这听起来像是一个聚会上的把戏:科学家们现在可以通过观察一只小虫子的大脑活动，告诉你它几秒钟前闻到了哪种化学物质。但索尔克大学副教授斯瑞坎斯·查拉萨尼(Sreekanth Chalasani)领导的一项新研究的发现不仅仅是一个新奇的发现;它们帮助科学家更好地理解大脑是如何运作和整合信息的。

“当我们开始研究这些感官刺激对单个细胞和蠕虫大脑内连接的影响时，我们发现了一些意想不到的事情，”分子神经生物学实验室成员、这项新研究的高级作者Chalasani说，该研究于2021年11月9日发表在《公共科学图书馆计算生物学》杂志上。

Chalasani感兴趣的是，在细胞水平上，大脑如何处理来自外部世界的信息。研究人员无法同时追踪活人体内860亿个脑细胞的活动，但他们可以在只有302个神经元的微小蠕虫秀丽隐杆线虫中做到这一点。Chalasani解释说，在像秀丽隐杆线虫这样的简单动物中，研究人员可以在动物执行动作时监测单个神经元。这种分辨率目前在人类甚至老鼠身上都不可能实现。

Chalasani的团队开始研究秀丽隐杆线虫的神经元如何对五种不同的化学物质做出反应:苯甲醛、二乙酰、异戊醇、2-壬酮和氯化钠。先前的研究表明，秀丽隐杆线虫可以区分这些化学物质，对人类来说，这些化学物质闻起来大致像杏仁、黄油爆米花、香蕉、奶酪和盐。虽然研究人员知道直接感知这些刺激的少数感觉神经元的身份，但Chalasani的研究小组对大脑其他部分的反应更感兴趣。

研究人员对秀丽隐杆线虫进行了改造，使它们的302个神经元中的每一个都含有一个荧光传感器，当神经元活跃时，荧光传感器就会发光。然后，他们在显微镜下观察48种不同的蠕虫，让它们反复接触这五种化学物质。平均而言，50或60个神经元会对每种化学物质做出反应。

通过观察数据集的基本特性——比如在每个时间点有多少细胞处于活跃状态——Chalasani和他的同事无法立即区分不同的化学物质。因此，他们转向了一种叫做图论的数学方法，它分析了成对细胞之间的集体相互作用:当一个细胞被激活时，其他细胞的活动是如何响应的?

这种方法表明，无论何时秀丽隐杆线虫暴露于氯化钠(盐)中，首先会有一组神经元(很可能是感觉神经元)的活动爆发;但大约30秒后，其他三组神经元开始强烈地协调它们的活动。在其他刺激之后，这些不同的三胞胎并没有出现，这使得研究人员仅根据大脑模式就能准确地识别出蠕虫何时暴露于盐中。

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接下来，研究人员使用一种机器学习算法来确定大脑对这五种化学物质的反应中其他更微妙的差异。该算法能够学会区分对盐和苯甲醛的神经反应，但经常混淆其他三种化学物质。

Chalasani说:“无论我们做了什么分析，这都是一个开始，但对于大脑如何区分这些东西，我们仍然只能得到部分答案。”

不过，他指出，研究小组的研究方法——观察大脑对刺激的整个网络反应，并应用图论，而不是仅仅关注一小部分感觉神经元以及它们是否被激活——为更复杂、更全面地研究大脑对刺激的反应铺平了道路。

当然，研究人员的最终目标不是读懂微观蠕虫的思想，而是更深入地了解人类如何在大脑中编码信息，以及当感觉处理障碍和焦虑、注意力缺陷多动障碍(ADHD)、自闭症谱系障碍等相关疾病出现问题时会发生什么。