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海蛞蝓教会了我们什么是大脑

海洋生物的简单神经细胞帮助科学家了解人类的记忆。

在俄罗斯出生的佛罗里达大学神经学家和遗传学家Leonid Moroz开始研究栉水母时,希拉里·罗斯纳

W在俄罗斯出生的佛罗里达大学(University of Florida)神经学家、遗传学家列奥尼德·莫罗兹(Leonid Moroz)喜欢交际,他在近10年前开始研究栉水母。他想要确定这些斑点状的海洋生物——它们通常被称为梳状水母,因为它们游泳时使用梳状的突出物——属于生命树的确切位置。

在花了几年时间对栉水母进行测序之后,Moroz和他的团队发现,这些动物丢失了许多在其他被认为是密切相关的动物(如珊瑚和实际的水母)的神经系统中发现的基因。这意味着它们早在5.5亿年前就已经独立了,可能是地球上最早的动物之一。

基本的大脑:通过研究栉水母(上图),科学家们可能会学会如何再生神经元、回路甚至整个大脑。 欧林·Flickr /

莫罗兹说:“这很让人惊讶。”就像偶然发现了一群生活在海里的外星人。但是Moroz的研究不仅仅是撼动了生命之树。Moroz意识到,栉水母的神经系统是由不同于其他生物的化学语言形成的——不仅仅是不同的单词,而是一种独特的字母表。莫罗兹还发现栉水母可以再生基本的大脑。

今天,这些发现带来了一种诱人的可能性,即可能有其他方法来构建或重建大脑。探索这些替代系统最终可能会为退行性神经系统疾病带来革命性的新疗法,从帕金森症和阿尔茨海默症到基本的与年龄相关的记忆丧失,65岁或以上的人有近一半受到影响。通过研究栉水母,科学家们可能会学会如何再生神经元、回路甚至整个大脑,这不仅有助于解决衰老问题,还能提高我们的学习能力。

Moroz的偶然发现并不是神经科学课程第一次因为有人在简单的海洋动物的大脑中摸索而改变。这一荣誉属于奥地利裔美国神经精神病学家埃里克·坎德尔。20世纪30年代,当坎德尔还是个孩子的时候,他和他的犹太家庭逃离维也纳来到纽约的布鲁克林。20世纪40年代末,纳粹暴行的全部范围逐渐为人所知,坎德尔进入哈佛大学(Harvard University)就读时,他主修欧洲现代史和文学,主要研究德国作家对纳粹主义的态度。坎德尔的女友把他介绍给了弗洛伊德,弗洛伊德的作品为记忆、认知、知觉和思想“打开了一个无与伦比的视角”。

当时,通过研究海蛞蝓来了解人类的记忆是如何工作的似乎有些牵强。

从哈佛毕业后,坎德尔去了医学院,并在精神病学做了住院医生。他选修了一门脑科学,这让他开始在一个神经生物学实验室动手工作——这是20世纪50年代早期仅有的几个这样的实验室之一。后来,在美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)的实验室工作时,他学会了如何记录海马体中单个神经细胞发出的信号。科学家最近确定,海马体是大脑的一部分,对记忆很重要。这是一项高度专业化的工作,但它让坎德尔渴望更多的东西。坎德尔说:“实验结束后,我们问自己,‘我们从记忆中学到了什么?结果,答案是“什么都没有。”坎德尔说:“你必须了解行为是如何通过学习而改变的。”“没有人知道感官输入的本质。”

坎德尔认为,要想取得成功,他需要研究比人脑简单得多的东西。他选定了一群海蛞蝓属海兔它们以拥有世界上最大的神经细胞而闻名——事实上,它们大到不用显微镜就能看到。研究海蛞蝓的另一个优势是,它们的神经细胞数量相当有限,总共只有大约2万个,而人类的神经细胞大约有1000亿个。这些细胞只分布在10个被称为神经节的神经元簇中,这告诉坎德尔,负责任何特定行为的细胞数量将非常少。

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世界上只有两名研究人员在研究海兔两人都住在法国。坎德尔决定与住在巴黎的捷克斯洛伐克神经学家拉迪斯拉夫·陶克(Ladislav Tauc)合作,主要是因为坎德尔的妻子喜欢法国首都。他在陶克的实验室里待了16个月。

当时,通过研究海蛞蝓来了解人类的记忆是如何工作的似乎有些牵强。坎德尔在2006年的一份报告中写道:“大脑科学家们强烈认为,哺乳动物的大脑与鱼类和青蛙等低等脊椎动物的大脑截然不同。科学美国人介意文章。但他没有被劝阻。在20世纪70年代,坎德尔的研究海兔研究发现,创造短期记忆会导致神经细胞间连接的暂时变化,而长期记忆会导致大脑中持久的解剖结构变化。或者就像他喜欢对朋友和记者说的那样,“如果你能记住关于这次谈话的任何事情,你的大脑就会和开始谈话时不一样了。”

2000年,坎德尔因其在记忆存储的分子基础上的工作而分享了诺贝尔生理学或医学奖。如今,87岁的他在纽约市的哥伦比亚大学(Columbia University)管理着一个实验室和两个脑科学研究所。坎德尔说:“在大脑中有很多我们不了解的问题。”

今天,坎德尔和莫罗兹继续与海兔,通常是在合作中。最近,Moroz的实验室,以及哥伦比亚大学坎德尔的实验室,麻省理工学院和哈佛大学的Broad研究所,发现像栉水母一样,海兔似乎有替代或额外的机制来执行大脑的功能。

莫罗兹认为,随着时间的推移,海蛞蝓可以提供扭转大脑退化问题的关键,甚至可能提高记忆力和学习能力,直至老年。Moroz指出,一些神经元海兔似乎能抵抗衰老。“他们显然发现了青春的源泉,”他说。莫罗兹说,他和坎德尔已经完成的工作“只是冰山一角”。


希拉里·罗斯纳(Hillary Rosner)是一名获奖记者,撰写科学和环境方面的文章。她的作品出现在《国家地理》《连线》《科学美国人》《纽约时报》和许多其他出版物。她也是传记网站的特约编辑。

这个故事是由科学慈善联盟作为“科学到社会”系列的一部分,说明了基础科学研究的重要性。

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