子科生物報道：

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)家們在理解這個極其復(fù)雜的器官方面取得了巨大的進步?？茖W(xué)家們現(xiàn)在對大腦的細胞神經(jīng)生物學(xué)有了很大的了解，對大腦的神經(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?？茖W(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。

然而，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的。最近一期的《自然》雜志記錄了實驗的細節(jié)。該團隊由弗朗西斯科·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隊對神經(jīng)元如何處理信息并產(chǎn)生動作的問題很感興趣?！?/p>

萊弗補充說，對這個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具體例子，即，集體現(xiàn)象是如何從相互作用的細胞和分子網(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、非寄生的線蟲或蛔蟲，被科學(xué)家研究了幾十年，被認為是一種“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。

這種線蟲長約一毫米，在許多細菌豐富的環(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)在整個身體中只有302個神經(jīng)元，其中188個位于大腦中。

“相比之下，人類的大腦有數(shù)千億的神經(jīng)元，”萊弗說。“所以，研究這些線蟲要簡單得多。事實上，這些線蟲非常適合做實驗，因為它們在簡單和復(fù)雜之間取得了恰到好處的平衡。”

萊弗補充說，重要的是，秀麗隱桿線蟲是第一個大腦線路被完全“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)的主要目標之一是找出負責特定行為的特定神經(jīng)連接。

在實驗室實驗中使用秀麗隱桿線蟲的另一個好處是，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)實驗的許多方面。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，并將這些細胞植入另一個生物體中，這樣研究人員就可以使用光信號控制生物體的行為或反應(yīng)。類似地，其他蛋白質(zhì)也可以用來點亮并報告一個神經(jīng)元向另一個神經(jīng)元發(fā)出信號。這對實驗室實驗來說意味著兩件重要的事情:生物體會對光的存在做出反應(yīng);一個神經(jīng)元一旦接收到來自另一個神經(jīng)元的信號，就會“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:“這個工具真正強大的地方在于，你可以打開神經(jīng)元，并實時觀察它們發(fā)出的信號?！薄皬谋举|(zhì)上講，我們可以將測量和操縱神經(jīng)活動的問題轉(zhuǎn)化為在正確的時間收集和傳遞正確的光到正確的地方?！?/p>

這些光學(xué)工具讓萊弗的團隊開始了艱苦的任務(wù)，了解信息是如何在線蟲的大腦中流動的。目的是了解信號如何直接流經(jīng)線蟲的整個大腦，因此必須測量每個神經(jīng)元。這包括一次分離一個神經(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:“在這個實驗中，我們一次檢查一個神經(jīng)元，激活或干擾每個神經(jīng)元，然后觀察整個網(wǎng)絡(luò)的反應(yīng)?！薄巴ㄟ^這種方式，我們能夠繪制出信號如何在網(wǎng)絡(luò)中流動?！?/p>

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

萊弗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。

萊弗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，萊弗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，”萊弗說。

研究人員認為，有一種形式的信號——“你看不見的分子細節(jié)”的一部分——不會沿著神經(jīng)線傳遞。萊弗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)元之間的細胞外空間或“細胞外環(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)。

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>