重塑整个大脑！首次在生物体内证实“人工神经突触HySyn”概念

两个人要在一个嘈杂拥挤的房间里交流，他们需要并排站着。大脑中的神经元也是如此。但正如手机可以让两个人在房间里清晰地交流一样，海洋生物实验室（MBL）的新研究在线虫的大脑中开辟了一条新的交流渠道。

　　

这项发表在《 Nature Communications》上的研究突出了HySyn的发展，HySyn是一种利用小型淡水生物Hydra的神经肽来综合重新连接神经回路的系统。（神经肽调节神经递质的活性，以增加或减少神经元之间的脉冲强度。）

研究人员首次创造了变异秀丽隐杆线虫的基因系，这些变异秀丽隐杆线虫表达了HySyn脑中的神经肽，创造了一个人工突触，重新连接了线虫的行为回路。因为除了装有Hydra受体和神经肽的突触外，大脑中的其他突触都听不到“命令”，这就像给它们一部手机，让它们可以交流。

耶鲁大学医学院的MBL研究员Daniel Colón-Ramos说：“这些神经调节肽可以让你远距离交流。作为一名研究人员，它使你能够更灵活地操纵彼此不相邻的神经元。”本文通讯作者Colón-Ramos是该论文第一作者、前MBL格拉斯研究员Josh Hawk的博士后顾问。这项工作和分析是在MBL和耶鲁大学Colón-Ramos实验室进行的。

研究人员使用了一个变异的秀丽隐杆线虫系，它缺少控制特定行为的神经联系——这种行为告诉它们已经吃饱了，需要停止寻找食物。通过从Hydra中提取编码神经肽及其受体的基因，并将其植入秀丽隐杆线虫体内，研究人员能够恢复控制这种行为的神经回路。他们创造了两个独立的基因系，一个含有神经肽，另一个含有受体。这对双胞胎的后代含有完整的神经肽途径。但是，Hawk认为，这只是一条可能的途径。

Hawk说：“Hydra体内有数百种神经肽，每一种都可能是不同的沟通渠道。对我来说，这是最令人兴奋的事情。这将开辟一个前所未有的领域。”

Hawk称这项研究是HySyn工具的“原理证明”。与大多数生物体不同，HySyn在大脑中没有一个典型的神经递质系统。相反，它们完全依赖于神经肽网。这些HySyn神经肽中的每一种都有机会进行独特的交流。Hawk专注于一种特殊的神经肽，这种神经肽产生一种缓慢构建的信号，就像你吃饭时的饱腹感。用这种神经肽连接不同的神经元可以产生缓慢上升的疼痛反应或增强新的记忆。

大脑中有许多不同类型的交流。有些速度很快，大约是毫秒。但其他人则更慢。这就是Hawk所关注的，缓慢的神经调节反应告诉线虫：“我吃饱了，不要去寻找新的食物。”研究人员创造了一个人工神经调节突触，告诉线虫是时候放松了。

Colón-Ramos说：“通常，我们可以在科学上打破东西。这是非常强大的。当我们打破东西时，我们可以看到它们的必要性，这也告诉我们一些它们是如何工作的。但要真正了解它们是如何工作的，你需要知道你是否能够重建它们，在它们被打破后修复它们。这是非常困难的。Hawk能够重建细胞之间的联系，这是非常令人兴奋和创新的。”

Hawk不仅仅是把线虫大脑中缺失的成分放回原处；他从Hydra公司引进了全新的部件——用一套不同的部件修复损坏的部件。研究人员发现，调节行为的不一定是这些部分本身的特性，而是突触之间的交流和调节。

Hawk说，他希望未来的研究重点是切断大脑中的通讯线路，并用Hydra的不同方式重建它们。他说：“这是一套工具的开始，随着这些工具的扩展，它使我们能够以各种排列方式调整大脑中的连接。”

Hawk说：“任何动物的大脑中都有许多不同的突触连接。能够选择在另一个有机体中放入什么将有助于我们理清和理解大脑是如何以及为什么这样做的。”

研究人员相信，Hydra将在多种生物中发挥作用。他们在脊椎动物细胞和线虫细胞中进行了测试。

Hawk补充说，他希望研究人员将重点放在了解大脑内部连接的强度上。“从理论上讲，你能拆掉线虫的大脑，然后重建它，并找出当你以某种方式重建它时丢失了什么。这是我们小时候所做的：如果你想知道某些东西是如何工作的，你就分解它并重建它。但我们需要更多的工具来做到这一点。”HySyn代表着对该工具集的贡献。

Colón-Ramos说：“Josh 能够利用来自MBL和他所认识的人的知识，将所有这些知识与他自己在神经科学方面的兴趣结合起来，并做出了重大贡献。这就是格拉斯奖学金和MBL等项目在科学领域起到的催化作用。”

“这就像一个象征性的MBL项目，”Colón-Ramos说。“高风险，高回报。从MBL社区带来很多乐趣和知识。”

Hawk, J.D., Wisdom, E.M., Sengupta, T. et al. (2021) A genetically encoded tool for reconstituting synthetic modulatory neurotransmission and reconnect neural circuits in vivo. Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-021-24690-9