人類有愛有恨，有歡喜有厭惡，兒童愛不釋手的玩具可能被成人不屑一顧。然而，這種喜好并不是人類的專利，低等動物同樣會有抉擇。成語“飛蛾撲火”詮釋了昆蟲為求光明甚至不惜犧牲，然而，昆蟲幼蟲恰恰喜歡茫茫黑暗卻往往不為人知。

近日，中國科學(xué)院生物物理研究所研究員劉力、副研究員龔哲峰等初步揭示了果蠅幼蟲中央腦的兩對神經(jīng)元足以調(diào)節(jié)果蠅幼蟲對于不同光強(qiáng)條件的偏好行為的研究成果。這一成果日前在美國《科學(xué)》雜志在線發(fā)表。

來自紐約大學(xué)的NinaVogt博士和Desplan博士對此給予了高度評價，認(rèn)為這項發(fā)現(xiàn)“增進(jìn)了人們對動物大腦解析視覺的理解”，同時也使人們“向全面理解環(huán)境和內(nèi)在生理因素影響本能行為的神經(jīng)基礎(chǔ)邁進(jìn)了一步”。

成功，些許“運氣”

“這篇文章得以發(fā)表，我們運氣不錯。”龔哲峰這樣強(qiáng)調(diào)。

“運氣”是從確定課題方向開始的。在國外時，龔哲峰就常常會想起一個有意思的現(xiàn)象：當(dāng)很多人經(jīng)歷匆匆歲月，偶然邂逅少年時代的初戀情人時，卻發(fā)現(xiàn)完全找不到之前的感覺。而這種變化的神經(jīng)基礎(chǔ)卻并未被人所知。

然而，它雖然是有趣的課題，但人腦的復(fù)雜性使這樣的研究很難簡單實現(xiàn)。一次意外發(fā)現(xiàn)卻給了龔哲峰啟示：果蠅的幼蟲伴隨著自身的發(fā)育，會從年幼時喜歡黑暗變得逐漸熱愛光線充足的地方。

這不正是與人類的偏好性類似的生物模型嗎？龔哲峰深入思考后，毅然確定了自己回國后的研究方向。

龔哲峰回到中科院生物物理所工作后，該項研究得到了課題組組長劉力的強(qiáng)力支持。于是龔哲峰著手訂購了1000余個缺陷品系果蠅，希望能發(fā)現(xiàn)不怕光的果蠅幼蟲，獲得實驗材料。

訂購來的果蠅要獲得缺陷表型，必須經(jīng)過進(jìn)一步雜交，龔哲峰和合作者開始了上千次顯微鏡下的雜交、繁殖，上萬次的篩選。在每天工作14小時以上、不間斷雜交篩選大半年后，終于發(fā)現(xiàn)了不怕光的品系。

“我們運氣不錯。本以為果蠅失去避光性就是成功，可就在篩選工作進(jìn)行了一年多、即將結(jié)束的時候，我們居然發(fā)現(xiàn)了一個品系的果蠅幼蟲喜歡光。”龔哲峰興奮地說。

這個發(fā)現(xiàn)讓該品系的果蠅頓時成了“寶貝”。NP394神經(jīng)元的失活，并不僅僅使得該品系的果蠅幼蟲從“懼怕光”變得對光“無所謂”，而是180度的大轉(zhuǎn)彎，直接“愛上光”了。

接著，課題組研究人員證明了NP394神經(jīng)元控制著果蠅避光/趨光的“開關(guān)”：抑制該神經(jīng)元，即使年幼的幼蟲也會變得“喜歡光”；激活該神經(jīng)元，則年長的幼蟲同樣將變得“害怕光”。

“我們通過分段表達(dá)綠色熒光蛋白，第一次在果蠅中成功檢測到了該技術(shù)的應(yīng)用，證明了PDF神經(jīng)元和NP394神經(jīng)元的上下游關(guān)系。”龔哲峰指出。

要證明兩個神經(jīng)元之間的關(guān)系，首先要確定它們的突觸距離是否足夠近。而在果蠅不同的神經(jīng)元中分段表達(dá)綠色熒光蛋白成了瓶頸。此時，國外的研究也首次報道在果蠅中應(yīng)用了該項技術(shù)，和龔哲峰的體系頗有相似之處。

“他們沒有得到陽性結(jié)果，我們得到了。”龔哲峰平靜地說。

通過改造實驗器材，他們在國內(nèi)首次實現(xiàn)果蠅中功能鈣成像技術(shù)的成功應(yīng)用，佐證了兩對神經(jīng)元的上下游關(guān)系。憑借著四年多的“運氣”，劉力、龔哲峰等最終發(fā)現(xiàn)并提出NP394神經(jīng)元的開關(guān)作用，并首次將偏好行為神經(jīng)元回路從第一級延伸到第三級神經(jīng)元，得到了國際同行的認(rèn)可和高度評價。

“可能運氣好吧。”回顧四年多來的艱辛付出，龔哲峰付之一笑，“這些結(jié)果還不足以闡述人類的喜好變化。不過，只要繼續(xù)堅持做下去，它終會給我們帶來驚喜。”

果蠅，又見果蠅

人們可能沒有想到，嗡嗡作響、令人生厭的果蠅于20世紀(jì)初被遺傳學(xué)大師摩爾帶入實驗室后，竟已成就了7位諾貝爾獎獲得者。

在中國，以果蠅為研究工具，神經(jīng)生物學(xué)家們同樣取得了令人關(guān)注的成果。

被人稱為“果蠅院士”的中科院院士郭愛克，是劉力和龔哲峰學(xué)生時代的共同導(dǎo)師。作為新中國第一位留德博士，郭愛克近年來已經(jīng)連續(xù)3次在《科學(xué)》雜志上發(fā)表文章。

2001年，郭愛克研究小組首次發(fā)現(xiàn)了果蠅具有簡單抉擇能力，并且“蘑菇體”參與其中；2005年，該小組繼續(xù)深入“兩難抉擇”研究，發(fā)現(xiàn)了果蠅跨視覺和嗅覺記憶的“共贏機(jī)制”；2007年，他們則聚焦于面臨沖突環(huán)境時果蠅價值抉擇的神經(jīng)環(huán)路機(jī)制。

名師出高徒。劉力也曾兩次在英國《自然》雜志發(fā)表文章。2006年，他在中科院生物物理所的研究小組從基因、細(xì)胞、腦結(jié)構(gòu)以及行為等多個層面，第一次精確定位了果蠅視覺學(xué)習(xí)記憶的腦功能區(qū)——扇形體。

這些喜歡環(huán)繞著腐敗水果飛行的小家伙，為什么會被生命科學(xué)家寵愛至極，并且占據(jù)生命科學(xué)研究舞臺百年之久呢？

“果蠅是人類窺見自己復(fù)雜神經(jīng)的一扇窗口。它結(jié)構(gòu)簡單，繁殖快速，易于改造，非常適宜做神經(jīng)生物學(xué)的研究模型。”面對記者的疑問，龔哲峰道出了果蠅的妙處。

果蠅容易飼養(yǎng)，平均一年30代的繁殖速度，使科學(xué)家們能夠在較短的時間內(nèi)培養(yǎng)出大量的特定種系。隨著2000年果蠅基因組的測序完成，研究者更是可以準(zhǔn)確、迅速地對其進(jìn)行改造。

此外，小小果蠅的神經(jīng)系統(tǒng)和人類也頗具相似之處，在人類的大腦中，活躍著大約1000億個神經(jīng)元，而果蠅只相當(dāng)于人類的萬分之一。因此，果蠅也已成為研究神經(jīng)結(jié)構(gòu)和定位記憶方面最好的生物模型。

物體進(jìn)入人們的眼中，大腦會對圖像分類后加以儲存，從而構(gòu)建出思維與情感，或者發(fā)出指令。那么，果蠅眼睛中的刺激傳到腦中，又是如何學(xué)習(xí)和記憶的呢？

在劉力的實驗室里，記者見到了一套為果蠅量身打造的“飛行裝置”。該裝置可以呈現(xiàn)出不同的視覺圖案——正T和倒T字母，主要作用是教導(dǎo)果蠅“學(xué)習(xí)”。

果蠅在明亮的圓筒形空間向眼前的視覺目標(biāo)飛去，如果它總是飛向倒T字母，電腦就會立即發(fā)出指令，燙它的屁股。慢慢地，果蠅學(xué)會了“吃一塹，長一智”，認(rèn)識到倒T字母是危險的，而自覺地轉(zhuǎn)向正T字母。

通過這套設(shè)備，就可以模擬出果蠅的學(xué)習(xí)過程，建立視覺、神經(jīng)和行為之間的動態(tài)神經(jīng)回路。

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