來源：公眾號“科研圈”
撰文：宋志慧
鼩鼱是一種不起眼的小動物，它有個不為人知的“技能”：它的大腦能在冬天減掉 20% 的重量，到春天時又部分恢復。於是我們採訪馬克斯·普朗克鳥類研究所博士後研究員哈維爾·拉扎羅（Javier Lazaro），請他談談這一現象背後的機制，以及它對科學研究的意義。
攝影：Karol Zub。圖片由受訪者提供。
大腦就像一臺精密運作的機器，這使得它比其他器官更加脆弱。人可以減掉一部分脂肪組織甚至捐出一個腎，而不對身體健康造成明顯的影響，但如果大腦缺了一塊可就要出大事了。然而有一種不起眼的小動物，它們的大腦能在冬天減少 20% 左右的重量，春天時再重新長回來一部分，它就是鼩鼱（qú jīng）。
鼩鼱的大腦是如何變小的？它們會不會在冬天變得更笨，在春天變聰明？
戴奈爾現象
鼩鼱生活在地下洞穴中，長得很像老鼠，但它不屬於老鼠所在的齧齒目，而屬於鼩形目（Soricomorpha）。鼩鼱的壽命大約是 14 個月。幼崽在初夏出生，並在出生後迎來第一個生長高峰；到了夏末，它們的顱骨開始縮小，大腦縮小並且重量下降，到次年二月達到一個最小值；當次年春季來臨，鼩鼱將迎來第二個生長高峰，為繁殖季做好準備，冬天裡“瘦下去“的腦子也會部分長回來。
還有研究顯示，相似的變化也發生在白鼬和伶鼬身上。波蘭動物學家奧古斯特·戴奈爾（August Dehnel）於 1949 年首先描述了這一現象，後來它被命名為“戴奈爾現象”（Dehnel’s phenomenon）。
拉扎羅說：“當我第一次讀到這些文獻時，我感到非常吃驚——如此令人震驚的形態變化居然一直沒有引起科學家們太大的注意！”因此，他主導的第一個項目就是在德國一個小鎮附近捕捉野生普通鼩鼱（Sorex araneus），用 X 光掃描測量大腦尺寸，並對它們進行芯片標記，以便進行追蹤測量。當時他還是在讀博士生。
“通過這種方式，我們第一次能夠對個體實時監測鼩鼱顱骨的季節性變化，證明戴奈爾現象是一種極端的形態可塑性（phenotypic plasticity），”拉扎羅說。研究證實，所有個體的顱骨都在冬天縮小，在春天長回來。相關論文於 2017 年 10 月發表在《當代生物學》（Current Biology）期刊上，並得到了《紐約時報》（New York Times）等媒體的報道，吸引了大量的關注。
凜冬將至
接下來，哈維爾著手研究是什麼樣的信號啟動了這種大腦變化。在今年 2 月發表在《科學報告》（Scientific Reports）上的最新研究中，研究團隊通過將鼩鼱飼養在人工環境中，以觀察不同環境因素的作用。他們發現，如果保持恆溫環境，鼩鼱的顱骨仍然會在冬季到來之際緩慢、持續縮小，但是在春天不會恢復。
攝影：Christian Ziegler | 圖片由受訪者提供。
與野外環境不同，實驗室裡的鼩鼱隨時都能吃到充足的食物，這說明它們大腦的縮小並不是冬季食物短缺、營養不良的直接結果。看起來溫度是一個重要的影響因素，不過這一現象或許還受到日照時間、遺傳等因素的影響，這些問題目前還沒有得到深入研究。“所有這些因素都有待探索。我們正處在這個研究方向的開端，試圖理解一個複雜的現象，”拉扎羅說。
縮小大腦能夠幫助鼩鼱節約能量，進而減少對食物的需求。大腦是出名的“耗能大戶”，以人類為例，人的大腦重量大約佔體重的 2.5%，消耗的能量卻佔到整體的 20%；而拉扎羅估計，鼩鼱的大腦重量大約佔體重的 2.6%，這一比例和人類相當。通過縮小大腦，鼩鼱能夠有效減少能量消耗，進而更容易在冬天存活下來。
即使這種變化可能在一定程度上影響鼩鼱的認知能力，這也是值得的。“鼩鼱大腦的大部分腦區在冬天都會縮小，因此我預期鼩鼱的多種行為和認知功能都會受到影響。事實上，在冬季縮小幅度最大的腦區是新皮層，它通常被認為和哺乳動物的高級認知功能有關，”拉扎羅說。
對野生動物進行全面的認知能力評估非常困難，不過拉扎羅的另一項研究證實， 鼩鼱的空間認知能力在冬季出現了下降。他評論說：“空間學習能力的下降可能會降低它們的捕食效率，這在食物短缺的冬季將成為一個重大不利因素。因此，我們認為大腦縮小帶來的好處必然抵消了認知能力受損造成的負面影響。”
鼩鼱的大腦如何“瘦身“？
至於具體的變化機制，拉扎羅說：“這個大問題應該由研究大腦可塑性的科學家們來回答。目前研究導致大腦尺寸變化的組織過程或細胞過程的嘗試還很少。鼩鼱大腦縮小和恢復的過程似乎並不是由神經細胞的再生或者死亡造成的。”他們先前的另一項研究發現，在大腦縮小的過程中，新皮層的神經元的胞體會縮小大約 18%，而樹突會縮小大約 4%，但這仍不足以解釋大腦的整體變化。拉扎羅猜測可能是大腦白質的體積發生了改變，這個方向還沒有被研究過。
“這個現象本身很有意思，”馬克斯·普朗克腦科學研究所的博士後研究員宋坤評論道，他沒有參與拉扎羅的研究，“要知道在小鼠的皮層中，每個神經元都跟上千個神經元有突觸聯繫；這些聯繫中，神經元胞體上主要都是讓它活動減低的抑制性連接，樹突上主要是興奮性連接；如果神經元的胞體和樹突都不同程度地變小了，那麼這有可能會對神經網絡的結構產生巨大的影響。”
戴奈爾現象的存在提醒我們，不要忽視自然節律對生物的潛在影響，尤其是實驗動物。宋坤說：“我們研究的小鼠大都飼養在恆溫條件下，我們並不知道它們的大腦會不會有自然的季節性變化；如果有，我們也不知道在恆溫條件下長大的小鼠大腦中會發生怎樣奇怪的變化。”
許多研究已經開始使用樹鼩（Tupaia belangeri）作為模式動物，用於研究大腦功能或病毒感染。樹鼩與鼩鼱有著相似的名字，但兩者在分類學上有很大差異，所以戴奈爾現象對這部分研究應該沒有影響。
樹鼩。攝影：Cymothoa exigua | 圖片來自 Wikipedia
不過，如果要研究大腦的可塑性，鼩鼱或許能成為一個不錯的觀察對象。例如，我們可以直接比較一個個體擁有不同大腦尺寸時，從解剖學到認知能力等各個層次的差異。拉扎羅說：“這對於理解大腦尺寸和形態的功能意義非常有幫助。弄清楚環境變化、大腦結構變化和大腦功能變化之間的關係，也可以幫助理解哺乳動物大腦的進化歷程。”
參考文獻
1. LaPoint, Scott, et al. "Growth overshoot and seasonal size changes in the skulls of two weasel species." Royal Society Open Science4.1 (2017): 160947.
2. Lázaro, Javier, et al. "Profound reversible seasonal changes of individual skull size in a mammal." Current biology27.20 (2017): R1106-R1107.
3. Lázaro, Javier, et al. "Seasonal reversible size changes in the braincase and mass of common shrews are flexibly modified by environmental conditions." Scientific reports9.1 (2019): 2489.
4. Lázaro, Javier, et al. "Profound seasonal changes in brain size and architecture in the common shrew." Brain Structure and Function223.6 (2018): 2823-2840.
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來源：科研圈
編輯：井上菌
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