科學(xué)家剛剛回答：“不是魚，如何知道魚的快樂？”
撰文 | 孫睿晨（加州大學(xué)圣地亞哥分校博士生）
責(zé)編 | 陳曉雪
● ● ●
春秋戰(zhàn)國時(shí)期，兩名思想家莊子和惠子曾經(jīng)有過一場(chǎng)有趣的對(duì)話。庒惠二人出門游玩，過河時(shí)看見了橋下河水里的鰷魚。于是莊子感嘆：“鰷魚在水里悠然自得，這是魚的快樂啊（鰷魚出游從容，是魚樂也）?！被葑硬煌?，反問道：“你又不是魚本人，你怎么知道魚的快樂呢（子非魚，安知魚之樂）？” 【1】
兩千多年過去了，惠子的這個(gè)問題仍然是個(gè)難題。因?yàn)?，在我們?duì)魚的行為（特定的游泳動(dòng)作）與大腦活動(dòng)（內(nèi)心快樂與否）之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系有客觀的理解之前，回答這個(gè)問題只能憑主觀臆斷。
我們有可能知道魚是否快樂嗎？
2013年，美國霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一項(xiàng)重大突破：他們把熒光轉(zhuǎn)基因的幼年斑馬魚全身固定住，通過激光片層掃描顯微系統(tǒng)（light sheet microscopy）成功追蹤了斑馬魚的全腦神經(jīng)元實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。【2】
?圖1： 被固定住的幼年斑馬魚的迷之大腦活動(dòng)【2】
但是，實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生信號(hào)的神經(jīng)元，到底是哪些神經(jīng)元？為什么魚兒在被固定住的情況下，某些腦區(qū)會(huì)如此活躍，而另一些腦區(qū)卻近似靜止？由于沒有全腦圖譜，文章的作者無法進(jìn)一步推斷魚兒大腦的各部位的功能，以及它們與行為的關(guān)系。
想要真正全面地理解大腦，還是需要構(gòu)建全腦圖譜。
最早認(rèn)真地去嘗試此事的，是被稱為“神經(jīng)科學(xué)之父”的圣地亞哥?拉蒙-卡哈爾（Santiago Ramón y Cajal）。從1887年開始，卡哈爾利用當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的高爾基染色法把各種動(dòng)物（包括人的尸體）的大腦樣本切片染色后放到顯微鏡下觀察，并一筆一畫地把神經(jīng)元臨摹了下來?？ü柮钍值で嗟漠嬜?，對(duì)神經(jīng)科學(xué)的產(chǎn)生了巨大的影響（卡哈爾因此獲得了1906年的諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)）。今年年初，這些畫作甚至成為紐約的藝術(shù)展覽“美麗大腦”（The Beautiful Brain）中的主角。【3】
?圖2： 眼部虹膜的細(xì)胞。作者：卡哈爾 （1904年）
?圖3：人小腦內(nèi)的單個(gè)浦肯野細(xì)胞。作者：卡哈爾 （1899年）
但是，一個(gè)一個(gè)勾畫神經(jīng)元距離構(gòu)建“全腦圖譜”仍然很遙遠(yuǎn)。大腦是由許許多多的神經(jīng)元錯(cuò)綜聯(lián)結(jié)而構(gòu)成的。而這些錯(cuò)綜聯(lián)結(jié)而成的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，組成了動(dòng)物行為的生物基礎(chǔ)。
構(gòu)建“全腦圖譜”，需要一種能夠同時(shí)定位每一個(gè)神經(jīng)元的位置并區(qū)分兩個(gè)神經(jīng)元連接處（突觸）的細(xì)節(jié)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。不少神經(jīng)元與神經(jīng)元之間的聯(lián)結(jié)處只有不到十納米，而普通光學(xué)顯微鏡的分辨率受光學(xué)衍射極限限制無法降到200納米以下。近年來發(fā)展迅猛的超分辨熒光顯微技術(shù)（super-resolution fluorescent microscopy）雖然能把這個(gè)極限降低至10納米 ，卻無法同時(shí)從大腦所有區(qū)域采樣。【4】電子顯微鏡技術(shù)是通過電子來展示物件的內(nèi)部或表面的顯微鏡技術(shù)。由于顯微鏡的分辨率普遍受其使用的粒子的波長限制（例：光學(xué)顯微鏡分辨率受光的波長限制），高速運(yùn)動(dòng)的電子波長比可見光波長短，因此電子顯微鏡的分辨率大大優(yōu)于光學(xué)顯微鏡，能看見更細(xì)微的結(jié)構(gòu)。
所以，目前只有電子顯微鏡技術(shù)能滿足構(gòu)建“全腦圖譜”的要求：其分辨率為0.2納米，并且能夠以該分辨率同一時(shí)間在大腦所有區(qū)域采樣。
最近，美國霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所的Davi Bock研究團(tuán)隊(duì)宣布，他們用透射電子顯微鏡技術(shù)（transimission electron microscopy, TEM）解析了一只雌果蠅的全腦圖譜【5】。傳統(tǒng)的電子顯微鏡技術(shù)對(duì)樣本的體積有嚴(yán)格限制——樣本厚度不能超過100納米，而大部分的生物腦組織的厚度都超過100納米。雌果蠅的大腦體積大概為750微米x350微米（750000納米x350000納米）。他們通過改良傳統(tǒng)的電子顯微鏡，研發(fā)了一套新的透射電子顯微鏡平臺(tái)，成功地將該雌果蠅的大腦切分成7050片，并對(duì)每一切片的每一部分拍照，一共收集到兩千一百萬張照片（106 TB）。
?圖4：果蠅大腦模型圖【5】
?圖5：一張果蠅大腦切片影像【5】
該團(tuán)隊(duì)選取了果蠅大腦中與學(xué)習(xí)記憶行為相關(guān)的一個(gè)腦區(qū)（蘑菇體，Mushroom bodies）進(jìn)行追蹤標(biāo)記（由于同一個(gè)神經(jīng)元前段和后段可能出現(xiàn)在不同腦切片的照片中），并因此發(fā)現(xiàn)了該腦區(qū)中一類新的神經(jīng)元。
果蠅大腦中的其他腦區(qū)現(xiàn)在正由世界各地的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)分別追蹤標(biāo)記。如果大家感興趣，也可以通過下載原始數(shù)據(jù)參與到果蠅大腦神經(jīng)元標(biāo)記的工作中來。（大家可以在這里下載該果蠅的大腦全部影像數(shù)據(jù)，http://temca2data.org）。
Bock團(tuán)隊(duì)報(bào)道的果蠅全腦圖譜是神經(jīng)科學(xué)家們最新一次對(duì)果蠅全腦圖譜的嘗試。早在2016年年底，由臺(tái)灣的江安世（Ann-Shyn Chiang）教授的課題組，英國謝菲爾德大學(xué)的Daniel Coca課題組, 以及美國哥倫比亞大學(xué)的Aurel Lazar研究組組成的跨國研究團(tuán)隊(duì)公布了通過光學(xué)顯微鏡收集的果蠅全腦圖譜（其分辨率低于Bock研究組的全腦圖譜）。【6】其全部影像數(shù)據(jù)可以在“果蠅大腦天文臺(tái)”（Fruit Fly Brain Observatory）中找到（http://fruitflybrain.org/）。
作為最常見的模式生物，果蠅曾經(jīng)為我們對(duì)遺傳學(xué)與神經(jīng)科學(xué)的認(rèn)知做出了巨大的貢獻(xiàn)。一百多年前，摩爾根（Thomas Hunt Morgan）通過研究果蠅發(fā)現(xiàn)了伴性遺傳規(guī)律與著名的三大遺傳定律之一的連鎖與互換定律，并獲得了1933年的諾貝爾獎(jiǎng)。去年，研究生物節(jié)律行為的三位科學(xué)家獲得諾貝爾將生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，果蠅又是最佳助攻【詳見“如何把自己的導(dǎo)師‘捧’成諾獎(jiǎng)得主”】。
Bock團(tuán)隊(duì)的研究，既標(biāo)志著我們終于具有了構(gòu)建果蠅的全腦圖譜的能力，也標(biāo)志著我們對(duì)于大腦和對(duì)于自我的認(rèn)知邁出了艱難而重要的一小步。從果蠅的全腦圖譜開始，解析構(gòu)建包括魚在內(nèi)更多生物的全腦圖譜，或許逐漸會(huì)變成現(xiàn)實(shí)。
到那時(shí)，關(guān)于惠子的問題，我們或許能夠調(diào)出魚的全腦圖譜和相關(guān)的行為學(xué)數(shù)據(jù)，答：吾非魚，亦知魚之喜怒哀樂。
參考文獻(xiàn)：
1.《莊子·秋水》
2. Misha B Ahrens, et al. Whole-brain functional imaging at cellular resolution using light-sheet microscopy, 2013, Nature Methods, 10:5, 413-420
3. https://www.nytimes.com/2018/01/18/arts/design/brain-neuroscience-santiago-ramon-y-cajal-grey-gallery.html
4. Eva Wegel, et al. Imaging cellular structures in super-resolution with SIM, STED and Localisation Microscopy: A practical comparison. 2016. Scientific Reports, 6:27290
5. Zhihao Zheng, et al. A Complete Electron Microscopy Volume of the Brain of Adult Drosophila melanogaster. 2018. Cell. 174, 730–743
6. Ukani N.H., et al. The Fruit Fly Brain Observatory: from structure to function. bioRxiv 2016. doi: http://dx.doi.org/10.1101/092288.
7. 杰夫霍爾之前的報(bào)道
制版編輯 | 楊梟
