在過(guò)去的幾年里，隨著成像工具和技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)家們一直在孜孜不倦地繪制人類大腦神經(jīng)連接的詳細(xì)圖譜，以期最終理解大腦是如何工作的。

但是，確定大腦中的細(xì)胞是如何物理連接的，只是解讀我們的感知和行為的第一個(gè)線索。我們還需要知道在給定的環(huán)境下，信息在大腦中的準(zhǔn)確路徑。2013年9月8日，索爾克生物研究所(Salk Institute for Biological Studies)的研究人員在《自然神經(jīng)科學(xué)》(Nature Neuroscience)雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。他們展示了一個(gè)驚人的例子，證明了神經(jīng)回路的靈活性及其對(duì)蠕蟲(chóng)行為的影響，這取決于動(dòng)物所處的環(huán)境。

秀麗隱桿線蟲(chóng)有302個(gè)神經(jīng)元——遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于一個(gè)人估計(jì)的1000億個(gè)神經(jīng)元——我們已經(jīng)知道每個(gè)神經(jīng)元是如何連接的。除了這種微小生物的細(xì)胞很容易被操縱之外，研究人員還可以問(wèn)，在分子和電路層面上，什么樣的信息通過(guò)這個(gè)回路，以及這種信息流的行為后果是什么。

然而，即使有一張完整的蛔蟲(chóng)神經(jīng)元連接圖在手，科學(xué)家們?nèi)匀徊恢阑紫x(chóng)是如何以成千上萬(wàn)種不同的方式與環(huán)境互動(dòng)的。這是索爾克分子神經(jīng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的助理教授Sreekanth Chalasani和加州大學(xué)圣地亞哥分校的博士生Sarah Leinwand試圖回答的一個(gè)大問(wèn)題。

在線蟲(chóng)中，由于20多年前的研究，許多感覺(jué)神經(jīng)元被確認(rèn)具有不同的作用，如感知溫度、信息素、鹽和氣味。為了了解這些細(xì)胞的功能，科學(xué)家們用激光對(duì)它們逐一照射，并測(cè)量了蠕蟲(chóng)的行為。這些研究表明，有一個(gè)神經(jīng)元參與了檢測(cè)蠕蟲(chóng)周圍鹽分增加的過(guò)程。

在這項(xiàng)新的研究中，Leinwand和Chalasani并沒(méi)有切除單個(gè)的感覺(jué)神經(jīng)元，而是對(duì)蠕蟲(chóng)進(jìn)行了成像，這些蠕蟲(chóng)在其神經(jīng)元中表達(dá)了基因編碼的鈣指示物，這使得細(xì)胞在活動(dòng)時(shí)發(fā)光。令人驚訝的是，在接觸到一種吸引人但濃度很高的鹽后，蠕蟲(chóng)的嗅覺(jué)感覺(jué)神經(jīng)元活躍起來(lái)。

Leinwand說(shuō):“我們非常驚訝地發(fā)現(xiàn)，有了這些新的工具，這些新的鈣傳感器，我們可以發(fā)現(xiàn)，在處理感官信號(hào)時(shí)，參與其中的神經(jīng)元種類不止一種，而人們認(rèn)為這些信號(hào)只能由單個(gè)神經(jīng)元感知。”

通過(guò)額外的基因操作和行為分析，研究人員發(fā)現(xiàn)，嗅神經(jīng)——雖然對(duì)氣味的感知仍然很重要——對(duì)于蠕蟲(chóng)在一定濃度范圍內(nèi)向鹽移動(dòng)至關(guān)重要。出乎意料的是，這個(gè)神經(jīng)元對(duì)鹽的反應(yīng)也需要先前識(shí)別的感鹽神經(jīng)元。他們發(fā)現(xiàn)，事實(shí)上，嗅覺(jué)神經(jīng)元并不是直接感知鹽，而是被鹽感覺(jué)神經(jīng)元激活。

嗅覺(jué)神經(jīng)元接收到的是什么信息?神經(jīng)元通過(guò)與相鄰神經(jīng)元的緊密接觸，通過(guò)發(fā)送化學(xué)和電信號(hào)來(lái)相互交流。通過(guò)測(cè)試那些信號(hào)分子已被基因敲除的蠕蟲(chóng)，Chalasani和Leinwand可以看到，當(dāng)蠕蟲(chóng)受到高鹽刺激時(shí)，哪些分子在傳播過(guò)程中發(fā)揮了作用。從這些實(shí)驗(yàn)中，他們發(fā)現(xiàn)了一種神經(jīng)肽，一種存在于神經(jīng)元中的小蛋白，正被鹽感神經(jīng)元釋放出來(lái)，以塑造動(dòng)物的行為。

查拉薩尼說(shuō)，在這項(xiàng)研究中，確定負(fù)責(zé)環(huán)境依賴性信號(hào)傳遞的神經(jīng)肽(或神經(jīng)肽)是最具挑戰(zhàn)性的部分，因?yàn)榛紫x(chóng)有115個(gè)基因，可編碼約250個(gè)神經(jīng)肽。幸運(yùn)的是，只有四種不同的分子機(jī)器可以處理所有這些肽;通過(guò)對(duì)這四種基因的基因敲除，Leinwand和Chalasani很快就將這四種編碼胰島素神經(jīng)肽的基因縮小到大約40個(gè)。

研究小組一個(gè)接一個(gè)地追蹤缺失每個(gè)基因的蠕蟲(chóng)對(duì)高鹽的嗅覺(jué)神經(jīng)元反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)缺乏胰島素神經(jīng)肽INS-6基因的蠕蟲(chóng)對(duì)鹽的增加沒(méi)有反應(yīng)。把這種肽放回去可以恢復(fù)動(dòng)物對(duì)高鹽的正常反應(yīng)。

Leinwand說(shuō):“雖然可能有不止一個(gè)肽信號(hào)，但I(xiàn)NS-6的貢獻(xiàn)無(wú)疑是巨大的，這是令人欣慰的。”她和Chalasani還在嗅覺(jué)神經(jīng)元的接收端發(fā)現(xiàn)了特定的受體。

胰島素是主要的信號(hào)分子，將嗅覺(jué)神經(jīng)元招募到一個(gè)鹽感電路中，這是一個(gè)很大的驚喜。

“傳統(tǒng)上，神經(jīng)肽被認(rèn)為可以在數(shù)秒到數(shù)分鐘內(nèi)調(diào)節(jié)神經(jīng)功能，”Chalasani說(shuō)。“但在這個(gè)特殊的例子中，胰島素似乎在不到一秒的時(shí)間內(nèi)就將信息從感知鹽的神經(jīng)元傳遞到通常對(duì)氣味有反應(yīng)的神經(jīng)元。”

類似的神經(jīng)肽交流也可以創(chuàng)造靈活的神經(jīng)回路，調(diào)節(jié)其他動(dòng)物和人類在其環(huán)境中的各種行為。胰島素在人體內(nèi)有很多作用——例如，它與衰老和新陳代謝有關(guān)——但到目前為止，它的作用只是在較慢的一分鐘范圍內(nèi)。

Chalasani和Leinwand計(jì)劃研究蠕蟲(chóng)體內(nèi)是否存在其他快速神經(jīng)回路開(kāi)關(guān)，如果存在，這些開(kāi)關(guān)是否通過(guò)神經(jīng)肽信號(hào)或其他機(jī)制起作用。他們還對(duì)動(dòng)物年齡增長(zhǎng)時(shí)電路開(kāi)關(guān)的變化感興趣?？ɡ_尼說(shuō):“你可能會(huì)認(rèn)為，隨著動(dòng)物年齡的增長(zhǎng)，這種交流的效率會(huì)降低。”