動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物大腦神經(jīng)元供氧的方法：他們將藍藻（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，迫使大腦活動停止。再將動物暴露在光照下時，體內(nèi)的微生物能夠產(chǎn)生氧氣，繼續(xù)維持神經(jīng)活動。
來自新澤西羅文大學的神經(jīng)科學家戴安娜·馬丁內(nèi)斯（Diana Martinez）評論說：“能否利用進行光合作用的生物，來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、很容易重復的實驗手段來探究該問題?！?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致的大腦缺氧，例如心臟病發(fā)作和中風。
慕尼黑大學的神經(jīng)科學家漢斯·斯特拉卡（Hans Straka）和他的團隊對大腦中的耗氧很感興趣，他們采用成熟的技術移除了蝌蚪的頭部，讓蝌蚪在有氧氣和營養(yǎng)供應的液體環(huán)境中存活了幾天，并使其保有生理機能。斯特拉卡和慕尼黑大學的植物生物學家約格·尼克爾森（J?rg Nickelsen）在吃午飯時萌發(fā)了合作項目的想法，并討論出解決方案：探究能否利用進行光合作用的微生物來給大腦供氧。
一只注射綠藻于心臟中的非洲爪蟾
SUZAN ?ZUGUR AND HANS STRAKA
來自瑞士伯爾尼大學的邁拉·查韋斯·羅薩斯（Myra Chávez Rosas）當時是尼克爾森實驗室的一名博士后，在當時的實驗中，他負責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）和藍藻（Synechocystis sp. PCC6803）。畢業(yè)于斯特拉卡實驗室的研究生蘇珊·奧祖格（Suzan ?zugur）負責將含有綠藻或藍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)。
研究團隊發(fā)現(xiàn)，在光照環(huán)境下，注射了光合作用微生物的實驗組，腦室內(nèi)氧濃度上升，而在對照組動物上（未注射或被注射了無法產(chǎn)生氧氣的綠藻/藍藻突變型）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)，動物大腦主要的神經(jīng)活動停止了。但通過光照，實驗組動物大腦內(nèi)的神經(jīng)活動重新開始；停止給光，神經(jīng)活動再次停止。
雖然這項實驗取得了成功，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產(chǎn)生氧氣。將這種方法運用到結構更復雜的動物上存在困難，光照無法輕易穿透皮膚到達腦室進而激活光合生物。”另外，除了低氧會導致問題，過氧同樣會引發(fā)大腦損傷?！耙虼耍绻荒軠蚀_地控制這些光合生物產(chǎn)生氧氣的速率，這樣做帶來的危害和缺氧一樣可怕?！彼a充道，首先在類腦器官和腦切片上測試這項技術，會幫助我們深入了解它的生理學影響。
斯特拉卡承認這項研究還處于初步階段，想要將這種策略向臨床轉化還“非常遙遠”。短期來看，斯特拉卡的團隊將集中攻克幾個問題，包括引入光合作用微生物造成的免疫反應，以及微生物產(chǎn)生的糖能否被蝌蚪的大腦利用。
來自賓夕法尼亞州葛底斯堡學院的生物學家瑞安·克尼（Ryan Kerney）并未參與這項新的研究（克尼的研究方向是藻類和蠑螈之間共生關系），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系，想要從生物學上拓展或操控脊椎動物的功能。這些研究真的非常激進?！笨四嵫a充道，比起像CRISPR*這樣廣泛使用的基因改造技術，將微生物人為地插入細胞或其它組織中來調節(jié)功能，這些方法大都不規(guī)范并且缺乏詳細審查。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?！暗珴撛诘膽猛瑯右惨巳雱伲何覀兊拇竽X活動可以擺脫呼吸嗎？”
*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確有效地進行基因編輯。
https://www.the-scientist.com/news-opinion/scientists-use-photosynthesis-to-power-an-animal-s-brain-69307
本文來自微信公眾號 “神經(jīng)現(xiàn)實”（ID：neureality），作者：Abby Olena，翻譯：Orange Soda，審校：郵貍，編輯：Orange Soda，36氪經(jīng)授權發(fā)布。
