這是制作大局的小件，在這種情況下，肉眼無(wú)法看到這些碎片。沖繩科學(xué)技術(shù)研究生院(OIST)的新研究使用顯微鏡技術(shù)將毫米長(zhǎng)的秀麗隱桿線蟲的大腦拼湊在一起，揭示了它們的神經(jīng)元激發(fā)動(dòng)作電位 - 當(dāng)神經(jīng)元傳遞感覺信息時(shí)電壓尖峰細(xì)胞膜。他們的結(jié)果可以更好地了解生物體中的神經(jīng)信號(hào)傳遞，并作為其他動(dòng)物(包括人類)神經(jīng)元信息處理的未來(lái)模型。

來(lái)自O(shè)IST的信息處理生物學(xué)部(IPBU)和神經(jīng)生物學(xué)研究部(NRU)的科學(xué)家們合作完成了該項(xiàng)目。IPBU具有遺傳修飾秀麗隱桿線蟲的技術(shù)，而NRU具有記錄來(lái)自蠕蟲的微小神經(jīng)元的電信號(hào)的經(jīng)驗(yàn)。雖然人們普遍認(rèn)為缺乏射擊動(dòng)作電位的能力- 決策所需的全部或全部脈沖 - 教授。IPBU首席研究員Ichiro Maruyama的研究結(jié)果表明，該蠕蟲的神經(jīng)元具有激發(fā)動(dòng)作電位的作用。為了證實(shí)他的懷疑，他想要使用電生理學(xué)進(jìn)一步的數(shù)據(jù)，他的實(shí)驗(yàn)室并沒有積極地做，因此他與NRU的負(fù)責(zé)人Jeff Wickens教授和研究人員Tomomi和Mayumi Shindou分享了他的想法。

七年后，合作得到了回報(bào); 完成的研究發(fā)表于2019年3月5日的科學(xué)報(bào)告。在該項(xiàng)目之前，人們普遍認(rèn)為秀麗隱桿線蟲神經(jīng)元僅以分級(jí)方式對(duì)模擬信號(hào)作出反應(yīng)。然而，這項(xiàng)工作表明，如果神經(jīng)元越過(guò)閾值(一種更數(shù)字化的信號(hào)類型)，它們就會(huì)激發(fā)動(dòng)作電位。

“這篇論文顯示的主要內(nèi)容是我們研究的神經(jīng)元可以激發(fā)動(dòng)作電位，”威肯斯說(shuō)。“現(xiàn)在，秀麗隱桿線蟲神經(jīng)元具有主動(dòng)和被動(dòng)傳遞，因此所有這些機(jī)制對(duì)于感覺處理至關(guān)重要，即使在最小的神經(jīng)元中也是如此。”

為了觀察秀麗隱桿線蟲的感官處理，Maruyama和他的團(tuán)隊(duì)將鹽施加到蠕蟲鼻尖上。它們?cè)黾雍蜏p少鹽濃度，尋找蠕蟲的不同反應(yīng)并監(jiān)測(cè)其神經(jīng)元的電活性。他們發(fā)現(xiàn)鹽的增加首先影響了大腦左側(cè)的神經(jīng)元，然后觸發(fā)了導(dǎo)致蠕蟲向前移動(dòng)的信號(hào)。減少導(dǎo)致右側(cè)的神經(jīng)元發(fā)送蠕蟲向后移動(dòng)的信號(hào)。

“這對(duì)神經(jīng)元具有相同的結(jié)構(gòu)和名稱，但完全相反的功能，”Maruyama說(shuō)。“將這兩個(gè)神經(jīng)元一起使用對(duì)于蠕蟲到達(dá)鹽濃度較高的地方非常有效。”

制定微觀方法

研究秀麗隱桿線蟲提出了一個(gè)挑戰(zhàn) - 秀麗隱桿線蟲的大腦有302個(gè)神經(jīng)元，而一只螞蟻有250,000個(gè)，一只老鼠有7500萬(wàn)個(gè)。Wickens將他的前博士后和該論文的第一作者Tomomi Shindou博士負(fù)責(zé)開發(fā)該項(xiàng)目的方法論。這項(xiàng)工作花了四年的試驗(yàn)和錯(cuò)誤來(lái)創(chuàng)造正確的技術(shù)，還有三年用于收集數(shù)據(jù)。

NRU創(chuàng)造了一個(gè)小于千分尺的尖銳玻璃針。在蠕蟲暴露于鹽之后，他們使用針從秀麗隱桿線蟲中提取腦細(xì)胞。這種方法就像用鑷子從手指中提取碎片一樣。

“世界上只有少數(shù)幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室可以做到這一點(diǎn)，”丸山說(shuō)。“一旦細(xì)胞被提取出來(lái)，科學(xué)家們就利用電生理學(xué) - 測(cè)量細(xì)胞中的電壓變化來(lái)跟蹤觀察主動(dòng)和被動(dòng)激活的神經(jīng)元?？茖W(xué)家們還使用鈣成像來(lái)產(chǎn)生更多的數(shù)據(jù)，并觀察到暴露在鹽中的自由移動(dòng)的蠕蟲。

“你可以在一個(gè)特定的神經(jīng)元中表達(dá)一種鈣傳感蛋白 - 如果神經(jīng)元被激活，它會(huì)點(diǎn)亮，”Maruyama說(shuō)。“一旦神經(jīng)元被激活，它們就會(huì)產(chǎn)生綠色熒光，現(xiàn)在你用熒光顯微鏡檢測(cè)神經(jīng)元的活動(dòng)。兩個(gè)測(cè)試的數(shù)據(jù)完全匹配。”

“完美匹配的數(shù)據(jù)”是每個(gè)研究人員都希望聽到的一句話。結(jié)果表明，接受的教條 - 這些蠕蟲只發(fā)送被動(dòng)信號(hào) - 是錯(cuò)誤的。這一顯著的發(fā)現(xiàn)也為未來(lái)改進(jìn)的神經(jīng)映射打開了一扇大門。

“每個(gè)秀麗隱桿線蟲都以相同的方式連接相同的一組神經(jīng)元，不像小鼠大腦，這是一個(gè)連接的叢林，”威金斯說(shuō)。“如果我們能夠更好地了解這個(gè)簡(jiǎn)單的神經(jīng)系統(tǒng)，我們有一種電路圖，我們可以深入了解更復(fù)雜的大腦如何運(yùn)作。”