新智元報道
編輯：小鹹魚
【新智元導讀】
加州理工學院的研究人員開發了一種基因工具箱，可以對水母進行基因改造。這樣當它們的神經元被啟用時會單獨發出熒光。研究人員可以在水母進食、游泳等過程中讀取其大腦，以瞭解水母相對簡單的大腦是如何協調其行為的。這項新研究的論文發表在11月24日的《Cell》雜誌上。
人腦有1000億個神經元，這1000億個神經元之間又形成100萬億個連線。
對神經科學家來說，理解大腦細胞精確的迴路是一個極其複雜的難題，這些迴路協調著人們日常所有的行為，比如，移動四肢、對恐懼和其他情緒做出反應等等。
但是現在，關於行為神經科學的基本問題可以透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。
加州理工學院的研究人員已經開發了一種基因工具箱，專門用來修補半球形水母，這種水母完全長大後直徑約為1釐米。
使用這個工具包，就可以對這些微小的生物進行基因改造，這樣當它們被啟用時，它們的神經元會單獨發出熒光。（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活動發光。）
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，以瞭解該動物相對簡單的大腦是如何協調其行為的。
這項新研究的論文發表在11月24日的《Cell》雜誌上。該研究主要在David J。 Anderson、生物學教授Seymour Benzer、神經科學研究所領導主席Tianqiao和Chrissy Chen等人的實驗室進行。
https：//doi。org/10。1016/j。cell。2021。10。021
說到實驗室使用的模型生物，水母可是一個極端的異類。
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，它們之間的關係比水母更密切。事實上，蠕蟲在進化上更接近人類，水母卻差得很多。
「水母是一個重要的比較點，因為它們的親緣關係與我們如此遙遠」，博士後學者、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，是否存在所有神經系統共享的神經科學原理？或者，第一批神經系統可能是什麼樣的？透過更廣泛地探索自然，我們也可能發現有用的生物創新。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神經科學的平臺。有了驚人的新工具，我們可以利用光成像，操縱神經活動，甚至可以把一整隻活水母放在顯微鏡下，同時接觸到整個神經系統。」
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，而是像一張網一樣分散在全身。
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，透過手術切除的水母嘴即使沒有身體的其他部分，也可以繼續「進食」。
這種分散的身體計劃似乎是一種非常成功的進化策略，因為水母已經在整個動物界存在了數億年。但是分散的水母神經系統是如何協調和編排行為的呢？
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釐米寬，有一箇中心嘴，觸鬚像鐘錶上的數字一樣均勻地排列在外緣。
在開發出可以用在半球美螅水母身上的基因改造工具後，研究人員首先檢查了水母進食行為背後的神經迴路。
當半球美螅水母用觸鬚鉤住一隻鹽水蝦時，它會摺疊身體，以便將觸鬚拿到嘴裡，同時將嘴彎向觸須。這時，就出現了一個該團隊想要探究的問題：水母的大腦顯然是無結構的和徑向對稱的，它是如何協調水母身體的這種定向摺疊的？
半球美螅水母將身體的右側摺疊起來，將一隻小鹽水蝦送到嘴邊。
透過檢查水母進食時在其神經元中發生的發光鏈式反應，研究小組確定了產生特定神經肽（由神經元產生的分子）的神經元子網路是負責身體的空間區域性向內摺疊的。
有了新的基因工具箱，研究人員可以實時觀察水母發光時的神經元。這項研究發現，當水母協調行為時，神經元被啟用的方式實際上存在空間組織性。
此外，儘管水母神經元的網路最初看似是分散的和無組織的，但當它們的熒光系統點亮時，研究人員發現它們的神經元網路具有令人驚訝的高有序性。
Anderson解釋說：
「我們的實驗表明，圓形水母傘下看似分散的神經元網路實際上被細分為一片片活躍的神經元，它們像比薩餅的切片一樣被組織成楔形。當一隻水母用觸手抓住一隻鹽水蝦時，最靠近觸手的『披薩切片』中的神經元會首先啟用，這反過來又會導致傘的這一部分向內摺疊，將蝦帶到嘴裡。」
從側面看半球美螅水母（Clytia hemisphaerica）。
「重要的是，如果你觀察水母的解剖結構，即使用顯微鏡，這種水平的神經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元，而現在，只要用我們的新工具就能看見了。」
Weissbourd強調，這項工作的發現對於瞭解水母的全部行為來說，只是皮毛。
「在未來的工作中，我們希望利用這種水母作為一個易於處理的平臺，來精確理解水母的整個神經系統是如何產生行為的。在食物傳遞的背景下，理解觸鬚、傘和嘴是如何相互協調的，讓我們瞭解與神經系統內部的模組化功能相關的更普遍的問題，以及這些模組是如何相互協調的。我們最終的目標不僅僅是瞭解水母的神經系統，而是以此為跳板，在未來了解更復雜的神經系統。」
參考資料：
https：//neuroscience。caltech。edu/news/how-to-read-a-jellyfishs-mind https：//doi。org/10。1016/j。cell。2021。10。021