加州理工学院研究人员开发出可“阅读”水母思想的工具

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加州理工学院的研究人员现已经开发出一种专门用于修补Clytia hemisphaerica的遗传工具箱，这是一种完全生长时直径约为1厘米的水母。通过利用这个工具箱，研究人员将这些微小的生物进行了基因改造，从而使它们的神经元在激活时单独发出荧光。由于水母是透明的，所以研究人员可以观察动物的神经活动的光芒。也就是说，研究小组可以在水母进食、游泳、躲避捕食者等过程中读懂它的思想，进而了解动物相对简单的大脑如何协调其行为。

据悉，该项研究的论文已于2021年11月24日发表在《Cell》上。

说到实验室中使用的模型生物，水母是一个极端的异类。蠕虫、苍蝇、鱼和老鼠--一些最常用的实验室模型生物--从遗传学上讲，它们彼此之间的关系都比水母更密切。事实上，蠕虫在进化上比它们跟水母更接近人类。

“水母是一个重要的比较点，因为它们的关系如此遥远，”这项研究的论文第一作者、博士后学者Brady Weissbourd指出，“它们让我们提出这样的问题：是否存在所有神经系统共享的神经科学原理？或者，第一批神经系统可能是什么样子的？通过更广泛地探索自然，我们也可能发现有用的生物创新。重要的是，许多水母是小而透明的，这使得它们成为系统神经科学的令人兴奋的平台。这是因为有惊人的新工具可以利用光线对神经活动进行成像和操纵，你可以把整个活水母放在显微镜下，一次就能看到整个神经系统。”

水母的大脑不像我们自己的大脑那样集中在身体的某个部位，而是像一张网一样散布在动物的整个身体上。水母的各个身体部分可以在没有集中控制的情况下，看似自主地运作。比如像通过手术切除的水母嘴，即使没有动物身体的其他部分，其仍也可以继续“进食”。

这种分散的身体计划似乎是一种非常成功的进化策略，因为水母在整个动物界已经持续了数亿年。但分散的水母神经系统是如何协调和安排行为的呢？

在开发出跟Clytia一起工作的遗传工具后，研究人员首先检查了这种动物的摄食行为所依据的神经回路。当Clytia用触手抓住一只卤水虾时，它会折叠身体，以便将触手带到它的嘴边，同时将它的嘴向触手弯曲。而水母的大脑显然是非结构化和径向对称的，那么它hi如何协调水母身体的这种定向折叠呢？

通过检查动物的神经元在进食时发生的发光连锁反应，研究小组确定，一个产生特定神经肽（一种由神经元产生的分子）的神经元子网络负责空间定位的身体向内折叠。此外，尽管水母的神经元网络最初似乎是分散的和无结构的，但研究人员发现了一种令人惊讶的组织程度，只有在它们的荧光系统中才能看到。

“我们的实验显示，支撑圆形水母伞的看似分散的神经元网络实际上被细分为成片的活跃神经元像比萨饼的切片一样被组织成楔形，”Anderson解释道，“当水母用触手抓住一只盐水虾时，离该触手最近的‘披萨片’中的神经元会首先激活，这反过来又导致伞的那一部分向内折叠，然后把虾带到嘴边。重要的是，如果你看水母的解剖结构，即使用显微镜，也完全看不到这一层次的神经组织。你必须能将活跃的神经元可视化才能看到它--这正是我们的新系统所能做到的。”

Weissbourd强调称，这只是了解水母行为的全部剧目的表面。“在未来的工作中，我们想把这种水母作为一个可操作的平台以精确地了解行为是如何由整个神经系统产生的。在食物传递的背景下，了解触手、伞和嘴都是如何相互协调的，让我们能了解到神经系统内模块化功能的更普遍问题以及这些模块如何相互协调。最终的目标不仅是了解水母的神经系统，而且还要把它作为一个跳板在未来了解更复杂的系统。”

这个新模型系统对于任何地方的研究人员来说都是直接使用的。水母的品系可以在实验室环境中的人工海水中维持并被运送给那些有兴趣使用这种小动物回答问题的合作者手上。