Convergence, chemical transmission and co-location of sensory inputs on the C. elegans AIY interneuron: a connectome test of the semblance hypothesis
本研究通过对秀丽隐杆线虫（*C. elegans*）连接组重建的结构证据表明，感觉神经元在化学上趋同并共位于 AIY 中间神经元上，这一方式与相似性假设（semblance hypothesis）所预测的结构前提相一致，尽管所提出的中间突触后功能性连接的实际形成仍有待实验验证。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是一篇未经同行评审的预印本的AI生成解释。这不是医疗建议。请勿根据此内容做出健康决定。 阅读完整免责声明
大脑是一台为了理解世界而构建的机器，然而，其最深刻的奥秘之一仍然在于：一个物理性的细胞网络是如何产生私密的、内在的体验的。我们知道神经元彼此连接，通过传递电脉冲或化学微声信号来构建我们的感知与记忆。但是，被称为“连接组”的标准连接图谱尚未解释大脑是如何创造出“自我”的感觉，或是特定气味或味道的感官体验。一个被称为“似象假设”（semblance hypothesis）的理论构想提出了一个缺失的环节：即当大脑学习将两件事物联系在一起时，参与其中的神经元微小的接收端可能会在物理上接触或连接起来，从而允许它们直接共享信号。如果这是真的，大脑只需激活指向另一物的连接，就能产生对某一事物的记忆，从而在原始刺激不存在的情况下创造出第一人称的感官体验。为了测试这种机制是否可能存在于生物体中，研究人员转向了一种神经系统足够简单以便完整绘图，却又足够复杂以进行学习和记忆的生物。
这项调查的研究对象是秀丽隐杆线虫（C. elegans），这是一种成年体内恰好拥有302个神经细胞的微小生物。科学家已经利用强大的电子显微镜重建了这种蠕虫神经系统的整个布线图，绘制了一张包含每个神经元之间所有连接的三维图谱。在本研究中，研究人员专注于线虫大脑的一个特定部分，即神经环（nerve ring），其中包含了大约180个此类神经元。他们特别感兴趣的是，线虫如何学习关联不同的感觉，例如将食物的味道与它的味道联系起来，或者将温度的感觉与特定位置联系起来。他们测试的理论认为，为了实现这些关联，感知食物、气味和温度的神经细胞应该全部汇聚到一个单一的接收神经元上，并且它们之间的连接应该是化学性的而非电性的。此外，如果该理论成立，这些感觉神经的微小接收端应该紧密地排列在那个接收神经元的特定位置，几乎相互接触，以允许信号的直接共享。
研究人员检查了三个不同的、完全重建的线虫神经环图谱，以观察食物、气味和温度的感觉神经是否确实在理论预测的地方汇合。他们发现，感知食物的神经、感知气味的神经以及感知温度的神经，都将绝大部分的连接导向了一个名为AIY的单一中间神经元。这种汇聚比随机发生的可能性要高得多；这些感觉神经并没有将其连接随机散布在许多可用的神经元中，而是高度集中于这一个目标。此外，研究人员还检查了这些神经所做的连接类型。虽然线虫的神经系统包含电性和化学性连接的混合，但这些感觉神经到AIY神经元的连接几乎完全是化学性的。这一区别至关重要，因为所提议的创造内在感官的机制依赖于化学传输，它允许实现学习所需的特定且灵活的变化，而非电性连接那种僵化、即时的特性。
测试中最微妙的部分是寻找物理上的接近程度。由于线虫的神经没有大型动物那样复杂的分支结构，研究人员寻找的是不同感觉神经的接收端落在AIY神经元上完全相同位置的情况。他们发现，感知食物的神经确实聚集在AIY神经元一侧的几个特定位置，看起来比随机概率预测的要紧密得多。这种聚集现象在感知气味或温度的神经中并未出现，同样，在不同感觉（如食物与气味）的神经汇合处也没有出现特殊的聚集。这种模式表明，大脑拥有一种稳定的、内置的结构来处理食物的感觉，这对于生存至关重要；而不同感觉（如食物与气味）之间的联系则可能是更临时且灵活的，仅在动物学习新关联时形成，并可能在不再需要时消解。
研究还揭示了这些神经排列中的一种优雅对称性。位于线虫身体左右两侧的感知食物的神经以镜像模式落在AIY神经元上，即左侧的神经在其中一侧靠近细胞体，而右侧的神经在另一侧靠近。这两个侧面通过一个直接的桥梁在远端相连，允许信号在它们之间传递。这种排列结合了AIY神经元向感觉神经发送信号的反馈回路，暗示了一个可能产生振荡或节奏性变化的电路，这可能有助于线虫通过比较两侧的输入来导航其环境。然而，研究人员谨慎地指出，尽管这些结构特征符合理论的预测，但它们并不是该机制确实发挥作用的证据。图谱显示神经足够接近以实现接触，但它们无法展示这些神经是否真的已经连接，或者是否正在以理论所描述的方式共享信号。
最终，这项工作为关于大脑如何创造内在感觉的理论提供了强大的结构基础，表明线虫的神经系统组织方式使得这种机制成为可能。研究结果证实，感觉输入汇聚于一个特定的目标，它们使用正确的化学传输类型，并且以一种允许直接交互的方式进行聚集。然而，由于在不同感觉之间的习得关联中缺乏类似的聚集现象，这表明这些连接并非线虫大脑中的永久组成部分，而很可能是动态且可变的。要真正证实这一理论，科学家需要观察这些连接在活体学习动物中的情况，并证明破坏这种特定的排列会阻止线虫的感知或记忆。目前，线虫大脑的图谱为这种可能构成意识体验最初步骤的物理架构提供了一个引人入胜的窥见。
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