水母一思考，腦袋就放光！加州理工用「神經(jīng)元熒光成像」改造水母基因，登Cell頂刊

人腦有1000億個神經(jīng)元，這1000億個神經(jīng)元之間又形成100萬億個連接。

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對神經(jīng)科學家來說，理解大腦細胞精確的回路是一個極其復雜的難題，這些回路協(xié)調(diào)著人們?nèi)粘Ｋ械男袨椋热纾苿铀闹謶趾推渌榫w做出反應等等。

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但是現(xiàn)在，關于行為神經(jīng)科學的基本問題可以通過觀察一種新的更簡單的生物來得到答案：這種生物就是微小的水母。

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加州理工學院的研究人員已經(jīng)開發(fā)了一種基因工具箱，專門用來修補半球形水母，這種水母完全長大后直徑約為1厘米。

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使用這個工具包，就可以對這些微小的生物進行基因改造，這樣當它們被激活時，它們的神經(jīng)元會單獨發(fā)出熒光。（因為水母是透明的，研究人員可以觀察到它在進行自然行為時的神經(jīng)活動發(fā)光。）

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換句話說，該團隊可以在水母進食、游泳、躲避捕食者等過程中讀取其大腦，以了解該動物相對簡單的大腦是如何協(xié)調(diào)其行為的。

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這項新研究的論文發(fā)表在11月24日的《Cell》雜志上。該研究主要在David J. Anderson、生物學教授Seymour Benzer、神經(jīng)科學研究所領導主席Tianqiao和Chrissy Chen等人的實驗室進行。

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

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說到實驗室使用的模型生物，水母可是一個極端的異類。

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蠕蟲、蒼蠅、魚和老鼠是一些最常用的實驗室模型生物，從基因上來說，它們之間的關系比水母更密切。事實上，蠕蟲在進化上更接近人類，水母卻差得很多。

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「水母是一個重要的比較點，因為它們的親緣關系與我們?nèi)绱诉b遠」，博士后學者、這項研究的第一作者Brady Weissbourd說。

「水母身上有一些未解之謎，比如，是否存在所有神經(jīng)系統(tǒng)共享的神經(jīng)科學原理？或者，第一批神經(jīng)系統(tǒng)可能是什么樣的？通過更廣泛地探索自然，我們也可能發(fā)現(xiàn)有用的生物創(chuàng)新。重要的是，許多水母體積小且透明，這使得它們成為非常好的研究系統(tǒng)神經(jīng)科學的平臺。有了驚人的新工具，我們可以利用光成像，操縱神經(jīng)活動，甚至可以把一整只活水母放在顯微鏡下，同時接觸到整個神經(jīng)系統(tǒng)。」

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水母的大腦不是像我們的大腦一樣集中在身體的一個部位，而是像一張網(wǎng)一樣分散在全身。

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水母的各個身體部位似乎可以自主運作，無需集中控制。例如，通過手術(shù)切除的水母嘴即使沒有身體的其他部分，也可以繼續(xù)「進食」。

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這種分散的身體計劃似乎是一種非常成功的進化策略，因為水母已經(jīng)在整個動物界存在了數(shù)億年。但是分散的水母神經(jīng)系統(tǒng)是如何協(xié)調(diào)和編排行為的呢？

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半球美螅水母（Clytia hemisphaerica）的正上方視角。這種圓形透明的水母完全成熟時大約有一厘米寬，有一個中心嘴，觸須像鐘表上的數(shù)字一樣均勻地排列在外緣。

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在開發(fā)出可以用在半球美螅水母身上的基因改造工具后，研究人員首先檢查了水母進食行為背后的神經(jīng)回路。

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當半球美螅水母用觸須鉤住一只鹽水蝦時，它會折疊身體，以便將觸須拿到嘴里，同時將嘴彎向觸須。這時，就出現(xiàn)了一個該團隊想要探究的問題：水母的大腦顯然是無結(jié)構(gòu)的和徑向?qū)ΨQ的，它是如何協(xié)調(diào)水母身體的這種定向折疊的？

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半球美螅水母將身體的右側(cè)折疊起來，將一只小鹽水蝦送到嘴邊。

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通過檢查水母進食時在其神經(jīng)元中發(fā)生的發(fā)光鏈式反應，研究小組確定了產(chǎn)生特定神經(jīng)肽（由神經(jīng)元產(chǎn)生的分子）的神經(jīng)元子網(wǎng)絡是負責身體的空間局部向內(nèi)折疊的。

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有了新的基因工具箱，研究人員可以實時觀察水母發(fā)光時的神經(jīng)元。這項研究發(fā)現(xiàn)，當水母協(xié)調(diào)行為時，神經(jīng)元被激活的方式實際上存在空間組織性。

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此外，盡管水母神經(jīng)元的網(wǎng)絡最初看似是分散的和無組織的，但當它們的熒光系統(tǒng)點亮時，研究人員發(fā)現(xiàn)它們的神經(jīng)元網(wǎng)絡具有令人驚訝的高有序性。

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Anderson解釋說：

「我們的實驗表明，圓形水母傘下看似分散的神經(jīng)元網(wǎng)絡實際上被細分為一片片活躍的神經(jīng)元，它們像比薩餅的切片一樣被組織成楔形。當一只水母用觸手抓住一只鹽水蝦時，最靠近觸手的『披薩切片』中的神經(jīng)元會首先激活，這反過來又會導致傘的這一部分向內(nèi)折疊，將蝦帶到嘴里。」

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從側(cè)面看半球美螅水母（Clytia hemisphaerica）。

「重要的是，如果你觀察水母的解剖結(jié)構(gòu)，即使用顯微鏡，這種水平的神經(jīng)組織也是完全看不見的。要是以前，你必須依賴想象，去腦補那些活躍的神經(jīng)元，而現(xiàn)在，只要用我們的新工具就能看見了。」

Weissbourd強調(diào)，這項工作的發(fā)現(xiàn)對于了解水母的全部行為來說，只是皮毛。

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「在未來的工作中，我們希望利用這種水母作為一個易于處理的平臺，來精確理解水母的整個神經(jīng)系統(tǒng)是如何產(chǎn)生行為的。在食物傳遞的背景下，理解觸須、傘和嘴是如何相互協(xié)調(diào)的，讓我們了解與神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部的模塊化功能相關的更普遍的問題，以及這些模塊是如何相互協(xié)調(diào)的。我們最終的目標不僅僅是了解水母的神經(jīng)系統(tǒng)，而是以此為跳板，在未來了解更復雜的神經(jīng)系統(tǒng)。」

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