一種稱為秀麗隱桿線蟲（Caenorhabditis elegans）的動物被全球科學家用作模型生物。在一項新的研究中，來自美國阿爾伯特-愛因斯坦醫學院的研究人員描述了這種動物的神經系統的首個完整的連接圖。該研究包括這種動物的雌性和雄性個體，并揭示出它們之間的實質性差異。相關研究結果發表在2019年7月4日的Nature上，論文標題為“Whole-animal connectomes of both Caenorhabditis elegans sexes”。
秀麗隱桿線蟲，圖片來自Nature, 2019, doi:10.1038/s41586-019-1352-7
這些研究結果標志著“連接組學（connectomics）”領域的一個重要里程碑。連接組學指的是繪制大腦、大腦區域或神經系統中無數神經連接的圖譜，以找到導致負責特定行為的特定神經連接。
論文通訊作者、阿爾伯特-愛因斯坦醫學院分子遺傳學主任、神經科學系遺傳學教授Scott Emmons博士說道，“結構始終是生物學的核心。DNA的結構揭示了基因如何起作用，蛋白的結構揭示了酶如何發揮功能。如今，神經系統的結構揭示了動物的行為以及神經連接出現差錯如何導致疾病。”
科學家們猜測某些神經和精神疾病，如精神分裂癥和自閉癥，是“連接病（connectopathy）”，即“錯誤連接”引起的問題。Emmons博士說道，“這一假設因發現幾種精神障礙與被認為決定連接性的基因突變有關而得到加強。連接組學有潛力幫助我們了解某些精神疾病的基礎，可能提出治療途徑。”
模型生物
秀麗隱桿線蟲是如此微小---成年線蟲僅有一毫米長，僅有大約1000個細胞，而且它的簡單的由幾百個神經元組成的神經系統（雌雄同體/雌性中有302個神經元，雄性中有385個神經元），這就使得它成為最好的用于理解數十億倍復雜的人類大腦的動物模型之一。它也是第一個對它的整個基因組進行測序的多細胞生物。
Emmons博士的這項研究建立在已故英國生物學家Sydney Brenner的開創性研究工作之上。
Brenner實驗室在實驗室成員John White的帶領下，在經過對這種線蟲的數千張連續電子顯微照片上可見的神經結構進行精心分析后，于1986年發表了第一張秀麗隱桿線蟲的神經系統圖。每張照片由比人類頭發薄一千倍的橫截面“切片”組成。他和他的同事們在每個切片之間手動繪制“連接點”，將一張照片中的結構與另一張照片連接在一起，從而構建出這些神經元的詳細表示以及它們之間的5000個左右的連接（突觸）。
經過Brenner和White 的20年不懈努力，他們開創了連接組學領域，并且將這種線蟲作為研究生物學和人類疾病研究的重要動物模型。但是，他們的圖譜，非正式地成為“線蟲的大腦”，忽視了這種線蟲身體的大部分，僅包括這兩種性別---雌雄同體和雌性---中的一種，但不包括雄性。
接過指揮棒
對于這項新研究，Emmons團隊分析了新的線蟲電子顯微照片以及Brenner博士的舊顯微照片，并使用專門開發的軟件將它們拼湊在一起，從而構建出秀麗隱桿線蟲兩種性別的成體個體的完整連接圖譜。這些圖譜包括各個神經元之間的所有連接、從神經元到線蟲肌肉和其他組織（比如腸道和皮膚）的連接、肌肉細胞之間的突觸以及對這些突觸強度的估計值。
Emmons說道，“雖然這兩種線蟲性別中的突觸通路基本上相似，但許多突觸的強度不同，這就為理解性別特異性行為提供了基礎。”主要的性別差異與生殖功能有關：在外陰和子宮肌肉以及在雌雄同體中控制它們的運動神經元；并且在大量額外的神經元、性肌肉和尾巴中產生了雄性交配的神經回路。但是除此之外，令人吃驚的是，這兩種線蟲性別共有的中樞神經通路中神經元之間形成的突觸數量似乎在強度上也存在著很大的不同。
Emmons說道，“這些連接的網絡是解讀秀麗隱桿線蟲行為的神經控制的起點。由于這種線蟲神經系統含有許多與人類神經系統相同的分子，我們對前者的了解可以有助于我們理解后者。”
Emmons當前正在研究線蟲連接組是如何由它的基因組編碼的。
參考資料：
Steven J. Cook et al. Whole-animal connectomes of both Caenorhabditis elegans sexes. Nature, 2019, doi:10.1038/s41586-019-1352-7.
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