四肢發達，得益于聰明的大腦

馬睿棋

在流浪貓的面前放一碗貓糧，你會發現大多數貓咪都看起來笨笨的，會用腦袋找好半天，才能準確地找到貓糧開吃。智商真讓人著急！然而，即使是這樣一只笨貓，一個機器人要在找貓糧這件事上超越它，也是很艱難的，甚至是不可完成的任務。因為在動物各種肢體動作的背后，都有大腦在指揮、在計算。

我們常說“四肢發達，頭腦簡單”，這真的是很老舊的乃至是錯誤的說法。

窺探大腦工作過程

動物甚至我們人類在做動作時，大腦是如何工作的呢？

過去，人們依靠功能核磁共振技術觀察動物或者人身體做特定動作時大腦中哪一部分的耗氧量增加，來大致判斷各個腦區負責的相應功能?，F在有了更精確的光遺傳學技術后，人們可以觀察到身體做動作時，大腦中特定神經元的激活狀態。

那么，光遺傳學技術是怎么做到的呢？

我們先了解一下神經細胞是如何工作的。每個神經細胞外面都包裹著一層細胞膜，將其與外部環境隔離開來。這層細胞膜由兩層磷脂分子組成。在磷脂分子中，鑲嵌著一些特定的蛋白質。這些蛋白質就像城門一樣，讓特定的一些物質進進出出。這些特定物質往往攜帶著來自鄰近或者較遠的其他神經細胞傳遞過來的信息或指令。在這些物質進進出出的過程中，神經細胞就接收以及發出特定的指令。這樣，一組神經細胞在一起，就可以指揮身體完成相應的動作。

光遺傳學技術既借助了遺傳工程技術，也借助了光。它首先采用遺傳工程技術，改造了這些像城門一樣的特定蛋白質，讓這些蛋白質變得對特定波長的光波敏感。于是，“城門”的開關，就受特定的光源控制了。這樣，一方面，當身體做出動作時，我們可以通過檢測大腦中哪些神經細胞在發光，觀察神經細胞的功能；另一方面，也可以用特定的光源開關神經細胞膜上的“城門”，激活或者抑制特定的神經細胞，繼而控制身體的特定動作。

不得不說，光遺傳學技術真是神經科學家的好幫手。

一種可調LED 光源系統。它由兩種不同的LED 波長組成，藍光和黃光或兩種顏色的組合，分別達到刺激或者抑制神經元活動的作用

每個動作都離不開大腦的精確計算

成語“探囊取物”形容辦成一件事情輕而易舉。而實際上，要完成這個動作，也是很不容易的。

幾年前，一位科學家在生命科學領域的著名學術期刊《細胞》上發表了一篇論文，內容是他借助光遺傳學技術描述了小鼠的大腦和前肢如何配合，從而完成了探囊取物的過程：先是小鼠大腦中的一組特定神經細胞指揮前肢伸到大致的方向和長度，然后另一組神經細胞加入，指揮前肢和爪子進行一系列更精確的試探，繼而準確地完成抓取任務。這個過程復雜，然而小鼠輕輕松松地在一瞬間就完美地完成了。

2022 年，來自美國麻省理工學院的科學家發現，小鼠在完成動作精確性的試探時，大腦中進行了類似數學上的微積分求導計算的處理過程。

實驗中，小鼠的頭部被固定在專門的跑步機上。跑步機的跑道自身不會運動，必須通過小鼠跑步來驅動。跑步機前面裝有由一串LED 燈組成的一個視覺標志，小鼠需要在標志處及時停下來，獲得獎勵；如果跑過了標志，則會被懲罰。這樣，科學家逐步訓練小鼠學會在標志處及時停住腳步，然后用光遺傳學技術研究小鼠大腦中的神經元活動情況。結果發現，小鼠為了在最短的時間獲得獎勵，在一開始加速跑，在臨近標志處時又緊急“剎車”。

那么，小鼠在跑動過程中，大腦何時給出“剎車信號”，才能讓時間最短呢？

小鼠不是在一次奔跑中得到答案的，而是在數次奔跑中通過大腦神經元和眼睛、肢體之間不斷磨合，從而找到這個最優解的。在這項實驗中，小鼠的大腦中存在著兩條通路：一條是興奮通路，讓小鼠加速跑；另一條是抑制通路，讓小鼠及時“剎車”。小鼠利用抑制信號和興奮信號之間的時間差，經過很多次的嘗試后，終于實現了完美的“剎車”。科學家發現，在這個過程中，小鼠大腦中神經元的處理過程像極了數學微積分求導計算的處理過程。

其實，不僅小鼠，我們人類在做類似動作時，大腦也在不知不覺地進行著類似數學微積分求導計算的處理過程?？此埔粋€個簡單的動作，背后卻有著這么高深復雜的神經過程。生命真是一個了不起的奇跡呀！

（責任編輯：陸艷）