首次完整揭開動物神經(jīng)系統(tǒng)的神秘面紗

在生物學(xué)中，結(jié)構(gòu)對功能的實現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用。從蛋白質(zhì)水平而言，蛋白質(zhì)是生命活動的體現(xiàn)者，它的生物學(xué)功能在一定程度上取決于它特定的三維空間結(jié)構(gòu)。從個體水平而言，身體每一個器官的功能也取決于內(nèi)在的結(jié)構(gòu)。然而，對于人體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)——大腦，它的均勻性與膠狀稠度幾乎掩蓋了其背后結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。數(shù)以十億計的神經(jīng)細(xì)胞（神經(jīng)元），通過數(shù)萬億的連接（突觸）相互作用，形成感知刺激、存儲記憶和產(chǎn)生情緒的環(huán)行路線。在此環(huán)行路線里面，每個神經(jīng)元及其包含的所有突觸之間的相互連接模式，從神經(jīng)元到各種行為之間的映射，以及完整的神經(jīng)支配結(jié)構(gòu)體系的走向，都是研究人員一直以來想要破解的難題。倘若我們能夠繪制一張完整的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接的藍(lán)圖，這將有助于我們更深入地了解大腦內(nèi)在的神經(jīng)交織結(jié)構(gòu)，從而繼續(xù)探索“上層建筑”的相關(guān)問題。

連接組學(xué)（Connectomics）是近年來生命科學(xué)領(lǐng)域中神經(jīng)科學(xué)的研究熱點，通過繪制大腦區(qū)域和神經(jīng)系統(tǒng)中的無數(shù)神經(jīng)連接的結(jié)構(gòu)，借此來探尋導(dǎo)致某一行為的特定神經(jīng)環(huán)路，揭開神經(jīng)元和行為之間的映射關(guān)系。連接組學(xué)是一個對大腦進(jìn)行研究的逆向工程，曾被賦予“神經(jīng)領(lǐng)域最高級別的研究計劃”的稱號并受到廣泛的資助。

連接組學(xué)的前身

早在連接組學(xué)出現(xiàn)之前，已有研究人員開始破解神經(jīng)系統(tǒng)這一項難題。20世紀(jì)60年代，英國劍橋大學(xué)教授悉尼·布倫納（Sydney Brenner）在發(fā)現(xiàn)信使核糖核酸（mRNA）和破譯遺傳密碼子之后，開始將目光轉(zhuǎn)移至下一個前沿工作——神經(jīng)生物學(xué)。大腦是復(fù)雜的有機體，它如何支配錯綜復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)去執(zhí)行對應(yīng)的功能？這其間又是怎樣的連接模式？為此，布倫納展開了他的求知探索。

在開展這項研究之前，布倫納期望能夠?qū)ふ业揭环N猶如噬菌體一樣快速、大量地繁殖，而且神經(jīng)細(xì)胞較少、體積較小、利于透射電子顯微鏡及遺傳學(xué)手段研究的生物體。秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans）的發(fā)現(xiàn)為布倫納開展神經(jīng)生物學(xué)研究提供了良好的素材。

秀麗隱桿線蟲身體透明，神經(jīng)系統(tǒng)構(gòu)成簡單，可以作為神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其功能研究的模式生物。成年線蟲僅有1毫米的長度，由大約1 000個細(xì)胞組成，其中，1/3的細(xì)胞為神經(jīng)元（雌雄同體中有302個神經(jīng)元，雄性個體中有385個神經(jīng)元），這種潛在的優(yōu)勢為布倫納建立以秀麗隱桿線蟲為模式生物來研究多細(xì)胞復(fù)雜生物體的發(fā)育及其他生物學(xué)過程提供了有利的先決條件。

因秀麗隱桿線蟲的神經(jīng)元太小，在光學(xué)顯微鏡下觀察不便，布倫納研究團(tuán)隊將其神經(jīng)元固定，制成極薄的橫截面切片并在顯微鏡下對每個切片中可見的神經(jīng)元進(jìn)行精確分析。隨后，該團(tuán)隊將一個橫截面切片中的神經(jīng)元與另一個切片中的神經(jīng)元連接在一起，在每個橫截面切片之間手動繪制連接點并繪制出神經(jīng)元之間的突觸（據(jù)統(tǒng)計約有5 000個）。1986年，布倫納發(fā)表了第一張秀麗隱桿線蟲的神經(jīng)系統(tǒng)圖。

布倫納的這一研究成果開創(chuàng)了連接組學(xué)的前身，并將秀麗隱桿線蟲作為研究神經(jīng)生物學(xué)的重要動物模型。但是，這一研究成果稱不上完美和全面。首先，用肉眼逐一觀察每個切片勢必會有一定的局限和誤差。其次，布倫納只揭露了雌雄同體這一種性別的秀麗隱桿線蟲的神經(jīng)連接模式，對于雄性的秀麗隱桿線蟲的神經(jīng)連接模式卻未有報道。因此，這項研究還不足以完全說明秀麗隱桿線蟲的神經(jīng)系統(tǒng)的運作方式。不過，布倫納的研究仍為開啟連接組學(xué)的研究指明了方向并奠定了堅實的研究基礎(chǔ)。

2012年，來自美國艾伯特·愛因斯坦醫(yī)學(xué)院的斯科特·埃蒙斯（Scott Emmons）團(tuán)隊為上述研究填補了空缺。該團(tuán)隊開發(fā)了一種能更加準(zhǔn)確映射神經(jīng)元的軟件，解決了因肉眼觀察帶來的局限性和誤差問題。此外，該團(tuán)隊還獲得了秀麗隱桿線蟲雄性尾部的神經(jīng)連接數(shù)據(jù)。這一研究成果發(fā)表在國際期刊《科學(xué)》（Science）上。

完整揭開動物神經(jīng)系統(tǒng)的面紗是連接組學(xué)一個里程碑式的工作，極大地推動了神經(jīng)生物學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。

連接組學(xué)的突破

埃蒙斯研究團(tuán)隊乘勝追擊，通過新的電子顯微鏡的成像技術(shù)和新開發(fā)的神經(jīng)元映射軟件得到了秀麗隱桿線蟲雄性個體頭部神經(jīng)環(huán)路數(shù)據(jù)，包括神經(jīng)環(huán)、逆行神經(jīng)節(jié)等，并對布倫納之前的研究數(shù)據(jù)重新進(jìn)行了分析和注解。埃蒙斯研究團(tuán)隊將前后兩種研究數(shù)據(jù)拼湊在一起，構(gòu)建出兩種性別的秀麗隱桿線蟲成體的完整神經(jīng)連接圖譜，揭示了兩種性別的秀麗隱桿線蟲從感覺輸入到終端輸出的完整神經(jīng)連接模式，包括各個神經(jīng)元之間的連接、神經(jīng)元和肌肉或其他組織之間的連接，以及肌肉組織之間的連接，并提供了這些連接強度的預(yù)估數(shù)據(jù)。2019年7月4日，此項研究成果刊登在國際期刊《自然》（Nature）中。這項研究首次完整地揭開了動物神經(jīng)系統(tǒng)的神秘面紗，使得連接組學(xué)迎來了史無前例的突破，極大地推動神經(jīng)生物學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。

埃蒙斯研究團(tuán)隊基于一種能夠定量地檢測突觸大小的重建方法，實現(xiàn)了對神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行量化的圖標(biāo)分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析，這種數(shù)字化圖像注釋的方法與以前的工作相比，可以獲得更多的突觸。

因電子顯微鏡不能完全覆蓋整個秀麗隱桿線蟲，于是，埃蒙斯研究團(tuán)隊將來自不同系列的圖像進(jìn)行組合并重建，對重復(fù)區(qū)域進(jìn)行分析并通過重復(fù)區(qū)域推斷神經(jīng)連接環(huán)路?；谝陨戏椒?，該團(tuán)隊解析出雌雄同體的秀麗隱桿線蟲的神經(jīng)連接圖譜中具有460個節(jié)點（302個神經(jīng)元、132塊肌肉組織以及26個非肌源性末端器官）、4 887個化學(xué)突觸、1 447個突觸間隙，雄性的秀麗隱桿線蟲的神經(jīng)連接圖譜中則具有579個節(jié)點（385個神經(jīng)元、155塊肌肉組織以及39個非肌源性末端器官）、5 315個化學(xué)突觸、1 755個突觸間隙。這種二維空間的個體連接圖譜的建立是基于感覺信息流信號途徑的計算分類、感覺神經(jīng)元與末端器官之間較少數(shù)量的突觸連接以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的前饋特點。

據(jù)統(tǒng)計，這兩種性別的秀麗隱桿線蟲的神經(jīng)系統(tǒng)差異高達(dá)30%，主要集中在生殖功能：在雌雄同體中控制外陰和子宮肌肉的運動神經(jīng)元；與雄性個體交配有關(guān)的控制性肌肉和尾部的神經(jīng)環(huán)路。仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，兩種性別的秀麗隱桿線蟲都存在的神經(jīng)元是在物理和化學(xué)環(huán)境中為頭部運動和導(dǎo)航提供感覺輸入和決策的中樞神經(jīng)元，其突觸連接路徑是相似的，但突觸強度是不同的。

神經(jīng)系統(tǒng)與行為之間的映射

兩種性別的秀麗隱桿線蟲之間的連接圖譜存在顯而易見的不同，那么這種不同對于各自的行為是如何映射和影響的？為此，研究人員解析了兩種性別的秀麗隱桿線蟲是如何完成個體行為需要的。

●身體運動

秀麗隱桿線蟲在覓食和運動過程中的移動是由身體上排成4列的95塊體壁肌肉產(chǎn)生的，其中兩列位于背側(cè)，另兩列位于腹側(cè)。154個神經(jīng)元具有神經(jīng)肌肉連接，在這些神經(jīng)元中，它們大部分信息輸出到肌肉之上，控制肌肉收縮。研究人員將其中的108個神經(jīng)元歸類為運動神經(jīng)元并根據(jù)功能將其分為3組：一組是頭部運動神經(jīng)元，支配前體區(qū)域的肌肉；另一組是腹神經(jīng)索運動神經(jīng)元，支配身體其余部分的肌肉；最后一組是外側(cè)分支運動神經(jīng)元。迄今為止，對外側(cè)分支運動神經(jīng)元的描述還不完全，因為它們的軸突未被高倍鏡下的電鏡采集到。

可以預(yù)料，秀麗隱桿線蟲的行為姿勢是由這3組運動神經(jīng)元的輸入總和引起的肌肉緊張造成的。三大類別的運動神經(jīng)元之間的分布與相互交流過程是非常復(fù)雜的。因此，想要完全解析秀麗隱桿線蟲的運動行為與神經(jīng)系統(tǒng)之間的關(guān)系還需要進(jìn)一步建立基于完整結(jié)構(gòu)的分析方法，并將秀麗隱桿線蟲的行為狀態(tài)與神經(jīng)信號輸出所建立的網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合。

●性別差異

埃蒙斯研究團(tuán)隊通過對兩種性別的秀麗隱桿線蟲的神經(jīng)連接圖譜進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，雌雄同體與雄性個體在神經(jīng)系統(tǒng)和末端器官之間也存在著一定的差異。在雌雄同體的秀麗隱桿線蟲中有8個神經(jīng)元和16塊性別特異的肌肉。在雄性的秀麗隱桿線蟲中則有91個神經(jīng)元和39塊性別特異的肌肉。這些性別特異性神經(jīng)元會整合在與294個神經(jīng)元共享的神經(jīng)系統(tǒng)中。在雄性個體中，67%的共享性神經(jīng)元來自性別特異性神經(jīng)元的輸入，占神經(jīng)元總輸入的16%；相反，54%的共享性神經(jīng)元輸出到性別特異性肌肉，占性別特異性神經(jīng)元輸入的18%。在雌雄同體的秀麗隱桿線蟲中，37%的神經(jīng)元是雌雄同體特異性神經(jīng)元（HSN）和腹神經(jīng)索（VC）的目標(biāo)，但這只占共享性神經(jīng)元總輸入的1.4%。

控制產(chǎn)卵交配的性別特異性神經(jīng)環(huán)路包括性別特異性和性別共享性神經(jīng)元。在雄性個體中，控制產(chǎn)卵交配的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由85個雄性特異性和64個共享性神經(jīng)元組成。雄性個體的一些共享性神經(jīng)元與其在雌雄同體中的功能相同，但它們是雄性個體特異性神經(jīng)元的目標(biāo)。與成年雌雄同體和幼蟲階段的秀麗隱桿線蟲相比，成年雄性的秀麗隱桿線蟲在參與雄性特異性神經(jīng)環(huán)路的其他共享性神經(jīng)元中有著廣泛的分化。

性別特異性神經(jīng)元連接到大腦的性別共享性中樞神經(jīng)環(huán)路中，有兩個功能：調(diào)節(jié)生殖活動中的行為；介導(dǎo)性別特異性的欲求決策。它們的一些輸出目標(biāo)（其中有幾個在兩性中都是目標(biāo)）也從性別共享的感覺環(huán)路接收信息，從而調(diào)節(jié)生殖和非生殖行為。

揭開完整神經(jīng)系統(tǒng)面紗的研究意義

埃蒙斯研究團(tuán)隊揭秘秀麗隱桿線蟲完整的神經(jīng)連接圖譜的工作極大地擴展了線蟲分支運動神經(jīng)元的表征，鑒定了性別信號通路中的中間神經(jīng)元，建立了神經(jīng)元之間信號傳輸?shù)膶蛹壗Y(jié)構(gòu)，進(jìn)一步強調(diào)了連接組學(xué)對于研究神經(jīng)系統(tǒng)與動物行為之間關(guān)系的重要作用。

早在19世紀(jì)，神經(jīng)科學(xué)家就一直致力于尋找與行為相對應(yīng)的神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及細(xì)胞組成。法國外科醫(yī)生、神經(jīng)病理學(xué)家、人類學(xué)家保爾·布羅卡（Paul Broca）首次通過尸檢證明了語言缺陷與大腦特定區(qū)域相關(guān)，該區(qū)域后來被稱為布羅卡（Broca）區(qū)。布羅卡區(qū)的發(fā)現(xiàn)是對大腦功能整體學(xué)的第一次真正的挑戰(zhàn)。它的發(fā)現(xiàn)不僅使我們了解到神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的機能有自己特殊的定位，而且還找到了以腦溝回作為大腦機能分區(qū)的明確標(biāo)志。

20世紀(jì)60年代，已有一些關(guān)于神經(jīng)連接圖譜解析的報道，雖然不夠全面和深入，但這些數(shù)據(jù)是秀麗隱桿線蟲神經(jīng)生物學(xué)研究的基礎(chǔ)，為神經(jīng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的研究和動態(tài)變化過程的檢測提供了重要的依據(jù)，有助于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的建立和發(fā)展?；谇叭说难芯?，埃蒙斯研究團(tuán)隊建立了一種定量的、基于突觸大小對神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行量化的圖標(biāo)分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析的方法，對兩種性別的秀麗隱桿線蟲的神經(jīng)連接進(jìn)行了系統(tǒng)分析。該項研究不僅精確分析和注解了布倫納的研究數(shù)據(jù)，又獲得了雄性的秀麗隱桿線蟲頭部的神經(jīng)連接數(shù)據(jù)，并將其與之前發(fā)表的雄性個體的尾部數(shù)據(jù)進(jìn)行了整合。最后，埃蒙斯研究團(tuán)隊完整地勾畫出了秀麗隱桿線蟲的神經(jīng)連接圖譜，包括它的雌雄同體和雄性個體，并揭示出了它們之間的實質(zhì)性差異。

秀麗隱桿線蟲連接圖譜全解析的工作為人們建立新穎的神經(jīng)連接模型、解析神經(jīng)系統(tǒng)與行為之間的關(guān)系、猜測某些神經(jīng)疾病的機制提供了一定的研究基礎(chǔ)。神經(jīng)疾病的研究一直是研究人員試圖攻克的難題，但人腦的復(fù)雜性一直是神經(jīng)生物學(xué)研究領(lǐng)域前進(jìn)的絆腳石。在沒有一張完整的神經(jīng)連接圖譜的指引下，研究人員很難理清人腦內(nèi)部復(fù)雜交錯的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)。完整的秀麗隱桿線蟲神經(jīng)連接圖譜的問世，一方面是連接組學(xué)一個里程碑式的工作，另一方面也解讀了神經(jīng)系統(tǒng)是如何控制秀麗隱桿線蟲的身體行為的。更重要的是，秀麗隱桿線蟲的神經(jīng)系統(tǒng)中含有某些與人類神經(jīng)系統(tǒng)相同的分子，我們不妨借助秀麗隱桿線蟲的神經(jīng)圖譜去逐步了解人腦內(nèi)部的世界，這樣既可以慢慢揭開人腦的神秘面紗，還可以為某些疾病的研究尋找新的突破口。相信在不久的將來，我們可以聽到人腦的神秘面紗被揭開的喜訊。