Nature：科學(xué)家們利用線蟲在理解大腦功能方面取得了重大突破

摘要：科學(xué)家們利用線蟲在理解大腦功能方面取得了重大突破。該研究采用光遺傳學(xué)和連接組學(xué)，為神經(jīng)通信提供了新的見解。

我們真的知道大腦是如何工作的嗎?

近幾十年來，在理解大腦的復(fù)雜運(yùn)作方面取得了重大進(jìn)展。研究人員已經(jīng)獲得了關(guān)于大腦細(xì)胞神經(jīng)生物學(xué)的廣泛知識(shí)，并發(fā)現(xiàn)了許多關(guān)于大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和構(gòu)成這些連接的元素的知識(shí)。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。科學(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。

一種簡(jiǎn)單生物的革命性研究:秀麗隱桿線蟲

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蠕蟲——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《Nature》雜志記錄了實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)。該團(tuán)隊(duì)由Francesco Randi、Sophie Dvali、Anuj Sharma和Andrew Leifer組成。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Leifer和他的團(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，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。

圖1 秀麗隱桿線蟲的神經(jīng)信號(hào)傳播圖譜

Leifer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。

挑戰(zhàn)既定模式，引入新見解

Leifer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(空格)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，Leifer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，"Leifer說。

圖2 測(cè)量神經(jīng)觸發(fā)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)

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。Leifer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)。

Leifer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。"

參考資料

[1] Neural signal propagation atlas of Caenorhabditis elegans, 32 October 2023, Nature.