你可能无法想象,一个活物竟然是没有大脑的。而事实正是如此,水母可能是没有大脑的,但它们能用其简单的神经系统做一些令人惊讶的复杂事情。现在,通过改变水母的基因,研究人员发明了一种方法来窥探这种动物的内部活动。
科学家们设计了一个新的模型来研究看似简单的水母神经系统,他们将迪斯科“频闪灯”植入水母体内,以观察它们在没有大脑的情况下是如何工作的
在这项新研究中,研究人员使用水母物种创建了一个模型,这是一种透明的伞状水母,在其中心有一个管状的嘴。这只小水母的直径只有1厘米,这意味着研究小组可以把整个水母放在显微镜下,同时观察它的整个神经系统。
人类的大脑是身体的中央控制中心,而水母的神经系统中却没有这样的结构。相反,许多水母携带着一个扩散的神经“网”,从身体中心对称地向外辐射。此外,它们还有一个神经环,环绕着钟的底部——水母的半月形部分。年发表在《当代生物学》杂志上的一篇报告称,有些水母没有神经网,只有神经环,但C.半球水母有这两种结构。
最大的问题是,在没有集中控制它们的运动的情况下,这些小水母是如何进行协调行为的?例如,这些斑点状的生物如何从水柱中抓虾,然后对折把零食拉到它们管状的嘴里?
为了回答这个问题,研究小组提出了一批带有基因修饰的半球c,编码一种叫做GCaMP的蛋白质,当它与钙接触时,它会发出绿色的光。专家说,这种特殊的发光蛋白质被插入水母基因组的一个位置,这样它只在活跃的神经元中发光。“当神经元活跃时,(神经元内部的)钙含量会增加,所以GCaMP变得更加荧光。这意味着神经活动看起来像在闪烁。
但水母天生就会发光,为了更清楚地看到他们的工程发光,该团队使用CRISPR剪掉了一个特定的基因,该基因会产生一种不同的荧光蛋白,这种荧光蛋白一直比他们插入的GCaMP发光。这样,他们的水母就变成了微型灯光秀,研究小组进行了一系列实验,看看在它们典型的进食行为中,哪些神经元会发光。他们发现,当水母附着在卤水虾上,或接触到研究小组制作的“虾提取物”时,虾附近的一组神经元突然活跃起来。
这种激活并没有在整个水母中产生涟漪,就像一块石头掉进水坑会在整个水母表面产生涟漪一样。相反,只有钟形区域内的神经元对虾类零食做出反应。根据一份声明,这种活跃神经元的楔形形状就像圆形馅饼里的一块披萨。研究小组发现,最靠近虾的神经元首先被点亮,然后一系列的频闪灯会照亮切片的其余部分。
从上往下看,可以看到这种小水母的中央有一个嘴,触角均匀地分布在它的外围,就像时钟上的数字。水母身上也有四个椭圆形的生殖腺。例如,如果把一只虾放在披萨片的远端,放在它的“皮”上,皮会先亮起来,然后是披萨片的其余部分。这种涟漪效应与水母折叠在它的钟的角落相吻合,为了把虾带到它的嘴里。研究小组没有料到会在看似没有结构的神经网络中观察到这种层次的组织。
科学家表示,展望未来,研究小组计划调查水母如何控制其所有行为,而不仅仅是进食,他们计划研究不同种类的水母,它们对C.半球水母有不同的行为。例如,虽然一些水母的食物传递行为与C.半球水母相似,但另一些水母却使用长形的口器从它们的触手中获取食物。“考虑到水母的多样性,而且它们中的许多都是小巧透明的,我认为它们在未来可以为理解神经系统如何进化提供一个令人兴奋的平台。这些对频闪水母的研究也可以揭示支配所有神经系统的基本原理,从最简单的到最复杂的。我们的想法是发展实验和理论方法来理解更简单的神经系统是如何工作的,这是理解人类大脑的第一步,而人类大脑要复杂得多。