过完冬脑子丢了五分之一?没关系,它们还能再长回来

来源:新浪科技发布时间:2019-04-30

温度是一个重要的影响因素。

鼩鼱是一种不起眼的小动物,它有个不为人知的“技能”:它的大脑能在冬天减掉 20% 的重量,到春天时又部分恢复。科研圈采访马克斯·普朗克鸟类研究所博士后研究员哈维尔·拉扎罗(Javier Lazaro),请他谈谈这一现象背后的机制,以及它对科学研究的意义。

过完冬脑子丢了五分之一?没关系,它们还能再长回来

摄影:Karol Zub。图片由受访者提供

大脑就像一台精密运作的机器,这使得它比其他器官更加脆弱。人可以减掉一部分脂肪组织甚至捐出一个肾,而不对身体健康造成明显的影响,但如果大脑缺了一块可就要出大事了。然而有一种不起眼的小动物,它们的大脑能在冬天减少 20% 左右的重量,春天时再重新长回来一部分,它就是鼩鼱(qú jīng)。

鼩鼱的大脑是如何变小的?它们会不会在冬天变得更笨,在春天变聪明?马克斯·普朗克鸟类研究所(Max Planck Institute for Ornithology)的博士后研究员哈维尔·拉扎罗(Javier Lazaro)对这一现象进行了研究。科研圈对拉扎罗进行了邮件采访,请他谈谈这一现象的发生机制和意义。

戴奈尔现象

鼩鼱生活在地下洞穴中,长得很像老鼠,但它不属于老鼠所在的啮齿目,而属于鼩形目(Soricomorpha)。鼩鼱的寿命大约是 14 个月。幼崽在初夏出生,并在出生后迎来第一个生长高峰;到了夏末,它们的颅骨开始缩小,大脑缩小并且重量下降,到次年二月达到一个最小值;当次年春季来临,鼩鼱将迎来第二个生长高峰,为繁殖季做好准备,冬天里“瘦下去“的脑子也会部分长回来。

还有研究显示,相似的变化也发生在白鼬和伶鼬身上。波兰动物学家奥古斯特·戴奈尔(August Dehnel)于 1949 年首先描述了这一现象,后来它被命名为“戴奈尔现象”(Dehnel’s phenomenon)。

拉扎罗说:“当我第一次读到这些文献时,我感到非常吃惊——如此令人震惊的形态变化居然一直没有引起科学家们太大的注意!”因此,他主导的第一个项目就是在德国一个小镇附近捕捉野生普通鼩鼱(Sorex araneus),用 X 光扫描测量大脑尺寸,并对它们进行芯片标记,以便进行追踪测量。当时他还是在读博士生。

“通过这种方式,我们第一次能够对个体实时监测鼩鼱颅骨的季节性变化,证明戴奈尔现象是一种极端的形态可塑性(phenotypic plasticity),”拉扎罗说。研究证实,所有个体的颅骨都在冬天缩小,在春天长回来。相关论文于2017年10月发表在《当代生物学》(Current Biology)期刊上,并得到了《纽约时报》(New York Times)等媒体的报道,吸引了大量的关注。

凛冬将至

接下来,哈维尔着手研究是什么样的信号启动了这种大脑变化。在今年 2 月发表在《科学报告》(Scientific Reports)上的最新研究中,研究团队通过将鼩鼱饲养在人工环境中,以观察不同环境因素的作用。他们发现,如果保持恒温环境,鼩鼱的颅骨仍然会在冬季到来之际缓慢、持续缩小,但是在春天不会恢复。

过完冬脑子丢了五分之一?没关系,它们还能再长回来

摄影:Christian Ziegler | 图片由受访者提供。

与野外环境不同,实验室里的鼩鼱随时都能吃到充足的食物,这说明它们大脑的缩小并不是冬季食物短缺、营养不良的直接结果。看起来温度是一个重要的影响因素,不过这一现象或许还受到日照时间、遗传等因素的影响,这些问题目前还没有得到深入研究。“所有这些因素都有待探索。我们正处在这个研究方向的开端,试图理解一个复杂的现象,”拉扎罗说。

缩小大脑能够帮助鼩鼱节约能量,进而减少对食物的需求。大脑是出名的“耗能大户”,以人类为例,人的大脑重量大约占体重的 2.5%,消耗的能量却占到整体的 20%;而拉扎罗估计,鼩鼱的大脑重量大约占体重的 2.6%,这一比例和人类相当。通过缩小大脑,鼩鼱能够有效减少能量消耗,进而更容易在冬天存活下来。

即使这种变化可能在一定程度上影响鼩鼱的认知能力,这也是值得的。“鼩鼱大脑的大部分脑区在冬天都会缩小,因此我预期鼩鼱的多种行为和认知功能都会受到影响。事实上,在冬季缩小幅度最大的脑区是新皮层,它通常被认为和哺乳动物的高级认知功能有关,”拉扎罗说。

对野生动物进行全面的认知能力评估非常困难,不过拉扎罗的另一项研究证实, 鼩鼱的空间认知能力在冬季出现了下降。他评论说:“空间学习能力的下降可能会降低它们的捕食效率,这在食物短缺的冬季将成为一个重大不利因素。因此,我们认为大脑缩小带来的好处必然抵消了认知能力受损造成的负面影响。”

鼩鼱的大脑如何“瘦身“?

至于具体的变化机制,拉扎罗说:“这个大问题应该由研究大脑可塑性的科学家们来回答。目前研究导致大脑尺寸变化的组织过程或细胞过程的尝试还很少。鼩鼱大脑缩小和恢复的过程似乎并不是由神经细胞的再生或者死亡造成的。”他们先前的另一项研究发现,在大脑缩小的过程中,新皮层的神经元的胞体会缩小大约 18%,而树突会缩小大约 4%,但这仍不足以解释大脑的整体变化。拉扎罗猜测可能是大脑白质的体积发生了改变,这个方向还没有被研究过。

“这个现象本身很有意思,”马克斯·普朗克脑科学研究所的博士后研究员宋坤评论道,他没有参与拉扎罗的研究,“要知道在小鼠的皮层中,每个神经元都跟上千个神经元有突触联系;这些联系中,神经元胞体上主要都是让它活动减低的抑制性连接,树突上主要是兴奋性连接;如果神经元的胞体和树突都不同程度地变小了,那么这有可能会对神经网络的结构产生巨大的影响。”

戴奈尔现象的存在提醒我们,不要忽视自然节律对生物的潜在影响,尤其是实验动物。宋坤说:“我们研究的小鼠大都饲养在恒温条件下,我们并不知道它们的大脑会不会有自然的季节性变化;如果有,我们也不知道在恒温条件下长大的小鼠大脑中会发生怎样奇怪的变化。”

许多研究已经开始使用树鼩(Tupaia belangeri)作为模式动物,用于研究大脑功能或病毒感染。树鼩与鼩鼱有着相似的名字,但两者在分类学上有很大差异,所以戴奈尔现象对这部分研究应该没有影响。

过完冬脑子丢了五分之一?没关系,它们还能再长回来

树鼩。摄影:Cymothoa exigua | 图片来自 Wikipedia树鼩。

不过,如果要研究大脑的可塑性,鼩鼱或许能成为一个不错的观察对象。例如,我们可以直接比较一个个体拥有不同大脑尺寸时,从解剖学到认知能力等各个层次的差异。拉扎罗说:“这对于理解大脑尺寸和形态的功能意义非常有帮助。弄清楚环境变化、大脑结构变化和大脑功能变化之间的关系,也可以帮助理解哺乳动物大脑的进化历程。”


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