人腦有1000億個神經元並形成了100萬億個連接。了解協調我們所有日常行為的腦細胞的精確電路–如移動我們的四肢、對恐懼和其他情緒做出反應，等等–對神經科學家來說是一個極度複雜的難題。但現在，關於行為的神經科學的基本問題可能通過一種新的和更簡單的模型生物來回答：小水母。
加州理工學院的研究人員現已經開發出一種專門用於修補Clytia hemisphaerica的遺傳工具箱，這是一種完全生長時直徑約為1厘米的水母。通過利用這個工具箱，研究人員將這些微小的生物進行了基因改造，從而使它們的神經元在激活時單獨發出熒光。由於水母是透明的，所以研究人員可以觀察動物的神經活動的光芒。也就是說，研究小組可以在水母進食、游泳、躲避捕食者等過程中讀懂它的思想，進而了解動物相對簡單的大腦如何協調其行為。
據悉 ，該項研究的論文已於2021年11月24日發表在《Cell》上。
說到實驗室中使用的模型生物，水母是一個極端的異類。蠕蟲、蒼蠅、魚和老鼠–一些最常用的實驗室模型生物–從遺傳學上講，它們彼此之間的關係都比水母更密切。事實上，蠕蟲在進化上比它們跟水母更接近人類。
“水母是一個重要的比較點，因為它們的關係如此遙遠，”這項研究的論文第一作者、博士後學者Brady Weissbourd指出，“它們讓我們提出這樣的問題：是否存在所有神經系統共享的神經科學原理？或者，第一批神經系統可能是什麼樣子的？通過更廣泛地探索自然，我們也可能發現有用的生物創新。重要的是，許多水母是小而透明的，這使得它們成為系統神經科學的令人興奮的平台。這是因為有驚人的新工具可以利用光線對神經活動進行成像和操縱，你可以把整個活水母放在顯微鏡下，一次就能看到整個神經系統。”
水母的大腦不像我們自己的大腦那樣集中在身體的某個部位，而是像一張網一樣散布在動物的整個身體上。水母的各個身體部分可以在沒有集中控制的情況下，看似自主地運作。比如像通過手術切除的水母嘴，即使沒有動物身體的其他部分，其仍也可以繼續“進食”。
這種分散的身體計劃似乎是一種非常成功的進化策略，因為水母在整個動物界已經持續了數億年。但分散的水母神經系統是如何協調和安排行為的呢？
在開發出跟Clytia一起工作的遺傳工具后，研究人員首先檢查了這種動物的攝食行為所依據的神經迴路。當Clytia用觸手抓住一隻滷水蝦時，它會摺疊身體，以便將觸手帶到它的嘴邊，同時將它的嘴向觸手彎曲。而水母的大腦顯然是非結構化和徑向對稱的，那麼它hi如何協調水母身體的這種定向摺疊呢？
通過檢查動物的神經元在進食時發生的發光連鎖反應，研究小組確定，一個產生特定神經肽（一種由神經元產生的分子）的神經元子網絡負責空間定位的身體向內摺疊。此外，儘管水母的神經元網絡最初似乎是分散的和無結構的，但研究人員發現了一種令人驚訝的組織程度，只有在它們的熒光系統中才能看到。
“我們的實驗顯示，支撐圓形水母傘的看似分散的神經元網絡實際上被細分為成片的活躍神經元像比薩餅的切片一樣被組織成楔形，”Anderson解釋道，“當水母用觸手抓住一隻鹽水蝦時，離該觸手最近的‘披薩片’中的神經元會首先激活，這反過來又導致傘的那一部分向內摺疊，然後把蝦帶到嘴邊。重要的是，如果你看水母的解剖結構，即使用顯微鏡，也完全看不到這一層次的神經組織。你必須能將活躍的神經元可視化才能看到它–這正是我們的新系統所能做到的。”
Weissbourd強調稱，這只是了解水母行為的全部劇目的表面。“在未來的工作中，我們想把這種水母作為一個可操作的平台以精確地了解行為是如何由整個神經系統產生的。在食物傳遞的背景下，了解觸手、傘和嘴都是如何相互協調的，讓我們能了解到神經系統內模塊化功能的更普遍問題以及這些模塊如何相互協調。最終的目標不僅是了解水母的神經系統，而且還要把它作為一個跳板在未來了解更複雜的系統。”
這個新模型系統對於任何地方的研究人員來說都是直接使用的。水母的品系可以在實驗室環境中的人工海水中維持並被運送給那些有興趣使用這種小動物回答問題的合作者手上。