斑马鱼提供了关于当温度升高时大脑如何反应的惊人见解

当气候变化时，哪些生物存活下来，哪些生物屈服?一条小幼鱼正在为大脑在温度升高时的反应提供令人惊讶的见解。“实际上，这真是太不可思议了。整个大脑都亮了起来，“博士生安娜·安德烈亚森说。

生物体，无论是鱼类还是人类，随着周围温度的升高，往往功能较差。这是许多人可能在有点太热的夏日经历过的事情。但是，当温度变得不舒服地温暖时，身体内部究竟发生了什么呢?

NTNU生物系的研究人员将遗传技术和神经生理学方法相结合，找到了答案。他们的研究发表在《美国国家科学院院刊》上。

“我们想看看限制生物体热耐受性的机制。当地球温度因气候变化而升高时，哪些动物会存活下来，为什么?我们选择观察大脑，“安德烈亚森说。

气候变化引起热浪

席卷各大洲的热浪正变得越来越普遍，生活在水中的动物正在经历的温度正在上升到致命的水平。了解在极高温度下限制生存的因素对于预测生物体将如何应对气候变化至关重要。

“热耐受性是一个已经研究了几十年的话题，温度影响大脑活动的想法是一个古老的观点。新的是，我们现在可以使用遗传技术和神经生理学来研究这种现象，“Andreassen说。

在特隆赫姆的NTNU，研究人员使用新孵化的斑马鱼幼虫来研究它们的大脑活动，同时逐渐提高幼鱼周围的温度。

“这些鱼已经过基因改造，因此大脑中的神经元在活动时会发出荧光。我们可以在显微镜下看到这种光，而幼虫四处游动。这些幼鱼还具有透明的优点。我们可以直接观察活体幼虫的大脑，“安德烈亚森说。

这张照片显示了当一只五天大的幼虫暴露在高温下时，光线是如何在大脑中传播的。图片来源：彼得·霍尔

失去反应能力

通过这种方式，研究人员可以跟踪大脑活动，同时逐渐提高鱼在其中游泳的水温。

“我们可以看到幼虫在变暖时的表现。当它开始变得非常温暖时，它们会失去平衡，开始在圈子里游来游去，肚子向上。

研究人员戳了鱼幼虫以检查它们的反应。它们会轻推幼虫的尾巴，这通常会引发游泳反应。

“在一定的温度下，鱼停止了对戳的反应。他们仍然活着，但在生态学意义上，他们可以被认为是死了。在自然界的这种条件下，它们将无法游离捕食者或找到通往更冷水域的路，“Andreassen说，他补充说，这种情况在小型实验鱼中只是暂时的。

“一旦我们再次将它们放入较冷的水中，它们的状态就一样好，”安德烈亚森说。

热量关闭大脑

到目前为止，实验已经如研究人员所期待的那样进行。通过在鱼的眼睛前照射光线，他们还可以检查大脑是否在感知视觉印象。随着温度的升高，大脑完全停止对刺激的反应，完全不活跃。但后来，当他们把温度调高一点时，发生了一些事情。

“整个大脑都亮了起来。我能描述的最接近我们所看到的是一种癫痫发作，“安德烈亚森说。

通常，您只能在大脑的指定部位看到小光点形式的大脑活动。现在，惊讶的研究人员可以在显微镜下观察荧光如何在几秒钟内扩散并覆盖小鱼幼虫的整个大脑。

“我们知道斑马鱼的大脑与人类的大脑有很多共同之处-70%的遗传物质是相同的-研究人员推测我们在这些鱼幼虫中看到的东西与你在发烧儿童的大脑中看到的东西之间是否存在联系，”Andreassen说。

接下来，研究人员希望将一种特殊类型的脑细胞-神经胶质细胞-置于显微镜下。

“我们很高兴在这里研究的是神经胶质细胞在加热过程中的活性。这些细胞在大脑的氧气供应中起着核心作用-它们都检查氧气水平并调节血流，从而调节氧气供应。因为我们可以看到氧气水平会影响耐热性，所以一种假设是大脑停止工作是因为神经胶质细胞不再能够调节氧气水平。

差异促进进化

为了仔细观察发生了什么，特隆赫姆的研究人员开始操纵鱼游入水中的氧气量，同时提高温度。

“令我们惊讶的是，我们发现氧气水平在控制热耐受性方面起到了一定的作用。当我们添加额外的氧气时，幼鱼在高温下表现更好，具有更高的大脑活动，并且与低氧的鱼相比，暴露于热上限也恢复得更快。

对其他物种的研究在测试氧气浓度对热耐受性的影响时产生了对比结果。

“因此，随着地球温度的升高，对氧气水平的波动'不敏感'可能是一种进化优势。

“研究结果表明，耐热性因物种而异。这可能是决定一个物种是否能够适应气候变化或是否会屈服于气温上升的特征。许多生物生活在缺氧的环境中，温度会迅速高于正常水平。他们将特别脆弱，“安德烈亚森说。

她举了生活在浅淡水区、河流或潮间带的生物为例。

“这些是氧气水平可能发生巨动的栖息地，通常与温度波动同时发生。在这些栖息地中，热耐受性受到氧气水平限制的鱼类可能比不受其影响的鱼类更加挣扎。

“设法在低氧水平下维持神经功能的动物可能是最能忍受高温的动物，”Andreassen说。