近日，美國索爾克生物研究所神經(jīng)生物學(xué)家Sreekanth Chalasani團(tuán)隊(duì)利用機(jī)器學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了通過觀察微小蠕蟲的大腦活動(dòng)，來判斷幾秒鐘前它們聞到的是哪種化學(xué)物質(zhì)，該研究能幫助科學(xué)家更好地理解大腦是如何運(yùn)作和整合信息的。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于美國《科學(xué)公共圖書館—計(jì)算生物學(xué)》。

　　Chalasani感興趣的是大腦如何在細(xì)胞水平上處理來自外部世界的信息。研究人員無法同時(shí)追蹤活人體內(nèi)860億個(gè)腦細(xì)胞的活動(dòng)，但他們可以在顯微鏡下只有302個(gè)神經(jīng)元的秀麗隱桿線蟲身上做到這一點(diǎn)。

　　Chalasani解釋，在線蟲這樣的簡單動(dòng)物中，研究人員可以在動(dòng)物執(zhí)行行動(dòng)時(shí)監(jiān)測單個(gè)神經(jīng)元。這種分辨率目前在人類甚至老鼠身上都不可能實(shí)現(xiàn)。

　　Chalasani團(tuán)隊(duì)開始研究線蟲神經(jīng)元對五種不同化學(xué)物質(zhì)（苯甲醛、雙乙酰、異戊醇、2-壬酮和氯化鈉）的反應(yīng)。之前的研究表明，線蟲可以區(qū)分這些化學(xué)物質(zhì)，對人類來說，這些化學(xué)物質(zhì)聞起來大致像杏仁、奶油爆米花、香蕉、奶酪和鹽的味道。雖然研究人員知道少數(shù)直接感知這些刺激的感覺神經(jīng)元，但Chalasani團(tuán)隊(duì)更感興趣的是大腦其他部分的反應(yīng)。

　　研究人員對線蟲進(jìn)行了改造，使302個(gè)神經(jīng)元中每一個(gè)神經(jīng)元都包含一個(gè)熒光傳感器，當(dāng)神經(jīng)元活躍時(shí)，熒光傳感器就會(huì)發(fā)光。而后，研究人員在顯微鏡下觀察了48種不同的蠕蟲反復(fù)暴露在5種化學(xué)物質(zhì)中。平均而言，每一種化學(xué)物質(zhì)會(huì)激活50或60個(gè)神經(jīng)元。

　　通過觀察數(shù)據(jù)集的基本屬性，如每個(gè)時(shí)間點(diǎn)有多少細(xì)胞活躍，研究團(tuán)隊(duì)無法立即區(qū)分不同的化學(xué)物質(zhì)。因此，他們轉(zhuǎn)向了一種叫做圖論的數(shù)學(xué)方法，分析了細(xì)胞對之間的集體交互作用：當(dāng)一個(gè)細(xì)胞被激活時(shí)，其他細(xì)胞的活性是如何變化的。

　　這種方法表明，每當(dāng)線蟲暴露在氯化鈉(鹽)中，首先會(huì)在一組神經(jīng)元(可能是感覺神經(jīng)元)中出現(xiàn)一波活動(dòng)，但大約30秒后，其他神經(jīng)元的三聯(lián)體開始強(qiáng)烈協(xié)調(diào)它們的活動(dòng)。在其他刺激之后，這些相同的三聯(lián)體并沒有出現(xiàn)，讓研究人員能基于大腦模式，準(zhǔn)確地識(shí)別蠕蟲何時(shí)暴露于鹽中。

　　Chalasani說：“線蟲似乎對鹽很感興趣，會(huì)利用大腦中完全不同的電路結(jié)構(gòu)做出反應(yīng)。這可能是因?yàn)辂}通常代表細(xì)菌，而細(xì)菌是蠕蟲的食物。”

　　接下來，研究人員使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法確定了線蟲大腦對這五種化學(xué)物質(zhì)的反應(yīng)中其他更細(xì)微的差異。該算法能夠?qū)W習(xí)區(qū)分線蟲對鹽和苯甲醛的神經(jīng)反應(yīng)，但經(jīng)?；煜渌N化學(xué)物質(zhì)。

　　Chalasani說:“無論我們做了什么分析，這都是一個(gè)開始，但對于大腦如何區(qū)分這些物質(zhì)，我們?nèi)匀恢坏玫搅瞬糠执鸢??！?/p>

　　當(dāng)然，研究人員的最終目標(biāo)不是讀懂微小蠕蟲的思想，而是為了更深入地了解人類如何在大腦中編碼信息，以及在感覺處理障礙和相關(guān)病癥中出錯(cuò)時(shí)會(huì)發(fā)生什么，如焦慮、注意缺陷多動(dòng)障礙、自閉癥譜系障礙等。（辛雨）