基因、大脑与行为

佚名

基因、脑与行为的关系是脑与认知科学面临的重大战略性科学问题。不同物种的脑虽然在形态上迥然不同，但是在基因水平上却有很高的同源性，从而使脑具有相似的基本功能。在脑与认知科学中选择何种模式生物对于科研非常重要，有助于理解、预防和治疗相关性神经和精神疾病。诺贝尔奖得主坎德尔教授就曾选择海兔作为模式生物，成功地将各种行为包括将来的学习行为与突触的可塑性结合起来进行研究，确定了短时和长时记忆是如何储存在神经系统中的。而对于研究学习记忆所选择的主要模式生物就是我要介绍的果蝇。这是为什么呢？作为一个重要的模式生物，果蝇是探索生命奥秘的万能钥匙，以果蝇为模型有诸多的优势——

　　第一，果蝇的生命周期短，繁殖力强。第二，果蝇具有清晰的遗传背景，在2000年果蝇测序工作已基本完成，果蝇基因组有13000～15000个基因，所有果蝇的遗传密码已经清楚。根据果蝇的遗传密码以及相关的信息，研究人员已经在互联网上建立了各种各样果蝇的相关数据库，而其相对简单的神经系统也很有助于对其进行研究。第三，果蝇也具有多种多样的行为，果蝇可以进行学习，有的非常“聪明”，当然也有“傻瓜”。果蝇也可以发生老年痴呆，还会饮“酒”、吸“毒”并表现出相应的行为。重要的是果蝇可以睡眠，甚至做梦，还可以唱情歌。因此，以果蝇为模型，通过基因突变和行为筛选可以确定与学习记忆相关的候选基因，进一步通过反向遗传学方法，可能在不同物种中确定候选基因的调控机制及其学习记忆等行为中的功能。

　　最近，我们研究发现果蝇中心脑区的扇形体结构参与了调节视觉图形识别过程，并证实视觉模式的记忆定位在中央复合体中扇形体的平行分层细胞结构。这是首次对果蝇视觉学习记忆功能区的精确描述，说明了果蝇的记忆痕迹并不存储在某一通用的记忆中心。科学家已经发现果蝇能够进行嗅觉的联想记忆，那么视觉记忆是储存在脑中什么样的地方呢？果蝇脑中有两个非常重要的结构。一个叫做蘑菇体，一个是中央复合体。后者包括脑桥、扇形体、小体等结构，周围是中央复合体的突触体，我们要看一下这些是不是对果蝇的视觉记忆产生影响。

　　我们通过研究发现，中央复合体可能与果蝇的视觉记忆的储存有密切关系，可在中央复合体的几个亚结构中究竟是哪个与此密切相关呢？经过大量的实验以及对果蝇进行大量的筛选，终于把视觉记忆功能部位确定为扇形体。我们知道，人类分辨不同的图形是根据图像之间的不同参数进行分辨，而果蝇进行图形的分辨同样也可以根据不同的参数，比如可以根据图像的高度、大小、颜色来分析不同的图形。果蝇的扇形体结构共分6层，每一层均由几十个神经元组成，并均赋予了非常特定的功能。比如有的层的神经元负责处理不同图形的高度区别，并且形成记忆，而另外层的神经元则对于大小、朝向等其他参数进行处理并负责记忆。这样，扇形体不同的结构分工负责不同的参数，最终形成视觉记忆。

　　上述的研究成果发表在今年的《自然》杂志上，其价值在于第一次从基因、细胞、脑结构以及行为等多个层次精确定位了果蝇视觉学习记忆的脑功能区，有力支持了果蝇的视觉位移不变性识别，揭示了果蝇的脑中并不存在一个通用的记忆中心，而是不同特征藏在不同的区域里，这样的成果将有助于下一步对果蝇视觉编码的解析。

                                    中国科学院生物物理研究所研究员刘力

从果蝇研究向诺贝尔奖靠近

        对于在腐烂水果上飞舞的果蝇，常人只会皱眉将之拂去。但是对于一些中国科学家而言，小小果蝇不仅是科研生活的全部，还蕴藏着他们向诺贝尔奖靠近的希望。

        正在此间举行的“２００６诺贝尔奖获得者北京论坛”上，中国科学院生物物理研究所教授刘力关于果蝇“视觉归纳能力”研究的最新成果引起了包括７位诺贝尔奖得主在内的与会者的关注。

        “果蝇作为一个重要的生物型模型，是探索生命奥秘的万能钥匙。”刘力这样向新华社记者介绍。

        刘力在对从事视觉学习和记忆等认识过程的细胞分子基础的研究中，发现了果蝇具有对视觉刺激进行归纳并对视觉图像进行识别的能力。

        “这一微小的研究对象体内有着取之不尽、用之不竭的科学宝藏。”刘力说：“果蝇的脑中并不存在一个通用的记忆中心，而是不同感觉记忆藏在不同的区域里。并且，像人类能记住图像的高度、大小、颜色等不同参数一样，果蝇的图像记忆也有对应的不同参数。”

        红眼、双翅、身体分节、黄褐色的小昆虫果蝇，经研究发现与人类有着惊人的相似，以果蝇作为模型来解决人类的疾病有诸多优势。

        刘力“如数家珍”地介绍说：果蝇可以进行学习，有的非常聪明，有的傻乎乎，他们甚至也会发生老年痴呆；果蝇也要睡眠，甚至可以做梦，还会对异性唱情歌；有的则是“不良少年”，喜欢饮酒、吸毒。

        虽然刘力在果蝇身上的新发现令大多数人感到“隔行如隔山”，但几位诺贝尔奖得主纷纷向记者表示：最基础的研究往往带来最尖端的成果，小果蝇反映的是科学的大世界。真正的科学家往往穷尽一生研究一些旁人看来极其普通的对象，来解答人类面临的深奥的问题。

        刘力现在正在研究如何进行果蝇视觉信息的编码。“如果能为这个技术提供实验基础，就可能再攻克一种人类疾病。”

        “果蝇可以进行学习，有的非常聪明，但也有傻瓜；在果蝇中也可以发现老年痴呆，果蝇饮酒、吸毒后也可以表现出某些行为；重要的是，果蝇可以睡眠甚至做梦，还可以唱情歌。”9月6日，中国科学院生物物理所研究员刘力在2006诺贝尔奖获得者北京论坛上这样描述智能果蝇。而正是这只智能虫子通过基因——脑——行为——认知相结合，帮助刘力系统地发现了果蝇脑中扇形体结构参与对视觉图形的识别过程，这一成果也以Article的形式发表在2月2日的Nature上。

        天然的试验模型

        刘力说，果蝇的生命周期短、繁殖力强，在正常条件下从胚胎、幼虫、蛹发育到成虫只需十天，几只果蝇就可以繁殖出大量后代。果蝇具有清晰的遗传背景，果蝇测序工作已于2000年完成，果蝇基因组有13000～15000个基因，所有果蝇的遗传密码我们已经清楚，根据果蝇的遗传密码以及相关信息已经在互联网上建立了各种各样果蝇的相关数据库，我们可以非常方便地进行查询。

        “现在大家非常关心睡眠的分子基础，最近的科学研究通过对果蝇的基因试验，进行遗传学筛选，结果找到一个基因，这与睡眠的减少直接相关，这一实验结果可以进一步应用到小鼠、哺乳动物甚至人类身上。”刘力进一步解释说。

        果蝇“智能”的由来

        果蝇有没有学习和记忆的能力呢？刘力研究组的主要任务是研究确定影响果蝇学习记忆功能的基因、相关基因的分子生物学特性及其在神经递质传递、蛋白质代谢过程中的信号传导机制。在实验中，刘力研究组制作了果蝇模拟飞行器，把模拟信息输送到计算机。当果蝇选择追踪某一个目标时，对果蝇进行惩罚，使之不舒服，这时候它就知道哪一种图形是安全的、哪一种图形是危险的，从而使果蝇保持对图形分辨的记忆。

        刘力说：“在研究过程中，我们发现果蝇也具有类似人的功能，它对视觉刺激有归纳能力。在我们的实验过程中，选择了不同方法进行实验，先选择一种背景颜色，让果蝇进行识别，然后换成另外一种背景颜色，看它是不是能将同一个图形从不同背景中抽出去。我们发现正常的野生性果蝇也能将图形分辨出来，而蘑菇体缺失的果蝇就丧失这个功能。这证明了果蝇也具有认知功能，能够对视觉刺激进行归纳，而这种归纳的能力与果蝇脑中重要的结构蘑菇体的结构直接相关。通过这些结果，从基因、细胞、脑结构、行为等多个层次第一次精确定位果蝇视觉学习记忆脑功能区，有力支持了果蝇的视觉位移不变性识别，揭示了果蝇的脑中并不存在一个通用的记忆中心，而是不同特征藏在不同的区域里。

        研究果蝇与保护人脑

        基因、脑与行为的关系问题是脑与认知科学面临的重大战略性科学问题。中国科学院院士陈霖在主持论坛时说：“脑与认知科学是非常重要的令人瞩目的领域，这个问题牵扯到很多方面，其中非常值得注意的趋势就是，现在脑与认知科学领域的科学家从基因水平的研究到细胞水平的研究，再到脑结构功能的研究到行为的研究，这是大跨度的科学研究。”

        成功的研究必须用于实践，对果蝇的研究为人类认识大脑、保护大脑作出了贡献。果蝇个体很小，大脑却相当复杂，其视觉记忆功能需要脑中特定神经元形成回路来完成。不同物种的大脑虽然在形态上迥然不同，但是在基因水平上确有很高的同源性，从而使脑具有相似的基本功能。2月2日，Nuture同期配发的评论文章认为：刘力研究组的这项成果清晰地表明，通过遗传学手段使果蝇成为研究神经结构及其功能的较好模型……事实上，在定位记忆方面可能是最好的模型。

        果蝇的光明前途

        “去年的诺贝尔奖颁发给嗅觉编码的研究，你是不是会作关于视觉编码的分析？”“如果将果蝇的记忆区域应用于电脑芯片，需要解决哪些问题，能否将果蝇的记忆应用于电脑芯片的记忆？”与会青年学者的提问引出了刘力的未来研究计划。

        刘力说，我们也很关心果蝇如何进行视觉信息的编码，目前对果蝇的视觉记忆区域已经确定，我们也希望我们的工作能为视觉信息编码提供实验基础，作出我们的一点贡献。我们从事的是基础科学研究，我们希望自己的研究成果能够推广到应用领域，希望我们的研究为计算机科学家提供基础科学数据，将我们的成果转化为应用研究。