當線蟲在培養皿中蠕動時，在微小的線蟲更微小的大腦內部發生了什麼？神經科學家現在對這個問題有了比以往任何時候都更詳細的答案。與任何實驗動物（從小鼠到猴子）一樣，這些答案可能包含關於更復雜生物的頭腦內容的線索，包括我們自己頭部的神經迴路中存在的東西。
週一發表在《細胞》雜誌上的一項新的大腦“圖譜”和計算機模型，闡述了線蟲物種秀麗隱杆線蟲的行為與這種模式生物的各個腦細胞之間的聯絡。有了這些發現，研究人員現在可以觀察秀麗隱杆線蟲以特定方式進食或移動，並推斷出該動物特定神經元中許多行為的活動模式。透過建立謙遜的線蟲中的這些大腦-行為聯絡，神經科學家們離理解各種動物大腦（甚至可能是人類大腦）如何編碼行為又近了一步。
普林斯頓大學研究線蟲大腦的神經科學家和物理學家安德魯·萊弗說：“我認為這是一項非常出色的工作，”“研究蠕蟲大腦如何運作最令人興奮的原因之一是，它有望能夠理解任何大腦如何產生行為，”他說道。“我們在蠕蟲中發現的東西構成了在其他生物中尋找的假設。”
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幾十年來，生物學家一直被線蟲生物學的優雅簡潔性所吸引。南非生物學家悉尼·布倫納因其開創性工作而獲得2002年諾貝爾生理學或醫學獎，這項工作使秀麗隱杆線蟲成為研究細胞成熟和器官發育的實驗動物。秀麗隱杆線蟲是第一個完成整個基因組和神經系統 mapping 的多細胞生物。第一個秀麗隱杆線蟲大腦的神經圖譜或“連線組”於1986年發表。在那項研究中，科學家們用彩色鉛筆手繪連線，並繪製了這種一毫米長的透明動物體內302個神經元和大約5,000個突觸中的每一個。從那時起，神經科學的一個分支學科應運而生——一個致力於繪製越來越複雜的生物的大腦圖譜的分支學科。科學家們已經彙編了許多更多線蟲連線組，以及海洋環節動物蠕蟲、蝌蚪、蛆和成年果蠅的大腦圖譜。然而，這些圖譜僅僅是單個動物在特定時間點的快照。它們可以告訴我們很多關於大腦結構的資訊，但很少能說明行為與該結構的關係。
在最新發表的研究中，科學家們深入研究了超過150個秀麗隱杆線蟲神經元（約佔線蟲體內神經細胞的一半，幾乎是集中在動物頭部的所有神經細胞）的形式和功能之間的聯絡，該研究的資深作者、麻省理工學院的神經科學家史蒂文·弗拉維爾說。弗拉維爾和他的同事們將過去在腦圖譜繪製和神經元標記方面的工作與最近開發的顯微鏡方法相結合，這些方法使得可以在蠕蟲移動時掃描秀麗隱杆線蟲的大腦。這使得研究人員可以跟蹤數十條蠕蟲的蠕動、進食以及對外部刺激（如雷射的熱量）的即時反應。“它們是冷血動物，所以它們討厭它，”弗拉維爾說。
科學家們依靠機器學習演算法來訓練他們專門的顯微鏡來跟蹤線蟲的運動。另外，他們編寫了人工智慧軟體程式，以快速可靠地跨影像跟蹤每個神經元的特定訊號。然後，弗拉維爾和他的同事們使用數學建模，確定了在40條線蟲的某些行為期間存在的神經活動模式。所有資料和模型都已在網站WormWideWeb上線上釋出。
托馬斯·傑斐遜大學的神經科學家蒂莫西·莫斯卡說：“這是工作上令人印象深刻的結合，”他沒有參與這項新研究。莫斯卡說，這不是第一次有人對活躍動物進行全腦成像。這也不是一個“一勞永逸的模型”：研究人員沒有研究每一種可能的行為，他們只能觀察神經元核中的活動，而不是細胞之間廣泛的連線。但他指出，將複雜的行為和影像資料與已 mapping 的神經元的身份相結合——並且“真正從中理解一些東西”——是一個巨大的進步。
新澤西理工學院 (NJIT) 的神經生物學家加爾·哈斯佩爾（未參與該研究）說，本質上，結果就像將線蟲大腦的舊式紙質路線圖升級為現代數字路線圖，後者可以包含即時資訊，例如交通和天氣。新澤西理工學院的另一位神經科學家法贊·納迪姆（也未參與這項新研究）同意這個類比，並將該研究的發現稱為“動態地圖”。納迪姆說，能夠跟蹤動物移動時的神經活動，就像能夠觀察汽車在一天中在高速公路上行駛一樣。
該研究的作者觀察到可能適用於秀麗隱杆線蟲以外物種的神經模式。首先，不同的腦細胞似乎在不同的時間尺度上發出訊號：一些在蠕蟲移動的瞬間活躍，而另一些則在運動結束後很久才繼續顯示活動。“它們是動物過去行為在神經系統中迴響的表示，”弗拉維爾解釋道。他補充說，這些神經元可能與記憶、處理或學習有關。
神經元也以不同的組合工作來編碼行為的變化——向後移動時向右轉與向前直行時向右轉是不同的。最後，科學家檢查的大約三分之一的腦細胞沒有表現出與特定任務相關的活動模式。相反，它們是靈活的；它們完全改變了訊號機制，以響應熱雷射引起的應激。
納迪姆說：“這些結論對任何從事神經科學研究的人來說都不足為奇。”但與過去的理論和發現一致的額外證據證明，增強了這些方法的價值。“我們在這裡擁有的是一個真正強大的工具”，可用於未來的科學進步，他補充道。弗拉維爾說，這種新的生物學知識可能會為我們正在進行的構建更好的人工智慧系統的努力提供資訊。
莫斯卡指出，這項研究中使用的相同策略可能有助於闡明其他模式動物（如斑馬魚或果蠅）的大腦-行為聯絡。透過未來的工作，科學家們將能夠進一步集中研究大腦活動和行為之間的因果關係——一勞永逸。納迪姆說，所有這一切都使我們更接近神經科學難以捉摸的終極目標：理解動物如何以及為何做它們所做的事情。