魚缸里的神經(jīng)科學(xué)

邢鴻飛/編譯

●虛擬世界里的小魚兒為人類研究復(fù)雜的腦部結(jié)構(gòu)開啟了一扇窗戶。

一條剛剛孵化出來的斑馬魚第一次向河的上游游去。它圓圓的大眼睛突出在睫毛狀身體的前部，掃描著四周的狀況。突然，一個(gè)小浪將它往后推了一下，它看到風(fēng)景在眼前飛走了。魚兒輕拂尾巴盡力原地不動(dòng)。或者它就是這么想著。

實(shí)際上，幼魚無法動(dòng)彈，被用玻璃吸管懸在注滿水的有蓋培養(yǎng)皿中。實(shí)驗(yàn)室昏暗、雜亂的角落里有一臺(tái)價(jià)值十萬美元的顯微鏡，上面就是這個(gè)培養(yǎng)皿。從下部投影的膠片將魚轉(zhuǎn)入一個(gè)虛擬世界，那里或明或暗的移動(dòng)帶模擬著水下世界的景象。

盡管魚兒沒有移動(dòng)，但控制它尾部的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元在不停地發(fā)動(dòng)，看起來就像是魚兒在游動(dòng)。這些信號(hào)輸入電腦后，能夠控制視頻演示，向魚兒發(fā)出它正常游動(dòng)的幾乎所有符號(hào)。自始至終，弗洛里安·恩格特 （Florian Engert）的顯微鏡聚焦著魚兒細(xì)小的、半透明的大腦，來觀察魚兒移動(dòng)時(shí)神經(jīng)元發(fā)出的綠光。

研發(fā)此套設(shè)備的神經(jīng)學(xué)科學(xué)家恩格特，經(jīng)常開玩笑說斑馬魚就好比尼奧，尼奧是1999年科幻驚悚片 《黑客帝國》里的主角。影片中，人類被機(jī)器奴役，進(jìn)入一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)世界，使得他們相信自己是自由的。恩格特在哈佛大學(xué)的團(tuán)隊(duì)希望在這個(gè)水生帝國里的魚兒可以幫助他們解決神經(jīng)科學(xué)里最大的難題：大腦中面團(tuán)狀的神經(jīng)如何從外部世界和產(chǎn)生的反應(yīng)中獲取信息，引發(fā)一系列復(fù)雜的行為。

19世紀(jì)末期，西班牙解剖學(xué)家圣地亞哥·拉蒙·卡哈爾（Santiago Ramón y Cajal）明確指出神經(jīng)元是大腦中的基本單元。從那時(shí)候開始，大量神經(jīng)科學(xué)家們把重點(diǎn)放在記錄單個(gè)細(xì)胞的電聲。還會(huì)有將電極植入貓、兔子、老鼠、海參、魷魚、猴子，甚至人類的大腦中。這一途徑揭示出神經(jīng)元對輸入（如化學(xué)信使、聲音或顏色）如何做出反應(yīng)，如何產(chǎn)生個(gè)體的放電模式，它被大腦解碼后激發(fā)行為。但這些細(xì)胞如何互相協(xié)作來詮釋并整合復(fù)雜的、真實(shí)世界的感覺輸入 （例如移動(dòng)的場景、氣味、聲音或者慢慢靠近的捕食者），“仍然是個(gè)深雋的謎，”恩格特說，“這是接下來10年我們最大的挑戰(zhàn)?！?/p>

30年來，發(fā)育生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室里，幼年斑馬魚是兢兢業(yè)業(yè)的模式生物，因?yàn)樗鼈兂杀镜?，基因操作相對比較容易，而且它們有著透明的組織，科學(xué)家們可以直接觀察它們身體內(nèi)部。恩格特和幾位神經(jīng)科學(xué)家一直在試著利用斑馬魚自身優(yōu)勢來研究大腦對視覺、聽覺、運(yùn)動(dòng)甚至恐懼如何編碼，這些是在更復(fù)雜的模式生物的大腦中無法展開研究的東西?？茖W(xué)家們使用一些技巧（例如恩格特的水生帝國），能夠監(jiān)測斑馬魚大約30萬個(gè)神經(jīng)元，并在活體大腦中跟蹤它們的活動(dòng)。此項(xiàng)創(chuàng)新舉措意味著一向青睞對哺乳動(dòng)物進(jìn)行神經(jīng)科學(xué)研究的基金評審人和頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊開始把機(jī)會(huì)給了魚類。

康奈爾大學(xué)的神經(jīng)生物學(xué)家約瑟夫·費(fèi)奇歐（Joseph Fetcho）率先對魚類進(jìn)行大腦回路的研究，他說：“現(xiàn)在有了斑馬魚，我們在實(shí)驗(yàn)中可以做到模型和方法的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手?！彼€說，這一系列難得的工具讓他想弄明白，“可否用任何其他模式來解答關(guān)于回路和行為的基本問題?！?/p>

聚焦魚類

早年就職于紐約州立大學(xué)石溪分校的時(shí)候，費(fèi)奇歐就對金魚的大腦做過研究，但他當(dāng)時(shí)一次只能記錄幾個(gè)細(xì)胞，很受挫。90年代中期，在兩次意外事件之后，他將研究對象轉(zhuǎn)向斑馬魚。

第一次是在一個(gè)動(dòng)物學(xué)會(huì)議上，費(fèi)奇歐無意參加了一場關(guān)于在高中生物課上使用斑馬魚的研討會(huì)。他意識(shí)到在幾天之內(nèi)去觀察斑馬魚半透明的胚胎細(xì)胞如何分裂并長出各種器官和四肢是件容易做到的事。

第二次，他無意中讀到一篇文章描述了如何在細(xì)胞元中使用對鈣非常敏感的綠色染料。神經(jīng)元放電需要一些鈣離子，因此用綠光的方法可以直接看到細(xì)胞的活動(dòng)。文章中用的是雞骨髓中分離出來的細(xì)胞，但費(fèi)奇歐認(rèn)為，同樣的方法可以用在活體斑馬魚的神經(jīng)元研究里。于是他去了當(dāng)?shù)匾患覍櫸锏?，買了一對處于交配階段的斑馬魚。第二天，他就有了可以用于實(shí)驗(yàn)的受精卵。

幼年斑馬魚因其身體透明，成為體內(nèi)組織研究中理想的模型

在費(fèi)奇歐1995年發(fā)表的第一篇斑馬魚的論文中，他和他的同事唐納德·奧馬利（Donald O'Malley）用感光鈣離子的綠染料，通過刺激魚的頭部，跟蹤逃脫捕食者的反射過程中運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的行為。他的研究小組接著又說明在魚后腦的不同位置的神經(jīng)元，編碼魚是如何轉(zhuǎn)身逃脫它的捕食者。研究者們得到了首個(gè)魚的轉(zhuǎn)基因株系來表示所有神經(jīng)元中的鈣指示劑，類似于綠色染料，因此這之后就可以不用染料了。

神經(jīng)科學(xué)家們也開始將鈣指示劑使用在其他動(dòng)物的神經(jīng)回路研究上。例如，在2001年的一項(xiàng)意義重大的研究中，科學(xué)家們在活蹦亂跳的老鼠頭部裝入微型雙光子顯微鏡（它們可以探入組織細(xì)胞深達(dá)一毫米處），來揭示一些單個(gè)神經(jīng)元的放電模式。還有一組研究人員在顯微鏡下觀察在一個(gè)聚苯乙烯球上自由行走的果蠅的大腦。

但如果在實(shí)驗(yàn)中使用嚙齒類動(dòng)物或蠅類，研究者們必須在動(dòng)物的頭部先切開小口，將他們想觀察的腦部的某些部位暴露出來。盡管如此，顯微鏡也只能探測到這些不透明腦部組織的淺層。

只有兩種常見的模型生物有著體積小且透明的大腦，可供基因工程的研究：幼年斑馬魚和只有302個(gè)神經(jīng)元的土壤線蟲。但對研究斑馬魚的科學(xué)家們來說，土壤線蟲太小，它們的神經(jīng)回路過于簡單。其腦部包裹在一層緊密的角質(zhì)層中，它們的神經(jīng)元微小，科學(xué)家們用常規(guī)電極很難記錄。況且，蠕蟲不具備魚類有的多樣行為，更不要說那些復(fù)雜精細(xì)的動(dòng)作。恩格特說：“我們可能在線蟲身上做類似的研究，但我擔(dān)心結(jié)果不一定那么有意思?！?/p>

2002年恩格特啟動(dòng)了他的哈佛實(shí)驗(yàn)室，下定決心要研究幼年斑馬魚的神經(jīng)元通路。他前顧問的父親和諾貝爾獎(jiǎng)獲得者發(fā)育生物學(xué)家克里斯汀·紐斯林-沃爾哈德（Christiane Nüsslein-Volhard）是好朋友。紐斯林-沃爾哈德協(xié)助他率先將斑馬魚作為胚胎發(fā)展研究中的模型。盡管如此，恩格特之前從來沒有親眼見過。他說：“第一次看到的時(shí)候，我驚呆了，它們真太小了?！?/p>

這是個(gè)大膽的選擇，但它符合恩格特的個(gè)性和喜歡冒險(xiǎn)的性格。在哈佛的生物樓，他因?yàn)閺膩聿淮湟r衣、滑旱冰去上課以及騎摩托車不戴頭盔而出名。他是地地道道的德國人，他穿著皮短褲參加述職（2009年在哈佛任職）。去年，在澳大利亞的滑雪跑道下滑時(shí)，差一點(diǎn)被雪崩埋沒，那一次他居然赤膊上陣。

在哈佛，恩格特用了好幾年的時(shí)間才建好斑馬魚實(shí)驗(yàn)室。起初，他嘗試著在魚自由游動(dòng)的時(shí)候?yàn)樯窠?jīng)元成像。但用他的話“那些魚兒們的腦袋搖擺不?！保上窀緹o法進(jìn)行。于是后來他開始創(chuàng)建虛擬的環(huán)境。

在去年發(fā)表的一項(xiàng)研究中，恩格特的博士后魯本·波圖格斯 （Ruben Portugues）和美莎·阿倫斯（Misha Ahrens）建了一個(gè)由紅色和黑色條紋組成的簡易虛擬環(huán)境，魚可以回游其中。這種視覺刺激盡管有些粗糙，但足夠讓動(dòng)物們感覺它們在河里被湍流向后推著，肌肉還發(fā)出信號(hào)讓它們向前游動(dòng)。

敲擊幾下鍵盤，研究者們可以操作場景，讓條紋拂動(dòng)時(shí)快時(shí)慢。魚在其中感覺自己的移動(dòng)或弱或強(qiáng)，這樣它們自身調(diào)整以保持穩(wěn)定。這種行為稱作自適應(yīng)，類似于人們走路的時(shí)候突然踩到一塊冰滑了一下后身體的反應(yīng)。大腦接受新環(huán)境信號(hào)并做出調(diào)整以防摔倒。

對猴子的研究表明，特定的神經(jīng)元群體會(huì)出現(xiàn)自適應(yīng)。恩格特介紹說：“如果意外發(fā)生，它需要做出與預(yù)料狀態(tài)下完全不同的處理?！边@個(gè)處理過程“或者告訴我外面發(fā)生了什么事，不受我支配，或者告訴我身體什么地方有問題?！?/p>

弗洛里安·恩格特：我們會(huì)有一個(gè)完整大腦的線路圖，將結(jié)構(gòu)和功能聯(lián)系起來

他的魚類研究涉及到細(xì)胞的同群，也有其獨(dú)到之處。這些群組中的神經(jīng)元對高增益反饋進(jìn)行編碼，也就是說，盡管其他神經(jīng)元反饋出其肌肉比預(yù)期的更脆弱，視覺反饋告訴魚類它們的肌肉比預(yù)期的更強(qiáng)壯。

這是本質(zhì)性的細(xì)節(jié)，神經(jīng)科學(xué)家們不斷揣摩，希望能夠在回路中檢查單個(gè)神經(jīng)元。在過去幾年中，還有其他實(shí)驗(yàn)室也有類似的發(fā)現(xiàn)。2010年，日本科學(xué)家們在韁核（腦部很深的區(qū)域，用哺乳動(dòng)物研究難度很大）找到了獨(dú)特的神經(jīng)元，它們在斑馬魚對恐懼的反應(yīng)中起到很重要的作用。2011年，費(fèi)奇歐發(fā)現(xiàn)，在需要老細(xì)胞最快速的運(yùn)動(dòng)、新細(xì)胞控制更復(fù)雜行為的過程中，魚后腦部的神經(jīng)元排列整齊。

但研究者們對恩格特結(jié)論的興趣遠(yuǎn)比不上對他技術(shù)的興趣，用他的技術(shù)可以在完整的活體大腦中觀察所有神經(jīng)元。倫敦國王學(xué)院的神經(jīng)科學(xué)家馬丁·邁耶（Martin Meyer）用鈣成像來說明斑馬魚大腦中不同層位的細(xì)胞對特定方向移動(dòng)的物體如何做出反應(yīng)。他說：“在其他動(dòng)物身上你沒法做到。一旦你用了這個(gè)技術(shù)，你的機(jī)會(huì)多少就無止境了?！?/p>

對其他動(dòng)物進(jìn)行研究的神經(jīng)科學(xué)家們也為恩格特的技術(shù)喝彩，盡管他們表示對此持保留意見。弗吉尼亞州霍華休斯醫(yī)學(xué)研究中心的珍妮莉婭法姆研究學(xué)院研究線蟲大腦的雷克斯·克爾（Rex Kerr）表示：“它也并非萬能。 ”

克爾注意到，雙光子顯微鏡不能同時(shí)精確成像30萬神經(jīng)元。然而，恩格特的研究小組系統(tǒng)監(jiān)測32條魚300個(gè)分區(qū)中約1 000個(gè)神經(jīng)元，然后用計(jì)算機(jī)模型將神經(jīng)元活動(dòng)合成在一個(gè)參照大腦上?？藸栒J(rèn)為，對某些行為來說，這種平均的神經(jīng)活動(dòng)可以掩飾單個(gè)神經(jīng)元中的有意思的活動(dòng)模式。盡管如此，很多有意思的活動(dòng)取決于很多細(xì)胞種群。斑馬魚對于了解那些總體效果“極有價(jià)值”。

魚類未來

為什么更多的科學(xué)家將斑馬魚用于研究，其中有實(shí)際的原因。包括溝通、社會(huì)互動(dòng)以及復(fù)雜情感在內(nèi)的一些高級(jí)的行為根本沒法由動(dòng)物來表現(xiàn)。科學(xué)家們?nèi)匀恍枰业椒椒ㄈパ芯眶~類一些基本的反饋。

也就是說，究竟恩格特的技術(shù)能夠監(jiān)測其他的什么行為還不為人知。倫敦大學(xué)學(xué)院的詹森·里埃（Jason Rihel）正在建立一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，他想用類似的方法研究能夠產(chǎn)生下視丘分泌素的神經(jīng)元，下視丘分泌素與睡眠有關(guān)。里埃說：“如果我們能夠在觸動(dòng)或者抑制下視丘分泌素神經(jīng)元的情況下觀察這個(gè)大腦，我們就可能繪制出在不同大腦活動(dòng)下所有的神經(jīng)元?！?/p>

總是有自己獨(dú)特潮范的恩格特有著自己的宏偉計(jì)劃。目前他手下有5名博士后，8名研究生和他一起參與一項(xiàng)別樣的斑馬魚實(shí)驗(yàn)，有監(jiān)測魚兒學(xué)習(xí)適應(yīng)恐懼的洗熱水澡，到將魚兒放在高酒精濃度的水中測試積極獎(jiǎng)勵(lì)的效果。

他同時(shí)還在研究一個(gè)編外項(xiàng)目，今年晚些時(shí)候可能會(huì)引起人們注意，那就是：斑馬魚連接體。恩格特的團(tuán)隊(duì)在研究活體的幼年斑馬魚注視移動(dòng)物體時(shí)的全腦功能成像，之后他們將大腦成像傳給哈佛同事杰夫·利希特曼（Jeff Lichtman），請他用電子顯微鏡追蹤其中解剖學(xué)上的聯(lián)系。恩格特說：“我們會(huì)有一個(gè)完整大腦的線路圖，將結(jié)構(gòu)和功能聯(lián)系起來?！?/p>

借助各類資源，恩格特和他的斑馬魚可能會(huì)找到神經(jīng)科學(xué)家們自卡哈爾以來一直在苦苦尋找的東西：描述神經(jīng)回路之間如何互相作用的基本原則。恩格特表示：“即使在有生之年沒有找到，我的人生也不是失敗，但我愿意去追尋。將魚類用于研究的成功幾率是用老鼠的10倍?！?/p>