如果在淡水中生活的小型真渦蟲地中海圓頭渦蟲（Schmidtea mediterranea）的眼睛發生了什麼意外，它們可以在幾天內把眼睛長回來。它們是如何做到這一點的，這是一個科學難題---美國懷特黑德研究所的Peter Reddien實驗室多年來一直在研究這個問題。
該實驗室的最新項目提供了一些啟示：在一項新的研究中，Reddien實驗室的研究人員鑑定出一類新的細胞，在這種真渦蟲完成重建它的神經迴路的困難任務時，這些細胞可能作為一種路標（guidepost），幫助將它的軸突從眼睛引導到大腦中。相關研究結果發表在2020年6月26日的Science期刊上，論文標題為「Muscle and neuronal guidepost-like cells facilitate planarian visual system regeneration」。
圖片來自Science, 2020, doi:10.1126/science.aba3203。
地中海圓頭渦蟲的眼睛由捕捉光線的感光神經元組成，這些神經元用長而細的突起（稱為軸突）連接到大腦中。它們利用眼睛對光線的反應來幫助它們在環境中導航。
真渦蟲是研究再生的流行模型，它們可以重新長出身體的幾乎任何部分；眼睛是一個有趣的研究部分，這是因為再生視覺系統需要真渦蟲重新連接它們的神經元以連接到大腦。
當神經系統在胚胎中發育時，第一批神經纖維，稱為先鋒軸突（pioneer axon），蜿蜒穿過組織，形成感知和解釋外部刺激所需的神經迴路。軸突沿途得到稱為路標細胞（guidepost cell）的特殊細胞的幫助。這些特殊細胞被安置在選擇點--軸突的路徑可能會在不同的方向發生分叉的地方。
在許多有機體中，一旦發育完成，這些路標細胞就不再是優先考慮的問題，而且通常在成年後就不再更新。這也是為什麼當人類遭遇大腦或神經損傷時，損傷通常是永久性的原因之一。
Reddien說，「這是一個我們根本沒有想過的再生之謎。當神經系統的初始發育通常涉及一些被認為是短暫的線索時，成年動物如何才能再生功能性的神經系統？」
隨後，在2018年，Reddien實驗室的科學家Lucila Scimone在成年真渦蟲身上發現了一些令人驚訝的東西：一組神秘的細胞，看起來它們可能在引導生長中的軸突方面發揮作用。她注意到了這組細胞，這是因為它們共同表達了兩個不常出現在一起的基因，而且有些細胞明顯地靠近眼睛。
她說，「我被這些細胞吸引住了。」它們以極少的數量出現在她檢查的每一個真渦蟲身上（正常的真渦蟲可能有5個左右這樣的細胞；較大的真渦蟲可能有多達10個）。它們分為兩個不同的群體：一些位於真渦蟲的眼睛周圍，另一些則沿著通往大腦中心的路徑間隔開來。當她追蹤現有軸突從真渦蟲的眼睛通往大腦的路徑時，它們無一例外地與這些細胞的位置相吻合。
當這些研究人員對這些細胞進行表徵時，他們發現它們並沒有表達任何感光神經元特徵性的基因，相反，它們具有經常在肌肉組織中發現的標誌物。Scimone說，「這是非常驚人的，這是因為這不是肌肉細胞在大多數動物中的作用。」
在其他有機體中，路標細胞通常是神經元或神經膠質細胞。肌肉細胞起著路標的作用是不尋常的；但Reddien實驗室過去的研究已發現，真渦蟲肌肉細胞扮演著其他特殊的角色，比如分泌胞外基質。這些研究人員如今想知道，他們是否可以將起著路標的作用添加到真渦蟲肌肉細胞的一長串功能列表中。
為了驗證這一假設，這些研究人員設計了一系列實驗。Reddien實驗室博士後研究員Kutay Deniz Atabay說，「我們開發了一種眼球移植方法：你可以從一隻動物身上取下一個眼球，並將它移植到另一隻動物身上。當你這樣做的時候，該眼球的軸突投射，如果位置合適的話，基本上會將它們自己正確地連接到大腦，從而產生功能狀態。」
這些研究人員還通過基因改造構建出有肌肉細胞但沒有眼睛的真渦蟲，然後將眼睛移植到它們沒有眼睛的頭上。果然，感光神經元正常生長，蜿蜒著向這些肌肉細胞延伸，在遇到這些肌肉細胞後又調整它們自己的軌跡。
如果沒有這些肌肉細胞，情況就不一樣了。當這些研究人員將眼睛移植到沒有這些肌肉細胞的真渦蟲身體的較遠部位時，感光神經元並沒有連接到大腦中心。同樣地，當他們將眼睛移植到經過基因改造沒有這些肌肉細胞的真渦蟲身上時，它們的感光神經元仍然在生長---但是這些感光神經元並沒有正確地連接到大腦。
這些發現綜合起來表明，這些細胞完全獨立於視覺系統---它們並不是因為眼睛或感光神經元而形成的，而很可能是在這些神經元生長之前就已經建立起來了---這為它們起著路標的作用提供了更多證據。
這些細胞類似路標的活動引出了一個問題：這些細胞如何知道它們自己的位置？Reddien說，「我們發現肌肉中有一種信號分子的模式，這種模式決定了這些細胞的位置。如果我們擾亂這個系統的全局位置信息，那麼這些細胞就會被放置在錯誤的位置，然後軸突就會延伸到錯誤的位置---因此我們認為有一個位置信息框架，在再生過程中放置這些細胞，這使得它們能夠在正確的位置上作為路標發揮作用。」
目前，這些研究人員還不知道這些細胞究竟是如何與生長中的軸突進行溝通，以充當路標的作用。它們可能釋放某種信號分子吸引軸突，也可能是利用跨膜蛋白進行交流。
Reddien說，「這將是未來一個令人興奮的研究方向。我們如今鑑定出這些細胞的轉錄組，這意味著我們知道這些細胞表達的所有基因。這為我們提供了一個有趣的可以從功能上進行探究的基因列表，以便嘗試觀察哪些基因介導這些細胞的功能。」
這項研究在旨在擴大再生醫學能力的一系列工作中向前邁進了一步。Atabay說，「想像一下有人經歷脊髓損傷或眼睛損傷或中風而導致神經迴路喪失的場景。我們如今無法完全治癒這些病例的原因是，我們缺乏關於這些系統如何再生的基本信息。研究具有再生能力的有機體可以提供很多見解。就這項研究而言，我們觀察到，再生失去的系統可能是不夠的，你可能還需要再生讓該系統保持正確模式的系統。」