水母一思考，脑袋就放光！加州理工用「神经元荧光成像」改造水母基因，登Cell顶刊

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  新智元报道  

编辑：小咸鱼

【新智元导读】加州理工学院的研究人员开发了一种基因工具箱，可以对水母进行基因改造。这样当它们的神经元被激活时会单独发出荧光。研究人员可以在水母进食、游泳等过程中读取其大脑，以了解水母相对简单的大脑是如何协调其行为的。这项新研究的论文发表在11月24日的《Cell》杂志上。

人脑有1000亿个神经元，这1000亿个神经元之间又形成100万亿个连接。

 

对神经科学家来说，理解大脑细胞精确的回路是一个极其复杂的难题，这些回路协调着人们日常所有的行为，比如，移动四肢、对恐惧和其他情绪做出反应等等。

 

 

但是现在，关于行为神经科学的基本问题可以通过观察一种新的更简单的生物来得到答案：这种生物就是微小的水母。

 

加州理工学院的研究人员已经开发了一种基因工具箱，专门用来修补半球形水母，这种水母完全长大后直径约为1厘米。

 

 

使用这个工具包，就可以对这些微小的生物进行基因改造，这样当它们被激活时，它们的神经元会单独发出荧光。（因为水母是透明的，研究人员可以观察到它在进行自然行为时的神经活动发光。）

 

换句话说，该团队可以在水母进食、游泳、躲避捕食者等过程中读取其大脑，以了解该动物相对简单的大脑是如何协调其行为的。

 

这项新研究的论文发表在11月24日的《Cell》杂志上。该研究主要在David J. Anderson、生物学教授Seymour Benzer、神经科学研究所领导主席Tianqiao和Chrissy Chen等人的实验室进行。

 

https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.10.021

 

说到实验室使用的模型生物，水母可是一个极端的异类。

 

蠕虫、苍蝇、鱼和老鼠是一些最常用的实验室模型生物，从基因上来说，它们之间的关系比水母更密切。事实上，蠕虫在进化上更接近人类，水母却差得很多。

 

「水母是一个重要的比较点，因为它们的亲缘关系与我们如此遥远」，博士后学者、这项研究的第一作者Brady Weissbourd说。

「水母身上有一些未解之谜，比如，是否存在所有神经系统共享的神经科学原理？或者，第一批神经系统可能是什么样的？通过更广泛地探索自然，我们也可能发现有用的生物创新。重要的是，许多水母体积小且透明，这使得它们成为非常好的研究系统神经科学的平台。有了惊人的新工具，我们可以利用光成像，操纵神经活动，甚至可以把一整只活水母放在显微镜下，同时接触到整个神经系统。」

 

 

水母的大脑不是像我们的大脑一样集中在身体的一个部位，而是像一张网一样分散在全身。

 

水母的各个身体部位似乎可以自主运作，无需集中控制。例如，通过手术切除的水母嘴即使没有身体的其他部分，也可以继续「进食」。

 

这种分散的身体计划似乎是一种非常成功的进化策略，因为水母已经在整个动物界存在了数亿年。但是分散的水母神经系统是如何协调和编排行为的呢？

 

半球美螅水母（Clytia hemisphaerica）的正上方视角。这种圆形透明的水母完全成熟时大约有一厘米宽，有一个中心嘴，触须像钟表上的数字一样均匀地排列在外缘。

 

在开发出可以用在半球美螅水母身上的基因改造工具后，研究人员首先检查了水母进食行为背后的神经回路。

 

当半球美螅水母用触须钩住一只盐水虾时，它会折叠身体，以便将触须拿到嘴里，同时将嘴弯向触须。这时，就出现了一个该团队想要探究的问题：水母的大脑显然是无结构的和径向对称的，它是如何协调水母身体的这种定向折叠的？

 

半球美螅水母将身体的右侧折叠起来，将一只小盐水虾送到嘴边。

 

通过检查水母进食时在其神经元中发生的发光链式反应，研究小组确定了产生特定神经肽（由神经元产生的分子）的神经元子网络是负责身体的空间局部向内折叠的。

 

有了新的基因工具箱，研究人员可以实时观察水母发光时的神经元。这项研究发现，当水母协调行为时，神经元被激活的方式实际上存在空间组织性。

 

此外，尽管水母神经元的网络最初看似是分散的和无组织的，但当它们的荧光系统点亮时，研究人员发现它们的神经元网络具有令人惊讶的高有序性。

 

Anderson解释说：

「我们的实验表明，圆形水母伞下看似分散的神经元网络实际上被细分为一片片活跃的神经元，它们像比萨饼的切片一样被组织成楔形。当一只水母用触手抓住一只盐水虾时，最靠近触手的『披萨切片』中的神经元会首先激活，这反过来又会导致伞的这一部分向内折叠，将虾带到嘴里。」

 

从侧面看半球美螅水母（Clytia hemisphaerica）。

「重要的是，如果你观察水母的解剖结构，即使用显微镜，这种水平的神经组织也是完全看不见的。要是以前，你必须依赖想象，去脑补那些活跃的神经元，而现在，只要用我们的新工具就能看见了。」

Weissbourd强调，这项工作的发现对于了解水母的全部行为来说，只是皮毛。

 

「在未来的工作中，我们希望利用这种水母作为一个易于处理的平台，来精确理解水母的整个神经系统是如何产生行为的。在食物传递的背景下，理解触须、伞和嘴是如何相互协调的，让我们了解与神经系统内部的模块化功能相关的更普遍的问题，以及这些模块是如何相互协调的。我们最终的目标不仅仅是了解水母的神经系统，而是以此为跳板，在未来了解更复杂的神经系统。」

  

参考资料：

https://neuroscience.caltech.edu/news/how-to-read-a-jellyfishs-mind https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.10.021