為了過冬,它把腦袋「縮」了20%

冬至降臨,北方有不吃餃子凍掉耳朵一說,而以鼩鼱為代表的部分哺乳動物不需「吃餃子」,它們有獨特的技巧應對嚴冬——顱腦與重要髒器的體積在冬天縮小高達20%,這被科學家稱為戴耐爾現象。大腦是代謝最旺盛也是可塑性最高的器官之一,這兩個屬性決定了腦的結構和功能必須不停地適應機體代謝水平的變化,才能提升動物生存機會,常見的變化包括季節性冬眠、遷徙和交配等行為。

為了過冬,它把腦袋「縮」了20%

戴耐爾現象是其中最令人驚奇的,在這樣極端的情況下,鼩鼱的大腦到底發生了怎樣的變化?

中科院深圳先進技術研究院(以下簡稱深圳先進院)腦認知與腦疾病研究所研究員 Robert Naumann帶領團隊,聯合來自德國、以色列的科學家,深入研究了鼩鼱科小臭鼩腦結構和功能季節性的變化,解釋了冬季動物體感皮層中更多神經元被觸覺信號抑制的實驗現象,從而揭示小臭鼩冬季捕獵時對獵物選擇「飢不擇食」的自然現象的神經機制。

該研究成果於近日發表於美國《國家科學院院刊》,並被選為封面文章。

為了過冬,它把腦袋「縮」了20%

解碼神奇的戴耐爾現象

小臭鼩是最小的陸生哺乳動物,其體重僅為2克,主要分布在歐亞大陸北緯10度到40度的亞熱帶和溫帶地區,嬌小的體形導致其代謝率極高,無法儲存額外的能量。

為了適應生存環境,小臭鼩演化出日間休眠以及冬季的戴耐爾現象。

為了探索神奇的戴耐爾現象,研究團隊利用核磁共振、在體雙光子鈣成像、原位雜交等技術,從大體解剖追蹤到細胞水平、從行為學追蹤到皮層神經元活性,明確了冬夏兩季動物皮層神經元構築的變化。

團隊成員通過核磁共振長期追蹤了小臭鼩的多個腦結構,發現大腦皮層是其縮小最顯著的結構,冬季小臭鼩的大腦皮層厚度比夏季縮小約10%。

由於小臭鼩視力不發達,捕食主要通過觸覺高度靈敏的胡須來定位獵物。前期研究發現,小臭鼩是捕獵高手,從碰觸獵物到咬死獵物,僅僅需要幾百毫秒,做到了真正的「秒殺」。

基於上述現象,團隊將研究集中到了小臭鼩的體感皮層。團隊發現,體感皮層的第四層神經元,也就是能量代謝需求最旺盛的皮層亞層,其厚度在冬季的時候減少了28%,同時其它亞層厚度卻沒有顯著變化。

在皮層第四層中,存在一類Parvalbumin陽性中間神經元(PV神經元),這類抑制型神經元主要功能是抑制周邊神經元活性。根據腦片染色顯示,冬季動物PV神經元數目較夏季減少,這為研究成果提供了解剖學上的數據支撐。

為了過冬,它把腦袋「縮」了20%

跨越四季追蹤皮層神經元活性

神經元對觸覺信號的反應可以分為被激活、被抑制或者無反應三類。通過在體雙光子鈣成像實驗,研究團隊重復撥動小臭鼩的胡須,記錄皮層神經元的鈣信號,定量神經元對觸覺刺激的反應。

通過比較秋冬季與春夏季的實驗,研究團隊發現,在冬季,小臭鼩有更多的神經元被觸覺信號激活,和解剖學數據PV神經元在春夏季增多相一致的是,第四層中的神經元被觸覺刺激抑制的比例是秋冬季的2.3倍。

上述實驗表明,小臭鼩冬季皮層比夏季薄,且抑制性神經元較少,導致其秋冬季體感皮層神經元更容易被觸覺刺激激活。

早在2012年,Michael Brecht團隊就發現小臭鼩是一個不折不扣的「美食家」,在食物充足的時候,它們偏好捕獵多汁的蟋蟀和蠕蟲而不是有着厚重外甲的土元。但是在食物匱乏的時候,小臭鼩也可以退而求其次,捕獵土元充飢。

「在冬天食物匱乏的情況下,降低體感皮層檢測觸覺信號的閾值,可以令小臭鼩不『挑食』,提升其生存概率。所以冬季減少皮層的體積不僅節約能量消耗,而且是一種應對惡劣環境的神經適應機制。本研究為理解神經系統應對生態環境挑戰的適應機制提供了新視角。」論文共同通訊作者、深圳先進院腦認知與腦疾病研究所基因編輯腦疾病動物模型研究中心研究員Robert Naumann表示。

2017年的諾貝爾生理學或醫學獎授予了發現晝夜節律分子機制的三位科學家,這種(晝夜、性周期等)周期性神經系統的變化,已經逐漸被大家熟知和接受。

但是季節性神經系統的變化,由於其時間跨度長、采樣困難、實驗周期久,相關研究並不多見。

「該項研究填補了有關季節性神經系統變化研究方面的空白。通過長期追蹤單個個體以及跨年度對群體動物進行記錄,在細胞水平、生理水平以及大體解剖不同層面,揭示了冬夏兩季動物皮層的自然變化。同時這種長時程的神經系統適應性變化,也可認為是神經可塑性的一種表現形式。有別於學習記憶這種短時程的變化,季節性的神經可塑性分子機制還等待着我們揭開其神秘面紗。」論文共同作者、深圳先進院腦認知與腦疾病研究所研究員王虹表示。

相關論文信息:

https://doi.org/10.1073/pnas.1922888117

來源:cnBeta