四肢发达，得益于聪明的大脑

马睿棋

在流浪猫的面前放一碗猫粮，你会发现大多数猫咪都看起来笨笨的，会用脑袋找好半天，才能准确地找到猫粮开吃。智商真让人着急！然而，即使是这样一只笨猫，一个机器人要在找猫粮这件事上超越它，也是很艰难的，甚至是不可完成的任务。因为在动物各种肢体动作的背后，都有大脑在指挥、在计算。

我们常说“四肢发达，头脑简单”，这真的是很老旧的乃至是错误的说法。

窥探大脑工作过程

动物甚至我们人类在做动作时，大脑是如何工作的呢？

过去，人们依靠功能核磁共振技术观察动物或者人身体做特定动作时大脑中哪一部分的耗氧量增加，来大致判断各个脑区负责的相应功能。现在有了更精确的光遗传学技术后，人们可以观察到身体做动作时，大脑中特定神经元的激活状态。

那么，光遗传学技术是怎么做到的呢？

我们先了解一下神经细胞是如何工作的。每个神经细胞外面都包裹着一层细胞膜，将其与外部环境隔离开来。这层细胞膜由两层磷脂分子组成。在磷脂分子中，镶嵌着一些特定的蛋白质。这些蛋白质就像城门一样，让特定的一些物质进进出出。这些特定物质往往携带着来自邻近或者较远的其他神经细胞传递过来的信息或指令。在这些物质进进出出的过程中，神经细胞就接收以及发出特定的指令。这样，一组神经细胞在一起，就可以指挥身体完成相应的动作。

光遗传学技术既借助了遗传工程技术，也借助了光。它首先采用遗传工程技术，改造了这些像城门一样的特定蛋白质，让这些蛋白质变得对特定波长的光波敏感。于是，“城门”的开关，就受特定的光源控制了。这样，一方面，当身体做出动作时，我们可以通过检测大脑中哪些神经细胞在发光，观察神经细胞的功能；另一方面，也可以用特定的光源开关神经细胞膜上的“城门”，激活或者抑制特定的神经细胞，继而控制身体的特定动作。

不得不說，光遗传学技术真是神经科学家的好帮手。

一种可调LED 光源系统。它由两种不同的LED 波长组成，蓝光和黄光或两种颜色的组合，分别达到刺激或者抑制神经元活动的作用

每个动作都离不开大脑的精确计算

成语“探囊取物”形容办成一件事情轻而易举。而实际上，要完成这个动作，也是很不容易的。

几年前，一位科学家在生命科学领域的著名学术期刊《细胞》上发表了一篇论文，内容是他借助光遗传学技术描述了小鼠的大脑和前肢如何配合，从而完成了探囊取物的过程：先是小鼠大脑中的一组特定神经细胞指挥前肢伸到大致的方向和长度，然后另一组神经细胞加入，指挥前肢和爪子进行一系列更精确的试探，继而准确地完成抓取任务。这个过程复杂，然而小鼠轻轻松松地在一瞬间就完美地完成了。

2022 年，来自美国麻省理工学院的科学家发现，小鼠在完成动作精确性的试探时，大脑中进行了类似数学上的微积分求导计算的处理过程。

实验中，小鼠的头部被固定在专门的跑步机上。跑步机的跑道自身不会运动，必须通过小鼠跑步来驱动。跑步机前面装有由一串LED 灯组成的一个视觉标志，小鼠需要在标志处及时停下来，获得奖励；如果跑过了标志，则会被惩罚。这样，科学家逐步训练小鼠学会在标志处及时停住脚步，然后用光遗传学技术研究小鼠大脑中的神经元活动情况。结果发现，小鼠为了在最短的时间获得奖励，在一开始加速跑，在临近标志处时又紧急“刹车”。

那么，小鼠在跑动过程中，大脑何时给出“刹车信号”，才能让时间最短呢？

小鼠不是在一次奔跑中得到答案的，而是在数次奔跑中通过大脑神经元和眼睛、肢体之间不断磨合，从而找到这个最优解的。在这项实验中，小鼠的大脑中存在着两条通路：一条是兴奋通路，让小鼠加速跑；另一条是抑制通路，让小鼠及时“刹车”。小鼠利用抑制信号和兴奋信号之间的时间差，经过很多次的尝试后，终于实现了完美的“刹车”。科学家发现，在这个过程中，小鼠大脑中神经元的处理过程像极了数学微积分求导计算的处理过程。

其实，不仅小鼠，我们人类在做类似动作时，大脑也在不知不觉地进行着类似数学微积分求导计算的处理过程。看似一个个简单的动作，背后却有着这么高深复杂的神经过程。生命真是一个了不起的奇迹呀！

（责任编辑：陆艳）