā)出信號(hào)。這對(duì)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)來說意味著兩件重要的事情:生物體會(huì)對(duì)光的存在做出反應(yīng);一個(gè)神經(jīng)元一旦接收到來自另一個(gè)神經(jīng)元的信號(hào)，就會(huì)“發(fā)光”。這使得研究人員可以直觀地研究神經(jīng)元之間的相互作用。

萊弗說:“這個(gè)工具真正強(qiáng)大的地方在于，你可以打開神經(jīng)元，并實(shí)時(shí)觀察它們發(fā)出的信號(hào)?！薄皬谋举|(zhì)上講，我們可以將測(cè)量和操縱神經(jīng)活動(dòng)的問題轉(zhuǎn)化為在正確的時(shí)間收集和傳遞正確的光到正確的地方?！?/p>

這些光學(xué)工具讓萊弗的團(tuán)隊(duì)開始了艱苦的任務(wù)，了解信息是如何在線蟲的大腦中流動(dòng)的。目的是了解信號(hào)如何直接流經(jīng)線蟲的整個(gè)大腦，因此必須測(cè)量每個(gè)神經(jīng)元。這包括一次分離一個(gè)神經(jīng)元，用光照射它，使它被“激活”，然后觀察其他神經(jīng)元的反應(yīng)。

萊弗說:“在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們一次檢查一個(gè)神經(jīng)元，激活或干擾每個(gè)神經(jīng)元，然后觀察整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的反應(yīng)。”“通過這種方式，我們能夠繪制出信號(hào)如何在網(wǎng)絡(luò)中流動(dòng)?！?/p>

萊弗補(bǔ)充說:“這是一種以前從未在整個(gè)大腦的規(guī)模上做過的方法?！?/p>

萊弗和他的團(tuán)隊(duì)通過測(cè)量超過23,000對(duì)神經(jīng)元及其反應(yīng)，總共進(jìn)行了近10,000次刺激事件，這項(xiàng)任務(wù)從構(gòu)思到完成花了七年時(shí)間。

萊弗和他的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的這項(xiàng)研究是迄今為止對(duì)信號(hào)如何流經(jīng)大腦的最全面的描述。對(duì)于研究秀麗隱桿線蟲的科學(xué)家來說，研究人員提供了大量關(guān)于特定信號(hào)如何在線蟲大腦中工作的信息，希望這項(xiàng)研究將提供大量有助于推進(jìn)基礎(chǔ)研究的新信息。

一個(gè)同樣重要的發(fā)現(xiàn)是，萊弗和他的團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)過程中所做的一些經(jīng)驗(yàn)觀察，往往與基于線蟲連接體圖推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)模型對(duì)線蟲行為的預(yù)測(cè)相矛盾。

“我們得出的結(jié)論是，在許多情況下，你無法從接線圖上看到的許多分子細(xì)節(jié)實(shí)際上對(duì)預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該如何反應(yīng)非常重要，”萊弗說。

研究人員認(rèn)為，有一種形式的信號(hào)——“你看不見的分子細(xì)節(jié)”的一部分——不會(huì)沿著神經(jīng)線傳遞。萊弗和他的團(tuán)隊(duì)將這些描述為“無線信號(hào)”。盡管無線信號(hào)在神經(jīng)科學(xué)家中廣為人知，但在研究神經(jīng)動(dòng)力學(xué)方面，它在很大程度上被低估了，因?yàn)樗ǔ１徽J(rèn)為是一個(gè)非常緩慢的過程。無線信號(hào)是一種信號(hào)形式，神經(jīng)元通過這種方式向神經(jīng)元之間的細(xì)胞外空間或“細(xì)胞外環(huán)境”釋放被稱為神經(jīng)肽的分子。這些化學(xué)物質(zhì)擴(kuò)散并結(jié)合到其他神經(jīng)元上，即使它們之間沒有物理聯(lián)系。

最后，研究人員認(rèn)為，他們的工作的一個(gè)重要影響是，它允許其他研究這種現(xiàn)象和類似現(xiàn)象的神經(jīng)科學(xué)家開發(fā)更好的模型來理解大腦作為一個(gè)系統(tǒng)。

萊弗說:“通過我們的研究，我們提供了缺失的一塊非常重要的拼圖?！?/p>