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)雜運作方面取得了重大進展。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，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。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、最誘人的謎團之一。

也許這些問題中最惱人的一個是圍繞著我們對大腦作為一個系統(tǒng)的理解。科學(xué)家們對于大腦作為一個相互作用的組成部分的網(wǎng)絡(luò)是如何運作的，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)的一個神經(jīng)科學(xué)家和物理學(xué)家團隊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的。最近一期的《Nature》雜志記錄了實驗的細(xì)節(jié)。該團隊由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和他的團隊找到一種可以在實驗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驗室，以幫助科學(xué)家了解生物過程，因為他們的解剖結(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)信號傳播圖譜

Leifer和他的團隊通過測量超過23,000對神經(jīng)元及其反應(yīng)，總共進行了近10,000次刺激事件，這項任務(wù)從構(gòu)思到完成花了七年時間。

挑戰(zhàn)既定模式，引入新見解

Leifer和他的團隊進行的這項研究是迄今為止對信號如何流經(jīng)大腦的最(空格)全面的描述。對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)于特定信號如何在線蟲大腦中工作的信息，希望這項研究將提供大量有助于推進基礎(chǔ)研究的新信息。

一個同樣重要的發(fā)現(xiàn)是，Leifer和他的團隊在實驗過程中所做的一些經(jīng)驗觀察，往往與基于線蟲連接體圖推導(dǎo)出的數(shù)學(xué)模型對線蟲行為的預(yù)測相矛盾。

“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)實際上對預(yù)測網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該如何反應(yīng)非常重要，"Leifer說。

圖2 測量神經(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——“你看不見的分子細(xì)節(jié)"的一部分——不會沿著神經(jīng)線傳遞。Leifer和他的團隊將這些描述為“無線信號"。盡管無線信號在神經(jīng)科學(xué)家中廣為人知，但在研究神經(jīng)動力學(xué)方面，它在很大程度上被低估了，因為它通常被認(rèn)為是一個非常緩慢的過程。無線信號是一種信號形式，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.