追问新知 | TCCI加州理工团队《细胞》封面文章：水母之脑如何帮助我们解析人类大脑？

追问按

11月24日《细胞》杂志上发表了来自TCCI加州理工团队的新研究。研究团队开发了一种专门用于对半球美螅水母（Clytia hemisphaerica）进行干预的基因研究工具，可以在水母做出觅食、游行、躲避捕食者等行为时读取水母的思想，并且通过该研究工具证实，尽管水母神经元网络最初看起来是分散的和非结构化的，但其实水母神经元网络已经具备一定的组织性结构。研究证实了这套新基因研究工具的实用性，同时通过对水母脑部神经的研究解析，也将为未来人们进一步了解更加复杂的人脑调控回路提供理论基础。

人类的大脑中有1000亿个神经元，彼此之间会产生多达100万亿个连接。神经元之间精确的回路协调着我们所有的日常活动，从移动四肢到情绪反应（恐惧、愤怒），复杂而又缜密——这就给神经科学家们出了一个难题：我们如何解析大脑的调控回路。

现在，我们可以通过一种更为简单的新模式生物来探索行为神经科学的基本问题——这个新的模式生物，就是小水母。

▷ 和人类的大脑不同，水母没有集中成型的大脑；相反，它们的脑细胞（神经元）分布在整个身体中，形成一张扩散状的网。研究人员借助新的基因研究工具，可以实时观察水母中激活发光的神经元。如上图所示，这项研究显示，水母协调行为时神经元被激活的形式实际上是一种空间组织结构。图片来源：B. Weissbourd

现在，加州理工学院的研究人员开发了一种专门对半球美螅水母（Clytia hemisphaerica）（半球美螅水母发育完全后直径约为1厘米）进行干预的基因研究工具。研究人员利用这种工具对半球美螅水母进行了基因改造，让它们的每个神经元在激活时都可以发出荧光。由于水母是透明的，因此研究人员可以直接观察这种动物在产生自然行为时神经活动的发光情况。换句话说，该研究团队可以在水母做出觅食、游行、躲避捕食者等行为时读取水母的思想，以了解半球美螅水母相对简单的大脑如何通过神经元协调其行为。

11月24日发表在《细胞》杂志上的一篇论文就发表了这项新的研究成果。该研究主要在大卫·J·安德森（David J. Anderson）的实验室里进行，他是Seymour Benzer生物学教授、加州理工学院天桥脑科学研究院（TCCI at Caltech）院长及霍华德·休斯医学研究所研究员。

就实验室中使用的模式生物而言，水母是一个极端的离群值。从基因的角度来说，一些最常用的实验室模式生物比如线虫、果蝇、鱼和小鼠等，它们彼此之间的关系比跟水母的关系更密切。事实上，从进化角度来说，线虫更接近人类而不是水母。

“也正因为上述原因，水母可以作为一个重要的比较对象，因为它们与其他常见模式生物之间的亲缘关系非常疏远，”该研究的博士后学者和第一作者布雷迪·韦斯伯德（Brady Weissbourd）说道。“水母可以启发我们发现一些问题，例如，是否存在适用于所有神经系统的神经科学原理？又或是，第一个神经系统可能是什么样子的？通过更广泛地探索自然，我们还可能发现有用的生物创新。更为重要的是，许多水母小而透明，对于系统神经科学研究而言，这是一个十分出色的研究对象，可以通过一些非常棒的新工具利用光对神经活动进行成像和操控。你可以用显微镜观察整个活水母，一次性查看整个神经系统。”

水母大脑不像人类大脑那样集中在身体的某个部位，它由大约10000个神经元组成，像网一样遍布整个水母的身体。水母的各个身体部位即使脱离身体的其他部位似乎也可以自主行动，无需集中控制；举个例子，水母的嘴巴在手术切除之后依然可以继续“进食”。

▷这是一张半球美螅水母的俯视图。这种圆形、透明的动物在完全成熟时大约有1厘米宽，中央有嘴巴，触手在其外缘均匀排列，就像时钟上的数字一样。这种水母的身体上还有四个明显的椭圆形性腺。图片来源：B. Weissbourd / J. DeGiorgis

这种去中心化的身体构造似乎是一种非常成功的进化策略，因为水母在整个动物界存在了数亿年。但是这种去中心化的神经系统如何协调和指挥水母行为呢？

在开发出研究半球美螅水母的专用工具后，研究人员首先检查了其进食行为背后的神经回路。当此类水母的触手抓住一只丰年虾时，它会折叠身体将触手带向嘴，同时将嘴弯向触手。该团队的研究是为了弄清楚水母这种无结构且放射对称的大脑如何协调身体的定向折叠。

通过检查水母进食时神经元中发生的发光链式反应，研究团队确定了原因。水母神经元的子网络会生成一种特定的神经肽（由神经元产生的分子），负责身体在空间上局部向内折叠。此外，尽管水母神经元网络最初看起来是分散的和非结构化的，但研究人员惊讶地发现在荧光系统中水母神经元网络具备了一定的组织性结构。

“我们的实验表明，圆形水母伞体下看似分散的神经元网络实际上会细分为一片片活跃的神经元，形成像披萨片一样的楔状结构，”安德森教授解释说。“当水母用触手钩住丰年虾时，最靠近触手的‘披萨片’中的神经元首先被激活，进而让伞体的对应部分向内折叠，将虾带到嘴里。重要的是，如果你只是观察水母的解剖结构，那么即便使用显微镜，这种级别的神经组织也是完全隐形的。你必须将活跃的神经元可视化才能发现它的存在——这件事我们的新系统可以做到。”

韦斯伯德强调，这项研究发现不过是了解了水母行为的冰山一角。“在未来的研究中，我们想把这种水母作为一个易于驾驭的研究对象，以准确了解整个神经系统是如何协调产生行为的，”他说。“我们想要知道在传递食物时，触手、伞体和嘴巴是如何相互协调的。这可以帮助我们理解神经系统内模块化功能的更为普遍的问题，同时也可以了解这些模块之间如何相互协调。我们的最终目标是通过了解水母的神经系统并以此作为跳板，以便在未来了解更复杂的系统。”

对于任何地方的研究人员来说，这个新的模型系统都很简单易用。水母谱系在实验室环境下的人造海水中就可以保存，同时也可以被运送给有兴趣使用这些小动物来回答科学问题的合作伙伴们。

*该论文的标题是“易于基因处理的水母模型可用于系统和演化神经科学研究”（A genetically tractable jellyfish model for systems and evolutionary neuroscience.）。除了韦斯伯德和安德森之外，其他共同作者包括法国索邦大学的Tsuyoshi Momose、研究生Aditya Nair、前博士后学者Ann Kennedy（现为西北大学助理教授）和前研究技术员Bridgett Hunt。研究资金由加州理工学院演化科学中心、惠特曼海洋生物实验室中心、生命科学研究基金会和霍华德休斯医学研究所共同提供。

作者：Lori Dajose

译者：Vicky

校对：Aaron

编辑：立夏，EY

原文：https://www.caltech.edu/about/news/how-to-read-a-jellyfishs-mind

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