四肢發(fā)達(dá)，得益于聰明的大腦

馬睿棋

在流浪貓的面前放一碗貓糧，你會(huì)發(fā)現(xiàn)大多數(shù)貓咪都看起來(lái)笨笨的，會(huì)用腦袋找好半天，才能準(zhǔn)確地找到貓糧開(kāi)吃。智商真讓人著急！然而，即使是這樣一只笨貓，一個(gè)機(jī)器人要在找貓糧這件事上超越它，也是很艱難的，甚至是不可完成的任務(wù)。因?yàn)樵趧?dòng)物各種肢體動(dòng)作的背后，都有大腦在指揮、在計(jì)算。

我們常說(shuō)“四肢發(fā)達(dá)，頭腦簡(jiǎn)單”，這真的是很老舊的乃至是錯(cuò)誤的說(shuō)法。

窺探大腦工作過(guò)程

動(dòng)物甚至我們?nèi)祟?lèi)在做動(dòng)作時(shí)，大腦是如何工作的呢？

過(guò)去，人們依靠功能核磁共振技術(shù)觀察動(dòng)物或者人身體做特定動(dòng)作時(shí)大腦中哪一部分的耗氧量增加，來(lái)大致判斷各個(gè)腦區(qū)負(fù)責(zé)的相應(yīng)功能?，F(xiàn)在有了更精確的光遺傳學(xué)技術(shù)后，人們可以觀察到身體做動(dòng)作時(shí)，大腦中特定神經(jīng)元的激活狀態(tài)。

那么，光遺傳學(xué)技術(shù)是怎么做到的呢？

我們先了解一下神經(jīng)細(xì)胞是如何工作的。每個(gè)神經(jīng)細(xì)胞外面都包裹著一層細(xì)胞膜，將其與外部環(huán)境隔離開(kāi)來(lái)。這層細(xì)胞膜由兩層磷脂分子組成。在磷脂分子中，鑲嵌著一些特定的蛋白質(zhì)。這些蛋白質(zhì)就像城門(mén)一樣，讓特定的一些物質(zhì)進(jìn)進(jìn)出出。這些特定物質(zhì)往往攜帶著來(lái)自鄰近或者較遠(yuǎn)的其他神經(jīng)細(xì)胞傳遞過(guò)來(lái)的信息或指令。在這些物質(zhì)進(jìn)進(jìn)出出的過(guò)程中，神經(jīng)細(xì)胞就接收以及發(fā)出特定的指令。這樣，一組神經(jīng)細(xì)胞在一起，就可以指揮身體完成相應(yīng)的動(dòng)作。

光遺傳學(xué)技術(shù)既借助了遺傳工程技術(shù)，也借助了光。它首先采用遺傳工程技術(shù)，改造了這些像城門(mén)一樣的特定蛋白質(zhì)，讓這些蛋白質(zhì)變得對(duì)特定波長(zhǎng)的光波敏感。于是，“城門(mén)”的開(kāi)關(guān)，就受特定的光源控制了。這樣，一方面，當(dāng)身體做出動(dòng)作時(shí)，我們可以通過(guò)檢測(cè)大腦中哪些神經(jīng)細(xì)胞在發(fā)光，觀察神經(jīng)細(xì)胞的功能；另一方面，也可以用特定的光源開(kāi)關(guān)神經(jīng)細(xì)胞膜上的“城門(mén)”，激活或者抑制特定的神經(jīng)細(xì)胞，繼而控制身體的特定動(dòng)作。

不得不說(shuō)，光遺傳學(xué)技術(shù)真是神經(jīng)科學(xué)家的好幫手。

一種可調(diào)LED 光源系統(tǒng)。它由兩種不同的LED 波長(zhǎng)組成，藍(lán)光和黃光或兩種顏色的組合，分別達(dá)到刺激或者抑制神經(jīng)元活動(dòng)的作用

每個(gè)動(dòng)作都離不開(kāi)大腦的精確計(jì)算

成語(yǔ)“探囊取物”形容辦成一件事情輕而易舉。而實(shí)際上，要完成這個(gè)動(dòng)作，也是很不容易的。

幾年前，一位科學(xué)家在生命科學(xué)領(lǐng)域的著名學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》上發(fā)表了一篇論文，內(nèi)容是他借助光遺傳學(xué)技術(shù)描述了小鼠的大腦和前肢如何配合，從而完成了探囊取物的過(guò)程：先是小鼠大腦中的一組特定神經(jīng)細(xì)胞指揮前肢伸到大致的方向和長(zhǎng)度，然后另一組神經(jīng)細(xì)胞加入，指揮前肢和爪子進(jìn)行一系列更精確的試探，繼而準(zhǔn)確地完成抓取任務(wù)。這個(gè)過(guò)程復(fù)雜，然而小鼠輕輕松松地在一瞬間就完美地完成了。

2022 年，來(lái)自美國(guó)麻省理工學(xué)院的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，小鼠在完成動(dòng)作精確性的試探時(shí)，大腦中進(jìn)行了類(lèi)似數(shù)學(xué)上的微積分求導(dǎo)計(jì)算的處理過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)中，小鼠的頭部被固定在專(zhuān)門(mén)的跑步機(jī)上。跑步機(jī)的跑道自身不會(huì)運(yùn)動(dòng)，必須通過(guò)小鼠跑步來(lái)驅(qū)動(dòng)。跑步機(jī)前面裝有由一串LED 燈組成的一個(gè)視覺(jué)標(biāo)志，小鼠需要在標(biāo)志處及時(shí)停下來(lái)，獲得獎(jiǎng)勵(lì)；如果跑過(guò)了標(biāo)志，則會(huì)被懲罰。這樣，科學(xué)家逐步訓(xùn)練小鼠學(xué)會(huì)在標(biāo)志處及時(shí)停住腳步，然后用光遺傳學(xué)技術(shù)研究小鼠大腦中的神經(jīng)元活動(dòng)情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，小鼠為了在最短的時(shí)間獲得獎(jiǎng)勵(lì)，在一開(kāi)始加速跑，在臨近標(biāo)志處時(shí)又緊急“剎車(chē)”。

那么，小鼠在跑動(dòng)過(guò)程中，大腦何時(shí)給出“剎車(chē)信號(hào)”，才能讓時(shí)間最短呢？

小鼠不是在一次奔跑中得到答案的，而是在數(shù)次奔跑中通過(guò)大腦神經(jīng)元和眼睛、肢體之間不斷磨合，從而找到這個(gè)最優(yōu)解的。在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，小鼠的大腦中存在著兩條通路：一條是興奮通路，讓小鼠加速跑；另一條是抑制通路，讓小鼠及時(shí)“剎車(chē)”。小鼠利用抑制信號(hào)和興奮信號(hào)之間的時(shí)間差，經(jīng)過(guò)很多次的嘗試后，終于實(shí)現(xiàn)了完美的“剎車(chē)”?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)過(guò)程中，小鼠大腦中神經(jīng)元的處理過(guò)程像極了數(shù)學(xué)微積分求導(dǎo)計(jì)算的處理過(guò)程。

其實(shí)，不僅小鼠，我們?nèi)祟?lèi)在做類(lèi)似動(dòng)作時(shí)，大腦也在不知不覺(jué)地進(jìn)行著類(lèi)似數(shù)學(xué)微積分求導(dǎo)計(jì)算的處理過(guò)程?？此埔粋€(gè)個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)作，背后卻有著這么高深復(fù)雜的神經(jīng)過(guò)程。生命真是一個(gè)了不起的奇跡呀！

（責(zé)任編輯：陸艷）