Nature：神經元之間的信息傳遞模型被顛覆了

來源：作者：人氣：-發表時間：2023-12-27 10:55:00【大中小】

摘要：科學家們利用線蟲在理解大腦功能方面取得了重大突破。該研究采用光遺傳學和連接組學，為神經通信提供了新的見解。

我們真的知道大腦是如何工作的嗎?

近幾十年來，在理解大腦的復雜運作方面取得了重大進展。研究人員已經獲得了關于大腦細胞神經生物學的廣泛知識，并發現了許多關于大腦神經網絡和構成這些連接的元素的知識。盡管如此，許多重要的問題仍未得到解答，因此，大腦仍然是科學界最偉大、最誘人的謎團之一。

也許這些問題中最惱人的一個是圍繞著我們對大腦作為一個系統的理解。科學家們對于大腦作為一個相互作用的組成部分的網絡是如何運作的，關于所有的神經組成部分是如何合作的，特別是關于信息是如何在這個復雜的神經元網絡之間處理的，在很大程度上仍然一無所知。

一種簡單生物的革命性研究:秀麗隱桿線蟲

現在，普林斯頓大學的一個神經科學家和物理學家團隊正在通過研究一種非常小但無處不在的蠕蟲——秀麗隱桿線蟲(Caenorhabditis elegans)的大腦，幫助闡明信息是如何在大腦中流動的。最近一期的《Nature》雜志記錄了實驗的細節。該團隊由Francesco Randi、Sophie Dvali、Anuj Sharma和Andrew Leifer組成。要回答信息是如何通過相互作用的神經元網絡處理的問題，第一步需要Leifer和他的團隊找到一種可以在實驗室中輕松操作的合適生物體。這原來是秀麗隱桿線蟲，一種未分節的、非寄生的線蟲，被科學家研究了幾十年，被認為是一種“遺傳模式生物”。模式生物通常用于實驗室，以幫助科學家了解生物過程，因為他們的解剖結構，遺傳學和行為是很好的理解。

圖1 秀麗隱桿線蟲的神經信號傳播圖譜

Leifer和他的團隊通過測量超過23,000對神經元及其反應，總共進行了近10,000次刺激事件，這項任務從構思到完成花了七年時間。

挑戰既定模式，引入新見解

Leifer和他的團隊進行的這項研究是迄今為止對信號如何流經大腦的最全面的描述。對于研究秀麗隱桿線蟲的科學家來說，研究人員提供了大量關于特定信號如何在線蟲大腦中工作的信息，希望這項研究將提供大量有助于推進基礎研究的新信息。

一個同樣重要的發現是，Leifer和他的團隊在實驗過程中所做的一些經驗觀察，往往與基于線蟲連接體圖推導出的數學模型對線蟲行為的預測相矛盾。

“我們得出的結論是，在許多情況下，你無法從接線圖上看到的許多分子細節實際上對預測網絡應該如何反應非常重要，”Leifer說。

圖2 測量神經觸發和神經網絡反應

研究人員認為，有一種形式的信號——“你看不見的分子細節”的一部分——不會沿著神經線傳遞。Leifer和他的團隊將這些描述為“無線信號”。盡管無線信號在神經科學家中廣為人知，但在研究神經動力學方面，它在很大程度上被低估了，因為它通常被認為是一個非常緩慢的過程。無線信號是一種信號形式，神經元通過這種方式向神經元之間的細胞外空間或“細胞外環境”釋放被稱為神經肽的分子。這些化學物質擴散并結合到其他神經元上，即使它們之間沒有物理聯系。

最后，研究人員認為，他們的工作的一個重要影響是，它允許其他研究這種現象和類似現象的神經科學家開發更好的模型來理解大腦作為一個系統。

Leifer說:“通過我們的研究，我們提供了缺失的一塊非常重要的拼圖。”

參考資料

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