連接組學主要是通過分析神經元之間的連接和組織方式來達到分析大腦的運行機制這一終極目的的一門學科。秀麗隱杆線蟲是第一種神經元連接圖被全部繪製出來的生物，玻璃海鞘的蝌蚪幼蟲是第二種。
在自然界，動物大腦的大小千差萬別，有大到超過7千克重的鯨魚，也有小到只有66個神經元組成的一種侏儒雄性蠕蟲(Windoffer and Westheide, 1988)。然而不管是大是小，它們都有一個共同的特徵，那就是組成它們的神經元都會連接形成一個複雜的網絡。這種特性在其他器官是見不到的，比如肝臟，腎臟或者皮膚。因此如何繪製神經網絡連接就成了神經科學領域的一個重要課題，近年來連接組學的火熱也證明了這一點。
侏儒蠕蟲
如果想要繪製神經網絡的連接圖譜，即展示神經元之間獨特連接的連接組，則需要通過電子顯微鏡來觀察一些超薄的神經組織切片。雖然這個方法在近些年來取得了巨大的成果，但是卻只能分析相對少量的組織。舉例來說，一個小鼠的腦組織大約有1cm³，是現在可以觀察與分析體積量的100,000倍。這也是為什麼體積在連接組學裡很重要的原因。所以到目前為止，也只有秀麗隱杆線蟲（Caenorhabditis elegans）這一個物種的連接組全部繪製完成。這個包含了302個神經元的連接圖譜是在三十年前完成的，耗費了超過10年的努力(White et al.,1986)。
1.有史以來的“第二個”
全連接圖譜物種
而現在來自達爾豪斯大學（Dalhousie University）的Kerrianne Ryan, Zhiyuan Lu 以及Ian Meinertzhagen在elife雜誌上報道了他們的成果：成功繪製了來自玻璃海鞘（Ciona intestinalis）蝌蚪幼蟲的連接組(Ryan et al., 2016)。成年的海鞘並不怎麼顯眼，充滿水的囊鞘在離開海水之後會自發噴射，這也是它們為什麼叫做“海洋噴射器（sea squirts）”的原因(如圖1A)。然而來自俄國的胚胎學家在1867年發現海鞘的蝌蚪狀幼蟲與脊椎動物（擁有脊椎的動物，包括從魚到人都屬於脊椎動物，Mikhailov and Gilbert，2002）有著相似的基礎身體橫剖結構，從而吸引了科學家們的注意。後來的分子實驗進一步證明，海鞘的確是我們的“無脊椎”近親，而現在玻璃海鞘也成為生物學領域非常重要的實驗動物。
圖1 玻璃海鞘蝌蚪幼體連接組
(A) 玻璃海鞘成體是固定不動的，通過濾食生存的動物。比例尺為10mm。
(B) 玻璃海鞘蝌蚪幼蟲可以遊動，並且有著類似脊椎動物的身體橫剖面，背部有一個靈活的棒狀脊索（notochord）。Ryan等人將它切分成7000個超薄切片，並用這些切片重構了海鞘幼體的連接組。
(C) 海鞘幼蟲同樣擁有感覺器官，包括一個在腦袋右側的一個眼點（Eyespot)以及左側一個可以感知重力的器官（內耳石(Otolith)）。B，C圖的比例尺都是100μm。
(D) 海鞘的連接組顯示海鞘幼蟲的神經系統包括外周和中樞神經系統，後者包括一個腦泡（Brain vesicle）以及一個運動神經節（motor ganglion）。腦泡裡面又包括組成眼狀斑點的光感受器（photoreceptors），冠細胞（Coronet cells）（用於感受壓力），觸角細胞（antenna cells）（用於感知內耳石的位置）以及中繼神經元（relay neurons）。而運動神經節裡面則包括直接控制肌肉收縮的神經元。從解剖結構以及神經元的連接方式來看海鞘幼蟲的大腦是高度不對稱的，比如說在海鞘幼蟲的左邊要有多得多的中繼神經元，而且運動神經節左右運動神經元的連接方式也是不同的（數字1-5），紅色箭頭展示了左右不對稱的連接方式。 照片A, B以及C 由Antonio Palladino提供。
擁有不到200個神經元的玻璃海鞘，它的神經系統已經達到了組成大腦最少所需要的極限。然而繪製和重建單樣本上的神經系統的大部分神經元是一項非常巨大的工作。Ryan等人首先將海鞘幼蟲切分成7000個切片，每個切片僅有十幾納米厚，並採用電子顯微鏡對每一個切片進行拍照。然後再對這些高分辨率的照片進行對齊，並人工地去標記神經元。最終，所有的神經元連接得到辨認和標記。通過這一工作，他們獲得了玻璃海鞘幼蟲幾乎完整的連接圖譜，這是有史以來第二個得以建立全連接圖譜的物種。
2.如何理解幼蟲背後的行為機制？
那麼我們能從玻璃海鞘的連接圖譜中學習到什麼呢？首先這是一個被稱為所謂的“小世界”網絡，也就是說這個網絡是由高度連接的子網絡通過少量的遠程連接構成的。這與秀麗隱杆線蟲的連接組，社交網絡以及電力網絡的構成是很相似的(Watts and Strogatz, 1998)。總而言之，這177個神經元所構成的連接網絡中，從一個節點到另一個節點的平均距離只需要2.7步。
而且這個連接組也表明玻璃海鞘幼蟲的外周神經系統與中樞神經系統有著明顯的區分。外周神經系統包括少量的感受細胞並直接與環境直接接觸。中樞神經系統由幾個感受系統組成，一個在頭部右側的單眼，一個可以感受重力的器官以及一些可以感受壓力的細胞(如圖 1C)。這些感覺系統與大腦背側的中繼細胞高度相連。這些中繼神經元又與同屬中央神經系統一部分的其他中間神經元以及運動神經元相連接，最終連接至玻璃海鞘幼蟲的肌肉系統。
那麼連接組學如何幫助我們理解海鞘幼蟲的行為機制呢？首先，這類生物幾乎所有行為都與它的肌肉有關係。甚至於說，在它孵化之前，非對稱性的肌肉收縮也可以幫助海鞘幼蟲的尾巴以每秒10次的頻率搖擺並使它最終擺脫卵殼。而且它的尾巴在孵化後的持續擺動對它在游泳時改變方向也許很重要(Mast, 1921)。然而，隨著海鞘幼蟲年齡的增長，它行動的動力會變成依靠尾部對稱性收縮來實現，而這種收縮頻率可以達到每秒20-30次。此外，通過改變肌肉的行動，海鞘幼體可以對不同的刺激做出反應，諸如光線，重力以及陰影 (Zega et al., 2006; McHenry and Strother, 2003)，比如說海鞘幼蟲會向著與重力相反的方向遊動。Ryan和其同事完整繪製了負責這一相對簡單行為的神經通路，從感受器到肌肉組織(如圖1D)。
儘管這些行為看似很簡單，但是它們並非完全獨立。與此相反，這一網絡允許不同層次之間的網絡通信。這也提示我們儘管大腦可以整合不同的刺激信號，但是每次卻只激活一種行為模式。這與我們觀察到的海鞘幼蟲實際的遊動方式是相吻合的(Zega et al., 2006)。這些發現表明，雖然每個海鞘的幼體很小，在解剖學上看也很簡單，但是構成其神經系統的神經網絡是複雜而完整的。
3.打破神經系統的
對稱鐵律？
Ryan等人還注意到玻璃海鞘連接組另一個很有意思的特徵。目前大多數動物研究都表明神經網絡存在著一種左右對稱的規律，也就是說對於每一個左邊的神經元，都有一個右邊的神經元與之相對應。然而對大多數玻璃海鞘的神經系統卻缺乏這種對稱(如圖1D)。不僅如此，即便是玻璃海鞘中一些對稱性的神經元，比如說運動神經元，它們連接到其他細胞方式也是非對稱的。至於為何玻璃海鞘的神經網絡會表現出如此強的非對稱性，我們並不清楚，但是這很有可能與海鞘流線型的身體橫剖面結構有關。在所有動物的大腦中都有非對稱性的身影，包括我們自己，只是所佔的比例很少，因此玻璃海鞘可以為非對稱性在大腦裡的演化與功能研究提供線索。
海鞘的連接組圖為理解大腦的工作機制提供了經驗和基礎。很明顯，我們對這個最小的大腦的研究，還有很多工作要做。儘管只有非常少量的神經元，但距離徹底理解它還有很長的路要走。通常來說，在處理那些更為複雜的大腦之前將重心集中在這些小型大腦上是非常明智的。這一考慮也有經濟上的意義，因為繪製一個小鼠的連接組的花費是做小型大腦連接組的100,000倍。或許其他從事連接組工作的研究員會被Ryan, Lu以及 Meinert zhagen的出色工作所鼓舞，進而優先考慮小型大腦的研究。
參考文獻
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翻譯：薛偉
審校：胡鵬博
原文地址：
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