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把眼镜架在头顶,研究生物信号在头脑中的翻云覆雨

科普中国网    2021-06-25 15:58

查尔斯·祖克(Charles Zuker)喜欢分享,他总是习惯性地将眼镜架在头顶,向别人介绍起自己的成果。

如果要用一句话对他的研究进行概括,也许可以说:祖克揭开了味觉之谜。

祖克是谁?

1957年,作为犹太移民的后裔,查尔斯·祖克出生于智利。在13岁的成人礼上,他收到的礼物是一个双目显微镜。当他第一次用眼睛看到微小的东西时,好奇心和探索欲在体内开始翻涌,他感觉如同“打开了一个全新的世界”。

不出所料,长大后的祖克投身到科学之中。

20世纪六七十年代,正是现代生物学爆发的时期。随着各项新理论、新技术的出现,科学家们将生物研究推动到了分子层面。DNA、基因、蛋白质这些名词,是当年学术圈最时髦的话语。

16岁的祖克考上了大学,所选专业正是生物学。三年之后,他选择了继续深造,只身来到美国麻省理工学院开始博士生涯。在这里,祖克做的课题是细胞分化的研究。他的表现十分突出,当时的导师对祖克的评价是:“天赋异禀,极为高产(very talented, very productive)”。

然而,命运偶尔会开一个不大不小的玩笑。经过三年多的研究,祖克自认为已经完成了课题任务,自信满满地开启了博士论文的评审答辩。然而,严格的评审委员会觉得祖克做的还不够,决定让他补充一些额外的实验。原本,祖克打算去欧洲,找个本领域的博士后职位继续研究,但这一耽误,就让计划落了空。

这次挫折,却阴差阳错地为祖克开启了另一扇门。

1983年,通过答辩的祖克继续留在美国,并去到加州大学伯克利分校,加入了杰拉尔德·鲁宾的实验室。在这里,他被分到的研究任务是研究果蝇视网膜上一种光敏蛋白。正是在鲁宾的实验室,祖克接触到了一种当时世界最前沿的技术,可以把DNA 片段插入果蝇基因组中特定位置,以此观察某些基因的具体作用。在这里潜心钻研了4年,学有所成的祖克,前往加州大学圣地亚哥分校,自立门户,继续着果蝇视觉的研究。

不过,小小的果蝇似乎不能满足他旺盛的求知欲,祖克在不断了解新的领域。1995年,他偶然读到了一篇有关味觉系统的论文。祖克惊讶地发现,对于“味觉”这种感官,科学家们连一些最基本的问题都还没搞懂。

祖克意识到,这也许是上天给自己的机会。

凑齐五块拼图

说起味觉,我们都很熟悉。

酸甜苦咸鲜,人类舌头能尝出这五种味道。之所以是这五种,简单来说,就是它们能帮助人类快速评估食物中的营养成分:

甜味可以识别食物中的糖分,帮人们补充能量;

鲜味可以反应出氨基酸,这是合成蛋白质的原料;

咸味能让我们辨别出盐分,从而让我们维持体内的电解质平衡;

酸味和苦味,则可以作为一种预警,告诉我们,现在嘴巴里的可能是变质或者有毒的食物。

只涉及到了5种信号,使得味觉的研究看似简单。但在1995年的时候,人们却连“舌头怎么识别味道”都还没搞清楚。如果把这个问题翻译成学术一些的表达,那就是 “我们舌头上对味道分子的受体是什么?”

舌头上感知味道的部分是味蕾,成年人大约有1万个味蕾,每个味蕾中又有100个左右的味觉细胞。正是这些味觉细胞,帮我们分辨酸甜苦咸鲜,而其中的关键就是味觉受体(Taste receptor)。

味觉受体的本质是一类蛋白质,它们能够与细胞周围的化学物质发生反应,产生特定的信号,从而引起细胞状态改变。如果把味觉细胞比喻成一个屋子,那么味觉受体就好比是门铃。食物进到你的嘴里后,那些风味分子就会与味觉细胞上的受体碰撞。每一次碰撞,就如同按下了一次门铃。不同味道对应的门铃不同,味觉细胞就能判断此时在门外的是哪种口味。

为了找到这些味觉受体,祖克立刻行动了起来。他把目光从果蝇身上抬起,转而投向了与人类同为哺乳动物的小鼠。他与合作者对小鼠的味蕾和遗传信息进行分析,来寻找味觉受体的蛛丝马迹。

2000年,经过大海捞针般的搜索,祖克终于发现了一类叫做T2R的蛋白,可以对放线菌酮、苯甲地那铵等苦味分子产生反应。也就是说,他们找到了苦味受体。

万事开头难,有了苦味受体的研究经验,后续工作的展开就顺利了起来。2001年,祖克团队指出甜味的受体T1R2和T1R3;2002年,他们锁定了用来感受氨基酸的鲜味受体,是T1R1与T1R3的组合。至于咸味受体的发现,则要等到2010年,祖克实验室发现一种叫做ENaC的离子通道(也是一种蛋白质),可以感受氯化钠等盐分。

最为困难的,则是酸味受体的探索。早在2006年,祖克等人就报道了一种疑似酸味受体,但后续的研究发现这个受体并不是正确答案。直到2019年,祖克团队在《细胞(Cell)》杂志上发表了一篇论文,正式宣布发现了酸味受体!他们在小鼠的味觉系统中发现了一种叫做Otop-1的离子通道,可以检测食物的pH,从而让小鼠对酸味产生反应。

从1995年偶然读到论文,到2019年酸味受体的发现,经过二十多年的努力,祖克终于集齐了味觉受体的5块拼图。

从舌尖到大脑

在知道了具体的受体后,祖克还想着挖掘更深入的机制,研究舌头和大脑间是如何配合从而让我们有了味觉。

起初,人们的想法是:舌头就如同一个前哨站,直接把尝到的味道告诉给大脑,从而让大脑来做出决策,是继续咀嚼还是马上吐掉。

但祖克没有轻易下结论,而是扫描起了小鼠的脑袋。研究团队利用脑成像技术,观察小鼠对食物的反应。不同口味的食物,会在小鼠大脑皮层的不同位置显示出激活信号。随后,他们用一些化学物质,让一些神经元暂时丧失功能。结果发现,当把甜味区域的神经元关闭时,小鼠无法识别出甜味,但是仍然可以检测到苦味;当这些药物被洗掉后,小鼠又恢复了品尝甜味的能力。与之类似,关闭苦味神经元可阻止小鼠识别苦味,但它们仍可尝到甜味。

这些实验指向了一个结论:舌头上的味觉细胞可以检测出甜味或苦味的信号,但大脑却为这些化学物质提供了意义。换句话说就是:舌头只是尝到了一个东西,但大脑告诉我们那是甜还是苦。

这还没完,既然是大脑来辨别味觉,那我们是否可以反其道而行之,通过操控大脑的相关区域,来直接感受特定的口味?

近年来,一种名为光遗传技术的方法得到了快速发展,它可以精准控制特定细胞的活动。有了这项新技术,祖克就可以直接用激光来激活脑中特定的味觉神经元。

他们在小鼠的头上植入了这种装置,并在它喝水时,刺激大脑中的甜味神经,结果小鼠开始疯狂舔食面前的纯水。在对比实验中,对同样在喝水的小鼠进行刺激,只不过这次激活了脑中的苦味神经元,结果小鼠立刻停止了喝水,甚至还做出了呕吐的动作。这些现象表明,通过操纵代表甜味和苦味的脑区,可以直接控制动物的感官知觉与行为。

知道了哪些受体可以感受味觉,又弄懂了味觉是如何发生的,这些就回答了关于味觉的What和How。但还有关于Why的问题——为什么我们喜欢甜,而讨厌苦(大多时候)?

对此,祖克给出的答案是杏仁核(Amygdala)。杏仁核位于脑的前颞叶背内侧部,主要功能是产生和调节情绪。而品尝不同的味道会刺激杏仁核的不同部位,从而产生了不同的情绪。

于是,小鼠们再次“遭殃”:当打开味觉皮层与杏仁核的甜味连接后,小鼠对水的反应,就像糖一样,喝水带来的愉悦急速提升,普通的纯水变成了“快乐水”;与之相比,在小鼠喝糖水时,如果打开苦味连接,它们立刻会表示嫌弃,尽管嘴里的水是甜的。

从味觉受体蛋白、到大脑中的味觉地图、再到杏仁核对“嗜甜厌苦”的情绪调控。看似简单的味觉背后,隐藏着复杂的机制与道理。这世界上的无数美食与万千风味,不过是从你我舌尖到大脑,生物信号的一场翻云覆雨。

味觉之外

现如今,祖克已然成为“味觉研究”的集大成者,但他并不满足。

他还想弄懂,我们脑袋中那1000亿个神经元,究竟是如何理解世界的:或明或暗的光线,如何让你“看到”图像?声带震动的声波,怎么变成脑海中回荡的词语?一种香水的气息,为何让你想起某个故事或某个人?

为了回答这些问题,64岁的祖克还在投入巨大的精力与热情——他要揭开人类感官的全部奥秘。

 

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责任编辑: 4126TJ

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人家也是有底线的啦~
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