發(fā)布日期：2019-07-05
生物學(xué)領(lǐng)域有一句顛撲不破的真理——結(jié)構(gòu)決定功能。
翅膀的結(jié)構(gòu)決定如何飛翔，肺的結(jié)構(gòu)決定如何呼吸；蛋白結(jié)構(gòu)決定酶的功能，DNA結(jié)構(gòu)決定基因如何運(yùn)行。
而神經(jīng)的結(jié)構(gòu)，決定了我們的如何思考、學(xué)習(xí)、運(yùn)動(dòng)，乃至決定一些疾病的發(fā)生。
這就是所謂“連接組學(xué)（connectomes）”的核心：通過繪制大腦區(qū)域和神經(jīng)系統(tǒng)中的無數(shù)神經(jīng)連接結(jié)構(gòu)，以尋找到導(dǎo)致特定行為的特定神經(jīng)回路。
今日，連接組學(xué)迎來里程碑式的突破。阿爾伯特·愛因斯坦醫(yī)學(xué)院Scott Emmons教授研究團(tuán)隊(duì)成果登上《自然》雜志封面[1]，首次完整揭開動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)的神秘面紗。研究提供了兩種性別的秀麗隱桿線蟲從感覺輸入到終端輸出的全部神經(jīng)連接，并對(duì)行為調(diào)控網(wǎng)絡(luò)做了多層次分析。
令人驚訝的是，運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)調(diào)控復(fù)雜程度遠(yuǎn)超此前想象，從蛛網(wǎng)般復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中揪出特定神經(jīng)連接依舊任重道遠(yuǎn)。
圖源 | nature.com早在連接組學(xué)這個(gè)詞出現(xiàn)之前，已經(jīng)有科學(xué)家想要破解神經(jīng)系統(tǒng)了。
上個(gè)世紀(jì)70年代，科學(xué)家們把手伸向了秀麗隱桿線蟲。線蟲具有復(fù)雜的生理行為，同時(shí)結(jié)構(gòu)卻頗為簡(jiǎn)單。一只線蟲成蟲只有約1毫米大小，渾身上下不過1000個(gè)細(xì)胞，其中三分之一都是神經(jīng)元，是一種理想的實(shí)驗(yàn)對(duì)象。
線蟲的神經(jīng)元太小，光學(xué)顯微鏡下看不見，所以科學(xué)家們把它固定之后，切成頭發(fā)絲千分之一薄厚的切片，用光學(xué)顯微鏡拍照記錄。
接下來的步驟就有些簡(jiǎn)單粗暴費(fèi)眼睛了?？茖W(xué)家們用肉眼逐個(gè)切片識(shí)別單個(gè)神經(jīng)元和它們之間的連接，一筆一筆畫出了五千多個(gè)突觸。這項(xiàng)工作于1986年發(fā)表，主持者是后來在2002年獲得了諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的Sydney Brenner。
Sydney Brenner（1927-2019），因?qū)?ldquo;調(diào)節(jié)器官發(fā)育和程序性細(xì)胞死亡的關(guān)鍵基因”做出的貢獻(xiàn)分享2002年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，開發(fā)線蟲作為理想動(dòng)物模型的頭號(hào)功臣但這份研究報(bào)告卻說不上完美。
首先人類的肉眼是有極限的，這份“神經(jīng)地圖”后來被證明是并不完善的；其次，線蟲有兩種性別，Brenner們只研究了其中雌雄同體的一種。
顯然，這還不足以讓我們看到完整的神經(jīng)系統(tǒng)運(yùn)作方式。
為了解決這些問題，Emmons團(tuán)隊(duì)開發(fā)了能夠更加準(zhǔn)確映射神經(jīng)元的軟件，并于2012年發(fā)表了線蟲雄性尾部的神經(jīng)連接組學(xué)數(shù)據(jù)，論文刊登在《科學(xué)》上[2]。
一方面重新制作雄性線蟲的電子顯微鏡照片，一方面再分析Brenner的舊數(shù)據(jù)，今天我們終于得以見到首個(gè)完整的動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)連接圖，包括各個(gè)神經(jīng)元之間的連接、從神經(jīng)元到肌肉和其他組織的連接、肌肉組織之間的連接，以及這些連接強(qiáng)度的預(yù)估數(shù)據(jù)。
雌雄同體線蟲顯然，性別差異帶來的神經(jīng)系統(tǒng)差異巨大。
雌雄同體線蟲具有302個(gè)神經(jīng)元，其中8個(gè)神經(jīng)元和12塊性肌肉是特殊的；雄性線蟲具有385個(gè)神經(jīng)元，其中91個(gè)神經(jīng)元和39塊性肌肉是特殊的。
二者的神經(jīng)元差異主要存在于生殖相關(guān)功能和器官，但是許多性別共有的神經(jīng)通路也存在強(qiáng)度的差異，可能是行為差異的原因之一。研究者估計(jì)，神經(jīng)系統(tǒng)的性別差異應(yīng)當(dāng)在10%到30%之間。
研究者還詳細(xì)剖析了線蟲各級(jí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之間的信息傳遞，內(nèi)容頗多也頗學(xué)術(shù)，這里就不展開了。
雄性線蟲另外一點(diǎn)很有趣的是，神經(jīng)元之間的連接網(wǎng)絡(luò)非常復(fù)雜，并非像是電路圖或者機(jī)器學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)那樣清晰明了，反而更像一張復(fù)雜的蜘蛛網(wǎng)。
有個(gè)說法是，世界上任何兩個(gè)人之間，最多只隔著六層關(guān)系。套用這個(gè)句式，我們也可以說線蟲的任意兩個(gè)神經(jīng)元之間，最多只隔著一個(gè)神經(jīng)元。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接之緊密，使得單個(gè)感覺神經(jīng)元只需要經(jīng)過兩個(gè)突觸，就能夠到達(dá)70%到98%的其他任意神經(jīng)元。
如此復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，從中確定調(diào)控特定行為的神經(jīng)通路簡(jiǎn)直是大海撈針，這一步工作還得結(jié)合更多神經(jīng)科學(xué)工具，比如熒光指示劑才能實(shí)現(xiàn)。
將這些實(shí)時(shí)的神經(jīng)活動(dòng)疊加到連接組學(xué)數(shù)據(jù)上，我們或許有希望創(chuàng)造一只“存活”在電腦中虛擬線蟲，到那時(shí)完全解析神經(jīng)的活動(dòng)也應(yīng)該不再是難事了吧。
真·線蟲Emmons團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備繼續(xù)研究神經(jīng)連接與基因表達(dá)之間的關(guān)系。同時(shí)，在世界的各個(gè)角落里，不同的科學(xué)家正努力攻克果蠅、小鼠等其他實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的神經(jīng)迷宮。
2010年，NIH撥款4000萬美元用于繪制人類大腦地圖。人類腦擁有百億計(jì)的神經(jīng)元和數(shù)萬億突觸，遠(yuǎn)比線蟲復(fù)雜。這是另外一種意義上的星辰大海。
距離完全理解神經(jīng)，雖然還很遙遠(yuǎn)，但我們已經(jīng)站上了起點(diǎn)。
來源：奇點(diǎn)網(wǎng)
