「Nature」破译大脑:追踪15000个神经元绘制最详细神经回路图
Marta Zlatic 所收藏的电影,可能世界上最乏味的。在她位于弗吉尼亚州阿什本的实验室里,神经科学家们已经存储了超过20000小时的黑白影片,拍摄的对象是果蝇幼虫。这些被拍摄的幼虫做的是最单调的事情,例如扭动和爬行,但这些影片可以帮助回答现代神经科学中最大的问题之一:大脑的“回路”如何创造行为。
这是神经科学领域的一个主要目标:了解神经元是如何连接,信号是如何通过网络传播,以及这些信号是如何协同工作,为动物进行方向导航、做决策,或让人类得以表达情感,创造意识。
在最单调的情况下——有普通的照明,没有感官线索,它们也不感到饥饿”——Zlatic 说,这些果蝇幼虫可以做30个不同的动作,包括收缩,转头,滚动等。产生这些动作的是它们仅有15000个神经元的大脑。这与人脑的860亿神经元相比简直是毛毛雨,这也是 Zlatic 和她的队友喜欢这种幼虫的原因之一。
“目前来说,果蝇幼虫是最好的研究对象。”Zlatic 的合作研究者,同时也是她的丈夫的 Albert Cardona 说:“如果可以得到大脑神经元的接线图,对于了解中枢神经系统如何工作是很好的起点。”
Zlatic 和 Cardona 领导着分布在世界各地的数十个组织中的两个,这些组织正在为模型生物(model organisms)的大脑生成详细的接线图。在过去几年里,用于切割大脑和跟踪其关系的新工具和技术已经取得进展。并且所得到的神经网络图令人惊喜——例如,大脑可以以多种方式使用一个网络来创建相同的行为。
但是,即使想了解最简单的回路(比 Zlatic 的幼虫更小数量级),也会面临许多挑战。不同动物的神经回路的布局和功能都不同。这些系统非常冗余,难以说某一回路具有某一功能。此外,单独的线路也不能完全解释这些回路如何产生行为; 必须考虑其他因素,例如神经化学物质。
科学家们开始检测可能在更复杂的大脑中运行的简单回路的模式。“这就是我们希望得到的,”马萨诸塞州波士顿哈佛医学院神经科学家 Willie Tobin 说:“发现一般原则可以帮助我们理解更大的系统。”
大脑回路的训练:被切为两半的大脑不尽相同,但功能不变
科学家拥有完整回路图的最简单的大脑是线虫蠕虫(Caenorhabditis elegans), 其仅仅拥有300个神经元。它的连接体(connectome),也就是每一个神经连接的地图,在20世纪80年代绘制完成了。但是仔细观察那些指导行动的连接是困难的。一些神经科学家对蠕虫大脑与更大的脑结构拥有相同的工作方式表示怀疑。
这就是为什么许多像Zlatic一样的人,转向依靠生物实验室的另一个无脊椎动物——果蝇进行研究。果蝇幼虫足够复杂,可以展示出一些有趣的行为,但是因为它的神经元足够少,使得绘制果蝇大脑回路项目成为可行。此外,Zlatic和她的同事还有一套技术,如光遗传学,其中光敏蛋白质可用于控制或监测神经元的活动。
Zlatic和Cardona正在开发用于收集果蝇幼虫大脑高分辨率横截面图像的方法,并且将从段到节地追踪所有连接的艰巨过程自动化。然后,通过在”地图”上,匹配行为和活动模式,团队可以找出哪些回路影响了哪些行为。
例如,一个难题就是大脑在两个竞争行为之间如何选择。去年, Cardona, Zlatic和他们的团队跟踪回路,让蛆在面对一阵烦人的空气,在缩头或弯曲身体之间选择(同一动物,吹气两次,可能会先选择弯曲身体,然后第二次选择缩头)。团队确定了他们认为哪些神经元会对空气产生反应,并使用光遗传学依次激活它们。它们可以观察在缩头时的回路情况。然后,他们构建了一种计算模型,可以预测幼虫在某些特定情形下的反应。
许多实验室也在研究成年果蝇连接体。因为整个大脑有135,000个神经元,太大,所以不能整体重建,科学家正在寻找较小的神经系统,在那里他们可以一起学习回路和活动。
例如,Tobin 对果蝇的大脑的一系列研究有助于处理气味,即一种称为嗅球(olfactory glomerulus)的电路。果蝇的大脑具有50个这样的小球,每个在一个不超过20微米的区域中承载几十个神经元,并且每个分开一半以从果蝇的左右“天线”接收信号。Tobin 5月的最新研究中,他和他的团队 研究了这样的一个小球,细细切片并用电子显微镜重建了所有50个特定类型神经元的布局,其中包括与之连接的其他神经元,以及连接的强度。比较被切开的两个部分,研究者发现即使回路的功能不变,细胞数量和连接也有一些明显的差异。
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