饒毅小組新成果：繪制神經活動“化學地圖”

　　“哇！”凌晨4點半，原本睡得香甜的小嬰兒突然醒來開始哭鬧。從出生到快兩歲，每天固定的夜哭和別人家“天使寶寶”的故事，讓她的父母百思不得其解：究竟是什么影響甚至決定了人的睡眠？

　　神經科學家也希望獲得這個問題的答案。近日，細胞出版社旗下的學術期刊《神經元》發表了北京大學生命科學學院教授饒毅課題組的一項研究成果。該成果提出“化學連接組”（CCT）這一新概念，并在果蠅中構建了“化學連接組“遺傳資源庫。研究人員在對果蠅的實驗中發現，至少41個CCT基因調節睡眠。

　　“我們試圖構建神經環路中的‘化學地圖’，即參與神經活動與信息傳遞的化學物質在大腦中分布如何。”論文第一作者、北京大學生命科學學院博士后鄧博文告訴《中國科學報》：“這是一項如同大海撈針一樣的艱巨任務，我們剛剛邁出了第一步。”

　　“化學傳遞學說”2.0

　　自20世紀30年代“乙酰膽堿”被證實為神經傳遞的化學物質后，“化學傳遞學說”成為解釋神經細胞之間信息傳遞的重要觀點之一。近一個世紀以來，盡管“化學傳遞學說”不斷完善，但只研究一個、或者少數幾個遞質和受體，依然難以解釋復雜的神經活動現象。

　　“大腦完成一個活動的背后，往往有許多神經元參與。”鄧博文表示，“我們想知道，大腦在完成這個活動具體的神經環路以及神經環路上的信息傳遞是怎樣的。”

　　為此，饒毅課題組提出一個新概念——“化學連接組”，旨在發揚和繼承“化學傳遞學說”，在研究單個神經元遞質交流的基礎上，從整體上研究神經活動過程中所有神經遞質及神經調質、神經肽的參與和分布。

　　“這個新概念讓科學家用正在發揮作用的神經遞質來繪制大腦成為可能。” 瑞士日內瓦大學醫學院基礎神經科學系教授克里斯蒂安·盧舍爾（Christian Luscher）稱。在他看來，這種方法具有巨大的潛力。

　　中科院生物物理所研究員孫堅原也向《中國科學報》表示：“‘化學連接組學’從化學的角度來審視和定義神經信息處理，很有洞察力。”

　　被廣泛接受的“組學”

　　事實上，“組學”作為一種研究策略，在神經科學中已被廣泛接受。據饒毅課題組科研人員總結，當前，有關連接組的研究，微觀層面的策略，主要以電子顯微鏡重構神經環路，介觀層面的策略在病毒注射構建神經環路，宏觀層面的則是以功能核磁共振為基礎顯示人腦大尺度的連接。

　　不過，上述三類“組學”仍然難以回答當前神經科學面臨的終極問題——神經系統如何連接、連接如何起功能作用、在不同狀態中連接組是否改變。

　　其中，電子顯微鏡重構的神經環路能看清神經元的物理位置，但看不到所傳遞信息的信號；注射病毒的策略僅能追蹤腦區，無法涵蓋整個神經環路；而核磁共振的策略分辨率太低，難以在分子和細胞水平上開展研究。

　　“化學連接組學”在揭示腦的構成和神經環路方面與已有連接組學互補，尤其在揭示基因與行為和認知的分子機理方面，與隨機遺傳突變篩選互補，具有專注神經信號的優勢。”鄧博文告訴《中國科學報》。

　　孫堅原指出，這項工作還引出了一個神經科學領域內的重要的議題，即“神經信息處理在本質上是電還是化學的”。

　　“小”果蠅“大”貢獻

　　在高通量攝像頭下，一批果蠅開始運動，連續七天左右，這一批果蠅的運動軌跡被攝像頭嚴格記錄下來。

　　很快，鄧博文和同事分析視頻數據顯示，部分果蠅的睡眠量明顯減少。通過初步分析147個CCT基因突變果蠅品系，他們發現了41個基因突變會影響果蠅睡眠。

　　“基于‘組學’的概念，我們追蹤了所有的神經遞質、神經肽、及他們的受體基因，我們不僅觀察這些基因突變的功能，還可結合這些基因表達的細胞類型分析不同細胞在睡眠中的功能。” 鄧博文介紹。例如，研究人員發現鱆胺的一個受體參與睡眠調節，并且該受體既表達在神經細胞，也表達在膠質細胞，進一步研究我們發現膠質細胞也會參與睡眠的調節。”

　　盧舍爾告訴《中國科學報》，除了睡眠，這一新方法在研究其他腦功能時也有望發揮作用。

　　他同時表示，果蠅是研究特定基因對腦功能影響的有力模型。“期待看到這一方法在小鼠等哺乳動物身上的應用，最終應用于人類疾病相關研究。

　　前述論文寫道：“在哺乳類進行‘化學連接組’的想法也引起了我們的注意。”據稱，研究人員已設計哺乳動物的“化學連接組”，已取得尚未發表的初步結果。

“化學連接組資源構建”示意圖（饒毅課題組供圖）