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    飛蛾撲火”的神經學基礎

    時間:2010-11-20  來源:未知  作者:藥品網ypw.cc 我要糾錯


    人類有愛有恨,有歡喜有厭惡,兒童愛不釋手的玩具可能被成人不屑一顧。然而,這種喜好并不是人類的專利,低等動物同樣會有抉擇。成語“飛蛾撲火”詮釋了昆蟲為求光明甚至不惜犧牲,然而,昆蟲幼蟲恰恰喜歡茫茫黑暗卻往往不為人知。

    近日,中國科學院生物物理研究所研究員劉力、副研究員龔哲峰等初步揭示了果蠅幼蟲中央腦的兩對神經元足以調節果蠅幼蟲對于不同光強條件的偏好行為的研究成果。這一成果日前在美國《科學》雜志在線發表。

    來自紐約大學的NinaVogt博士和Desplan博士對此給予了高度評價,認為這項發現“增進了人們對動物大腦解析視覺的理解”,同時也使人們“向全面理解環境和內在生理因素影響本能行為的神經基礎邁進了一步”。

    成功,些許“運氣”

    “這篇文章得以發表,我們運氣不錯。”龔哲峰這樣強調。

    “運氣”是從確定課題方向開始的。在國外時,龔哲峰就常常會想起一個有意思的現象:當很多人經歷匆匆歲月,偶然邂逅少年時代的初戀情人時,卻發現完全找不到之前的感覺。而這種變化的神經基礎卻并未被人所知。

    然而,它雖然是有趣的課題,但人腦的復雜性使這樣的研究很難簡單實現。一次意外發現卻給了龔哲峰啟示:果蠅的幼蟲伴隨著自身的發育,會從年幼時喜歡黑暗變得逐漸熱愛光線充足的地方。

    這不正是與人類的偏好性類似的生物模型嗎?龔哲峰深入思考后,毅然確定了自己回國后的研究方向。

    龔哲峰回到中科院生物物理所工作后,該項研究得到了課題組組長劉力的強力支持。于是龔哲峰著手訂購了1000余個缺陷品系果蠅,希望能發現不怕光的果蠅幼蟲,獲得實驗材料。

    訂購來的果蠅要獲得缺陷表型,必須經過進一步雜交,龔哲峰和合作者開始了上千次顯微鏡下的雜交、繁殖,上萬次的篩選。在每天工作14小時以上、不間斷雜交篩選大半年后,終于發現了不怕光的品系。

    “我們運氣不錯。本以為果蠅失去避光性就是成功,可就在篩選工作進行了一年多、即將結束的時候,我們居然發現了一個品系的果蠅幼蟲喜歡光。”龔哲峰興奮地說。

    這個發現讓該品系的果蠅頓時成了“寶貝”。NP394神經元的失活,并不僅僅使得該品系的果蠅幼蟲從“懼怕光”變得對光“無所謂”,而是180度的大轉彎,直接“愛上光”了。

    接著,課題組研究人員證明了NP394神經元控制著果蠅避光/趨光的“開關”:抑制該神經元,即使年幼的幼蟲也會變得“喜歡光”;激活該神經元,則年長的幼蟲同樣將變得“害怕光”。

    “我們通過分段表達綠色熒光蛋白,第一次在果蠅中成功檢測到了該技術的應用,證明了PDF神經元和NP394神經元的上下游關系。”龔哲峰指出。

    要證明兩個神經元之間的關系,首先要確定它們的突觸距離是否足夠近。而在果蠅不同的神經元中分段表達綠色熒光蛋白成了瓶頸。此時,國外的研究也首次報道在果蠅中應用了該項技術,和龔哲峰的體系頗有相似之處。

    “他們沒有得到陽性結果,我們得到了。”龔哲峰平靜地說。

    通過改造實驗器材,他們在國內首次實現果蠅中功能鈣成像技術的成功應用,佐證了兩對神經元的上下游關系。憑借著四年多的“運氣”,劉力、龔哲峰等最終發現并提出NP394神經元的開關作用,并首次將偏好行為神經元回路從第一級延伸到第三級神經元,得到了國際同行的認可和高度評價。

    “可能運氣好吧。”回顧四年多來的艱辛付出,龔哲峰付之一笑,“這些結果還不足以闡述人類的喜好變化。不過,只要繼續堅持做下去,它終會給我們帶來驚喜。”

    果蠅,又見果蠅

    人們可能沒有想到,嗡嗡作響、令人生厭的果蠅于20世紀初被遺傳學大師摩爾帶入實驗室后,竟已成就了7位諾貝爾獎獲得者。

    在中國,以果蠅為研究工具,神經生物學家們同樣取得了令人關注的成果。

    被人稱為“果蠅院士”的中科院院士郭愛克,是劉力和龔哲峰學生時代的共同導師。作為新中國第一位留德博士,郭愛克近年來已經連續3次在《科學》雜志上發表文章。

    2001年,郭愛克研究小組首次發現了果蠅具有簡單抉擇能力,并且“蘑菇體”參與其中;2005年,該小組繼續深入“兩難抉擇”研究,發現了果蠅跨視覺和嗅覺記憶的“共贏機制”;2007年,他們則聚焦于面臨沖突環境時果蠅價值抉擇的神經環路機制。

    名師出高徒。劉力也曾兩次在英國《自然》雜志發表文章。2006年,他在中科院生物物理所的研究小組從基因、細胞、腦結構以及行為等多個層面,第一次精確定位了果蠅視覺學習記憶的腦功能區——扇形體。

    這些喜歡環繞著腐敗水果飛行的小家伙,為什么會被生命科學家寵愛至極,并且占據生命科學研究舞臺百年之久呢?

    “果蠅是人類窺見自己復雜神經的一扇窗口。它結構簡單,繁殖快速,易于改造,非常適宜做神經生物學的研究模型。”面對記者的疑問,龔哲峰道出了果蠅的妙處。

    果蠅容易飼養,平均一年30代的繁殖速度,使科學家們能夠在較短的時間內培養出大量的特定種系。隨著2000年果蠅基因組的測序完成,研究者更是可以準確、迅速地對其進行改造。

    此外,小小果蠅的神經系統和人類也頗具相似之處,在人類的大腦中,活躍著大約1000億個神經元,而果蠅只相當于人類的萬分之一。因此,果蠅也已成為研究神經結構和定位記憶方面最好的生物模型。

    物體進入人們的眼中,大腦會對圖像分類后加以儲存,從而構建出思維與情感,或者發出指令。那么,果蠅眼睛中的刺激傳到腦中,又是如何學習和記憶的呢?

    在劉力的實驗室里,記者見到了一套為果蠅量身打造的“飛行裝置”。該裝置可以呈現出不同的視覺圖案——正T和倒T字母,主要作用是教導果蠅“學習”。

    果蠅在明亮的圓筒形空間向眼前的視覺目標飛去,如果它總是飛向倒T字母,電腦就會立即發出指令,燙它的屁股。慢慢地,果蠅學會了“吃一塹,長一智”,認識到倒T字母是危險的,而自覺地轉向正T字母。

    通過這套設備,就可以模擬出果蠅的學習過程,建立視覺、神經和行為之間的動態神經回路。

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