儘管水母沒有大腦,但科學家們已經找到了一種解讀它們思想的方法——以一種說話的方式。
透過巧妙的基因改造,我們現在可以觀察微小透明水母中的神經元如何協同工作以進行復雜的自主運動,例如抓取和吃掉獵物。
Clytia hemisphaerica是研究此類行為的完美模型。因為這種特定種類的水母非常小(直徑只有大約一釐米),所以它的整個神經系統可以很容易地放在顯微鏡下。
它的基因組也相當簡單,它透明的身體僅包含大約 10,000 個神經元,這使得跟蹤神經資訊變得更加容易。
當研究人員對C. hemisphaerica水母進行基因改造,使其神經元在啟用時發光時,他們發現了“意想不到的結構化神經組織程度”。
水母的神經系統在 5 億多年前發育,此後幾乎沒有變化。與今天動物的大腦相比,這些“活化石”中的神經元排列方式要簡單得多。
沒有中央系統來協調所有生物的動作,那麼它是如何完成任何事情的呢?
新的研究表明C. hemisphaerica的神經元分佈在一個傘狀網路中,這與它的身體密切相關。然後這些神經元被進一步分成切片,幾乎就像一個餡餅。
水母鐘形邊緣的每條觸手都與這些切片之一相連。因此,當水母的手臂探測並捕捉到獵物時,比如鹽水蝦,這一切片中的神經元就會以特定的順序被啟用。
上圖:Clytia hemisphaerica,從上面看,觸手均勻分佈在其外邊緣。
首先,餅片邊緣的神經元向中間的神經元傳送資訊,水母的嘴就在那裡。
這會導致餡餅片的邊緣向內轉向嘴巴,同時將觸手帶到嘴邊。與此同時,嘴巴反過來“指向”進入的食物。下面的影片顯示了實際的行為。
在被引入鹽水蝦後的一分鐘內,作者發現 96% 的水母嘗試了這種“食物轉移”,88% 的水母成功了。幾乎所有的鹽水蝦最終都被使用這種進食行為的生物吃掉了。
為了弄清楚哪些神經元專門觸發了這種多米諾骨牌效應,研究人員刪除了餅片邊緣的一種稱為 RFa+ 神經元的神經元。當他們這樣做時,沒有發生水母鐘的不對稱向內摺疊,也沒有發生蝦從觸手轉移到嘴巴的情況。
“因此,”作者寫道,“食物誘導和化學誘導的邊緣摺疊都需要 RFa+ 神經元。相比之下,游泳和揉皺不受干擾,這表明其他神經細胞型別控制著這些行為。”
為了瞭解控制嘴巴的神經元如何與控制水母鐘的神經元進行交流,反之亦然,研究人員開始透過手術切除某些身體部位。
當從方程中去除水母的嘴時,這些生物一直試圖將食物從它們的觸手傳遞到它們不存在的嘴裡。
即使去除了水母的觸角,引入水箱的蝦的化學提取物仍然會觸發嘴轉向食物來源。
研究結果表明,某些水母的行為是透過不同組的功能性組織神經元協調的,這些神經元位於雨傘的周圍。
例如,將水母鐘連線到嘴巴的神經元網路也可以連線到消化系統。
當研究中的水母被剝奪食物時,作者發現它們比不那麼飢餓時更快地捕獲獵物。
這表明某種神經反饋,它讓水母“知道”它需要填滿它的消化系統,從而使其他特定的“進食”網路處於高度戒備狀態。
“如果這種分層觀點是正確的,那麼缺乏中央大腦的生物體的協調行為可能是透過複製和修改較小的自主模組以形成功能上相互作用的超級模組而出現的,”作者建議道。
“如何實現這些相互作用仍有待確定。”
該研究發表在《細胞》雜誌上。