□ 科普时报特约撰稿 许秀华

    前沿探索

    4-5个月的婴儿总想自己拿起食物，塞到嘴里。如果你是一位称职的父母，你一定会发现那两只幼稚的小手使劲地在脸上划拉，“找嘴好费劲呀”！对于一个成年人，即使关灯，即使看着电视，仍然能够准确地把食物送到嘴里，而不是“塞到鼻孔里。”这背后的神经生物学机制可不简单！

    用手吃饭，用手拿东西，用手使用工具是日常生活里最简单的行为，却涉及到多个肌肉群多个步骤的协调。一个世纪前，人们就认识到身体的运动机能是大脑皮层以电刺激为信号，通过脊髓作用到特定的肌肉束来控制的。然而对大脑皮层是通过何种“组织形式”操控运动功能，科学界却一直争论不休。

    “传统观点认为，不同的大脑皮层区域是通过类似军队的等级式管理来操控运动功能的。本体感受皮层区负责接收感觉器官传来的信息，初级运动皮层区控制特定的肢体动作，二级运动皮层区作为更高级的指挥区域，通过命令初级运动皮层间接地调整身体的动作。新的观点认为，运动皮层就像一个地图，身体的动作指令像一个个国家一样分布其上。可是，问题来了，这样分布的行为地图如何在神经回路水平上运行？”美国国立卫生研究院（NIH）研究员王宽宏这样谈到，“这就是我们近期发表在《Cell》上的论文所要解答的问题。”

    王宽宏的团队决定请小鼠来帮忙，可是小鼠不懂人类的语言，不可能按照人的指令去完成指定的动作，“递个奶酪，端杯水。”吃饭却是每种动物的本能！他们在吃货小鼠的面前放好食物，小鼠于是一遍遍地伸出右前肢去够食物，放到嘴里。然后他们给小鼠戴上一个特殊的“帽子”。这个“帽子”是“长眼睛”的，能够“看到”小鼠的前肢在取食物时，大脑运动皮层中不同神经元以及神经元簇是否被激活。

    这个“帽子”为什么这么神奇？其实，这是光遗传学的技术手段。

    神经细胞之间的信使是电信号，利用电信号传递海量的信息。然而用电极监测电信号研究神经系统的活动，效率实在太低了。于是有科学家想到，要是把电信号转变为光信号，就可以看到大脑活动的“连续剧”了。一开始人们只是采用电压敏感的染料对神经细胞染色，当神经细胞接收到电信号后，由于电压改变，染料的颜色也会改变。

    之后科学家发现，有一种染料可以随着细胞内钙离子浓度的变化而发光，钙在所有的细胞中都是重要的离子信号，现在每种细胞都可以做到“钙成像”了。之后，随着对钙浓度敏感的荧光蛋白被发现，荧光蛋白也成了光遗传学常用的成像介质。

    小鼠脑子里有近一亿个神经细胞。怎么才能在这片细胞的海洋里找到控制四肢运动的神经元呢？ 王宽宏团队和哈佛大学何志刚教授的团队合作，用一种载体把标记蛋白从脊髓顺着神经逆向传到大脑皮层里。这样一来，控制四肢运动的皮质脊髓神经元就像海洋里漂浮着的水母一样亮了起来。

    王宽宏团队采用光遗传学方法观察大脑皮层里的运动神经元细胞中钙指示剂GCaMP6的成像，继而判断在小白鼠取食的连续动作中，大脑皮层运动区域的不同位置的神经元在不同时段被激活的情况。于是，伴随着小鼠的取食行为，一场略微提前一个小小时段的“动作片”在大脑中开演了，只不过演员的服装是光遗传中采用的荧光蛋白。各个相关的运动神经元和神经元簇像戏曲演员一样，你方唱罢我登场，发出一个个的动作指令，指引着相关的肌肉群，次第收缩舒张旋转，一气呵成，完成取食动作。

    现在，科学家终于看到了那些像地图上的城市一样分布着的大脑皮层运动神经元，是如何此起彼伏，如同接力赛一样调控着小鼠取食这样一个简单的动作。这场接力赛就是小鼠取食的神经回路。