在過去的幾年里，隨著成像工具和技術(shù)的進步，科學(xué)家們一直在孜孜不倦地繪制人類大腦神經(jīng)連接的詳細圖譜，以期最終理解大腦是如何工作的。

但是，確定大腦中的細胞是如何物理連接的，只是解讀我們的感知和行為的第一個線索。我們還需要知道在給定的環(huán)境下，信息在大腦中的準(zhǔn)確路徑。2013年9月8日，索爾克生物研究所(Salk Institute for Biological Studies)的研究人員在《自然神經(jīng)科學(xué)》(Nature Neuroscience)雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。他們展示了一個驚人的例子，證明了神經(jīng)回路的靈活性及其對蠕蟲行為的影響，這取決于動物所處的環(huán)境。

秀麗隱桿線蟲有302個神經(jīng)元——遠遠少于一個人估計的1000億個神經(jīng)元——我們已經(jīng)知道每個神經(jīng)元是如何連接的。除了這種微小生物的細胞很容易被操縱之外，研究人員還可以問，在分子和電路層面上，什么樣的信息通過這個回路，以及這種信息流的行為后果是什么。

然而，即使有一張完整的蛔蟲神經(jīng)元連接圖在手，科學(xué)家們?nèi)匀徊恢阑紫x是如何以成千上萬種不同的方式與環(huán)境互動的。這是索爾克分子神經(jīng)生物學(xué)實驗室的助理教授Sreekanth Chalasani和加州大學(xué)圣地亞哥分校的博士生Sarah Leinwand試圖回答的一個大問題。

在線蟲中，由于20多年前的研究，許多感覺神經(jīng)元被確認具有不同的作用，如感知溫度、信息素、鹽和氣味。為了了解這些細胞的功能，科學(xué)家們用激光對它們逐一照射，并測量了蠕蟲的行為。這些研究表明，有一個神經(jīng)元參與了檢測蠕蟲周圍鹽分增加的過程。

在這項新的研究中，Leinwand和Chalasani并沒有切除單個的感覺神經(jīng)元，而是對蠕蟲進行了成像，這些蠕蟲在其神經(jīng)元中表達了基因編碼的鈣指示物，這使得細胞在活動時發(fā)光。令人驚訝的是，在接觸到一種吸引人但濃度很高的鹽后，蠕蟲的嗅覺感覺神經(jīng)元活躍起來。

Leinwand說:“我們非常驚訝地發(fā)現(xiàn)，有了這些新的工具，這些新的鈣傳感器，我們可以發(fā)現(xiàn)，在處理感官信號時，參與其中的神經(jīng)元種類不止一種，而人們認為這些信號只能由單個神經(jīng)元感知。”

通過額外的基因操作和行為分析，研究人員發(fā)現(xiàn)，嗅神經(jīng)——雖然對氣味的感知仍然很重要——對于蠕蟲在一定濃度范圍內(nèi)向鹽移動至關(guān)重要。出乎意料的是，這個神經(jīng)元對鹽的反應(yīng)也需要先前識別的感鹽神經(jīng)元。他們發(fā)現(xiàn)，事實上，嗅覺神經(jīng)元并不是直接感知鹽，而是被鹽感覺神經(jīng)元激活。

嗅覺神經(jīng)元接收到的是什么信息?神經(jīng)元通過與相鄰神經(jīng)元的緊密接觸，通過發(fā)送化學(xué)和電信號來相互交流。通過測試那些信號分子已被基因敲除的蠕蟲，Chalasani和Leinwand可以看到，當(dāng)蠕蟲受到高鹽刺激時，哪些分子在傳播過程中發(fā)揮了作用。從這些實驗中，他們發(fā)現(xiàn)了一種神經(jīng)肽，一種存在于神經(jīng)元中的小蛋白，正被鹽感神經(jīng)元釋放出來，以塑造動物的行為。

查拉薩尼說，在這項研究中，確定負責(zé)環(huán)境依賴性信號傳遞的神經(jīng)肽(或神經(jīng)肽)是最具挑戰(zhàn)性的部分，因為蛔蟲有115個基因，可編碼約250個神經(jīng)肽。幸運的是，只有四種不同的分子機器可以處理所有這些肽;通過對這四種基因的基因敲除，Leinwand和Chalasani很快就將這四種編碼胰島素神經(jīng)肽的基因縮小到大約40個。

研究小組一個接一個地追蹤缺失每個基因的蠕蟲對高鹽的嗅覺神經(jīng)元反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)缺乏胰島素神經(jīng)肽INS-6基因的蠕蟲對鹽的增加沒有反應(yīng)。把這種肽放回去可以恢復(fù)動物對高鹽的正常反應(yīng)。

Leinwand說:“雖然可能有不止一個肽信號，但INS-6的貢獻無疑是巨大的，這是令人欣慰的。”她和Chalasani還在嗅覺神經(jīng)元的接收端發(fā)現(xiàn)了特定的受體。

胰島素是主要的信號分子，將嗅覺神經(jīng)元招募到一個鹽感電路中，這是一個很大的驚喜。

“傳統(tǒng)上，神經(jīng)肽被認為可以在數(shù)秒到數(shù)分鐘內(nèi)調(diào)節(jié)神經(jīng)功能，”Chalasani說。“但在這個特殊的例子中，胰島素似乎在不到一秒的時間內(nèi)就將信息從感知鹽的神經(jīng)元傳遞到通常對氣味有反應(yīng)的神經(jīng)元。”

類似的神經(jīng)肽交流也可以創(chuàng)造靈活的神經(jīng)回路，調(diào)節(jié)其他動物和人類在其環(huán)境中的各種行為。胰島素在人體內(nèi)有很多作用——例如，它與衰老和新陳代謝有關(guān)——但到目前為止，它的作用只是在較慢的一分鐘范圍內(nèi)。

Chalasani和Leinwand計劃研究蠕蟲體內(nèi)是否存在其他快速神經(jīng)回路開關(guān)，如果存在，這些開關(guān)是否通過神經(jīng)肽信號或其他機制起作用。他們還對動物年齡增長時電路開關(guān)的變化感興趣。卡拉薩尼說:“你可能會認為，隨著動物年齡的增長，這種交流的效率會降低。”