「美食家」也有「飢不擇食」的時候！解碼神奇的「戴耐爾」現象

作者：刁雯蕙

封面文章

大腦是代謝最旺盛也是可塑性最高的器官之一，這兩個屬性決定了腦的結構和功能必須不停地適應機體代謝水平的變化，才能提升動物生存機會，常見的變化包括季節性冬眠、遷徙和交配等行為。其中最令人驚奇的當屬戴耐爾現象（Dehnel’s effect），即以鼩鼱為代表的部分哺乳動物，其顱腦與重要臟器的體積在冬天會縮小高達20%，在這樣極端變化下，鼩鼱的大腦發生了怎樣的變化呢？

中國科學院深圳先進技術研究院（以下簡稱深圳先進院）腦認知與腦疾病研究所研究員Robert Naumann帶領團隊，整合國際資源，聯合來自德國、以色列的科學家，深入研究了小臭鼩腦結構和功能隨季節性的變化，解釋了冬季動物體感皮層中更多神經元被觸覺信號抑制的實驗現象，從而揭示小臭鼩冬季捕獵時對獵物選擇「飢不擇食」的自然現象的神經機制。該研究成果於12月16日正式發表於美國《國家科學院院刊》，並被評選為封面文章。

解碼神奇的「戴耐爾」現象

小臭鼩是最小的陸生哺乳動物，屬於鼩鼱科的一種，其體重僅僅2克，它們主要分布在歐亞大陸北緯10度到40度的亞熱帶和溫帶地區，嬌小的體形導致其代謝率極高，無法儲存額外的能量。為了適應生存環境，小臭鼩演化出日間休眠以及冬季的「戴耐爾」現象。為了探索神奇的「戴耐爾」現象，研究團隊利用核磁共振、在體雙光子鈣成像、原位雜交等技術，從大體解剖追蹤到細胞水平的變化，從行為學追蹤到皮層神經元活性的變化，明確了冬夏兩季動物皮層神經元構築的變化。

團隊成員通過核磁共振的方法長期追蹤了小臭鼩的多個腦結構，發現大腦皮層是縮小最顯著的結構，冬季小臭鼩的大腦皮層厚度比夏季縮小約10%。由於小臭鼩視力不發達，捕食主要依賴觸覺，通過對觸覺高度靈敏的鬍鬚來定位獵物。在前期研究中研究人員還發現小臭鼩是捕獵高手，從碰觸獵物到咬死獵物，僅僅需要幾百個毫秒，做到了真正的「秒殺」。

基於上述現象，團隊將研究集中到了小臭鼩的體感皮層。團隊發現，體感皮層的第四層神經元，也就是能量代謝需求最旺盛的皮層亞層，其厚度在冬季的時候減少了28%，同時其它亞層厚度數目卻沒有顯著變化。在皮層第四層中，存在一類Parvalbumin陽性中間神經元（PV神經元），這類抑制型神經元主要功能是抑制周邊神經元活性。根據腦片染色顯示，冬季動物PV神經元數目較夏季減少，這為研究成果提供了解剖學上的數據支撐。

跨越四季，從行為學追蹤到皮層神經元活性

神經元對觸覺信號的反應可以分為被激活、被抑制或者無反應三類。通過在體雙光子鈣成像實驗，研究團隊重複撥動小臭鼩的鬍鬚，記錄皮層神經元的鈣信號，定量神經元對觸覺刺激的反應。通過比較秋冬季與春夏季的實驗，研究團隊發現，在冬季小臭鼩有更多的神經元被觸覺信號激活，和解剖學數據PV神經元在春夏季增多相一致的是，第四層中的神經元被觸覺刺激抑制的比例是秋冬季的2.3倍。

上述實驗現象表明，小臭鼩冬季皮層比夏季薄，且抑制性神經元較少，導致其秋冬季體感皮層神經元更容易被觸覺刺激激活。

早在2012年，Michael Brecht團隊就發現小臭鼩是一個不折不扣的「美食家」，在食物充足的時候，它們偏好捕獵多汁的蟋蟀和蠕蟲而不是有著厚重外甲的土元。但是在食物匱乏的時候，小臭鼩也可以退而求其次，捕獵土元充飢。

「在冬天食物匱乏的情況下，降低體感皮層檢測觸覺信號的閾值，可以令小臭鼩不『挑食』，提升其生存機率。所以冬季減少皮層的體積不僅僅節約能量消耗，也是一種應對惡劣環境的神經適應機制。本研究為理解神經系統應對生態環境挑戰的適應機制，提供了新的視角。」論文共同通訊作者，深圳先進院腦認知與腦疾病研究所基因編輯腦疾病動物模型研究中心研究員Robert Naumann表示。

2017年的諾貝爾獎授予了發現晝夜節律分子機制的三位科學家，對這種周期性神經系統的變化，從晝夜、性周期等等，都已經逐漸被大家熟知和接受。但是季節性神經系統的變化，由於其時間跨度長，採樣困難、實驗周期久，相關研究並不多見，

「該項研究填補了有關季節性神經系統變化的研究方面的空白。通過長期追蹤單個個體以及跨年度對群體動物進行記錄，在細胞水平、生理水平以及大體解剖不同層面，揭示了冬夏兩季動物皮層的自然變化。同時這種長時程的神經系統適應性變化，也可以認為是神經可塑性的一種表現形式。有別於學習記憶這種短時程的變化，季節性的神經可塑性的分子機制還等待著我們揭開它們神秘的面紗。」論文共同作者，深圳先進院腦所研究員王虹表示。

相關論文信息：https://doi.org/10.1073/pnas.1922888117

（原標題：探索小臭鼩的春夏秋冬 深圳先進院等解碼神奇的「戴耐爾」現象）