Nature：神经元之间的信息传递模型被颠覆了

来源：作者：人气：-发表时间：2023-12-27 10:55:00【大中小】

摘要：科学家们利用线虫在理解大脑功能方面取得了重大突破。该研究采用光遗传学和连接组学，为神经通信提供了新的见解。

我们真的知道大脑是如何工作的吗?

近几十年来，在理解大脑的复杂运作方面取得了重大进展。研究人员已经获得了关于大脑细胞神经生物学的广泛知识，并发现了许多关于大脑神经网络和构成这些连接的元素的知识。尽管如此，许多重要的问题仍未得到解答，因此，大脑仍然是科学界最伟大、最诱人的谜团之一。

也许这些问题中最恼人的一个是围绕着我们对大脑作为一个系统的理解。科学家们对于大脑作为一个相互作用的组成部分的网络是如何运作的，关于所有的神经组成部分是如何合作的，特别是关于信息是如何在这个复杂的神经元网络之间处理的，在很大程度上仍然一无所知。

一种简单生物的革命性研究:秀丽隐杆线虫

现在，普林斯顿大学的一个神经科学家和物理学家团队正在通过研究一种非常小但无处不在的蠕虫——秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)的大脑，帮助阐明信息是如何在大脑中流动的。最近一期的《Nature》杂志记录了实验的细节。该团队由Francesco Randi、Sophie Dvali、Anuj Sharma和Andrew Leifer组成。要回答信息是如何通过相互作用的神经元网络处理的问题，第一步需要Leifer和他的团队找到一种可以在实验室中轻松操作的合适生物体。这原来是秀丽隐杆线虫，一种未分节的、非寄生的线虫，被科学家研究了几十年，被认为是一种“遗传模式生物”。模式生物通常用于实验室，以帮助科学家了解生物过程，因为他们的解剖结构，遗传学和行为是很好的理解。

图1 秀丽隐杆线虫的神经信号传播图谱

Leifer和他的团队通过测量超过23,000对神经元及其反应，总共进行了近10,000次刺激事件，这项任务从构思到完成花了七年时间。

挑战既定模式，引入新见解

Leifer和他的团队进行的这项研究是迄今为止对信号如何流经大脑的最全面的描述。对于研究秀丽隐杆线虫的科学家来说，研究人员提供了大量关于特定信号如何在线虫大脑中工作的信息，希望这项研究将提供大量有助于推进基础研究的新信息。

一个同样重要的发现是，Leifer和他的团队在实验过程中所做的一些经验观察，往往与基于线虫连接体图推导出的数学模型对线虫行为的预测相矛盾。

“我们得出的结论是，在许多情况下，你无法从接线图上看到的许多分子细节实际上对预测网络应该如何反应非常重要，”Leifer说。

图2 测量神经触发和神经网络反应

研究人员认为，有一种形式的信号——“你看不见的分子细节”的一部分——不会沿着神经线传递。Leifer和他的团队将这些描述为“无线信号”。尽管无线信号在神经科学家中广为人知，但在研究神经动力学方面，它在很大程度上被低估了，因为它通常被认为是一个非常缓慢的过程。无线信号是一种信号形式，神经元通过这种方式向神经元之间的细胞外空间或“细胞外环境”释放被称为神经肽的分子。这些化学物质扩散并结合到其他神经元上，即使它们之间没有物理联系。

最后，研究人员认为，他们的工作的一个重要影响是，它允许其他研究这种现象和类似现象的神经科学家开发更好的模型来理解大脑作为一个系统。

Leifer说:“通过我们的研究，我们提供了缺失的一块非常重要的拼图。”

参考资料

[1] Neural signal propagation atlas of Caenorhabditis elegans, 32 October 2023, Nature.