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郭爱克——简约而不简单的果蝇,研究乐趣无穷

2018-08-02 15:02 来源: 新华网

说到学习和记忆,大家想到最多的一定是人类的学习和记忆,殊不知,动物也是可以学习和记忆的,甚至,你可以教它们去做选择,但是一般认为只有人类才会记住情节。中国科学院生物物理研究所研究员、中国科学院院士郭爱克所研究的领域就是以果蝇为模式探索脑的认知功能的一些基本原理。

为什么会研究果蝇?这是郭爱克经常被大家问到的一个问题,其实,别看果蝇的个头小,它可是一 种“资深”的模式生物,已经有110年的历史了。果蝇与人类共享了生命和智力演化的一些成果。从遗传学研究到生命的发育研究,再到生物节律等,从1933年到2017年科学家对果蝇的研究已经获得四次诺贝尔生理或医学奖。“果蝇简约不简单,它的很多基因与人类同源。”正如19世纪哲学家叔本华曾说过的,“简约永远是真理和天才的共同特征”,郭爱克这样解释。

在果蝇身上,研究点很多,如睡眠、打斗、进攻、求偶、衰老等,这些行为菜单都是可以从基因、环路和行为层面被精细研究的,而郭爱克感兴趣的并不止于这些,它更多地是聚焦在果蝇的视觉认知和神经计算方面。果蝇的脑有约10万个神经元,其认知和记忆过程是最吸引郭爱克的。他说,“演化和选择机制造就了生命世界的多样性。物种之间的某些机制是保持不变的,在果蝇这种较为简约的动物体中可以探寻这些原理,从而更多地了解生命和智力的本质。但不同的科学问题需要在不同的模式生物上去研究,像意识、语言等问题就要在人类或非灵长类动物中来研究。从而回答哪些在进化上是保守的,哪些是人类唯一拥有的”。

1992年,第十九届国际昆虫学大会在北京举办,那年郭爱克52岁,在会上他遇到了几位来自德国的研究果蝇学习记忆的专家,激起了他研究果蝇学习记忆的强烈的好奇心。1993年,他受邀到著名的海森堡教授实验室短期访问,自此也开启了他的果蝇研究生涯,回国后在中国建立了第一个果蝇视觉学习记忆实验室。从2001年开始,郭爱克在果蝇的基于价值的抉择、跨模态学习记忆,及多巴胺调控抉择等方面进行了开创性研究,短短六年间,他以通讯作者身份,完全在中国完成工作,在美国《科学》杂志上的连续发表了3篇科学论文。

对果蝇的视觉学习和基于价值的抉择研究,是从一些有趣的果蝇在飞行模拟器上的飞行行为实验入手的。因为果蝇可以分辨蓝光、绿光,也可以分辨形状,利用颜色和形状这两个视觉线索,设计一个让果蝇面临两难困境的抉择实验。首先让果蝇学会喜欢正T的绿色图形,代表安全;认识到倒T的蓝色图形代表危险。也就是通过训练让果蝇了解,在这两个视觉线索中,一个与惩罚相联系,而另一个是安全的。在需要果蝇做抉择时,转换了惩罚与视觉线索的搭配,把绿色改设为倒T形,蓝色则作为正T形,这样的新图形就含有两个冲突的线索。果蝇即被要求在这样的两难条件下进行抉择。通过结合红外光的热惩罚,以及图形颜色强度的递减,追踪它飞行的轨迹和方向,统计果蝇在飞行过程中停靠在哪个颜色图形位置的时间分布,来了解果蝇连续的抉择行为,就会最终得到一条S型的抉择曲线,再进一步研究抉择的神经环路机制。这些来自自然界的智慧在未来将可能应用于类脑的人工智能的研发。

在做果蝇研究的过程中,郭爱克和团队也遇到了不少困难,令他印象深刻的是开始做果蝇的抉择实验时,让果蝇学习蓝色和绿色,训练好久,却发现果蝇根本记不住,检验记忆结果都是混乱的。郭爱克立刻联想到一篇科学文献,悟到将实验中所使用的白色背景是问题所在。果蝇需要暗一些的背景色,换了背景色后,结果果然令人欣喜,就像一张糊窗户的纸被捅破一样。但是,有的国外实验室曾经因为这个困难而放弃了果蝇的颜色模式研究。在郭爱克看来,实验过程就是反反复复的,这也是科研的乐趣所在,只要不放弃,终有好结果。

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作者: 刘丫   [责任编辑: 芦俊文]