无脊椎动物大脑结构的惊人相似

2020-08-21 338无脊椎动物

无论你是为了考试而死记硬背,还是只是想记住你把车钥匙放在哪里,学习和记忆是我们日常生活中经常使用的重要功能。

亚利桑那大学神经科学家尼古拉斯·斯特劳斯菲尔德(Nicholas Strausfeld)在《当代生物学》杂志上发表的一项新研究表明,无脊椎动物大脑结构的惊人相似,在许多无脊椎动物物种中,负责学习和记忆的大脑中枢的结构和功能可能具有相同的基本特征。

研究背景

我们所讨论的大脑中心是成对的,有叶的结构,最早在昆虫中发现,被称为蘑菇体。这些中心位于节肢动物的前脑,以及海生蠕虫和扁虫。

由于不同种类的蘑菇体之间的共同点如此惊人,长期以来人们一直在争论这些结构是独立进化的,还是源自同一祖先。Strausfeld和Wolff的分析揭示了所有被调查物种中蘑菇体的一种共同的地面模式组织,这表明它是由一个远古祖先遗传的,可能在过去6亿年。

神经科学研究生跨学科项目的研究生沃尔夫说:“蘑菇体的这种地面模式在广泛的物种中普遍存在。”如果我们想模仿人工智能或机器人的学习和记忆中心,这是我们的起点。”

无脊椎动物大脑结构的惊人相似

Strausfeld和Wolff研究了属于两大类无脊椎动物的众多物种中蘑菇体的神经解剖学和化学成分:蜕皮症,包括昆虫、甲壳类动物和蝎子、马蹄蟹等其他节肢动物;Lophotrochozoa,包括软体动物、扁虫和节段蠕虫。

使用各种化学染色技术,斯特劳斯菲尔德和沃尔夫能够研究和比较不同物种的神经解剖学。不同种类的蘑菇体神经元不仅特征相同,而且它们之间的组织也相同。研究人员发现,每种蘑菇体中平行的神经纤维束排列在结构相似的正交网络中,这是典型的学习电路。

接下来,研究小组分析了蘑菇体内的蛋白质表达。研究发现,在这些无脊椎动物群的蘑菇体内,三种蛋白质的丰度都是保守的,分别是DC0、Leo和CaMKII。先前的行为学研究表明,这些蛋白质是学习和记忆所必需的,它们的基因序列在果蝇和老鼠身上几乎完全相同。

值得注意的是,这些蛋白质也被认为是人类学习和记忆的关键,并与神经系统疾病,如阿尔茨海默病,唐氏综合征和安吉曼综合征有关。

着手研究脊椎动物

在对无脊椎动物大脑的研究之后,斯特劳斯菲尔德和沃尔夫将着手研究脊椎动物,如老鼠、鸟类、爬行动物、两栖动物和鱼类。

“我们希望找出脊椎动物中是否存在类似的基本组织模式,以及这种模式是否也包括这些高度丰富的蛋白质,”斯特劳斯菲尔德说可能拥有这种基本模式的候选体是海马体,海马体对记忆位置至关重要。

“人们可能会对他们的大脑与节肢动物和其他无脊椎动物有共同点的想法感到畏缩。事实上,组织原则是一样的。这应该引起生物医学研究人员的极大兴趣。”

根据斯特劳斯菲尔德的说法,证实脊椎动物海马体的这种共有的基础模式,就意味着它起源于一个非常古老的共同祖先,可能生活在大约6亿年前的寒武纪大爆发之前,这是一个相对较短的时期,大多数主要动物门出现。

这意味着,几乎所有拥有它们的动物——包括人类,但可能除了软体动物——负责学习和记忆的大脑结构可能起源于同一个祖先,此后经历了不同的进化过程,形成了各种复杂的中心。

无脊椎动物大脑结构的惊人相似,下次你想拍苍蝇的时候,你可能要三思而后行。

斯特拉斯菲尔德说:“不同动物群之间的对应关系非同寻常。”这简直太好了,简直难以置信。”

引用

University of Arizona. "Of bugs and brains: Striking similarities in brain structures across invertebrates." ScienceDaily. ScienceDaily, 18 December 2014. www.sciencedaily.com/releases/2014/12/141218131935.htm.

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