线虫的大脑图谱

　　

研究人员绘制了秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）的大脑物理组织图，为这种动物的大脑结构及其处理信息的方式建立了一个新模型。科学家们说，这些线虫的大脑可能与更大的动物有着比以前想象的更多的共同点。他们发现个别线虫的某些神经回路或路径的结构有很大程度的差异，这补充了不同动物共有的一组核心神经回路。

由利兹大学的神经科学家与纽约阿尔伯特爱因斯坦医学院的研究人员合作创建的大脑地图显示，不同的空间区域支持在大脑中路由信息的不同专门电路，信息在大脑中被整合后再被作用。

这项研究发表在2月24日的《Nature》杂志上。

线虫是以花园里腐烂的植物中的细菌为食。它们只有一毫米长，像人的头发一样细。

一条成年线虫的神经系统中正好有302个细胞——相比之下，人类大脑中大约有1000亿个细胞。但是，几乎三分之二的线虫神经细胞在头部形成一个环，在那里它们相互之间建立了成千上万的联系。

这个“大脑”是动物的控制中心，在那里，大部分的感知和决策都在发生。

尽管这种动物的大脑非常紧凑，但它表现出一系列复杂的行为，几十年来，神经科学家一直对了解它的大脑很感兴趣。以前的研究已经为神经细胞之间的连接创造了“接线图”。

不过，这项最新研究首次为这些电路图提供了完整的空间坐标。

利兹大学（University of Leeds）的计算神经学家内塔•科恩（Netta Cohen）教授负责监督这项研究，他说：“大脑需要组织信息流来控制动物的行为。但是大脑的结构和功能是如何联系在一起的，这是一个悬而未决的问题。通过提供电路的空间表示，我们可以发现这种动物大脑的模块化结构。”

研究人员使用了一组遗留下来的成年和幼年线虫大脑的电子显微镜图像来创建大脑地图。这些图像揭示了单个脑细胞或神经元，使研究人员能够绘制线虫神经回路的组织结构图，从单个细胞水平到整个大脑的大规模结构。科学家们确定了大脑中已知的神经回路和通路，如动物用来跟随气味和味道觅食的导航神经回路。另一个回路被认为有助于机械感觉，因此当它在土壤中蠕动时，它会感觉到自己的方向，或者如果周围有细菌，它也会感觉到自己的方向。

科学家们确定了大脑中已知的神经回路和通路，例如动物用来跟随气味和味道觅食的导航神经回路。另一个回路被认为有助于机械感觉，所以当它在土壤中蠕动时，它会感觉到自己的方向——或者如果周围有细菌，它也会感觉到自己的方向。

他们的理论是，信息在线虫的大脑中通过许多“层次”进行处理。事实上，在人脑中也发现了类似的分层结构。信息流始于对环境作出反应的感觉细胞。例如，细胞可能感觉到细菌，但它们是不是合适的细菌“它们闻起来像合适”细菌？答案是什么？”在信息被发送到大脑的指挥区采取行动之前，需要从多个感官整合信息。

Cohen教授说：“大脑图显示了一个非常优雅的结构，支持信息在线虫的大脑中流动，它比传统的简单动物遵循刺激-反应路径的观点更复杂。

“这张地图显示了不同神经回路的汇聚——这使得线虫能够整合它通过感觉细胞接收到的所有不同线索，并协调反应。”

在他们的研究中，大脑结构的变化，研究人员惊奇地发现线虫大脑中个体差异的程度。在线虫的生命过程中，其细胞的分裂和生长方式遵循一个严格的蓝图，这在整个物种中都是可以观察到的。但是当谈到脑细胞时，脑细胞与邻近细胞形成联系以形成神经回路的方式似乎有很大的不同，科学家们能够分辨出那些可能在大量动物中形成“核心”回路的联系，以及那些在个体之间似乎是可变的联系，利兹大学的一位前博士生，也是这篇论文的第一作者说：“这项研究提出了一个有趣的问题——即使看起来很简单的神经系统如何能够同时容纳核心和个体化的大脑电路。”

科学家们发现，线虫大脑中只有大约一半的线路是相似的——另一半显示出变异。

“这个发现真的让我们兴奋。首先，这表明线虫的大脑与高等动物的大脑有着比我们所知道或预期的更多的共同点，从线虫身上学到的经验教训可以帮助我们更全面地了解大脑，”Cohen教授说。

当动物面对挑战、危险和不断变化的环境时，可变的连接性可能支持大脑的个性、冗余和适应性。

Journal Reference:

1. Christopher A. Brittin, Steven J. Cook, David H. Hall, Scott W. Emmons, Netta Cohen. A multi-scale brain map derived from whole-brain volumetric reconstructions. Nature, 2021; DOI: 10.1038/s41586-021-03284-x

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University of Leeds. "Scientists map the brain of a nematode worm." ScienceDaily. ScienceDaily, 24 February 2021. <www.sciencedaily.com/releases/2021/02/210224143517.htm>.

University of Leeds. (2021, February 24). Scientists map the brain of a nematode worm. ScienceDaily. Retrieved February 28, 2021 from www.sciencedaily.com/releases/2021/02/210224143517.htm

University of Leeds. "Scientists map the brain of a nematode worm." ScienceDaily. www.sciencedaily.com/releases/2021/02/210224143517.htm (accessed February 28, 2021).