鱼缸里的神经科学

邢鸿飞/编译

●虚拟世界里的小鱼儿为人类研究复杂的脑部结构开启了一扇窗户。

一条刚刚孵化出来的斑马鱼第一次向河的上游游去。它圆圆的大眼睛突出在睫毛状身体的前部，扫描着四周的状况。突然，一个小浪将它往后推了一下，它看到风景在眼前飞走了。鱼儿轻拂尾巴尽力原地不动。或者它就是这么想着。

实际上，幼鱼无法动弹，被用玻璃吸管悬在注满水的有盖培养皿中。实验室昏暗、杂乱的角落里有一台价值十万美元的显微镜，上面就是这个培养皿。从下部投影的胶片将鱼转入一个虚拟世界，那里或明或暗的移动带模拟着水下世界的景象。

尽管鱼儿没有移动，但控制它尾部的运动神经元在不停地发动，看起来就像是鱼儿在游动。这些信号输入电脑后，能够控制视频演示，向鱼儿发出它正常游动的几乎所有符号。自始至终，弗洛里安·恩格特 （Florian Engert）的显微镜聚焦着鱼儿细小的、半透明的大脑，来观察鱼儿移动时神经元发出的绿光。

研发此套设备的神经学科学家恩格特，经常开玩笑说斑马鱼就好比尼奥，尼奥是1999年科幻惊悚片 《黑客帝国》里的主角。影片中，人类被机器奴役，进入一个虚拟现实世界，使得他们相信自己是自由的。恩格特在哈佛大学的团队希望在这个水生帝国里的鱼儿可以帮助他们解决神经科学里最大的难题：大脑中面团状的神经如何从外部世界和产生的反应中获取信息，引发一系列复杂的行为。

19世纪末期，西班牙解剖学家圣地亚哥·拉蒙·卡哈尔（Santiago Ramón y Cajal）明确指出神经元是大脑中的基本单元。从那时候开始，大量神经科学家们把重点放在记录单个细胞的电声。还会有将电极植入猫、兔子、老鼠、海参、鱿鱼、猴子，甚至人类的大脑中。这一途径揭示出神经元对输入（如化学信使、声音或颜色）如何做出反应，如何产生个体的放电模式，它被大脑解码后激发行为。但这些细胞如何互相协作来诠释并整合复杂的、真实世界的感觉输入 （例如移动的场景、气味、声音或者慢慢靠近的捕食者），“仍然是个深隽的谜，”恩格特说，“这是接下来10年我们最大的挑战。”

30年来，发育生物学实验室里，幼年斑马鱼是兢兢业业的模式生物，因为它们成本低，基因操作相对比较容易，而且它们有着透明的组织，科学家们可以直接观察它们身体内部。恩格特和几位神经科学家一直在试着利用斑马鱼自身优势来研究大脑对视觉、听觉、运动甚至恐惧如何编码，这些是在更复杂的模式生物的大脑中无法展开研究的东西。科学家们使用一些技巧（例如恩格特的水生帝国），能够监测斑马鱼大约30万个神经元，并在活体大脑中跟踪它们的活动。此项创新举措意味着一向青睐对哺乳动物进行神经科学研究的基金评审人和顶级学术期刊开始把机会给了鱼类。

康奈尔大学的神经生物学家约瑟夫·费奇欧（Joseph Fetcho）率先对鱼类进行大脑回路的研究，他说：“现在有了斑马鱼，我们在实验中可以做到模型和方法的强强联手。”他还说，这一系列难得的工具让他想弄明白，“可否用任何其他模式来解答关于回路和行为的基本问题。”

聚焦鱼类

早年就职于纽约州立大学石溪分校的时候，费奇欧就对金鱼的大脑做过研究，但他当时一次只能记录几个细胞，很受挫。90年代中期，在两次意外事件之后，他将研究对象转向斑马鱼。

第一次是在一个动物学会议上，费奇欧无意参加了一场关于在高中生物课上使用斑马鱼的研讨会。他意识到在几天之内去观察斑马鱼半透明的胚胎细胞如何分裂并长出各种器官和四肢是件容易做到的事。

第二次，他无意中读到一篇文章描述了如何在细胞元中使用对钙非常敏感的绿色染料。神经元放电需要一些钙离子，因此用绿光的方法可以直接看到细胞的活动。文章中用的是鸡骨髓中分离出来的细胞，但费奇欧认为，同样的方法可以用在活体斑马鱼的神经元研究里。于是他去了当地一家宠物店，买了一对处于交配阶段的斑马鱼。第二天，他就有了可以用于实验的受精卵。

幼年斑马鱼因其身体透明，成为体内组织研究中理想的模型

在费奇欧1995年发表的第一篇斑马鱼的论文中，他和他的同事唐纳德·奥马利（Donald O'Malley）用感光钙离子的绿染料，通过刺激鱼的头部，跟踪逃脱捕食者的反射过程中运动神经元的行为。他的研究小组接着又说明在鱼后脑的不同位置的神经元，编码鱼是如何转身逃脱它的捕食者。研究者们得到了首个鱼的转基因株系来表示所有神经元中的钙指示剂，类似于绿色染料，因此这之后就可以不用染料了。

神经科学家们也开始将钙指示剂使用在其他动物的神经回路研究上。例如，在2001年的一项意义重大的研究中，科学家们在活蹦乱跳的老鼠头部装入微型双光子显微镜（它们可以探入组织细胞深达一毫米处），来揭示一些单个神经元的放电模式。还有一组研究人员在显微镜下观察在一个聚苯乙烯球上自由行走的果蝇的大脑。

但如果在实验中使用啮齿类动物或蝇类，研究者们必须在动物的头部先切开小口，将他们想观察的脑部的某些部位暴露出来。尽管如此，显微镜也只能探测到这些不透明脑部组织的浅层。

只有两种常见的模型生物有着体积小且透明的大脑，可供基因工程的研究：幼年斑马鱼和只有302个神经元的土壤线虫。但对研究斑马鱼的科学家们来说，土壤线虫太小，它们的神经回路过于简单。其脑部包裹在一层紧密的角质层中，它们的神经元微小，科学家们用常规电极很难记录。况且，蠕虫不具备鱼类有的多样行为，更不要说那些复杂精细的动作。恩格特说：“我们可能在线虫身上做类似的研究，但我担心结果不一定那么有意思。”

2002年恩格特启动了他的哈佛实验室，下定决心要研究幼年斑马鱼的神经元通路。他前顾问的父亲和诺贝尔奖获得者发育生物学家克里斯汀·纽斯林-沃尔哈德（Christiane Nüsslein-Volhard）是好朋友。纽斯林-沃尔哈德协助他率先将斑马鱼作为胚胎发展研究中的模型。尽管如此，恩格特之前从来没有亲眼见过。他说：“第一次看到的时候，我惊呆了，它们真太小了。”

这是个大胆的选择，但它符合恩格特的个性和喜欢冒险的性格。在哈佛的生物楼，他因为从来不穿带袖衬衣、滑旱冰去上课以及骑摩托车不戴头盔而出名。他是地地道道的德国人，他穿着皮短裤参加述职（2009年在哈佛任职）。去年，在澳大利亚的滑雪跑道下滑时，差一点被雪崩埋没，那一次他居然赤膊上阵。

在哈佛，恩格特用了好几年的时间才建好斑马鱼实验室。起初，他尝试着在鱼自由游动的时候为神经元成像。但用他的话“那些鱼儿们的脑袋摇摆不停”，成像根本无法进行。于是后来他开始创建虚拟的环境。

在去年发表的一项研究中，恩格特的博士后鲁本·波图格斯 （Ruben Portugues）和美莎·阿伦斯（Misha Ahrens）建了一个由红色和黑色条纹组成的简易虚拟环境，鱼可以回游其中。这种视觉刺激尽管有些粗糙，但足够让动物们感觉它们在河里被湍流向后推着，肌肉还发出信号让它们向前游动。

敲击几下键盘，研究者们可以操作场景，让条纹拂动时快时慢。鱼在其中感觉自己的移动或弱或强，这样它们自身调整以保持稳定。这种行为称作自适应，类似于人们走路的时候突然踩到一块冰滑了一下后身体的反应。大脑接受新环境信号并做出调整以防摔倒。

对猴子的研究表明，特定的神经元群体会出现自适应。恩格特介绍说：“如果意外发生，它需要做出与预料状态下完全不同的处理。”这个处理过程“或者告诉我外面发生了什么事，不受我支配，或者告诉我身体什么地方有问题。”

弗洛里安·恩格特：我们会有一个完整大脑的线路图，将结构和功能联系起来

他的鱼类研究涉及到细胞的同群，也有其独到之处。这些群组中的神经元对高增益反馈进行编码，也就是说，尽管其他神经元反馈出其肌肉比预期的更脆弱，视觉反馈告诉鱼类它们的肌肉比预期的更强壮。

这是本质性的细节，神经科学家们不断揣摩，希望能够在回路中检查单个神经元。在过去几年中，还有其他实验室也有类似的发现。2010年，日本科学家们在缰核（脑部很深的区域，用哺乳动物研究难度很大）找到了独特的神经元，它们在斑马鱼对恐惧的反应中起到很重要的作用。2011年，费奇欧发现，在需要老细胞最快速的运动、新细胞控制更复杂行为的过程中，鱼后脑部的神经元排列整齐。

但研究者们对恩格特结论的兴趣远比不上对他技术的兴趣，用他的技术可以在完整的活体大脑中观察所有神经元。伦敦国王学院的神经科学家马丁·迈耶（Martin Meyer）用钙成像来说明斑马鱼大脑中不同层位的细胞对特定方向移动的物体如何做出反应。他说：“在其他动物身上你没法做到。一旦你用了这个技术，你的机会多少就无止境了。”

对其他动物进行研究的神经科学家们也为恩格特的技术喝彩，尽管他们表示对此持保留意见。弗吉尼亚州霍华休斯医学研究中心的珍妮莉娅法姆研究学院研究线虫大脑的雷克斯·克尔（Rex Kerr）表示：“它也并非万能。 ”

克尔注意到，双光子显微镜不能同时精确成像30万神经元。然而，恩格特的研究小组系统监测32条鱼300个分区中约1 000个神经元，然后用计算机模型将神经元活动合成在一个参照大脑上。克尔认为，对某些行为来说，这种平均的神经活动可以掩饰单个神经元中的有意思的活动模式。尽管如此，很多有意思的活动取决于很多细胞种群。斑马鱼对于了解那些总体效果“极有价值”。

鱼类未来

为什么更多的科学家将斑马鱼用于研究，其中有实际的原因。包括沟通、社会互动以及复杂情感在内的一些高级的行为根本没法由动物来表现。科学家们仍然需要找到方法去研究鱼类一些基本的反馈。

也就是说，究竟恩格特的技术能够监测其他的什么行为还不为人知。伦敦大学学院的詹森·里埃（Jason Rihel）正在建立一个实验室，他想用类似的方法研究能够产生下视丘分泌素的神经元，下视丘分泌素与睡眠有关。里埃说：“如果我们能够在触动或者抑制下视丘分泌素神经元的情况下观察这个大脑，我们就可能绘制出在不同大脑活动下所有的神经元。”

总是有自己独特潮范的恩格特有着自己的宏伟计划。目前他手下有5名博士后，8名研究生和他一起参与一项别样的斑马鱼实验，有监测鱼儿学习适应恐惧的洗热水澡，到将鱼儿放在高酒精浓度的水中测试积极奖励的效果。

他同时还在研究一个编外项目，今年晚些时候可能会引起人们注意，那就是：斑马鱼连接体。恩格特的团队在研究活体的幼年斑马鱼注视移动物体时的全脑功能成像，之后他们将大脑成像传给哈佛同事杰夫·利希特曼（Jeff Lichtman），请他用电子显微镜追踪其中解剖学上的联系。恩格特说：“我们会有一个完整大脑的线路图，将结构和功能联系起来。”

借助各类资源，恩格特和他的斑马鱼可能会找到神经科学家们自卡哈尔以来一直在苦苦寻找的东西：描述神经回路之间如何互相作用的基本原则。恩格特表示：“即使在有生之年没有找到，我的人生也不是失败，但我愿意去追寻。将鱼类用于研究的成功几率是用老鼠的10倍。”