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是谁,在神经科学界风生水起?


是谁,在神经科学界风生水起?

从通电的青蛙到放在MRI中的鲑鱼,几十年来水生动物一直处于神经科学的前沿。




 GEORGINA CRAIG

封面:Ryan F Johnson


NEUROSCIENCE  神经科学



两个多世纪以前,人们发现电能够使肌肉收缩。五十年以前,一项描述单个细胞——也就是神经元——产生的“生物电”的研究获得了诺贝尔医学奖。从那之后,人们不断推动技术的发展。我们不仅能够记录单一神经元中的电活动,而且可以同时记录成千个神经元中的电活动。今天,人们正在完成一项看似不可能完成的任务:绘制整个人类神经网络的图谱。


所有这一切的科学进步有什么共同之处?使它们变为现实的,都是一些看似与此无关的水下生物。


我们经常看到的实验动物都是啮齿动物、农场动物以及灵长类动物。在学术界,为了某个测验而生的“实验室大鼠”,或者某个人的“豚鼠”可以被随意操纵并不稀奇。但是有一个例外:越来越多的澳大利亚科学实验是在鱼类、两栖类动物以及其他水生动物,而不是在大鼠、豚鼠、兔子和灵长类动物身上进行的。越来越多的神经科学家正在对利用海洋野生动物来阐释人类大脑活动的想法产生兴趣。


虽然这听起来有些可疑,但这并非一件新鲜事——这些滑溜溜的生物,已经在神经科学界掀起了长达200年之久的波澜。


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甚至一条死去的大西洋鲑鱼也在神经科学的历史上发光发热

图片来源:wikipedia


1792年,路易吉·加尔瓦尼(Luigi Galvani),一位意大利的内科医生兼研究者,有了一项重大的发现。在解剖一只青蛙的腿时, 加尔瓦尼的金属手术刀碰到了这只两栖动物暴露在外的坐骨神经。奇怪的是(或许对于加尔瓦尼来讲十分令人不安的是)死去的青蛙腿抽动了一下。加尔瓦尼重复了他的实验,惊奇地发现作为电荷导体的金属手术刀一次又一次地“重新激活”青蛙的肌肉。


加尔瓦尼的青蛙实验在国际上激起了对于生物电以及生命本质的兴趣:通过恢复青蛙的运动,加尔瓦尼使它们复活了吗?有传言讲,这个古怪的想法甚至激发了同时代中一位作家玛丽·雪莱(Mary Shelley)的灵感,她在著有影响深远的小说《弗兰肯斯坦》中描写了生物电的万物有灵论。


死青蛙的腿提供了一个小小的暗示:神经有能力“储存”电能,但它们是如何做到这一点的呢?加尔瓦尼曾经听说过一个叫做“莱顿瓶”的装置,它使容器的一侧产生正电荷,另一侧产生负电荷,这样在容器中就可以储存电能。他推测,这也是肌肉中神经纤维储存电能的方式。


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意大利科学家路易吉·加尔瓦尼(右)和一次他记忆最完备的实验插图

图片来源:wikipedia


不幸的是,加尔瓦尼没有办法证明他的理论。测量神经纤维内外表面的电荷需要在每个表面放置记录针;而将针插入神经纤维中且不破坏膜结构几乎是不可能的。直到150年之后,人们才意识到应该寻找一些更大的实验材料,而不是试图将针做得更加小。


乌贼演化出了一种独特的神经环路,这种神经环路是它们逃避行为的基础。它们拥有增大的“逃跑神经元”,纤维比其他神经元更厚。较大的纤维比较小的纤维传导信号的速度更快。因此,当乌贼躲避捕食者时,“逃跑神经元”的激活意味着它们可以快速逃跑。


20世纪50年代,艾伦·霍奇金(Alan Hodgkin)和安德鲁·赫胥黎(Andrew Huxley)意识到乌贼是唯一一种神经纤维大到足以成功插入记录电极的动物。在一系列获得诺贝尔奖的开创性实验中,霍奇金和赫胥黎详细描述出正负离子如何通过神经元膜产生电信号,正如加尔瓦尼当时所假设的那样。


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长鳍近岸乌贼(Doryteuthis pealeii)是解释动作电位如何产生的重要研究对象。

图片来源:wikipedia


青蛙和乌贼揭示了单个神经元产生电信号的机制,但是大脑如何工作呢?霍奇金-赫胥黎实验发表的同一年,诺贝尔物理学奖表彰了核磁共振(MRI)的发现。在20世纪70年代,研究人员意识到他们可以用非侵入性的方式成像。第一个以这种方式成像的生物,并非普通的实验室大鼠,而是另一种水下生物:蛤蜊。这项技术十分成功,很快就成为所有主要研究机构和医院的标配,用于诊断人类的医疗状况。


上个十年里,神经科学家克雷格·贝内特(Craig Bennett)领导的美国研究团队进行了一项MRI研究,意在观察大脑中涉及社会判断的区域。研究人员向参与者展示各种社会情景的图片,并要求他们判断图片中人的感受。然而,在研究正式开始之前,研究人员需要在MRI仪器上进行一项常规的预测试,以检查设置是否达到了适当的分辨率和对比度。贝内特想要测试一种和人类大脑相似的结构,这种结构中包含着脂肪、骨骼和肌肉。在当地的熟食店中,贝内特找到了完美的实验对象:一条完整的大西洋鲑鱼。


贝内特和同事们将死去的鲑鱼放入MRI仪器中并进行了实验过程,展示了一些社交场景的照片,直到鱼“有所反应”。鲑鱼的大脑竟然有了反应!难道贝内特,就像加尔瓦尼一样,在这条鲑鱼身上简短地恢复了生命吗?不,当然不是。鲑鱼已经死了好几天后才出现在熟食店中。贝内特知道,这条鲑鱼只是所谓的“红鲱鱼”——并非问题的重点。


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磁共振成像显示,在死去的大西洋鲑鱼的脑腔和脊柱有明显的神经活动,但实际上这是一种统计上的人工产物。

图片来源:wikipedia


要测量MRI图像某个区域的活动,必须将该特定区域的信号与所有其他区域的信号进行比较。对整个图像进行测量相当于要做大量的比较。贝内特知道,在对许多比较进行统计分析时,经常会出现统计出错的情况。它会生成一小部分“错误的”答案,即与其他答案相比被错误地认定为活跃或不活跃的区域。


所谓鲑鱼的大脑活动,不过是在测量过程中引入的错误。


贝内特的鲑鱼强调了正确的统计校正的重要性,由此获得2012年的“搞笑诺贝尔奖”,这个科学奖项以“让你笑,然后让你思考”著称。从诺贝尔到搞笑诺贝尔奖,各种各样的水下动物推动了主流神经科学的研究潮流。

 

一条会照镜子的鱼,泛起认知领域的水花

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一条通过“镜子测试”的小鱼,再次引发人们对于如何定义和测量自我意识的讨论。


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神经科学领域的下一条大鱼似乎是最小的:微小的热带斑马鱼(tropical zebrafish)。在生命的最初几周里,斑马鱼是半透明的。就像MRI一样,这意味着我们可以在自由活动的斑马鱼身上观察其神经系统。然而,这些斑马鱼可以以更高的分辨率成像,包括单个细胞的结构和行为。更棒的一点是,斑马鱼十分便宜,繁殖速度很快,并不占用太多空间,难怪学界的思想潮流正向鱼群涌去。


哈佛大学神经科学家弗洛里安·恩格特(Florian Engert)拥有着自己的实验室,他的实验室几乎只研究斑马鱼。他的团队正在解决现代神经科学最令人困惑的挑战之一:建立大脑全回路功能的模型。他的实验室是第一个同时记录活体中每一个神经元活动、并成功地绘制出每个神经元的位置和连接的实验室。恩格特的工作意味着在细胞水平上创建全脑功能综合模型方面的巨大进步。


神经科学的历史仿佛是在和许多不同的水下生物一起沉浮。这些水下生物是一些最伟大成就的基础。当然,如果神经科学的下一个大的水花并不是由于这些水下伙伴溅起的,我也并不会不知所措——毕竟,海里好鱼多得是。



翻译:ZIWEN

审校:曹安洁

排版:北方

http://www.lateralmag.com/articles/issue-30/making-a-splash


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《是谁,在神经科学界风生水起?》原文地址:
http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI0MjI1NTgxNQ==&mid=2651423230&idx=1&sn=1deae814aeb18196dfe5a2c61f0d49c6&chksm=f2823356c5f5ba40a8c9146404f2f4f164c05fd74928ac74615981d71f26c063b125a97f9260
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