文档介绍：鱼缸里的神经科学
邢鸿飞/编译
●虚拟世界里的小鱼儿为人类研究复杂的脑部结构开启了一扇窗户。
一条刚刚孵化出来的斑马鱼第一次向河的上游游去。它圆圆的大眼睛突出在睫毛状身体的前部,扫描着四周的状况。突然,一个小浪将它往后推了一下,它看到风景在眼前飞走了。鱼儿轻拂尾巴尽力原地不动。或者它就是这么想着。
实际上,幼鱼无法动弹,被用玻璃吸管悬在注满水的有盖培养皿中。实验室昏暗、杂乱的角落里有一台价值十万美元的显微镜,上面就是这个培养皿。从下部投影的胶片将鱼转入一个虚拟世界,那里或明或暗的移动带模拟着水下世界的景象。
尽管鱼儿没有移动,但控制它尾部的运动神经元在不停地发动,看起来就像是鱼儿在游动。这些信号输入电脑后,能够控制视频演示,向鱼儿发出它正常游动的几乎所有符号。自始至终,弗洛里安·恩格特(Florian Engert)的显微镜聚焦着鱼儿细小的、半透明的大脑,来观察鱼儿移动时神经元发出的绿光。
研发此套设备的神经学科学家恩格特,经常开玩笑说斑马鱼就好比尼奥,尼奥是1999年科幻惊悚片《黑客帝国》里的主角。影片中,人类被机器奴役,进入一个虚拟现实世界,使得他们相信自己是自由的。恩格特在哈佛大学的团队希望在这个水生帝国里的鱼儿可以帮助他们解决神经科学里最大的难题:大脑中面团状的神经如何从外部世界和产生的反应中获取信息,引发一系列复杂的行为。
19世纪末期,西班牙解剖学家圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔(Santiago Ramón y Cajal)明确指出神经元是大脑中的基本单元。从那时候开始,大量神经科学家们把重点放在记录单个细胞的电声。还会有将电极植入猫、兔子、老鼠、海参、鱿鱼、猴子,甚至人类的大脑中。这一途径揭示出神经元对输入(如化学信使、声音或颜色)如何做出反应,如何产生个体的放电模式,它被大脑解码后激发行为。但这些细胞如何互相协作来诠释并整合复杂的、真实世界的感觉输入(例如移动的场景、气味、声音或者慢慢靠近的捕食者),
“仍然是个深隽的谜,”恩格特说,“这是接下来10年我们最大的挑战。”
30年来,发育生物学实验室里,幼年斑马鱼是兢兢业业的模式生物,因为它们成本低,基因操作相对比较容易,而且它们有着透明的组织,科学家们可以直接观察它们身体内部。恩格特和几位神经科学家一直在试着利用斑马鱼自身优势来研究大脑对视觉、听觉、运动甚至恐惧如何编码,这些是在更复杂的模式生物的大脑中无法展开研究的东西。科学家们使用一些技巧(例如恩格特的水生帝国),能够监测斑马鱼大约30万个神经元,并在活体大脑中跟踪它们的活动。此项创新举措意味着一向青睐对哺乳动物进行神经科学研究的基金评审人和顶级学术期刊开始把机会给了鱼类。
康奈尔大学的神经生物学家约瑟夫·费奇欧(Joseph Fetcho)率先对鱼类进行大脑回路的研究,他说:“现在有了斑马鱼,我们在实验中可以做到模型和方法的强强联手。”他还说,这一系列难得的工具让他想弄明白,“可否用任何其他模式来解答关于回路和行为的基本问题。”
聚焦鱼类
早年就职于纽约州立大学石溪分校的时候,费奇欧就对金鱼的大脑做过研究,但他当时一次只能记录几个细胞,很受挫。90年代中期,在两次意外事件之后,他将研究对象转向斑马鱼。
第一次是在一个动物学会议上,费奇欧无意参加了一场关于在高中生物课上使用斑马鱼的研讨会。他意识到在几天之内去观察