读虫子的心

这听起来像是一个派对把戏：科学家现在可以通过观察一条小虫的大脑活动，告诉你几秒钟前它闻到了什么化学物质。但索尔克大学副教授Sreekanth Chalasani领导的一项新研究的发现不仅仅是一个新鲜事物；他们帮助科学家更好地理解大脑是如何运作和整合信息的。

　　

萨尔克科学家利用机器学习根据线虫的大脑活动来预测气味这听起来像是一个派对把戏：科学家现在可以通过观察一条微小线虫的大脑活动，告诉你几秒钟前该动物闻到了哪种化学物质。但索尔克大学副教授Sreekanth Chalasani领导的一项新研究的发现不仅仅是一个新鲜事物；它们帮助科学家更好地理解大脑如何运作和整合信息。

“当我们开始研究这些感官刺激对线虫大脑中单个细胞和连接的影响时，我们发现了一些意想不到的事情，”查拉萨尼说，这些研究发表在2021年11月9日的《公共科学图书馆计算生物学》杂志上。

线虫的神经元在品尝盐时的功能不同。每个圆圈代表一个神经元，圆圈之间的连接是突触。科学家们利用图论将一些神经元分成模块，模块由它们的颜色来识别。当盐刺激呈现给蠕虫时，模块数量减少到5个（从7个）。这意味着当动物尝到盐的味道时，这些神经元特别重要。

Chalasani感兴趣的是，在细胞水平上，大脑如何处理来自外部世界的信息。研究人员无法同时跟踪一个活着的人的860亿个脑细胞中的每个细胞的活动，但他们可以在只有302个神经元的微小线虫中做到这一点。Chalasani解释说，在像秀丽隐杆线虫这样的简单动物中，研究人员可以在动物执行动作时监测单个神经元。这种分辨率目前在人类甚至小鼠身上都不可能达到。Chalasani的团队开始研究秀丽隐杆线虫的神经元如何对嗅到五种不同的化学物质作出反应：苯甲醛、二乙酰、异戊醇、2-壬酮和氯化钠。先前的研究表明，秀丽隐杆线虫能够区分这些化学物质，对人类来说，这些化学物质闻起来大致像杏仁、黄油爆米花、香蕉、奶酪和盐。虽然研究人员知道直接感知这些刺激的少数感觉神经元的身份，Chalasani的研究小组对大脑其他部分的反应更感兴趣。

研究人员设计了秀丽隐杆线虫，使其302个神经元中的每一个都含有一个荧光传感器，当神经元激活时，该传感器就会发光。然后，他们在显微镜下观察，将48种不同的蠕虫暴露在五种化学物质的反复爆发下。平均而言，50或60个神经元对每种化学物质的反应被激活。

研究人员无法立即区分不同的化学物质。因此，他们转向了一种称为图论的数学方法，该方法分析了成对细胞之间的集体相互作用：当一个细胞被激活时，其他细胞的活性如何变化，首先，一组神经元（可能是感觉神经元）中出现了一阵活动，但大约30秒后，其他三组神经元开始强烈地协调它们的活动。这些不同的三胞胎在其他刺激后没有被观察到，这使得研究人员仅根据蠕虫暴露于盐中时的大脑模式就能够准确地识别。

“C.elegans似乎对感知盐有很高的价值，使用大脑中完全不同的电路结构来响应。”查拉萨尼说。“这可能是因为盐通常代表细菌，细菌是蠕虫的食物。”

研究人员接下来使用机器学习算法，找出大脑对这五种化学物质反应的其他更微妙的差异。该算法能够学会区分神经对盐和苯甲醛的反应，但经常混淆其他三种化学物质。

“无论我们做了什么分析，这只是一个开始，但我们仍然只能得到大脑如何区分这些东西的部分答案，”查拉萨尼说，他指出，研究小组在研究中着眼于大脑对刺激的全网络反应，并应用图论，与其只关注一小部分感觉神经元以及它们是否被激活，还不如对大脑如何对刺激作出反应进行更为复杂和全面的研究。

当然，研究人员的最终目标不是阅读微观线虫的大脑，但为了更深入地了解人类如何在大脑中编码信息，以及在感觉加工障碍和焦虑、注意力缺陷多动障碍（ADHD）等相关疾病中发生错误时会发生什么，孤独症谱系障碍和其他。

原文链接：

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1009591