首页  >  热点  >  新闻特写  >  文章正文
shRNA表达克隆

“蝙蝠侠”利用蝙蝠研究大脑3D导航机制

Jul 17, 2018 No Comments

Nachum Ulanovsky和他的蝙蝠。

 

大脑如何定位? Nachum Ulanovsky希望蝙蝠可以帮助他找到答案。

在以色列雷霍沃特的一块阳光普照的大地上,两位神经科学家久久凝视着自己设计的一条200米长的黑暗隧道。蛇形隧道的纤维面板在高温下闪烁,而隧道内部一群蝙蝠正在探险。最后,从黑暗中飞出一只蝙蝠,它完成了一个漂亮的后空翻,最后悬挂于隧道的入口。

当学生在给蝙蝠喂食香蕉的时候,该研究的负责人Nachum Ulanovsky深情地看着这只蝙蝠。香蕉是对蝙蝠的奖励,因为它们为研究大脑导航提供了宝贵的数据。

绝大多数探测大脑导航的实验都是在实验室内、使用在地面爬行的大鼠或小鼠而开展的。Ulanovsky打破了惯例。他在魏兹曼科学研究所(Weizmann Institute of Science)的空地上建造了一个废弃的飞行隧道——首个这样的大脑导航研究场所——因为他想知道哺乳动物大脑是如何在更自然的环境中航行的。特别是,他想知道大脑如何处理第三个维度(即垂直维度)。

Ulanovsky于2016年建成的隧道已经证明了其科学价值。蝙蝠也是如此。它们帮助Ulanovsky发现了复杂的导航编码——一种对生存至关重要的基本脑功能——的新方面。他发现了一种新的细胞类型,负责蝙蝠的3D定位,以及一些负责跟踪其它蝙蝠在环境中的位置的细胞。这是一个热门的研究领域——导航研究人员获得了2014年诺贝尔生理学或医学奖,该领域在每次大型神经科学会议上越来越受重视。

2014年诺贝尔奖获得者之一,挪威卡弗里系统神经科学研究所(Kavli Institute for Systems Neuroscience)的Edvard Moser指出,Nachum的胆大心细的研究手法令人印象深刻,而这种方式也得到了回报——他的方法能解决重要的新问题。

对于脑科学家来说,从实验室中高度简化的行为中提炼到的东西是非常有限的。Ulanovsky是“自然神经科学”(natural neuroscience)的先驱。多年来,他的训练场和隧道越来越大,越来越复杂,并且已与人工实验室环境差别非常大。Ulanovsky还设计了一个巨大的迷宫,用于研究一些更高级的问题,关于大脑如何做出决策——例如转向哪个方向。德克萨斯州休斯顿贝勒医学院(Baylor College of Medicine)的神经科学家Dora Angelaki表示,如果想要真正了解大脑是如何工作的,那么我们就需要研究做更多自然任务的动物。幸运的是,我们中的更多人已经开始意识到这一点了。

 

 

构建知识储备

当Ulanovsky于2007年在魏兹曼研究所开设自己的实验室时,他正在搭建自己的圆形飞行通道。当他的家人于1973年从莫斯科移民到以色列时,他只有4个月大,并在雷霍沃特定居。小时候,Ulanovsky在魏兹曼的亚热带花园中游玩,并参加了当地儿童和青少年的科学活动。

18岁后,大多数身体健康的以色列人都会进入义务兵役。但是,当Ulanovsky 于16岁高中毕业时,并不想失去对学术的激情,因此他在特拉维夫大学(Tel Aviv University)读了三年的物理课程——尽管这意味着他的服役时间较晚,因此服役时间更长。

服役阶段对他来说意义非凡。除了接受一般的军事训练外,由于他的物理背景,他被安排在研发部门工作。这5年里,他学习了技术技能,例如设计高科技仪器和编程,这些技术后来在为蝙蝠设计训练场和传感器方面具有无可估量的价值。军队允许他学习各种课程,这些课程大大助长了他对生物学的兴趣。他离开军队后,立志成为一名神经科学家,并在耶路撒冷的希伯来大学(Hebrew University)攻读博士学位,研究猫脑是如何处理听觉信号的。

他发现听觉神经元有自己的记忆方式,进而迅速研读了大量关于记忆的文献,并发现了重叠的导航领域(动物必须记住自己在哪里才能导航,并且记忆和导航在同一脑区处理绝非偶然)。这个领域主要使用地面爬行的大鼠或小鼠进行研究,因为它们在实验室的小盒子周围徘徊,凭借导航经验就可以轻松完成测量。但是,不同的动物如何在垂直移动时感知世界——游泳、爬树或飞行——的问题尚未得到解决。Ulanovsky决定更全面地研究大脑复杂的导航编码,他需要一种能在3D空间里运动的哺乳动物,因此他选择了唯一的飞行类哺乳动物:蝙蝠。

他加入了马里兰大学(University of Maryland)的蝙蝠实验室,了解了更多有关这些生物的信息。他发现了蝙蝠与啮齿动物导航模型有几个相似之处,蝙蝠也使用特殊细胞来解决导航问题。2007年,Ulanovsky在魏茨曼拥有了自己的蝙蝠实验室,并获得了终身职位。

尽管Ulanovsky是一个沉稳的人,但当他谈论蝙蝠时,就有点过于兴奋,说话的声音也不自觉提高了,同时整张脸都亮了起来。他指出,在西方,人们被蝙蝠吓坏了——在好莱坞电影中,当女主角进入一个黑暗的建筑物,并且当蝙蝠冲出来时,你就会知道一些不好的事情即将发生。然而这种恐惧毫无道理,在中国,蝙蝠被认为是一个好兆头。

 

 

Nachum Ulanovsky在飞行隧道中散步。

 

 

空间漫游

自20世纪70年代以来,神经科学家一直着迷于大脑如何编码空间环境,当时伦敦大学学院(University College London)的John O'Keefe发现大鼠的大脑采用一种巧妙的方式来确定自身的位置。当他将电极放置在名为海马体的大脑区域时,发现只有当大鼠在笼子中的特定位置时神经元才会放电,从而产生一种认知地图。他称这些细胞为“位置细胞”(place cell)。

三十年后,同样就职于卡弗里系统神经科学研究所(Kavli Institute for Systems Neuroscience)的Edvard Moser和May-Britt Moser在位置细胞附近的内嗅皮质中发现了另一种导航细胞:网格细胞(grid cell)。当大鼠在笼子中的某个位置时,网格细胞会放电,而且大鼠在能组成六边形的多个位置时,网格细胞也会放电。这些细胞组成了一个大脑编码,可以让动物跟踪自己在空间中的相对位置,就像一个小小的全球定位系统(Global Positioning System, GPS)一样。Mosers与O'Keefe共享了2014年诺贝尔生理学或医学奖;他们和其他科学家还在海马区域发现了其它类型的导航细胞,包括那些响应头部方向或者像笼壁等边界放电的导航细胞。

几乎所有这些发现都来自大鼠:一种除了抬高后腿或从架子上掉下来否则都在平面上生活的动物。在1998年美国航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)航天飞机飞行期间,科学家做了一次富有想象力的尝试:在失重状态下用一个植入电极监测大鼠的空间导航,但结果是不确定的。

对于Ulanovsky来说,蝙蝠的优点不局限于其能进行3D导航:他想与野生动物合作,以更好地理解自然行为。他开始认为在高度受控的实验室实验,尽管对于理解神经元的一些基本属性至关重要,但可能不太接近真实情况。Ulanovsky 表示,他们几乎完全不知道,所有这些细胞是如何协同工作从而在野生动物的生活环境中导航的。所以他推断,从野外捕获,并在限制更少的实验条件下飞行的蝙蝠可能是理想的实验对象。此外,Ulanovsky确信,用实验室啮齿动物以外的其它动物来研究大脑导航,将有助于确定哪些方面的行为是多物种都存在的。

Edvard Moser也赞同,研究许多物种的相同技能非常重要。他指出,了解解决同一问题的不同方式将有助我们一般性地了解大脑,包括人脑在内的工作方式。

 

 

蝙蝠洞

在Ulanovsky将他的想法付诸实践之前,他必须找到合适的蝙蝠,研究它是如何探索自然环境的,并且最具挑战性的是,设计仪器来收集蝙蝠及其大脑的数据。

来自笼子试验的大鼠的数据通常由植入的电极获取,并使用电缆传输到计算机。Ulanovsky指出,很明显,这对飞行蝙蝠不起作用。他着手设计无线GPS和电生理学设备,这些设备足够小,可以装在蝙蝠身上。Ulanovsky认为,这是一项技术挑战,如果没有军队在仪器和软件方面的培训,他可能就不会成功。

他的GPS记录仪是一个5平方厘米的设备,重量只有8 g。而他的神经记录仪,带有16个细长电极——每个电极都比人类头发还要细——重量只有7克。这些电极足够灵敏,能够记录几个单独的神经元放电,并且可以存储数小时的数据。

虽然这些设备都很小,但对于许多蝙蝠来说还是太重了——包括小只的、体重仅为20克的Eptesicus fuscus蝙蝠,讽刺的是,这种蝙蝠更常被叫做大棕蝙蝠,Ulanovsky在马里兰州的研究中使用的就是这种蝙蝠。这次,Ulanovsky决定使用埃及果蝠(Rousettus aegyptiacus),这种蝙蝠的体积是大棕蝙蝠的十倍,接近普通实验室大鼠的大小,在以色列很常见。最终,Ulanovsky放弃进一步缩小设备尺寸,转而选择了一种更低科技、也更简便的方法——选择更大的蝙蝠。

虽然一些蝙蝠非常凶猛,但Ulanovsky认为,埃及水果蝙蝠“容易驯服,非常温和”。每年有几次,他会带上巨大的网,然后前往野生动物园捕捉蝙蝠,从居住在废弃建筑物中的蝙蝠巢里收集标本,或者在朱迪亚山(Judean hills)上收集。

他最早的一项实验是在2008年开始的,旨在找出蝙蝠在携带设备的情况下选择飞行的距离。Ulanovsky指出,很少有人知道蝙蝠的自然行为,所以他需要收集一些基本信息。他给35只蝙蝠装上GPS记录仪,结果发现它们每晚飞行15公里及以上,以寻找晚餐——能记住一棵果实特别多的树的位置。

他还在实验室里建造了飞行室(图“飞行追踪”)。最大的飞行室大约6×5×3米——接近壁球场大小的一半——并且装有摄像机、用于蝙蝠悬挂的着陆球,以及放了水果诱惑的喂食站。飞行室由金属建成,外表还包裹着一层黑色的声学泡沫,可以保护其免受外部噪音和电子信号的影响。飞行室内一片安静。照明条件可以从昏暗调整到非常黑。

 

 

 

 

在隔壁的控制室里,蝙蝠看起来像是在屏幕上移动的微小光点。每只蝙蝠都带有一个红色发光二极管(LED),当其在房间周围掠过时,由摄像机跟踪。神经记录仪被用于监测蝙蝠的大脑活动,首先通过外科手术将电极植入海马体,然后用微小的螺钉将外部硬件固定在颅骨上。摄像机和记录仪使Ulanovsky能够将神经元的放电与蝙蝠在太空中的确切位置联系起来。

在这个设置中,他已经能够揭示典型的蝙蝠导航神经元的3D区域。例如,放置细胞区域——在大鼠中是特定大小的扁平圆圈——在飞行的蝙蝠中几乎呈球形,且并不存在某些大鼠实验所预测的垂直伸长。他研究了头部方向细胞如何在3D导航中起作用,并发现了另一种类型的导航细胞——长期寻找的矢量细胞,它负责跟踪到特定目标的角度和距离。一系列实验有助于否定大鼠研究中曾经流行的一个理论——该理论认为,某种类型的脑振荡会产生类似网格的神经地图;蝙蝠中没有出现振荡,因此不需要产生这样的神经地图。

他还探讨了蝙蝠社交的影响。当他把第二只蝙蝠放入飞行室时,他发现被监视的蝙蝠有“社交位置细胞”,负责跟踪同伴的位置。他想象这样的细胞必须存在于大脑的某个地方——因为蝙蝠显然需要知道自己的同伴在哪里,以及天敌在哪里——但是并没有想到社交位置细胞也在海马体内。他现在正在追踪两三只蝙蝠的大脑如何记录多达十只蝙蝠在大型飞行室中生活数月的社交互动。

其中Ulanovsky最迫切希望知道的是,在更自然的行为中,这套导航细胞将如何在飞行室外进行。在野外监视蝙蝠的位置是不可能的——摄像机是没用的,因为蝙蝠的飞行范围太大,GPS不能提供足够高的分辨率——所以Ulanovsky认为人工隧道是最好的选择。

当蝙蝠飞过200米长的隧道时,他可以使用蝙蝠身上的微型信号装置监控其准确位置,并在结构外部间隔放置15个天线以接收其无线电传输。每个天线通过Wi-Fi将其计算出的距离信息发送到隧道入口处的工作站,在那里重建蝙蝠的完整3D运动。整个设施的构建费用达到90万以色列谢克尔(折合25万美元)。

 

 

一种神经记录仪,用于无线记录飞行中蝙蝠的神经元活动。

 

 

从蝙蝠的角度来看,穿过隧道比在夜间飞行15公里找到一棵树要容易得多。但Ulanovsky的团队试图重建大脑用作导航设备的一些功能。研究生Tamir Eliav收集了各种各样的物品,并散布在隧道各处,以便作为标志性地标。沿着隧道,能看到昏暗的LED灯条、旧的抽屉柜,以及一个生锈的自行车架,感觉就像在看艺术展。

自2016年3月首只蝙蝠飞行以来,Ulanovsky和他的学生们收集了来自不同蝙蝠的200多个神经元的数据。这些早期数据暗示了有趣的见解。例如,Ulanovsky发现,单个细胞既会在一个小区域的一个位置放电,也会在一个大区域中的一个完全不同的位置放电,这表明位置细胞可能代表多个空间尺度,而不仅仅是一个特定尺度。研究人员无法从笼中实验发现这种模式。Ulanovsky需要更多数据来证实这一点,但这符合一些理论家的预测。Ulanovsky指出,如果位置细胞的感受区域都比较小,只有实验室大小,那么海马区域就没有足够的神经元可以单独覆盖远距离了,所以部分位置细胞对多个尺度有反应是有非常重要的意义的。

 

 

隧道视角

这促使他设计出更大、更好的隧道——一条长达1公里的、布满无线摄像机的隧道。不过这种隧道花费不菲,需要高达900万谢克尔。幸运的是,今年早些时候,私人赞助商提供了一半费用。新的隧道将允许测量更大的场地,并且具有更精确的3D定位。这条隧道将有一个15米的侧支,从而让科学家得以研究同一神经元如何对短途和长途飞行作出反应,以及大脑如何将这两个尺度缝合在一起。空调控温将允许实验在整个炎热的夏天进行。

研究小鼠和猴子的大脑中的空间导航和决策的Angelaki指出,隧道及野生蝙蝠代表了现实世界和实验室之间的中间地带。她还表示,与她类似的行为神经科学家越来越意识到不能再使用过度训练的实验动物来研究大脑。在典型的实验室实验中,动物通常接受非常特定的、不自然的任务的训练。然而这些训练与动物为最优化觅食而进化大脑连接的过程毫无关联。

与世界各地的其他人一样,Angelaki的实验室开始使用神经记录仪来监测更自然的啮齿动物行为,例如寻找散落在笼子里的食物。她预测,更多研究人员将开始着眼于自然环境。在接下来5年,应该会有更多这样的成果出现,神经科学实践也将发生重大变化。

然而,正如Moser所说,Ulanovsky的蝙蝠并不如在野外寻找果树时聪明。这是因为在隧道上下飞行,其实并不需要太多的考虑。所以Ulanovsky计划开展一个更复杂的试验。他正在为构建一个40米宽,60英尺长的迷宫而寻求资金资助。这个迷宫将比足球场的一半大一点,它有助测试蝙蝠大脑如何应对更复杂的环境,以做出计划和决定如何导航。

迷宫将由相互连接的隧道组成,其中蝙蝠不会总是能够看到它的目标(通常是一种食物,如一块香蕉)。相反,它必须依赖于认知图中的记忆。Ulanovsky设计了一系列日益复杂的实验——例如,设定多个目标,或突然在蝙蝠记忆好的路径中设置路障。他希望解答蝙蝠如何在几个目标之间做出选择,或重新计算路径,或者当蝙蝠失去方向时细胞如何反应等问题,以及大脑中的罗盘是否开始疯狂旋转?这些都是尚未解答的谜题。

而且蝙蝠很有礼貌。在隧道中度过美好的一天,蝙蝠可以翱翔并翻转数千米,然后休息一下,吃一点香蕉。他们是被误解的生物。站在隧道的尽头,温柔地凝视一只刚刚落地的蝙蝠Ulanovsky指出,它们将推动科学发现。

 

原文检索:

Alison Abbott. (2018) 100 bats and a long, dark tunnel: one neuroscientist’s quest to unlock the secrets of 3D navigation. Nature, 559: 165-168.

张洁/编译

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

新闻特写, 热点
No Responses to ““蝙蝠侠”利用蝙蝠研究大脑3D导航机制”

Leave a Reply


eight − 5 =