两个人在嘈杂拥挤的房间里交流，他们需要并排站着，大脑中的神经元通常也是如此。但是，就像手机可以让两个人在房间里清晰地交流一样，海洋生物实验室 (MBL) 的新研究在蠕虫 C. elegans 的大脑中开辟了一条新的交流渠道。

该研究发表在Nature Communications 上，重点介绍了 HySyn 的开发，该系统旨在使用来自 Hydra（一种小型淡水生物）的神经肽合成重新连接神经回路。（神经肽调节神经递质的活动，以增加或减少神经元之间的冲动强度。）

将绿色荧光蛋白 (GFP) 插入其神经元的线虫蠕虫以可视化神经发育。图片来源：Heiti Paves，维基共享资源

研究人员第一次创造了突变线虫的基因系，这些线虫表达了来自九头蛇大脑的神经肽，创造了一个人工突触，重新连接了蠕虫的行为回路。因为除了那些装有九头蛇受体和神经肽的突触之外，大脑中的其他突触都无法听到“命令”，这就像是给了他们一部手机，以便他们进行交流。

“这些神经调节肽让你可以远距离交流，”耶鲁大学医学院的 MBL 研究员 Daniel Colón-Ramos 说：“作为研究人员，它为您提供了更大的灵活性来操纵彼此不相邻的神经元。” 该论文的资深作者 Colón-Ramos 是该论文第一作者、前 MBL Grass 研究员 Josh Hawk 的博士后顾问。这项工作和分析是在 MBL 和耶鲁大学 Colón-Ramos 的实验室进行的。

研究人员使用了缺失控制特定行为的神经连接的秀丽隐杆线虫突变系——这种行为告诉它们已经吃饱了，需要停止寻找食物。通过从 Hydra 中提取编码神经肽及其受体的基因并将它们放入秀丽隐杆线虫中，研究人员能够恢复控制这种行为的神经回路。他们创造了两条独立的遗传线——一条包含神经肽，一条包含受体。这对的后代包含完整的神经肽通路。但是，根据 Hawk 的说法，这只是一种可能的关注途径。

“Hydra 中有数百种神经肽，每一种都可能是不同的沟通渠道，”霍克说：“对我来说，这是最令人兴奋的事情。这应该开辟了一个以前没有人探索过的整个领域。”

乔希·霍克 (Josh Hawk) 于 2019 年在 MBL 担任草基金会研究员。图片来源：梅丽莎·科尔曼 (Melissa Coleman)

Hawk 将这项研究称为 HySyn 工具的“原理证明”。与大多数生物不同，九头蛇在大脑中没有经典的神经递质系统。相反，它们完全依赖于神经肽网络。这些九头蛇神经肽中的每一个都有机会进行独特的交流。Hawk 专注于一种特定的神经肽，它会产生一种缓慢构建的信号，比如你吃饭时缓慢构建的饱腹感。用这种神经肽连接不同的神经元可以产生缓慢上升的疼痛反应或加强新的记忆。

大脑中有许多不同类型的交流。有些速度很快，只有几毫秒。

这就是 Hawk 所关注的，缓慢的神经调节反应告诉线虫：“我吃饱了，不要去寻找新食物。”

研究人员创造了一种人工神经调节突触，它告诉秀丽隐杆线虫是时候放松一下了。

“通常，我们可以打破科学中的东西。这非常强大。当我们打破东西时，我们可以看到它们的必要性，这也告诉我们一些关于它们如何工作的信息。但要真正了解它们是如何工作的，你想知道如果你能重建它们——修复它们——在它们坏了之后。这很难做到，”科隆-拉莫斯说：“[Hawk] 可以重建细胞之间的连接是非常令人兴奋和创新的。”

Hawk 不仅仅是在秀丽隐杆线虫大脑中放回缺失的组件；他正在安装 Hydra 的全新部件——用一组不同的部件修复损坏的部件。它向研究人员表明，不一定是部件本身的身份，而是调节行为的突触之间的通信和调制。

Hawk 表示，他希望未来的研究重点是消除大脑中的通信线路，并通过 HySyn 以不同的方式重建它们。

“这是一套工具的开始，随着这些工具的扩展，它使我们能够以各种排列方式调整大脑中的连接，”他说。

“任何动物的大脑中都有很多不同的突触连接。能够挑选和选择将什么放入另一个生物体将帮助我们解开和理解大脑如何以及为什么做它们所做的事情，”霍克说。

九头蛇是淡水生物，只有几毫米长。在这里，肌肉纤维呈棕褐色，神经网络呈蓝色/绿色。图片来源：John Szymanski，当代生物学

研究人员相信 HySyn 将在多种生物体中发挥作用。他们在脊椎动物细胞和秀丽隐杆线虫中对其进行了测试。

霍克补充指出，他希望研究人员能够专注于了解大脑内连接的强度。理论上，你能不能拆掉蠕虫的大脑然后重建它，当你以某种方式重建它时，找出丢失的东西。这就是我们小时候所做的：如果你想知道某些东西是如何运作的，你就将它分解并重建它。但我们需要更多工具来做到这一点。HySin 代表了对该工具集的贡献。

除了在 2019 年担任 Grass Fellow 外，Hawk 还在 2015-2019 年担任 MBL 神经系统和行为 (NS&B) 课程的教员。