動(dòng)物不像植物那樣能通過光合作用產(chǎn)生氧氣——然而要給我們的大腦提供大量能量，必然需要氧氣。在一篇新發(fā)表于iScience期刊的論文中，研究者找到了一種利用光合作用給動(dòng)物大腦神經(jīng)元供氧的方法：他們將藍(lán)藻（cyanobacteria）或綠藻（green algae）注射到非洲爪蟾（Xenopus laevis）的蝌蚪體內(nèi)，并剝奪氧氣，迫使大腦活動(dòng)停止。再將動(dòng)物暴露在光照下時(shí)，體內(nèi)的微生物能夠產(chǎn)生氧氣，繼續(xù)維持神經(jīng)活動(dòng)。

來(lái)自新澤西羅文大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家戴安娜·馬丁內(nèi)斯（Diana Martinez）評(píng)論說：“能否利用進(jìn)行光合作用的生物，來(lái)提升大腦中的氧氣含量？這篇文章的作者們采用了一種優(yōu)雅、很容易重復(fù)的實(shí)驗(yàn)手段來(lái)探究該問題?！?strong>該研究第一次在原理上證明了：利用自然資源能解決病理性損傷導(dǎo)致的大腦缺氧，例如心臟病發(fā)作和中風(fēng)。

慕尼黑大學(xué)的神經(jīng)科學(xué)家漢斯·斯特拉卡（Hans Straka）和他的團(tuán)隊(duì)對(duì)大腦中的耗氧很感興趣，他們采用成熟的技術(shù)移除了蝌蚪的頭部，讓蝌蚪在有氧氣和營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)的液體環(huán)境中存活了幾天，并使其保有生理機(jī)能。斯特拉卡和慕尼黑大學(xué)的植物生物學(xué)家約格·尼克爾森（J?rg Nickelsen）在吃午飯時(shí)萌發(fā)了合作項(xiàng)目的想法，并討論出解決方案：探究能否利用進(jìn)行光合作用的微生物來(lái)給大腦供氧。

一只注射綠藻于心臟中的非洲爪蟾

SUZAN ?ZUGUR AND HANS STRAKA

來(lái)自瑞士伯爾尼大學(xué)的邁拉·查韋斯·羅薩斯（Myra Chávez Rosas）當(dāng)時(shí)是尼克爾森實(shí)驗(yàn)室的一名博士后，在當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)中，他負(fù)責(zé)培育能通過光合作用產(chǎn)生氧氣的綠藻（Chlamydomonas reinhardtii，萊茵哈特衣藻）和藍(lán)藻（Synechocystis sp. PCC6803）。畢業(yè)于斯特拉卡實(shí)驗(yàn)室的研究生蘇珊·奧祖格（Suzan ?zugur）負(fù)責(zé)將含有綠藻或藍(lán)藻的懸浮液注射到剛發(fā)育出前肢的蝌蚪心臟內(nèi)，心臟在泵血過程中通過血管將微生物輸送到大腦的脈管系統(tǒng)。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在光照環(huán)境下，注射了光合作用微生物的實(shí)驗(yàn)組，腦室內(nèi)氧濃度上升，而在對(duì)照組動(dòng)物上（未注射或被注射了無(wú)法產(chǎn)生氧氣的綠藻/藍(lán)藻突變型）沒有觀察到該現(xiàn)象。研究者首先去除了水環(huán)境中的氧氣，通過電生理記錄發(fā)現(xiàn)，動(dòng)物大腦主要的神經(jīng)活動(dòng)停止了。但通過光照，實(shí)驗(yàn)組動(dòng)物大腦內(nèi)的神經(jīng)活動(dòng)重新開始；停止給光，神經(jīng)活動(dòng)再次停止。

雖然這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)取得了成功，但馬丁內(nèi)斯提醒道：“我們還不清楚這一發(fā)現(xiàn)能否用于治療大腦缺氧的疾病。首要問題是，非洲爪蟾的蝌蚪是透明的，光照很容易穿過皮膚激活光合生物來(lái)產(chǎn)生氧氣。將這種方法運(yùn)用到結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的動(dòng)物上存在困難，光照無(wú)法輕易穿透皮膚到達(dá)腦室進(jìn)而激活光合生物。”另外，除了低氧會(huì)導(dǎo)致問題，過氧同樣會(huì)引發(fā)大腦損傷。“因此，如果不能準(zhǔn)確地控制這些光合生物產(chǎn)生氧氣的速率，這樣做帶來(lái)的危害和缺氧一樣可怕?！彼a(bǔ)充道，首先在類腦器官和腦切片上測(cè)試這項(xiàng)技術(shù)，會(huì)幫助我們深入了解它的生理學(xué)影響。

斯特拉卡承認(rèn)這項(xiàng)研究還處于初步階段，想要將這種策略向臨床轉(zhuǎn)化還“非常遙遠(yuǎn)”。短期來(lái)看，斯特拉卡的團(tuán)隊(duì)將集中攻克幾個(gè)問題，包括引入光合作用微生物造成的免疫反應(yīng)，以及微生物產(chǎn)生的糖能否被蝌蚪的大腦利用。

來(lái)自賓夕法尼亞州葛底斯堡學(xué)院的生物學(xué)家瑞安·克尼（Ryan Kerney）并未參與這項(xiàng)新的研究（克尼的研究方向是藻類和蠑螈之間共生關(guān)系），他說：“在過去的10年內(nèi)，有不少研究課題試圖建立和藻類的人工共生關(guān)系，想要從生物學(xué)上拓展或操控脊椎動(dòng)物的功能。這些研究真的非常激進(jìn)?！笨四嵫a(bǔ)充道，比起像CRISPR*這樣廣泛使用的基因改造技術(shù)，將微生物人為地插入細(xì)胞或其它組織中來(lái)調(diào)節(jié)功能，這些方法大都不規(guī)范并且缺乏詳細(xì)審查。他表示，大量未知因素、以及藻類致病的例子都讓這種策略顯得有些冒險(xiǎn)。“但潛在的應(yīng)用同樣也引人入勝：我們的大腦活動(dòng)可以擺脫呼吸嗎？”

*譯者注

CRISPR，clustered regularly interspaced short palindromic repeats，規(guī)則成簇的間隔短回文重復(fù)序列，從原核生物中提取，其中含有曾經(jīng)侵入過的噬菌體的基因片段，這些基因片段能幫助研究者準(zhǔn)確有效地進(jìn)行基因編輯。

原文

https://www.the-scientist.com/news-opinion/scientists-use-photosynthesis-to-power-an-animal-s-brain-69307

本文來(lái)自微信公眾號(hào) “神經(jīng)現(xiàn)實(shí)”（ID：neureality），作者：Abby Olena，翻譯：Orange Soda，審校：郵貍，編輯：Orange Soda，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

關(guān)鍵詞： 綠藻 大腦