如果把大腦中神經元的空間位置打亂,但突觸連接的拓撲結構保持不變,會發生什麼?
更新于:2025-03-26 08:17:14

會錯亂。拿最簡單的模式生物為例----果蠅的大腦----突觸連接只是冰山一角。

前幾年神經領域有一個重要的專案被完成,叫connectomics,通俗理解起來就是對神經連接在細胞層面的解析。因為人、哪怕是小鼠的大腦都太大了,神經數目太多太複雜,實在是不好弄。

出於對實驗效率的考量,以及果蠅作為“有基本自主行為能力”的生物的客觀事實,就用果蠅的小小的大腦開啟了這種圖譜工作。一方面,果蠅的學習記憶能力,在一定層面上可以代表生物整體學習記憶的基本運作邏輯;另一方面,也算是為後面其他大模式生物的同類工作打個樣,包括需要做什麼工作、拍照要用什麼條件、多大數據量、精度、怎麼分析、怎麼修正等等。

鑒定出來一兩個突觸雖然花時間、但也不難;所以里程碑的意義不在一兩個突觸,而是在果蠅全腦的突觸被解析出來那一刻。確切的說,是一隻成年雄果蠅的全腦connectomics。而最直觀的理解connectomics,就是每一個細胞作為一個節點,都和哪些細胞建立了連接。所以圖譜可以被線性化,變成一個點個線組成的網狀圖。

這個模型如果百分百完整,那就可以像問題中說的一樣,只要保證了拓撲結構、就不破壞信號通路和神經傳遞。

確實是一個大課題,但做出來以後,最大的意義就是發現,“哦我們還需要知道更多的資訊”。

所以人們馬不停蹄開始了原地重複雌果蠅、小果蠅;與此同時,也發現了突觸連接雖然重要,但覺不代表100%的神經活動,更不要說決策和行為能力。

突觸不能涵蓋的連接方式有很多,其中之一就是細胞-細胞之間的直接連接,比如gap junction。

之所以這麼稱呼,就是gap junction只發生在細胞膜直接相連的兩個細胞之間,中文稱為間隙連接。具體到分子結構上,是由叫做連接子(connexon)的蛋白復合體負責溝通兩個細胞膜。

連接子是一個六蛋白復合體,像一朵花一樣形成一個中間可以開合的通道。既然可以開合,就會有特定的物質運輸,一般都是小分子和離子。

這種物質運輸可以在兩個細胞間直接建立化學和電信號的聯繫。由於gap junction本身距離短、小分子擴散性強,這種特徵讓gap junction特別適合在組織細胞中負責實現細胞的同步性。

例如在心肌中,gap junction保證了電信號的同步傳遞,從而協調心臟的收縮。在神經元里,gap junction有助於傳遞電活動、協調複雜運動中的多種細胞各自的活性。連續的細胞還可以通過gap junction共用營養物質和代謝產物,例如葡萄糖和小的代謝分子,從而實現代謝協同。

在gap junction中所涉及到的物質傳遞,和突觸的機制完全不同,沒有神經遞質的釋放和回收、甚至連特定受體都不存在,就只是一個通道結構而已。

可是,gap junction卻與很多疾病密切相關,比如由其異常導致心律不整或心力衰竭、遺傳性耳聾、癲癇。至少說明,神經連接除了靠突觸,彼此的真實物理接觸也是至關重要的。